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2、能谱分析 A、线与闪烁体发生光电效应时，γ射线产生的光电子动能为：
Ee E Bi
其中 B i 为 K、L、M 等壳层中电子的结合能。在γ射线能区，光电效应主要发生在 K 壳层，此时 K 壳层留下的空穴将为外层电子所填补，跃迁时将放出 X 光子，其能量为
Ex 。这种 X 光子在闪烁晶体内很容易再产生一次新的光电效应，将能量又转移给光电
子。上述两个过程几乎是同时发生的，因此闪烁体得到的能量将是两次光电效应产生的 光电子能量和：
Ee ( E Bi ) Ex E
所以，由光电效应形成的脉冲幅度就直接代表了γ射线的能量。 在康普顿效应中， γ光子把部分能量传递给次级电子， 自身则被散射。 反冲电子(次 级电子)动能为：
1651 1216 868 809 714 722 709 754 791 924 963 1064 1396
5.2 5.1 5 4.9 4.8 4.7 4.6 4.5 4.4 4.3 4.2 4.1 4
3804 3044 2974 2956 2940 2894 2928 2923 2847 2891 2837 2983 2933
N 1353 1621 2001 2339 2637 2893 3019
U/v 3.9 3.8 3.7 3.6 3.5 3.4 3.3
N 2891 2982 2897 2901 2917 3020 3069
U/v 1.9 1.8 1.7 1.6 1.5 1.4 1.3
N 3317 3296 3198 3215 3223 3206 3565
U 100% U U 是峰值一半处的宽度，通常叫半宽度； U 峰值对应的幅度，即峰位。 W
由于脉冲幅度与能量有线性关系,并且脉冲幅度与多道道数成正比，故又可以写为
W
E 100% E
仪能量分辨率的数值越小，仪器分辨不同的能量的本领就越高。而且可以证明能量 分辨率和入射粒子能量有关，近似有
Ee
E 1 1 2 E (1 cos ) E
散射光子能量可近似写成：
E'
1 2 E (1 cos )
式中θ为散射γ与入射γ射线的夹角（散射角）。 当θ=180°时，即光子向后散射，称为反散射光子；此时
Eemax
E 1 1 4 E
E' ( 180 )
三、实验原理 1、γ射线与物质相互作用 γ射线与物质相互作用是γ射线能量测量的基础。γ射线与物质相互作用主要有三 种效应，即光电效应、康普顿散射和电子对效应。
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光电效应：γ光子将全部能量 hν传递给原子中的电子，电子获取能量，脱离原子 的束缚，变为高能光电子，其动能 Ek 为：
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Байду номын сангаас
平台状曲线 B 是康普顿效应的贡献，其特征是散射光子逃逸后留下一个能量 从 0 到 E /(1 1 / 4 E ) 的连续的电子谱。 峰 C 是反散射峰。 由γ射线透过闪烁体射在光电倍增管的光阴极上发生康普顿 反散射或γ射线在源及周围物质上发生康普顿反散射，而反散射光子进入闪烁体 通过光电效应而被记录所致。这就构成反散射峰。可以根据 E' ( 180 ) 散射峰能量为：
E 1 4 E
B、I(Tl)谱仪测得 137 Cs 的γ能谱 如下图所示，测得的γ能谱有三个峰和一个平台。最右边的峰 A 称为全能峰，这一 脉冲幅度直接反映γ射线的能量即 0.661MeV； 上面已经分析过， 这个峰中包含光电效应 及多次效应的贡献，本实验装置的闪烁探测器对 0.661MeV 的γ射线能量分辨率< 9%。
学号：
γ 射线能谱测量实验系统框图
闪烁晶体主要使用 NaI(Tl)晶体，它的密度大（ρ = 3.67 g /cm），而且高原子序数 的碘（Z=53）占重量的 85%，所以对 γ 射线探测效率特别高，相对发光效率大，它 的光谱最强波长为 415nm 左右，能与光电倍增管的光谱响应较好的匹配，晶体的透明 性也好。测量 γ 射线时能量分辨率也是闪烁晶体中较好的一种。但是 NaI(Tl)晶体容 易潮解，吸收空气中水分会变质失效，所以一般 NaI(Tl)晶体使用时都是装在密封的金 属盒中。 γ射线与 NaI(Tl)晶体相互作用，会使其电离、激发而发射荧光，从闪烁体出来的光 子通过光导射向光电倍增管的光阴极，由于光电效应，在光阴极上打出电子。光电子经 过各级之间的电压加速、聚焦后射向打拿极。每个光电子在打拿极上击出几个电子，这 些电子射向后续的打拿极。所以，最后射向阳极的电子数目是很多的。阳极把这些电子 收集起来，转变成电信号并输出。
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9.2 9.1 9 8.9 8.8 8.7 8.6 8.5 8.4 8.3 8.2 8.1 8
137
46 47 78 41 48 65 111 484 1171 2355 4457 7155 9063
7.2 7.1 7 6.9 6.8 6.7 6.6 6.5 6.4 6.3 6.2 6.1 6
U/v 9.9 9.8 9.7 9.6 9.5 9.4 9.3 9.2 9.1 9
137
Cs :
4.6 135 4.5 266 4.4 133 4 4.3 523 4 4.2 135 29 4.1 201 84 4 195 78 3.9 130 27 3.8 621 5 3.7 263 9 3.6 153 1 3.5 142 2 3.4 152 3 3.3 167 5
(h ) 2 (1 cos ) m 0 c 2 h (1 cos )
式中 m0 c 2 为电子静止能量， 当 0 时， 为γ光子的散射角， ' 为散射光子频率。
Ek 0 ，即未发生散射，θ=π 时，康普顿电子获得最大动能（这时γ光子与电子发
生对心散射）：
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60
Co ：
N 26 26 26 28 23 24 27 29 30 31 U/v 8.9 8.8 8.7 8.6 8.5 8.4 8.3 8.2 8.1 8 N 17 25 29 39 43 50 63 173 343 943 U/v 7.9 7.8 7.7 7.6 7.5 7.4 7.3 7.2 7.1 7 N 1259 1307 1194 774 502 318 356 746 904 1270 U/v 6.9 6.8 6.7 6.6 6.5 6.4 6.3 6.2 N 1629 1786 1352 1019 787 652 609 718
U/v 9.9 9.8 9.7 9.6 9.5 9.4 9.3
N 25 44 25 24 26 29 43
U/v 7.9 7.8 7.7 7.6 7.5 7.4 7.3
N 10900 11473 9903 8128 5674 3784 2151
U/v 5.9 5.8 5.7 5.6 5.5 5.4 5.3
3911 4878 4712 3940 3344 3195 3491 4420 3946 2912 2583 15894 6
数据处理：
Cs 能谱
能量分辨率： U=7.8388v ∆U=0.685v
W
U 100% = 8.73% U
2、 137 Cs 和 60 Co 的γ光电峰，以及谱仪的能量刻度曲线 实验数据：
( Ek ) max
2(h ) 2 m0 c 2 h 2
可看出康普顿电子的动能可以从 0 到 ( EK ) max 连续分布。 电子对效应：当γ射线的能量超过 2 倍电子静止能量（ 2m0 c 2 1.023Mev ）时， γ光子在核场作用下，有可能转化为一对正、负电子，其几率随γ光子的能量增加而增 大。但是，当γ光子能量小于 1.5 Mev ，在 NaI(T1)闪烁晶体中产生正、负电子对的几 率甚小。 由此可见，γ光子与物质相互作用的特点是产生次级电子。这些次级电子的能量又 与γ光子所损失的能量相当，两者之间有确定的关系。通过对次级电子的数量和能量的 测定。也就可以确定γ光子的强度和能量。
3.2 3.1 3 2.9 2.8 2.7 2.6 2.5 2.4 2.3 2.2 2.1 2
3096 3134 3261 3361 3550 3595 3898 3860 3877 3687 3602 3528 3245
1.2 1.1 1 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0
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W
1 E
通常 NaI (Tl)单晶γ闪烁谱仪的能量分辨率以 137 Cs 的 0.661MeV 单能γ射线为准， 它的值一般是 10%左右，最好可达 6%~7%。 能量的线性就是指输出的脉冲幅度与带电粒子的能量是否有线性关系， 以及线性范 围的大小。 谱仪的能量分辨率，线性的正常与否与谱仪的稳定性有关。因此在测量过程中，要 求谱仪始终能正常的工作，为避免电子仪器随温度变化的影响，在测量前仪器需预热十 五分钟。 四、实验内容 1、连接好仪器，检查路线无误后开低电压电源，预热几分钟。 2、把 137 Cs 放射源放到托盘上，加高压用脉冲示波器观察探头工作状态。观察到相反波 形则表明探头已经工作，该波形幅度最大的部分有一明亮光带，这是光电效应引起的， 而幅度较小的不断变化的弥漫区域是由康普顿电子形成的。高压调节合适则亮带窄而 亮，且亮带与弥漫区之间明显可见一较暗带域出现。 3、调节放大器的放大倍数与时间常数，用示波器观察放大器的输出波形，使放大器输 出脉冲幅度为 8v 左右，且使输出波形尽量与探头输出波形相似。 4、单道道宽设置为 0.1v 微积分开关置于微分位置。调节单道阀值，粗侧谱形，以确定 光电峰在 8v 左右。 5、精测 137 Cs 能谱， 单道道宽置于 0.1v 不动， 逐渐改变单道阀值， 从 9.9v 开始每隔 0.1v 测一次计数，测量时间 30s/次。在康普顿平台区可隔点测量，做出 137 Cs 的γ能谱并求 出谱仪的能量分布。 6、放上 60 Co 源，改变放大倍数，使 60 Co 的 1.33Mev 的光电峰脉冲高度在 8v 左右，一 次测出 137 Cs 和 60 Co 的γ光电峰，作出谱仪的能量刻度曲线。 五、实验数据及其处理 1、精测 137 Cs 的γ能谱，并求出谱仪的能量分辨率 实验数据：阀值：9.9v~0v ∆t=30s/次 高压电源：557v