NaI(TI)单晶γ闪烁谱仪与γ射线能谱的测量γ射线的吸收与物质吸收系数μ的测定【摘要】我们知道原子核的能级跃迁可以产生伽马射线，而通过测量γ射线的能量分布，可确定原子核激发态的能级，这对于放射性分析，同位素应用及鉴定核素等都有重要意义。

同时通过学习了解伽马射线与物质相互作用的特性,测定窄束γ射线在不同物质中的吸收系数μ。

因此本实验通过使用伽马闪烁谱仪测定不同的放射源的γ射线能谱；根据当γ光子穿过吸收物质时，通过与物质原子发生光电效应、康普顿效应和电子对效应损失能量。

闪烁体分子电离和激发，退激时发出大量光子，闪烁光子入射到光阴极上，光电效应产生光电子，电子会在阳极负载上建立起电信号等原理，对γ射线进行研究。

【关键词】伽马射线吸收系数μ60Co、137Cs放射源能谱γ闪烁谱仪【引言】提出问题某些物质的原子核能发生衰变，会放出射线，核辐射主要有α、β、γ三种射线。

我们可以通过不同的实验仪器能够探测到这些肉眼无法看见的射线。

同时由于射线与物质相互作用，导致射线通过一定厚度物质后，能量或强度有一定的减弱，称为物质对射线的吸收。

而这在防护核辐射、核技术应用和材料科学等许多领域都有重要意义。

核辐射主要是α、β、γ三种射线，人工辐射源包括放射性诊断和放射性治疗辐射源、放射性药物、放射性废物、核武器爆炸的落下灰尘以及核反应堆和加速器产生的照射等，辐射时处于激发态原子核损失能量的最显著方式。

γ跃迁可定义为一个核由激发态到较低的激发态、而原子序数Z和质数A均保持不变的退激发过程。

我们使用何种仪器来探测伽马射线，又如何测量物质对射线的吸收规律，不同物质的吸收性能等。

这是都是本次实验需要去解决的问题。

解决问题本实验使用的是γ闪烁谱仪。

γ闪烁谱仪内部含有闪烁体，可以把射线的能量转变成光能。

实验中采用含TI（铊）的NaI晶体作γ射线的探测器。

利用此来研究窄束γ射线在物质中的吸收规律。

【正文】通过查阅相关资料，我了解了伽马闪烁谱仪的基本工作原理以及整个的工作过程。

NaI(TI)闪烁探测器的结构如下图所示。

整个谱仪由探头（包括闪烁体，光电倍增管，射极跟随器），高压电源，线性放大器，多道脉冲幅度分析器等组成。

图一探测器结构闪烁探测器由闪烁体、光电倍增管和相应的电子放大器件三个主要部分组成。

（1）闪烁体: 闪烁体是用来把射线的能量转变成光能的。

本实验中采用含TI （铊）的NaI晶体作射线的探测器。

（2）光电倍增管: 光电倍增管的结构如图2。

它由光阴极K、收集电子的阳极 A 和在光阴极与阳极之间十个左右能发射二次电子的次阴极D（又称倍增极、打拿极或联极）构成。

在每个电极上加上正电压，相邻的两个电极之间的电位差一般在100V左右。

当闪烁体放出的光子打到光阴极上时，发生光电效应，打出的光电子被加速聚集到第一倍增极D1上，平均每个光电子在D1上打出3～6个次电子，增值后的电子又为D1和D2之间的电场加速，打到第二倍增极D2上，平均每个电子又打出3～6个次级电子，……这样经过n级倍增以后，在阳极上就收集到大量的电子，在负载上形成一个电压脉冲。

图 2 百叶窗式光电倍增管示意图（3）射极跟随器：光电倍增管输出负脉冲的幅度较小，内阻较高。

一般在探头内部安置一级射极跟随器以减少外界干扰的影响，同时使之与线性放大器输入端实现阻抗匹配。

（4）线性放大器：由于入射粒子的能量变化范围很大，线性放大器的放大倍数能在10～1000倍范围内变化，对它的要求是稳定性高、线性好和噪声小。

开启实验仪器工作时射线通过闪烁体，闪烁体的发光强度与射线在闪烁体内损失的能量成正比，即入射线的能量越大，在闪烁体内损失能量越多，闪烁体的发光强度也越大。

当射线（如γ、β）进入闪烁体时，在某一地点产生次级电子，它使闪烁体分子电离和激发，退激时发出大量光子（一般光谱范围从可见光到紫外光，并且光子向四面八方发射出去）。

在闪烁体周围包以反射物质，使光子集中向光电倍增管方向射出去，当闪烁光子入射到光阴极上，就会产生光电子，这些光电子受极间电场加速和聚集，在各级打拿极上发生倍增（一个光电子最终可产生104～109个电子），最后被阳级收集。

大量电子会在阳极负载上建立起电信号，通常为电流脉冲或电压脉冲，然后通过起阻抗匹配作用的射极跟随器，由电缆将信号传输到电子学仪器中去。

由原子物理学中可知g射线与物质的相互作用主要是光电效应、康普顿散射和正、负电子对产生这三种过程，如图 3所示。

图 3 γ射线与物质相互作用示意图最终实现了能谱图样的输出如下：图中的横坐标CH表示道数，与能量成正比，纵坐标表示强度，也就是射线的密集程度，与计数成正比。

而γ跃迁可定义为一个核由激发态到较低的激发态、而原子序数Z和质数A 均保持不变的退激发过程。

所谓窄束γ射线是指不包括散射成份的射线束，通过吸收片后的γ光子，仅由未经相互作用或称为未经碰撞的光子所组成。

“窄束”一词是实验上通过准直器得到细小的束而取名。

这里所说的“窄束”并不是指几何学上的细小，而是指物理意义上的“窄束”。

即使射线束有一定宽度，只要其中没有散射光子，就可称之为“窄束”。

窄束γ射线在穿过物质时，由于上述三种效应，其强度就会减弱，这种现象称为γ射线的吸收。

γ射线强度随物质厚度的衰减服从指数规律，即xNxeI eI I r μσ--==00 （1）其中，I 0、I 分别是穿过物质前、后的γ射线强度，x 是γ射线穿过的物质的厚度（单位cm ），σr 是光电、康普顿、电子对三种效应截面之和，N 是吸收物质单位体积中的原子数，μ是物质的线性吸收系数（μ=σr N ，单位为cm ）。

显然μ的大小反映了物质吸收γ射线能力的大小。

需要说明的是，吸收系数μ是物质的原子序数Z 和γ射线能量的函数，且：p c ph μμμμ++= 式中ph m 、c m 、p m 分别为光电、康普顿、电子对效应的线性吸收系数；其中：5ph Zm µ、c Z m µ、2p Z m µ（Z 为物质的原子序数）。

γ射线与物质相互作用的三种效应的截面都是随入射γ射线的能量E γ和吸收物质的原子序数Z 而改变。

γ射线的线性吸收系数μ是三种效应的线性吸收系数之和。

下图给出了铅对γ射线的线性吸收系数与γ射线能量的线性关系。

实际工作中常用质量厚度R m （g/cm 2）来表示吸收体厚度，以消除密度的影响。

因此（3—1）式可表达为ρμ/0)(R m eI R I -= （2）由于在相同的实验条件下，某一时刻的计数率N 总与该时刻的γ射线强度I 成正比，又对（2）式取对数得：ln ln N R N m +-=ρμ （3）由此可见，如果将吸收曲线在半对数坐标纸上作图，将得出一条直线，如右图所示。

/m m r 可以从这条直线的斜率求出，即1212ln ln R R N N m --=-ρμ （4）物质对γ射线的吸收能力也经常用半吸收厚度表示。

所谓半吸收厚度就是使入射的γ射线强度减弱到一半时的吸收物质的厚度，记作：μμ693.02ln 21==d （5）下图为伽马射线与吸收质量密度关系曲线：实验操作程序1阅读仪器使用说明，掌握仪器及多道分析软件的使用方法。

调整实验装置，使放射源、准直孔、闪烁探测器的中心位于一条直线上。

2仪器开机并调整好工作电压（700-750V ）和放大倍数后，预热30分钟左右。

3、把γ放射源137Cs 或60Co 放在探测器前，调节放大倍数为0.3，在600V~850V 之间，调节高压使137Cs 或60Co 能谱的最大脉冲幅度尽量大而又不超过多道脉冲分析器的分析范围。

4、用多道分析器观察137Cs 的γ能谱的形状，识别其光电峰、反散射峰、X 射线峰及康普顿边界等；记录光电峰、反散射峰的峰位（道数）；打印能谱图。

5、测量60Co 的γ能谱，绘制能谱图，记录光电峰位（两个光电峰，能量分别为1.33MeV 和1.17MeV ），结合137Cs 的γ能谱的光电峰（0.662MeV ）和反散射（0.184MeV ）位来标定谱仪的能量刻度，打印能量刻度曲线。

6、用一组铝吸收片测量对 137 Cs 的γ射线（取 0.662MeV 光电峰）的吸收曲线，并用最小二法原理拟合求质量吸收系数。

根据铝的密度（ r = 2.7 g/cm 3）求线性吸收系数，与理论值（0.194 ㎝-1）比较，求相对不确定度。

计算半吸收厚度。

7、重复上述步骤，用一组铅吸收片测量对 137Cs 的γ射线（取0.662MeV 光电峰）的吸收曲线，并用最小二法原理拟合求质量吸收系数。

根据铅的密度（r = 11.34 g/cm 3）求线性吸收系数，与理论值（1.213 ㎝-1）比较，求相对不确定度。

计算半吸收厚度。

数据处理与分析1. Cs 的能谱图测量参数设置，预置时间300s ，高压电源667V ，放大倍数0.3倍，全谱道数512道，扩展道数128道，道数160道2.Co 的能谱图测量参数设置，预置时间500s ，高压电源668V ，放大倍数0.3倍，全谱道数512道，扩展道数128道，道数320道能谱图见附页137Cs 刻度（cm ） 总计数率 峰位 半高宽净面积分辨率 位置一40.518232th=157.53chn 14.90chn 335829.46%位置二 40.7 1864 2th=157.44chn 15.17chn 48644 9.63% 位置三40.317512th=157.44chn14.95chn 397149.5%60Co 刻度（cm ）总计数率 峰位 半高宽 净面积 分辨率 位置一 40.5 412 5th=318.24chn 15.69chn 1758 4.93% 位置二 40.7 424 4th=314.68chn 18.20chn 1298 5.78% 位置三40.3382 5th=323.77chn16.56chn 12645.12%3.利用铝块测量吸收系数参数设置，预置时间300s ，高压电源667V ，放大倍数0.3倍，全谱道数512道，扩展道数128道，位置40.5cm铝块数量 R(g/c ㎡) 计数 总计数率 峰位 半高宽 净面积 分辨率 一块 2.40 1769 832 5th=163.25 1.73chn -163225 1.06% 两块 2.40+2.44 1460 770 163.27 1.59chn -136940 0.97% 三块 2.40+2.44+2.42 1230 723 163.11 1.34chn -121511 0.82% 四块2.40+2.44+2.42+2.43987687163.101.11chn-977930.68%根据吸收系数计算公式 1212ln ln R R N N m --=-ρμ十组数据的平均值：0.078 相对误差59.8%4利用铅块测量吸收系数 上下两边参数一样铅块数量 R(g/c ㎡) 计数总计数率 峰位 半高宽 净面积 分辨率 一块 2.40 1632 683 4th=163.42 3.14chn -150168 1.92% 两块 2.40+2.44 1360 565 4th=162.90 2.30chn -129837 1.41% 三块 2.40+2.44+2.42 1063 467 3th=163.01 2.68chn -101329 1.64% 四块2.40+2.44+2.42+2.438763914th=163.112.34chn-804931.43%根据吸收系数计算公式 1212ln ln R R N N m --=-ρμ十组数据的平均值：0.8697 相对误差为28.3%误差分析从误差结果不难看出，本实验中的误差较大，特别是Al对γ射线的吸收系数相对误差达到了59.8%在实验中是不允许的，下面对可能导致实验误差的原因进行分析。