北大近代物理实验教案02核探测技术及引用实验

2-1NaI（Tl）闪烁谱仪实验的目的要求：1.了解闪烁谱仪的组成、工作原理和使用。2.学习分析实验测得的137Csγ谱的谱形。3.测定谱仪的能量分辨率和线性。教学内容：1．调整谱仪的参量（包括高压、放大和单道等），选择和固定最佳工作条件。用示波器观察137Csγ射线源在线性放大器的输入与输出端所形成的脉冲。在实验室给出的光电倍增管允许的工作电压范围内，改变光电倍增管的工作电压，观察它对脉冲图形的影响。改变各电子学单元的参量，调整谱仪的工作条件，达到在不破坏线性条件下谱仪分辨率为最佳的工作状态。固定光电倍增管高压。通过单道脉冲幅度分析器，测量137Cs的γ能谱图。2.调节线性放大器的放大倍数，减小至原来的一半，使137Cs和60Co的全能峰合理地分布在适当的区间内，依次测量这两个γ射线源的全能峰和反散射峰。用最小二乘法直线拟合定出增益G和截距E0。3.连接放大器和多道分析器，用多道分别测量137Cs的γ谱和增加60Co放射源时的混合γ谱，检验谱仪工作的稳定性、能量分辨率和线性，并与使用单道测量时得出的结果进行比较。4．选做：测量一未知源的γ射线能量。实验中可能出现的问题：1．如何确定放大倍数（要使脉冲幅度达到实验要求）？如何读法（粗调×细调）？应提醒注意正确读出细调的起始点。2．测量能谱时，如何确定每个实验点的测量时间？主要考虑哪些因素？（对实验计数的误差要求，放射源越强计数时间越短）3．如何从示波器上观察137Cs脉冲波形图及判断谱仪能量分辨率的好坏？4．进入单道脉冲幅度分析器的全能峰所对应的脉冲幅度应选多大？如何选择道宽和确定阈值的改变量？（阈值的改变量要小于等于道宽）5．谱线峰的半高宽反映什么物理问题？是否越小越好，为什么？6．为什么实验中测得的0.3V处的137Ba的X射线峰比137Cs的全能峰还要高？（一定要考虑低能端强本底的影响）7．为什么要作能量刻度？本实验如何作能量刻度？8．为作能量刻度，需要测出137Cs和60Co几个特征峰所对应的幅度，则放大倍数需要减小至原来的二分之一，要检查和提醒如何操作。9．反散射峰是怎样形成的？如何从实验上减小这一效应？10.用多道测谱时，如何连接仪器？（让学生自己连，明白为什么要这样连接）。11.单道和多道测谱时有什么相同和不同？12.提示使用多道时测谱、寻峰、打印等功能键的使用。13.测137Cs和60Co混合源和单独测137Cs的能谱时为什么会有非常大的差异？如何解释这些差异？14.若有一γ射线源具有单一能量为2MeV的γ射线，试预言其谱形。2-2符合测量实验目的和要求：1．掌握核物理实验常用的实验仪器插件的工作原理和使用。2．学习符合测量的基本方法。3．学会用符合方法测量放射源的绝对活度。教学内容：1．调整符合系统各参量，选定工作条件，测定放大、单道、符合等各级输出的信号波形及其时间关系。2．分别采用脉冲发生器的信号和放射源的β、γ信号，用瞬时符合曲线法测量符合分辨装置的电子学分辩时间和物理分辩时间。3．用β-γ符合方法测量60Co级联衰变放射性绝对活度。4．选作：用137Cs做偶然符合源，利用偶然符合方法测量分辨时间，并与步骤2的结果进行比较。实验过程中可能涉及的问题：1．放射源如何操作？如何防护？如何认识放射源的计量？本底？消除核恐惧心理并正确操作使用放射源？要教会学生识别放射性标志和正确使用放射源。2.正确认识和了解NIM级向合格插件的功能与配合，学会使用各插件。3.如何确定线性放大器的放大倍数？为什么必须在放大器的输出端连接示波器进行观察脉冲幅度？4.提醒并教会学生正确使用双踪示波器，特别是管调节幅度、时间的旋钮和主参考道的使用。5.区分单道的“微分”与“积分”档功能的截然不同，正确使用单道各功能键。6．“符合成形时间”键的作用是什么？与符合分辨时间τ有什么联系？7．如何确定实验中的测量时间？（注意对测量的符合计数的误差要求）8.符合道的Ⅰ路和Ⅱ路信号的延时是如何确定的？都需要调节吗？9.放射源是不是越强越好？受那些物理量的制约？10.实验中可以通过一次测量得到β和γ衰变的计数吗？如何设计和测量它们？11.能否用γ-γ符合测量60Co的绝对活度？它与β-γ符合测量活度有什么不同？12．在作瞬时符合曲线测量的实验操作时，如何调节两路脉冲的延时，使测量既快又准确？13．测量源强若为μCi数量级（例如10μCi），要求真、偶符合比大于10，如何考虑符合装置的分辨时间？测活度前为什么首先要测定分辨时间？14．测量β闪烁探测器的本底（即源的γ射线和宇宙线引起的计数）时应加多厚的铝片？15.实验中测量的放射源活度D的误差关键是由哪些量的误差决定？对它的误差要求在实验中如何保证？2-5穆斯堡尔效应实验的目的要求：1.了解穆斯堡尔效应的基本意义；2.了解穆斯堡尔谱的特点和参数意义；3.掌握穆斯堡尔谱仪的原理；4.熟练掌握穆斯堡尔谱的测定方法，并确定相应的参数；5.进一步熟悉NaI多道谱仪系统。教学内容：作为实验课，主要是在老师的指导下，让学生有一实际动手的机会。故在本教学中，在确保学生理解实验原理和各仪器的功能及注意事项的前提下，充分发挥其主动性。本教学内容安排如下：1．展示NaI探头的结构，讲述和演示NaI多道谱仪系统的工作原理及操作方法（三个实验的学生集中在一块讲述）。2．检查学生的预习情况。3．根据穆斯堡尔谱仪的框图和实际的谱仪，首先让学生讲述各部分的功能，促使其思考。最后进行补充和串讲。4．引导学生利用脉冲幅度分析模式（PHA），辨认出14.4keV的γ射线峰，并利用一开始上课时所述和演示的NaI多道谱仪系统的工作原理及操作方法，将14.4keV的γ射线峰的峰位移到多道谱中间区域。调节上、下阈电位器，去掉其它不需要的谱线。5．让学生根据说明书，切换到多度定标（MSC）模式下，进行穆斯堡尔谱测量。引导学生彻底搞清楚MSC模式和PHA模式之间的差别。弄清楚调节差误信号到最小的原因。6．在测量过程中，围绕穆斯堡尔谱仪工作原理的理解提一些思考题。7．实验结束前，让学生根据仪器将穆斯堡尔谱仪的工作原理及各仪器的作用、操作讲述一遍，不全的让其他同学补充。8．总结实验过程存在的问题。确保学生掌握！实验过程中可能涉及的问题：不同的学生可有不同的要求，整个实验经常涉及的问题是：1.为什么选用57Co源来测57Fe的穆斯堡尔谱？2.在多道能谱上怎样才能进行准确辨认出57Fe源14.4keV的γ射线峰？3.57Fe源14.4keV的射线峰辨认出后，怎样设值上、下阈值？上、下阈值应设置在何处？4.在去掉其它射线峰时，如果14.4keV的γ射线峰两侧上、下阈值设定不合理，会对结果带来什么影响？5.为什么不用PHA方式而采用多度定标MSC模式来采集穆斯堡尔谱？两者的区别何在？6.多度定标模式每道所代表的物理意义是什么？怎样才能保证每道的宽度均匀？7.如果将速度调节的数值增加一倍，穆斯堡尔谱图将怎样改变？8.为什么要用示波器？9.不启动多度定标模式进行数据获取能否进行差误信号的调节？为什么？10.在进行差误信号调节时，调节的目标和标准是什么？11.为什么在启动多度定标模式进行数据获取后的几秒内，示波器所显示的信号不稳？12.所使用的样品如果过厚或过薄将会对穆斯堡尔谱数据产生什么样的影响？13.本实验中采用的NaI晶体的厚度是1mm，请问是出于什么考虑？14.在计算α－Fe的重心时，为何没有用到v3和v4？15.57Fe原子核的塞曼分裂显著大于或小于电四极裂距时，其能级图和对应的穆斯保尔谱图会怎样？16.MSC模式下，将NaI探测器探头转动150度，测量γ射线打在样品后的散射谱而不是吸收谱，所得穆斯堡尔谱的形状应是什么样子?17.为什么穆斯堡尔谱仪的分辨率极高？18.如果条件容许，降低穆斯堡尔实验中所使用的57Co及样品的温度，会对分辨率产生什么影响？难点：1．在计算α－Fe的重心时，为何没有用到v3和v4？2.怎样利用α－Fe样品的实验结果计算核磁矩大小？可进一步探索的问题：1.设计一利用穆斯堡尔效应测量引力红移的方案。2.设计一种利用不同Fe原子价态的标准样品刻度穆斯堡尔谱仪，然后进行鉴定未知样品中Fe原子价态的方法。