上海交通大学：《大学物理实验》课程教学资源（讲义）近代物理实验（部分）.pdf

3 实验2-2 闪烁谱仪测定γ射线的能谱 γ射线是原子核从激发态跃迁到较低能态时发射的波长很短的电磁辐射。研究γ射线的能谱对于放射性核素的应用和研究原子核的能级结构有很重要的意义。闪烁探测器在科学技术的许多部门有着十分重要的应用，它的主要优点是：既能探测各种类型的带电粒子，又能探测中性粒子，既能对辐射强度进行测量，又能对辐射的能量进行分析，而且探测效率高（比G-M计数器高几十倍），分辨时间短（约10−8 秒）。通过本实验，你将学习掌握一种测量射线能量的方法：用NaI(Tl)闪烁探测器测量γ 能谱。实验原理一、γ射线与物质的相互作用放射性核素放射出来的带电粒子（α、β粒子以及内转换电子）与物质相互作用主要为电离、散射和吸收三个方面。γ射线是不带电的电磁辐射，它与物质的相互作用主要有光电效应，康普顿效应和电子对效应三个过程。 1. 光电效应入射的γ光子把能量全部转移给原子中的束缚电子，使之发射出来，而光子本身消失，这种过程称为光电效应。光电效应中发射出来的电子叫光电子。这过程如图2-2-1所示。在光电效应中，若忽略被原子的反冲核所吸收的能量，则由能量守恒定律得到 EEEE r ei e = + ≅ (2-2-1) 式中 Er 为入射γ光子的能量， Ee 为光电子获得的动能, Ei 为i层电子的结合能，一般 Ei 远小于 Er 。显然，如果入射γ光子是单能的，则产生的光电子也是单能的。光电子可以从原子各个壳层中发射出来，但在K壳层上打出电子的几率最大，L层次之，M、N层更次之。因此，在发射光电子的同时，还伴随着原子发射的特征X射线或俄歇电子。实验和理论都表明，γ射线与物质相互作用时，产生光电效应的几率随着物质原子序数的增大而迅速增大，又随着γ射线的能量增大而减小。 h ν θ -e光电子原子入射光子图 2-2-1 光电效应的示意图

4 2. 康普顿效应入射的γ光子与物质原子的核外电子发生非弹性碰撞，一部分能量转移给电子，使它脱离原子成为反冲电子，而散射光子的能量和运动方向发生变化，这一过程称为康普顿效应．图2-2-2为康普顿效应的示意图。根据相对论的能量和动量守恒关系，可以求出散射光子的能量 Er′ 和康普顿反冲电子的能量 Ee 为 E E r r ′ = 1 1 + − α θ ( cos ) (2-2-2) E EE e = r − r′ (2-2-3) 式中α = E mc r e 2 是入射γ光子的能量和静止电子所对应的能量之比。散射角θ和反冲角 φ有如下关系： ctg tg φ α θ = + ( ) 1 2 (2-2-4) 由以上公式可以看出，当θ＝0时，( ) Eγ γ ′ max = E ， Ee = 0 ，即不发生散射；当θ＝180o 时，( ) E min E a r r ′ = 1 2 + ，( ) E max a a e r = E + 2 1 2 。所以，当入射单能γ光子时，康普顿效应中的反冲电子的能量是从0到 2 1 2 a a Er + 连续分布的。与光电效应不同，康普顿效应一般发生在外层电子上，γ射线与物质相互作用产生康普顿效应的几率与物质的原子序数成正比，且随γ射线能量的增加而减少，但下降速度比光电效应来得慢。 3. 电子对效应当γ光子从原子核旁边经过时，在原子核的库仑场作用下，γ光子转化为一个正电子和一个负电子，这种过程称为电子对效应。如图2- 2-3所示。根据能量守恒定律，只有当入射γ光子的能量大于2mec2(1.022MeV)时才能发生电子对效应，入射 γ光子的能量除了一部分转变为正负电子对的静质量(1.022MeV)外，其余就作为它们的动能。一般， γ射线的能量越大，产生正负电子对的几率也越大。电子对效应产生的一对正负电子，它们在吸收物质中将逐渐损失能量，负电子最终停止在物质中成为自电电子，正电子寿命很短，它慢化后将湮灭。 hν 入射光子散射 hν ’ θ 反冲电子e 电子 e φ 核图 2-2-2 康普顿效应示意图 hν 入射光子 +e 核 -e 正负电子对图 2-2-3 原子核库仑场中的电子对效应示意图

综上所述，Y射线与物质相互作用有三种形式，当Y射线能最较小时，光电效应是主要的，当Y射线能量达到1MV时，康普顿效应占优势，电子对效应则在Y射线能量超过 1.022MeV时才开始发生，能量越大，这个效应越显著。由于有了光电效应、康普顿效应和电子对效应，当Y射线通过物质时，它的强度将随穿过吸收物质厚度的增加而减弱。实验表明，当一束被准直了的窄束￥射线通过吸收物质时，其强度是按指数规律衰减的，即 1=loe-ix (2-2-51) 式中I0为吸收物质厚度等于零时的y射线强度，I是Y射线穿过x厚度吸收物质后的强度，为吸收物质对￥射线的吸收系致，对于不同的物质和不同的Y能量取不同的值。二、闪烁谱仪的结构和工作原理 ,能是y射线的计数按能量的分布。测量y能增忌常用方法是利用普仪讲行量，常用的Y谱仪主要有闪烁Y谱仪和半导体y谱仪。自六十年代以来，GeLi)和Sii) 等半导体y谱仪发展迅速，其能量分辨能力比闪烁谱仪要高得多，它的应用愈来愈广。然而闪烁￥谱仪的分辨能力虽不及半导体谱仪，但是它探测效率高、价格较廉、使用方便，仍有相当广泛的应用。 NaI(T1)闪烁谱仪由探头（包括闪烁体，光电倍分礼器定标增管、射极跟随器)、高压电源、线性放大器、且道脉冲幅度分析器（或多道分析器) 高压电源飞低压电源图2-2-4闪烁谱仪框图 ,烁体发出的光子技闪烁体外的光反射层的光集效率，由的接触面之间涂硅油出的在光电并的度与Y射线在闪烁阳极接收形成申压所以根据脉冲幅度大小可以确定入射y射线的能量。电压脉冲通过起阻抗匹配作用的射极跟随器，线性脉冲放大器，经过放大和成形后输入单道脉冲幅度分析器定标器计数。电压脉冲也可输入多指受泰由它选取一定幅度的脉州 1.闪烁体常用的闪烁体可以分为无机闪烁体和有机闪烁体两大类。 ()无机闪烁体：无机闪烁体主要是指含有少量杂质（称为“激活剂”）的无机盐品的映晶体等。此外，化每 ,以银

5 综上所述，γ射线与物质相互作用有三种形式，当γ射线能量较小时，光电效应是主要的，当γ射线能量达到1MeV时，康普顿效应占优势，电子对效应则在γ射线能量超过 1.022MeV时才开始发生，能量越大，这个效应越显著。由于有了光电效应、康普顿效应和电子对效应，当γ射线通过物质时，它的强度将随穿过吸收物质厚度的增加而减弱。实验表明，当一束被准直了的窄束γ射线通过吸收物质时，其强度是按指数规律衰减的，即 I Ie x = − 0 μ (2-2-5) 式中I0为吸收物质厚度等于零时的γ射线强度，I是γ射线穿过x厚度吸收物质后的强度， μ为吸收物质对γ射线的吸收系数，对于不同的物质和不同的γ能量μ取不同的值。二、闪烁谱仪的结构和工作原理 γ能谱是γ射线的计数按能量的分布。测量γ能谱最常用方法是利用γ谱仪进行测量，常用的γ谱仪主要有闪烁γ谱仪和半导体γ谱仪。自六十年代以来，Ge(Li)和Si(Li) 等半导体γ谱仪发展迅速，其能量分辨能力比闪烁谱仪要高得多，它的应用愈来愈广。然而闪烁γ谱仪的分辨能力虽不及半导体谱仪，但是它探测效率高、价格较廉、使用方便，仍有相当广泛的应用。 NaI(Tl)闪烁谱仪由探头（包括闪烁体，光电倍增管、射极跟随器）、高压电源、线性放大器、单道脉冲幅度分析器（或多道分析器）、定标器等组成，其结构如图2-2-4所示。当γ射线入射至闪烁体时，产生的次级电子使闪烁体分子电离和激发，退激时发出大量光子。闪烁体发出的光子被闪烁体外的光反射层反射，会聚到光电倍增管的光阴极上。由于光电效应，光子在光阴极上打出光电子。为了有高的光收集效率，在闪烁体与光电倍增管的接触面之间涂以硅油，这样就避免了因闪烁体和光电倍增管表面之间存在空气层形成全反射所造成的光损失。光阴极上打出的光电子在光电倍增管中倍增，电子数目增加几个数量级，最后被阳极接收形成电压脉冲。此电压脉冲的幅度与γ射线在闪烁体内消耗的能量及产生的光强成正比，所以根据脉冲幅度大小可以确定入射γ射线的能量。电压脉冲通过起阻抗匹配作用的射极跟随器，由电缆传输到线性脉冲放大器，经过放大和成形后输入单道脉冲幅度分析器，由它选取一定幅度的脉冲供定标器计数。电压脉冲也可输入多道脉冲幅度分析器进行记录。 1. 闪烁体常用的闪烁体可以分为无机闪烁体和有机闪烁体两大类。 (1)无机闪烁体：无机闪烁体主要是指含有少量杂质（称为“激活剂”）的无机盐晶体，例如以铊为激活剂的碘化钠NaI(Tl)单晶体和碘化铯CsI(Tl)单晶体，以银为激活剂的硫化锌ZnS(Ag)多晶体等。此外，还有不掺杂质的纯晶体，如七十年代中后期新开发的锗酸铋(BGO)单晶体。闪烁体光电倍增管射极输出器线性脉冲放大器单道脉冲幅度分析器定标器高压电源低压电源图2-2-4 闪烁谱仪框图源

掺杂无机晶体闪烁体的发光机制可以用固体的能带理论来描述。当电子从入射粒子接受了大于禁带宽度的能量时可以被激发跃迁至导带，而在价带中留下一个空穴。当给予电子的能量不足以使它电离到导带中，它可以处于导带下面的激子能带（激带）内，这个电子和空穴被此具 ·导带有相吸的库仑作用，这种束缚者的电子一空穴对被称电子之激都为激子，如图2-2-5所示。晶体内的杂质和晶格缺陷在禁带中产些孤立能级，起俘获中心的作用。当入射粒子通过冈烁光子烁俐品格很快地运电能够自由至被学这时一价带空穴心有转化为热是图2-2-5无机闪烁体能带图是它们的激发能最或品时不发受激电子直接跃回基态而发射光子可以使铝射光子能量在可见光范围是电子处在亚稳部分电子从晶体振动中获得能量，重新迁到导带，部分电子则以非射跃迁回到价由此可知，杂质和缺陷形成的俘获中心，退激时发出的光子，不仅其能量小于禁带宽度，不会被闪烁体自吸收，而且光谱在可见光范围，便于使用。这种掺进激活剂的品体就是常用的无机晶体闪烁体。 (②)有机闪烁体：有机闪烁体都是苯环碳氢化合物，可分为品体、液体和塑料三种有机闪烁体的发光机制与无机闪烁体有本质上的不同，这种发光主要是有机分子本身的作用。由于在有机闪烁体中分子间的作用比较弱分子间的结合力对分子的受激和退激实际上不会有什么影响，所以引起发光的原困主要就是分子本身从激发态回到基态的跃迁。对 2) 日不随射线白能量而变化，条体才能使输出射线能 (3)发光延续时间短，即保证有较高的时间分辨率： (④发光光谱能与光电倍增管 2.光电倍增管光电倍增管的功能是把微弱的闪光转换为电子并放大成易于测量的电信号。光电倍增管主要由光阴极、多级倍增极和电子收集极（阳极）组成，整个系统封装在抽成真空的玻璃壳内。对于NaI(T1)闪烁体，一般采用Sb一Cs作光阴极，这时波长为30O0一50O0A的光打出光电子的效率最高。光电倍增管在闪烁探测器中的工作过程如下：光电倍增管的光阴极端窗与光耦合层紧密光阴极很大的电子流有效得易三、闪烁探测器对137Cs单能y射线的响成 6

6 掺杂无机晶体闪烁体的发光机制可以用固体的能带理论来描述。当电子从入射粒子接受了大于禁带宽度的能量时可以被激发跃迁至导带，而在价带中留下一个空穴。当给予电子的能量不足以使它电离到导带中，它可以处于导带下面的激子能带（激带）内，这个电子和空穴彼此具有相吸的库仑作用，这种束缚着的电子－空穴对被称为激子，如图2-2-5所示。晶体内的杂质和晶格缺陷在禁带中产生一些孤立能级，起俘获中心的作用。当入射粒子通过闪烁体后，产生激子、电子和空穴，它们都能够自由地经过晶格很快地运动，直至被俘获中心俘获为止，这时俘获中心从基态到达激发态，而激子、电子和空穴的多余能量以热运动形式放走。然后处于激发态的俘获中心有三种退激形式：一是它们的激发能转化为热运动能量或晶格振动能回到基态，此时不发射光子；二是受激电子直接跃回基态而发射光子，选择合适的激活剂，就可以使辐射光子能量在可见光范围；三是电子处在亚稳态，停留较长一段时间，部分电子从晶体振动中获得能量，重新跃迁到导带，另一部分电子则以非辐射跃迁回到价带。由此可知，杂质和缺陷形成的俘获中心，退激时发出的光子，不仅其能量小于禁带宽度，不会被闪烁体自吸收，而且光谱在可见光范围，便于使用。这种掺进激活剂的晶体就是常用的无机晶体闪烁体。 (2)有机闪烁体：有机闪烁体都是苯环碳氢化合物，可分为晶体、液体和塑料三种。有机闪烁体的发光机制与无机闪烁体有本质上的不同，这种发光主要是有机分子本身的作用。由于在有机闪烁体中分子间的作用比较弱，分子间的结合力对分子的受激和退激实际上不会有什么影响，所以引起发光的原困主要就是分子本身从激发态回到基态的跃迁。在实际运用中要根据不同的探测对象和要求选择不同的闪烁体。对闪烁体的主要要求是：(1)对射线有较大的阻止本领，即对射线有强的吸收，以达到高的探测效率；(2)发光效率高，并且不随射线的能量而变化，满足后一条体才能使输出的光脉冲强度与射线能量成正比；(3)发光延续时间短，即保证有较高的时间分辨率；(4)发光光谱能与光电倍增管的光谱响应相匹配。 2. 光电倍增管光电倍增管的功能是把微弱的闪光转换为电子并放大成易于测量的电信号。光电倍增管主要由光阴极、多级倍增极和电子收集极（阳极）组成，整个系统封装在抽成真空的玻璃壳内。对于NaI(Tl)闪烁体，一般采用Sb－Cs作光阴极，这时波长为3000～5000 Α 0 的光打出光电子的效率最高。光电倍增管在闪烁探测器中的工作过程如下：光电倍增管的光阴极端窗与光耦合层紧密接触。射线在闪烁体中引起的闪光打在光阴极上，通过光电效应产生一定数目的光电子。由于光阴极、各级倍增极和阳极之间都加有电压，每级产生的电子被有效地放大并集中到下一级，最后在阳极形成很大的电子流，通过负载电阻即得易于测量的电压脉冲。三、闪烁探测器对137Cs单能γ射线的响应电子空穴闪烁光子激活剂激发态导带激带禁带价带激子 Eg 图2-2-5 无机闪烁体能带图