Y射线与物质相互作用时可能产生三种效应：光电效应、康普顺效应和电子对效应 这三种效应产生的电子在闪烁品体中产生闪烁发光。由于单能Y射线所产生的这三种电了 能量各不相同，甚至对康普顿效应是连续的，因此相应一种单能￥射线，闪烁探头输出的 脉冲幅度谱也是连续的。另一方面当Y射线能量不同时，形成三种效应的相对比例也不 同，这也增加了谱形的复杂性。 图2-2-6给出的是用NaI(T1)闪烁谱 仪测得的137Cs能谱，谱中有三个峰和 个平台。137Cs衰变时放出单 能量的 射线(EY0.662Me 它与物质相 作用主要有光电效应和康普顿效应 在光 电效应中产生的光电子使 要发 10 将为 20 10.0 内很容易再产 脉冲幅度，V 光电 将能最又转给 图2-2.6137Cs的y能增 过程的时间极短，这样， 时立生的 电子与￥射线产生的光电子几乎同时使闪烁体激发，形成一个光电峰，这样光电峰的幅度 就代表了￥射线的能量 在康普顿效应中，￥光子把部分能量传递给反种电子，而自身被散射。此后，散射光 子的去向有两种可能：一是逸出闪烁品体： 二是殊续与品体作用产生光申效应或庚普缅效 应。若散射光子逸出品体，则留下一个能量连续的反冲电子谱，这就形成了能谱中的平台 部分B, 称为康普顿平台， 平台的边缘，其能量相当于()ax。若散射光子仍被晶体吸 收，则所有次级效应产生的电子能量加上初始康普顿效应产生的反冲电子的能量恰好等于 原始￥射线能里， 它们形成的峰也叠加在光电峰上。因此，此时的光电峰还包括一部分康 普顿电子所产生的峰，故称它为全能峰更为确切。 台上的峰C称为反散射峰，这是由穿过晶体的 一部 线在 的 装 白4 回 放外22-2知，反敢子能量是在20ooV左石，因此在能清反命 献。 会有贡 较易识 峰D是X射线峰，它是由137Ba的K层特征X射线（能量约32KeV)贡献的。137Cs的B衰变 子体137Ba的0.662eV激发态退激时，可能不发射射线. 而是通过内转换过程，在放出 内转换电子后，造成K空位，外层电子跃迁后产生此X射线。 137Cs的Y能谱的全能峰是比较典型和突出的，因此通常用137Cs作为标准源，一方面 用来检验￥谱仪的能量分辨率，另一方面作为射线能量测量的相对标准。 在Y能谱中，全能峰的峰位反映了Y射线的能量，因此全能峰是Y射线的特征峰，是 ￥能谱分析的依据。全能峰的面积是峰内各道计数 它与Y射线强度成正比，是￥ 能谱定量分析的基础。全能蜂的面积与全谱面积之比，称为峰总比。 四.能量分辨率、能量线性和时间分辨本领
7 γ射线与物质相互作用时可能产生三种效应：光电效应、康普顿效应和电子对效应。 这三种效应产生的电子在闪烁晶体中产生闪烁发光。由于单能γ射线所产生的这三种电子 能量各不相同，甚至对康普顿效应是连续的，因此相应一种单能γ射线，闪烁探头输出的 脉冲幅度谱也是连续的。另一方面当γ射线能量不同时，形成三种效应的相对比例也不 同，这也增加了谱形的复杂性。 图2-2-6给出的是用NaI(Tl)闪烁谱 仪测得的137Cs能谱，谱中有三个峰和一 个平台。137Cs衰变时放出单一能量的γ 射线（Eγ=0.662MeV），它与物质相互 作用主要有光电效应和康普顿效应。在光 电效应中产生的光电子使闪烁体激发，其 产生的脉冲在γ谱中形成的峰称光电峰， 即图2-2-6中峰A。由于光电效应主要发 生在K壳层，则K壳层留下的空位将为外 层电子所填补，跃迁时放出X射线，这种 X射线在闪烁体内很容易再产生一次新的 光电效应，将能量又转给光电子。由于这 一过程的时间极短，这样X射线产生的光 电子与γ射线产生的光电子几乎同时使闪烁体激发，形成一个光电峰，这样光电峰的幅度 就代表了γ射线的能量。 在康普顿效应中，γ光子把部分能量传递给反冲电子，而自身被散射。此后，散射光 子的去向有两种可能：一是逸出闪烁晶体；二是继续与晶体作用产生光电效应或康普顿效 应。若散射光子逸出晶体，则留下一个能量连续的反冲电子谱，这就形成了能谱中的平台 部分B，称为康普顿平台，平台的边缘，其能量相当于(Ee)max。若散射光子仍被晶体吸 收，则所有次级效应产生的电子能量加上初始康普顿效应产生的反冲电子的能量恰好等于 原始γ射线能量，它们形成的峰也叠加在光电峰上。因此，此时的光电峰还包括一部分康 普顿电子所产生的峰，故称它为全能峰更为确切。 康普顿平台上的峰C称为反散射峰，这是由穿过晶体的一部分γ射线在晶体的封装玻 璃或光电倍增管上发生康普顿效应，其反散射（θ=180o）光子返回晶体时所形成的。此 外，放射源的衬底材料和探头周围的屏蔽材料所产生的反散射光子，对反散射峰也会有贡 献。由公式2-2-2可知，反散射光子能量总是在200KeV左右，因此在能谱上较易识别。 峰D是X射线峰，它是由137Ba的K层特征X射线(能量约32KeV)贡献的。137Cs的β衰变 子体137Ba的0.662MeV激发态退激时，可能不发射γ射线，而是通过内转换过程，在放出 内转换电子后，造成K空位，外层电子跃迁后产生此X射线。 137Cs的γ能谱的全能峰是比较典型和突出的，因此通常用137Cs作为标准源，一方面 用来检验γ谱仪的能量分辨率，另一方面作为射线能量测量的相对标准。 在γ能谱中，全能峰的峰位反映了γ射线的能量，因此全能峰是γ射线的特征峰，是 γ能谱分析的依据。全能峰的面积是峰内各道计数率之和，它与γ射线强度成正比，是γ 能谱定量分析的基础。全能峰的面积与全谱面积之比，称为峰总比。 四．能量分辨率、能量线性和时间分辨本领 B A 率 数 计 C D 3 2.0 4.0 6.0 8.0 10.0 10 10 10 2 脉冲幅度,V 图2-2-6 137 Cs的γ能谱
闪烁谱仪的基本性能由能量分辨率、能量线性和稳定性来衡量。在高强度放射性测量 和时间测量中，则首先要考虑的是时间分辨本领。 1.能量分辨率 由于y射线在闪烁体 产生的光子数具有一定 的绕计涨落 光电倍增管的光阴极光子收集效率自 及光电倍增管的光 布《同一能量的 。由于射线的 输出脉冲解度，V 分辨率n: AE 图227典室 n E. (2-2-6) MaI(T1)闪烁谱仪的能量分辨率通常用137Cs的0.662MeV全能峰的分辨率来表征，n一 般在10%左右。 一些因素，进行必要的调整，以期达到一台谱仪可能实现的最好 (1)闪烁体与光电倍增管光阴极之间保持良好的光学接触： (②)参考光电倍增管高压推荐值，并作适当调整，使得在保持能量线性条件下，输出 脉冲幅度最大： (③)合理选择单道分析器的道宽，如单道分析器最大分析幅度为10伏时，道宽宜用0.1 伏： (④)根据放射源的活度，选择合适的源与闪烁体之间的距离， 2。能量线性 能量线性是指谱仪对入射Y射线的能量和它产生的脉冲幅度（指全能峰的位置）之间 的对应关系。理想情况下，脉冲幅度与能量之间应当成线性关系。 一般NaI(T1)闪烁谱仪 在较宽的能量范围内(10OkeV~1.3MeV)是近似线性的。 实验上对于能量线性关系的检验，通常是用已知能量的一组标准源，测量相应的全能 峰处的脉冲幅度，建立γ射线能量与对应峰位的关系曲线，这条曲线即能量刻度曲线。典 型的能量刻度曲线为不通过原点的直线，即 E(X)=GX。+E。 (2-2-7) 式中X知为全能蜂峰位，0为直线截距，G为增益（即单位脉冲幅度对应的能量）。一般能量 刻度可选用137Cs(0.662MeV,0.184We)和60Co(1.17MeV,1.33Me)的四个能量点进行刻 度。 3.时间分辨本领
8 闪烁谱仪的基本性能由能量分辨率、能量线性和稳定性来衡量。在高强度放射性测量 和时间测量中，则首先要考虑的是时间分辨本领。 1. 能量分辨率 由于γ射线在闪烁体中产生的光子数具有一定 的统计涨落，光电倍增管的光阴极光子收集效率的 统计涨落，以及光电倍增管的光电转换效率和倍增 系数的统计涨落，使得同一能量的γ射线产生的脉 冲幅度有一分布（如图2-2-7）。由于射线的能量与 脉冲幅度成正比，所以通常把这一分布曲线的半宽 度△V1/2与计数率最大值所对应的脉冲幅度Vo之比 定义为能量分辨率η： η γ = = Δ Δ V V E E 1 2 0 1 2 (2-2-6) NaI(Tl)闪烁谱仪的能量分辨率通常用137Cs的0.662MeV全能峰的分辨率来表征，η一 般在10%左右。 在测量中可考虑下列一些因素，进行必要的调整，以期达到一台谱仪可能实现的最好 的分辨率。 (1)闪烁体与光电倍增管光阴极之间保持良好的光学接触； (2)参考光电倍增管高压推荐值，并作适当调整，使得在保持能量线性条件下，输出 脉冲幅度最大； (3)合理选择单道分析器的道宽，如单道分析器最大分析幅度为10伏时，道宽宜用0.1 伏； (4)根据放射源的活度，选择合适的源与闪烁体之间的距离。 2. 能量线性 能量线性是指谱仪对入射γ射线的能量和它产生的脉冲幅度（指全能峰的位置）之间 的对应关系。理想情况下，脉冲幅度与能量之间应当成线性关系。一般NaI(Tl)闪烁谱仪 在较宽的能量范围内（100keV～1.3MeV）是近似线性的。 实验上对于能量线性关系的检验，通常是用已知能量的一组标准源，测量相应的全能 峰处的脉冲幅度，建立γ射线能量与对应峰位的关系曲线，这条曲线即能量刻度曲线。典 型的能量刻度曲线为不通过原点的直线，即 E X GX E p p ( ) = + 0 (2-2-7) 式中Xp为全能峰峰位，E0为直线截距，G为增益(即单位脉冲幅度对应的能量)。一般能量 刻度可选用137Cs(0.662MeV，0.184MeV)和60Co(1.17MeV，1.33MeV)的四个能量点进行刻 度。 3. 时间分辨本领 图2-2-7 输出脉冲幅度涨落所带来 的对能量分辨本领的限制 率 数 计 ΔV 0 1/2 n0 n_0 2 0 输出脉冲幅度，V V
时间分辨本领反映谱仪的时间特性，它由闪烁体、光电倍增管等因素决定。从射线进 入闪烁体的时刻起，到光电倍增管阳极负载上脉冲输出，中间经历了一系列过程。由于这 些过程，光电倍增管阳极脉冲不仅在时间上相对于射线进入闪烁体时刻有所延迟，而且波 形也将展宽。其中起主要作用的是闪烁体发光衰减时间、光电倍增管的渡越时间及其分 散、外电路时间常数三个因素。一般NI(T1)闪烁探头的时间分辨本领为微秒量级。 实验装置 Co 281- 实验装置的方框图见图2-2-4， 它 1.18 包括 高电 用闪烁探实 FH-10 型线性 道脉 牙析器 101A型压 001 B'T AN S-35型多道 sY源和6OC 源， 1,NM系统：本实验单道y谱仪采 (b)"Co 用NIM系统与NaI(TI)闪烁探头组合而 图2-2-8mC和c的衰变图 成，。NIM(Nuclear Instrumen Module)代表核仪器标准化的国际通用系统，它由NIM机箱、NTM电源及各种NTM插件组 成。实验者可根据需要，配备各种功能的插件，构成各式各样的IM系统。 NIM系统实现了机械结构与电气技术指标的国际标准化，所以组成这些系统时，可采 用不同国家生产的插件。目前插件种类已达数百种，使用起来极为方便。 盘 使用NTM系统，应预先插好插件并固定与机箱的连接螺丝，接通电源后再打开插件开 关。工作过程中若需要更换插件，应关闭机箱电源。 2.FJ-367型通用闪烁深头：该探头由闪烁体、光电倍增管(GDB一44W型)，前置放 大器和射极跟随器组成。该探头备有多种闪烁体，可分别作ā、B、Y射线的测量。作￥ 射线测量时，选用中40×40@m的NaI(T1)晶体。 光电倍增管采用负高压供电。在进行射线强度测量时，光电倍增管的工作电压选择可 采用坪曲线法。 个明显的区，因此可以古 定定标器的甄别电压（例如 为1伏)，改变 倍增官的 根据测得计药 率n与V的数 止 的徐 本底值 电士 在进行射线能谱测 量时，一般以得到最佳能量分辨率时的电压作为光电倍增管的工作电压 如果光电倍增管的输出负脉冲小于1伏，则可经过前置放大器 10y 一在测最。 需故 而测后 a射线 最较 则可经射极随器直接给出负冲信放大与香可由探头的放大数×】 转换。射极跟随器的作用是减少外界干扰的影响，跟随器输入阻抗较大与光倍增管可匹
9 时间分辨本领反映谱仪的时间特性，它由闪烁体、光电倍增管等因素决定。从射线进 入闪烁体的时刻起，到光电倍增管阳极负载上脉冲输出，中间经历了一系列过程。由于这 些过程，光电倍增管阳极脉冲不仅在时间上相对于射线进入闪烁体时刻有所延迟，而且波 形也将展宽。其中起主要作用的是闪烁体发光衰减时间、光电倍增管的渡越时间及其分 散、外电路时间常数三个因素。一般NaI(Tl)闪烁探头的时间分辨本领为微秒量级。 实验装置 实验装置的方框图见图2-2-4，它 包括FJ-367型通用闪烁探头，FH-1034A 型高压稳压电源，FH-1002A型线性脉冲 放大器，FH-1008A型单道脉冲分析器， FH-1011A型定标器，FH-0001型插件机 箱， FH-1031A型低压电源，CANBERRA S-35型多道分析器，137Csγ源和60Co γ源，其衰变图见图2-2-8。 1. NIM系统：本实验单道γ谱仪采 用 NIM系统与 NaI(Tl)闪烁探头组合而 成 。 NIM （ Nuclear Instrument Module）代表核仪器标准化的国际通用系统，它由NIM机箱、NIM电源及各种NIM插件组 成。实验者可根据需要，配备各种功能的插件，构成各式各样的NIM系统。 NIM系统实现了机械结构与电气技术指标的国际标准化，所以组成这些系统时，可采 用不同国家生产的插件。目前插件种类已达数百种，使用起来极为方便。 NIM机箱和电源是NIM系统的基本组成部分。机箱可容纳12个单位标准宽度的插件插 入，插件通过42芯插座接插，从机箱得到供电。FH-1031A电源为插件式电源，它通过插头 和接线柱给机箱供电，使用前应检查外负载有无短路。 使用NIM系统，应预先插好插件并固定与机箱的连接螺丝，接通电源后再打开插件开 关。工作过程中若需要更换插件，应关闭机箱电源。 2. FJ-367型通用闪烁探头：该探头由闪烁体、光电倍增管（GDB－44W型），前置放 大器和射极跟随器组成。该探头备有多种闪烁体，可分别作α、β、γ射线的测量。作γ 射线测量时，选用φ40×40mm的NaI(Tl)晶体。 光电倍增管采用负高压供电。在进行射线强度测量时，光电倍增管的工作电压选择可 采用坪曲线法。一般闪烁探头有一个明显的坪区，因此可以固定定标器的甄别电压(例如 为1伏)，改变光电倍增管的电压V，根据测得计数率n与V的数据，并考虑到正常的探测效 率和本底值，选出一个尽可能在坪上且近坪前端的V值作为工作电压。在进行射线能谱测 量时，一般以得到最佳能量分辨率时的电压作为光电倍增管的工作电压。 如果光电倍增管的输出负脉冲小于1伏，则可经过前置放大器放大（放大约10倍）， 一般在测量β射线和能量较低的γ射线时需放大，而测量α射线和能量较高的γ射线时， 则可经射极跟随器直接输出负脉冲信号。放大与否可由探头上的放大倍数×1/×10开关来 转换。射极跟随器的作用是减少外界干扰的影响，跟随器输入阻抗较大与光倍增管可匹 - β 0.51MeV 图2-2-8 和 的衰变图 - 95% 2.81 (a) β 1.18MeV - 5% 100% β 0.32MeV γ 1.17MeV γ 1.33MeV γ 0.662MeV 0 0 1.18 30y 5.27y Cs Co Ba Ni 137 55 60 27 137 56 60 28 Cs 137 (b) Co 60 Cs 137 Co 60