段丁槊

摘要：本文主要通過了解放射性衰變、γ輻射和光電效應等來利用閃爍探測器測定伽瑪射線的能譜。伽馬閃爍探測器由碘化鈉、鉈活化晶體和光電倍增管組件組成，該探測器接收信號后放大，測量了峰的能量值，據(jù)此來研究其性質與特征。

關鍵詞：伽瑪能譜；閃爍探測器；能譜測量

利用γ能譜儀可以測量物質中γ射線的能量分布，在此基礎上可以測量放射性元素的含量，對生產與生活都有著廣泛的指導意義。而隨著科技的進步，利用閃爍探測器測量能譜逐漸成為一項廣泛采用的新技術。

1 測量的理論依據(jù)——放射性衰變與γ輻射

在元素周期表中，元素是按原子序數(shù)來排列，可以用Z來表示。Z的值等于核中質子的數(shù)目；電子的數(shù)目也等于Z，但只有當原子是電中性的，如果它與Z不同，即更大?；蚋。┰邮且粋€離子。原子核的中子和質子之和形成了原子質量A。大多數(shù)元素可以有一個以上的值而不失去它們的同一性；這是因為中子的數(shù)量不一定等于Z。通常，原子質量的一個值在自然界中是最豐富的，被稱為最豐富的同位素。

核中有兩種力：分別為長庫侖力和短距離核力。第一個是排斥的，因為質子都帶正電荷。核力是核子的特征，正如它的名字所說的那樣，它是短程的，因為它的作用只能在很小的距離上感知，并且是核保持在一起的原因。原子數(shù)小于83的元素中最豐富的同位素通常具有一定數(shù)量的中子，它們在排斥力和吸引力之間提供平衡，這意味著它處于穩(wěn)定的構型。其他具有不同原子質量的同位素也可能是穩(wěn)定的，但有時中子的數(shù)量會導致力的不平衡。在最后一種情況下，結構將是不穩(wěn)定的，核是放射性的。Z大于83的核自然不穩(wěn)定。

放射性核通過不斷發(fā)射粒子和電磁輻射來更加趨于穩(wěn)定；可以理解為放射性衰變。放射性衰變的主要類型有：

α衰變：“母”核發(fā)射出α粒子（包括氦原子核，2個質子和2個中子）：AZX→A-4Z-2Y+α，α衰變在原子數(shù)大于或等于83的元素中自然發(fā)生，包括鈾、鐳等。

β衰變：在“母”核中，兩種反應中的一種發(fā)生：a.中子發(fā)射β粒子后變成質子：AZX→AZ+1Y+β-；b.質子通過正β粒子（正電子）的發(fā)射而變成中子。AZX→AZ-1Y+β+當原子通過作用力“俘獲”一個軌道電子時，質子形成中子；也就是逆β衰變。

γ衰變：伴隨α和β衰變的高能電磁輻射。當“子”核處于激發(fā)狀態(tài)，通過發(fā)射伽馬粒子形成更穩(wěn)定的構型：AZX*→AZX+γ。每個放射性核具有特有的γ輻射能量，并且在伽馬能譜中，它被用來確定樣品中存在什么樣的放射性核素。放射性衰變不會無限期地持續(xù)下去，最終由這個過程產生穩(wěn)定的最終子核。

2 實驗過程

一般來說，有兩件事來確定伽馬源。一種是從源發(fā)射的伽馬射線的能量；另一種是單位時間內離開源的伽馬總數(shù)。在這種光譜學中使用的同位素的典型衰變方案將從β衰變開始。然后進行伽瑪發(fā)射到基態(tài)的子同位素。但是它也可能衰變到一個或多個中間激發(fā)態(tài)，每個衰變產生一個對應于能級間能級差的能量的伽馬，最后到達基態(tài)。所有這些伽馬可以通過閃爍計數(shù)器來檢測。注意，開始整個過程的貝塔通常會被吸收（因為它們是電子）并且根本不會進入閃爍探測器。所檢測到的每個特定伽馬的數(shù)目，以及因此由MCA顯示的伽瑪峰的高度，將取決于源的活動和該特定衰變的躍遷概率或半衰期。因此，光譜產生關于核的離散能級和它們的壽命的信息。

伽馬閃爍探測器由NaI（Tl）（碘化鈉，鉈活化）晶體和光電倍增管組件組成。

該檢測器接收信號，并將其放大，然后將其發(fā)送到多通道分析器（MCA）。模型5010提供運行光電倍增管所需的高電壓，同時它還接收并放大從管陽極基部接收的信號。

MCA由一系列單通道分析器（SCA）組成。SCA是一種每當輸入能量范圍內（E，E+E）到達檢測器時產生輸出脈沖的裝置。換句話說，輸入脈沖是“計數(shù)”，如果它的能量落在這個選定的范圍內。在MCA中，SCAS以這樣的方式布置，使得它們的電子窗口被布置成使得觸發(fā)一個信道的最小能量位于最大能量的頂部，以觸發(fā)先前的信道。來自第一SCA的脈沖在信道1中計數(shù)，來自第二信道SCA中的第二SCA的脈沖等。在本實驗中使用的MCA具有1024個信道。由于整個系統(tǒng)集中在計算機的一張卡片上，可以通過計算機中存儲的軟件，可以控制卡的功能，并顯示MCA的輸出。然后將該放大的模擬信號發(fā)送到MCA，在該MCA中模數(shù)轉換器輸出數(shù)字信號，脈沖高度分析器確定信號屬于哪個信道，然后觸發(fā)該信道的計數(shù)器。累積的信號將由計算機顯示為在1024個通道中的一些通道中增加計數(shù)（峰值），每個峰值對應于放置在檢測器下面的源發(fā)射的特定伽馬射線。如果MCA已經被適當?shù)匦?，這些峰的能量，因此伽馬射線的能量，可以直接從計算機監(jiān)視器讀取，否則峰值由它們的信道號來表示。在最低通道中積累的數(shù)據(jù)通常對應于X射線能量而不是伽馬射線。然而，目前的探測器對X射線的能量并不是特別敏感，因為為NaI晶體提供光屏蔽的鋁外殼會吸收太多的X射線能量。然而，其他具有特殊“窗口”的探測器也可以用于X射線。為了獲得源的真實伽馬譜，有必要理解脈沖高度譜中通常存在的一些除了伽瑪峰以外的特征。

3 實驗結果分析

由于從放射性物質中彈射出來粒子會具有大量的動能，氣體會因其電離，所以伽馬射線電離物質。通過仔細實驗和結果分析，我們了解了光電效應、電子偶的產生、康普頓邊緣和后向散射峰，并用閃爍探測器對伽馬能譜進行了測定。

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