基于闪烁探测器的伽玛能谱测量研究

段丁槊

摘要：本文主要通过了解放射性衰变、γ辐射和光电效应等来利用闪烁探测器测定伽玛射线的能谱。伽马闪烁探测器由碘化钠、铊活化晶体和光电倍增管组件组成，该探测器接收信号后放大，测量了峰的能量值，据此来研究其性质与特征。

关键词：伽玛能谱；闪烁探测器；能谱测量

利用γ能谱仪可以测量物质中γ射线的能量分布，在此基础上可以测量放射性元素的含量，对生产与生活都有着广泛的指导意义。而随着科技的进步，利用闪烁探测器测量能谱逐渐成为一项广泛采用的新技术。

1 测量的理论依据——放射性衰变与γ辐射

在元素周期表中，元素是按原子序数来排列，可以用Z来表示。Z的值等于核中质子的数目；电子的数目也等于Z，但只有当原子是电中性的，如果它与Z不同，即更大。或更小）原子是一个离子。原子核的中子和质子之和形成了原子质量A。大多数元素可以有一个以上的值而不失去它们的同一性；这是因为中子的数量不一定等于Z。通常，原子质量的一个值在自然界中是最丰富的，被称为最丰富的同位素。

核中有两种力：分别为长库仑力和短距离核力。第一个是排斥的，因为质子都带正电荷。核力是核子的特征，正如它的名字所说的那样，它是短程的，因为它的作用只能在很小的距离上感知，并且是核保持在一起的原因。原子数小于83的元素中最丰富的同位素通常具有一定数量的中子，它们在排斥力和吸引力之间提供平衡，这意味着它处于稳定的构型。其他具有不同原子质量的同位素也可能是稳定的，但有时中子的数量会导致力的不平衡。在最后一种情况下，结构将是不稳定的，核是放射性的。Z大于83的核自然不稳定。

放射性核通过不断发射粒子和电磁辐射来更加趋于稳定；可以理解为放射性衰变。放射性衰变的主要类型有：

α衰变：“母”核发射出α粒子（包括氦原子核，2个质子和2个中子）：AZX→A-4Z-2Y+α，α衰变在原子数大于或等于83的元素中自然发生，包括铀、镭等。

β衰变：在“母”核中，两种反应中的一种发生：a.中子发射β粒子后变成质子：AZX→AZ+1Y+β-；b.质子通过正β粒子（正电子）的发射而变成中子。AZX→AZ-1Y+β+当原子通过作用力“俘获”一个轨道电子时，质子形成中子；也就是逆β衰变。

γ衰变：伴随α和β衰变的高能电磁辐射。当“子”核处于激发状态，通过发射伽马粒子形成更稳定的构型：AZX*→AZX+γ。每个放射性核具有特有的γ辐射能量，并且在伽马能谱中，它被用来确定样品中存在什么样的放射性核素。放射性衰变不会无限期地持续下去，最终由这个过程产生稳定的最终子核。

2 实验过程

一般来说，有两件事来确定伽马源。一种是从源发射的伽马射线的能量；另一种是单位时间内离开源的伽马总数。在这种光谱学中使用的同位素的典型衰变方案将从β衰变开始。然后进行伽玛发射到基态的子同位素。但是它也可能衰变到一个或多个中间激发态，每个衰变产生一个对应于能级间能级差的能量的伽马，最后到达基态。所有这些伽马可以通过闪烁计数器来检测。注意，开始整个过程的贝塔通常会被吸收（因为它们是电子）并且根本不会进入闪烁探测器。所检测到的每个特定伽马的数目，以及因此由MCA显示的伽玛峰的高度，将取决于源的活动和该特定衰变的跃迁概率或半衰期。因此，光谱产生关于核的离散能级和它们的寿命的信息。

伽马闪烁探测器由NaI（Tl）（碘化钠，铊活化）晶体和光电倍增管组件组成。

该检测器接收信号，并将其放大，然后将其发送到多通道分析器（MCA）。模型5010提供运行光电倍增管所需的高电压，同时它还接收并放大从管阳极基部接收的信号。

MCA由一系列单通道分析器（SCA）组成。SCA是一种每当输入能量范围内（E，E+E）到达检测器时产生输出脉冲的装置。换句话说，输入脉冲是“计数”，如果它的能量落在这个选定的范围内。在MCA中，SCAS以这样的方式布置，使得它们的电子窗口被布置成使得触发一个信道的最小能量位于最大能量的顶部，以触发先前的信道。来自第一SCA的脉冲在信道1中计数，来自第二信道SCA中的第二SCA的脉冲等。在本实验中使用的MCA具有1024个信道。由于整个系统集中在计算机的一张卡片上，可以通过计算机中存储的软件，可以控制卡的功能，并显示MCA的输出。然后将该放大的模拟信号发送到MCA，在该MCA中模數转换器输出数字信号，脉冲高度分析器确定信号属于哪个信道，然后触发该信道的计数器。累积的信号将由计算机显示为在1024个通道中的一些通道中增加计数（峰值），每个峰值对应于放置在检测器下面的源发射的特定伽马射线。如果MCA已经被适当地校准，这些峰的能量，因此伽马射线的能量，可以直接从计算机监视器读取，否则峰值由它们的信道号来表示。在最低通道中积累的数据通常对应于X射线能量而不是伽马射线。然而，目前的探测器对X射线的能量并不是特别敏感，因为为NaI晶体提供光屏蔽的铝外壳会吸收太多的X射线能量。然而，其他具有特殊“窗口”的探测器也可以用于X射线。为了获得源的真实伽马谱，有必要理解脉冲高度谱中通常存在的一些除了伽玛峰以外的特征。

3 实验结果分析

由于从放射性物质中弹射出来粒子会具有大量的动能，气体会因其电离，所以伽马射线电离物质。通过仔细实验和结果分析，我们了解了光电效应、电子偶的产生、康普顿边缘和后向散射峰，并用闪烁探测器对伽马能谱进行了测定。

参考文献：

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