NaI(Tl)单晶γ能谱的测量

五．实验数据处理与分析第一次实验：掌握并熟悉NaI（Tl）γ谱仪，确定谱仪的工作参数。1.预热几分钟，熟悉多通道脉冲幅度分析器数据采集软件的使用。2.由于实验没有配备示波器，因此无法利用示波器观察闪烁体探头输出信号。3.本实验利用放射源137Cs通过改变高压、放大倍数、道数等参数观察能谱曲线的变化。a）把放射源Cs137放在托盘上，调节改变电压分别为500V，550V，600V，630V，保持测量道数1024道和放大倍数5.00m不变，数据采集时间设100s，所得能谱曲线如图1所示。020040060080010001200-1000100200300400500600700800CountChannel500V550V600V630V图1.不同高压下对应的能谱曲线结论：由图1可以看出，随着电压的升高，全能峰右移，道址增大，即峰位E变大，输出脉冲幅度增加。全能峰变宽，且其高度降低。b)调节改变放大倍数分别为4.80，5.20，5.40，5.60，保持测量道数1024道和电压550V不变，数据采集时间设为100s，所得能谱曲线如图2所示。0200400600800100012000100200300400500CountChannel4.8V5.2V5.4V5.6V图2.不同放大倍数下对应的能谱曲线结论：由图2可以看出，随着电压的升高，全能峰右移，道址增大，即峰位E变大，输出脉冲幅度增加。全能峰变宽，且其高度降低。c）调节改变通道数分别为256，512，1024，2048，4096保持放大倍数5.00和电压550V不变，数据采集时间设为100s，所得能谱曲线如图3所示。01000200030004000-20002004006008001000120014001600CountChannel256512102420484096图3.不同放大倍数下对应的能谱曲线结论：由图2可以看出，随着电压的升高，全能峰右移，道址增大，即峰位E变大，输出脉冲幅度增加。全能峰变宽，且其高度降低。d）把放射源Co60放在托盘上，通过反复调节，最后参数调节为：通道数1024、放大倍数5.20、电压值550V，数据采集时间设为300s，所得能谱曲线如图4所示。020040060080010001200-50050100150200250300350CountChannelCo图4.60Co的能谱曲线分析：我们测得的60Co的能谱曲线的两个全能峰都能清楚看见，查阅Co60的衰变纲图可知两个全能峰的能量分别是1.17MeV和1.33MeV，其中1.33MeV的全能峰对应道数835,由计算1.33MeV/835*1024=1.631MeV,略超0-1.50MeV,不影响后续实验。e）把放射源Cs137放在托盘上，参数保持不变，所得能谱曲线如图5示。0200400600800100012000100200300400500600CountChannel137CsABC图5.Cs137的能谱曲线分析：如图5所示，137Cs的能谱曲线是三个峰和一个平台的连续分部。参考137Cs的放射源衰变纲图，峰A为全能峰，这一幅度的脉冲是0.662MeV的γ光子与闪烁体发生光电效应而产生的，它直接反映了γ射线的能量；平台B是康普顿效应的贡献，它的特征是散射光子逃逸出晶体后留下的一个连续的电子谱。峰C是反散射峰，当γ射线射向闪烁体时，总有一部分γ射线没有被吸收而逃逸出，当它与闪烁体周围的物质发生康普顿散射时，反散射光子可能进入闪烁体发生光电效应，其脉冲就产生反散射峰。第二次实验：能量刻度、活度测量及未知源的确定。4.能谱数据。以60Co的测量条件为标准，即电压固定为550V,放大倍数5.2，通道参数为1024，再分别测量本底、60Co、137Cs、133Ba、22Na未知放射源分别放入时的能谱；5.数据分析本底的能谱曲线：020040060080010001200020406080100120140CountChannel本底图7.本底的能谱曲线结论：由上图可知，本底也会产生计数，即本底能谱曲线对各放射源的能谱曲线有一定的影响，所以在分析各放射源的能谱曲线时扣除本底的影响，否则会引起较大的误差。b)扣除本底影响后，可得Co60、Cs137、Ba133、Na22的能谱曲线如下列图所示。查阅已知源的衰变纲图，根据测量的能谱曲线确定各峰对应的射线能量。020040060080010001200050100150200250CountChannel60Co1.173MeV1.333MeV图8Co60的能谱曲线020040060080010001200-1000100200300400500600CountChanel137Cs0.6617MeV图8.137Cs的能谱曲线020040060080010001200-100001000200030004000500060007000CountChannel133Ba0.356MeV图9.133Ba的能谱曲线020040060080010001200-60-40-20020406080CountChannel22Na0.511MeV图10.22Na的能谱曲线C）分析各峰的峰参数，得出得出γ谱仪的能量分辨率，做出能量刻度曲线，分析其线性。1)由图8-图10可得各放射源峰道址和对应射线能量如表1所示；表1放射源峰道址和对应射线能量的关系放射源Co60Cs137Ba133Na22道址N740835435233340能量E/MeV1.1731.3330.6620.3560.511由表1可用origin拟合的E—N曲线图如图11所示：2003004005006007008009000.20.40.60.81.01.21.4E/MeVChannel图11.各已知放射源全能峰点能量与道址线性拟合图根据拟合结果，E=-0.03569+0.00163N，能量线性刻度曲线，线性拟合度R=0.99974，线性度非常接近1，说明这组数据较为合理。2)计算γ谱仪的能量分辨率因为标准放射源Cs137的全能峰最为明显和典型，所以选用其γ射线的能量分辨率来检验与比较γ谱仪的能量分辨率。如下图所示：020040060080010001200-1000100200300400500600137CsCountChannel435413449图12.137Cs的能谱曲线图由图12可知，全能峰对应的道址为N=435，半峰高处对应的道址为N1=413和N2=449。因此Cs137的全能峰的半宽度为：道36413449N1-N2N由图11和所得的E—N拟合方程E=-0.03569+0.00163N可知，能量E与道址数N成线性关系，所以能量分辨率可写为：NNVVEE所以Cs137的能量分辨率为：%28.8%10043536NNCs误差分析：137Cs最佳的能量分辨率为7.8%，我们所测得的实验结果为9.58%，相差较大，由此可知实验所用的闪烁谱仪能量分辨率不是很好，谱仪对相邻脉冲幅度或能量的分辨本领不很理想。这也有可能是由实验误差造成的，比如实验条件还不是没有调成最佳的，读数的误差等。同理可求出测量其他放射源时的谱仪分辨率为：表2.测量不同放射源在不同的全能峰时的谱仪分辨率放射源Co60Cs137Ba133Na22能量E/MeV1.1731.3330.66170.35600.5110对应道数N744837435234337半宽度N4946363033能量分辨率6.59%5.50%8.28%12.8%9.65%由上表可知：闪烁谱仪分辨率在测量测量不同放射源在不同的全能峰时是不同的。当全能峰的峰位较大时，谱仪的分辨率较好。3）计算当前已知源的活度表3已知放射源活度表（测量时间为1991年7月1日）放射源Co60Cs137Ba133Na22活度kBqA/071.848.0127.040.2半衰期y/5.2730.0810.522.60放射性元素按照以下的规律进行衰变：teNN0其中0N表示初始的未发生衰变的原子数目，N表示当前剩余的未衰变原子数目，是一个衰变常数，对于不同的元素，相应的λ也是不同的。定义2/0NN时所经历的时间为，称为半衰期，可得出其衰变常数λ，/2ln放射源活度A表示单位时间内放射源发生的衰变次数，对于一定量的放射源而言，其总体的活度与其包含的放射性粒子数目是成正比的，即：teAA0本次的实验时间为2012年12月28日，表3中的放射源活度测试时间距离实验时的时间间隔为t=21.5年。由上面几个式子可得出当前各已知放射源的活度如表4所示：表4已知放射源实验时活度（2012年12月28日）放射源Co60Cs137Ba133Na22活度kBqA/071.848.0127.040.2半衰期y/5.2730.0810.522.60衰变常数1/y0.1320.02300.06590.267实验时活度kBqA/4.2029.2730.790.134）得到探测效率曲线；以Cs137的全能峰为例，计算其探测效率。由图8137Cs的修正能谱曲线图并结合其半峰宽的位置可以得出，137Cs全能峰的通道数范围为413-449，由于横坐标的每个间隔为1，所以对这个范围内的纵坐标进行求和即可求得全能峰在以通道数为横坐标下的面积)('ES,即449413'16646......263255)()(iicountES由E-N的线性关系E=-0.03569+0.00163N可得，实际的全能峰面积13.726646100163.0)(00163.0)('ESES已知，测量时间T=100s，活度A由表4可知A=29.27（kBq），分支比b由Cs137的衰变纲图可知b=85.1%，故Cs137的探测效率为：%09.1%100%1.8527.2910013.27)()(TAbESE同理可得其他已知放射源各全能峰的探测效率，如表5所示。表5谱仪在各放射源峰值处探测效率放射源Co60Cs137Ba133Na22能量E/MeV1.1731.3330.66170.35600.5110全能峰面积)(ES7.204.9527.1348.132.56测量时间T/s300300100100620活度A/kBq4.204.2029.2730.790.13分支比b99.97%99.98%85.1%62.05%99.94%探测效率)(E0.57%0.39%1.09%2.52%3.18%用origin作指数衰减拟合得E曲线如图13所示0.20.40.60.81.01.21.40.0000.0050.0100.0150.0200.0250.0300.035Data:Data1_BModel:ExpGro1Equation:y=A1*exp(x/t1)+y0Weighting:yNoweightingChi^2/DoF=0.00007R^2=0.76748y0-0.00865±0.06232A10.05645±0.02777t1-0.85742±2.51697BExpGro1fitofData1_BEE/MeV图13.谱仪的探测频率曲线可以近似地认为谱仪的探测效率曲线为指数衰减函数：)857.0exp(05645.000865.0)(EE由拟合关系可知探测效率随能量增大以近似的指数形式衰减5）根据能量刻度曲线，计算未知放射源的射线能量，判断放射源的种类在相同实验条件下，测出未知放射源的能谱曲线如图28所示020040060080010001200-100001000200030004000500060007000ChannelChannelUnknow图14.未知放射源的能谱曲线由E-N的线性关系E=-0.03569+0.00163N可得，图14标识出的全能峰所对应的能量为：表6未知放射源各全能峰对应的能量N72104160225510627705877E/MeV0.0820.1340.2250.331