基于閃爍探測(cè)器的伽瑪能譜測(cè)量研究

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(yīng)等來利用閃爍探測(cè)器測(cè)定伽瑪射線的能譜。伽馬閃爍探測(cè)器由碘化鈉、鉈活化晶體和光電倍增管組件組成，該探測(cè)器接收信號(hào)后放大，測(cè)量了峰的能量值，據(jù)此來研究其性質(zhì)與特征。

關(guān)鍵詞：伽瑪能譜；閃爍探測(cè)器；能譜測(cè)量

利用γ能譜儀可以測(cè)量物質(zhì)中γ射線的能量分布，在此基礎(chǔ)上可以測(cè)量放射性元素的含量，對(duì)生產(chǎn)與生活都有著廣泛的指導(dǎo)意義。而隨著科技的進(jìn)步，利用閃爍探測(cè)器測(cè)量能譜逐漸成為一項(xiàng)廣泛采用的新技術(shù)。

1 測(cè)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(zhì)子的數(shù)目；電子的數(shù)目也等于Z，但只有當(dāng)原子是電中性的，如果它與Z不同，即更大。或更小）原子是一個(gè)離子。原子核的中子和質(zhì)子之和形成了原子質(zhì)量A。大多數(shù)元素可以有一個(gè)以上的值而不失去它們的同一性；這是因?yàn)橹凶拥臄?shù)量不一定等于Z。通常，原子質(zhì)量的一個(gè)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(zhǎng)庫(kù)侖力和短距離核力。第一個(gè)是排斥的，因?yàn)橘|(zhì)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?yàn)樗淖饔弥荒茉诤苄〉木嚯x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?cè)谂懦饬臀χg提供平衡，這意味著它處于穩(wěn)定的構(gòu)型。其他具有不同原子質(zhì)量的同位素也可能是穩(wěn)定的，但有時(shí)中子的數(shù)量會(huì)導(dǎo)致力的不平衡。在最后一種情況下，結(jié)構(gòu)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(gè)質(zhì)子和2個(gè)中子）：AZX→A-4Z-2Y+α，α衰變?cè)谠訑?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(yīng)中的一種發(fā)生：a.中子發(fā)射β粒子后變成質(zhì)子：AZX→AZ+1Y+β-；b.質(zhì)子通過正β粒子（正電子）的發(fā)射而變成中子。AZX→AZ-1Y+β+當(dāng)原子通過作用力“俘獲”一個(gè)軌道電子時(shí)，質(zhì)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(dāng)“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(gòu)型：AZX*→AZX+γ。每個(gè)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(huì)無限期地持續(xù)下去，最終由這個(gè)過程產(chǎn)生穩(wěn)定的最終子核。

2 實(shí)驗(yàn)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(shí)間內(nèi)離開源的伽馬總數(shù)。在這種光譜學(xué)中使用的同位素的典型衰變方案將從β衰變開始。然后進(jìn)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(gè)或多個(gè)中間激發(fā)態(tài)，每個(gè)衰變產(chǎn)生一個(gè)對(duì)應(yīng)于能級(jí)間能級(jí)差的能量的伽馬，最后到達(dá)基態(tài)。所有這些伽馬可以通過閃爍計(jì)數(shù)器來檢測(cè)。注意，開始整個(gè)過程的貝塔通常會(huì)被吸收（因?yàn)樗鼈兪请娮樱┎⑶腋静粫?huì)進(jìn)入閃爍探測(cè)器。所檢測(cè)到的每個(gè)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(dòng)和該特定衰變的躍遷概率或半衰期。因此，光譜產(chǎn)生關(guān)于核的離散能級(jí)和它們的壽命的信息。

伽馬閃爍探測(cè)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(cè)器接收信號(hào)，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(yùn)行光電倍增管所需的高電壓，同時(shí)它還接收并放大從管陽(yáng)極基部接收的信號(hào)。

MCA由一系列單通道分析器（SCA）組成。SCA是一種每當(dāng)輸入能量范圍內(nèi)（E，E+E）到達(dá)檢測(cè)器時(shí)產(chǎn)生輸出脈沖的裝置。換句話說，輸入脈沖是“計(jì)數(shù)”，如果它的能量落在這個(gè)選定的范圍內(nèi)。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(gè)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(jì)數(shù)，來自第二信道SCA中的第二SCA的脈沖等。在本實(shí)驗(yàn)中使用的MCA具有1024個(gè)信道。由于整個(gè)系統(tǒng)集中在計(jì)算機(jī)的一張卡片上，可以通過計(jì)算機(jī)中存儲(chǔ)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(hào)發(fā)送到MCA，在該MCA中模數(shù)轉(zhuǎn)換器輸出數(shù)字信號(hào)，脈沖高度分析器確定信號(hào)屬于哪個(gè)信道，然后觸發(fā)該信道的計(jì)數(shù)器。累積的信號(hào)將由計(jì)算機(jī)顯示為在1024個(gè)通道中的一些通道中增加計(jì)數(shù)（峰值），每個(gè)峰值對(duì)應(yīng)于放置在檢測(cè)器下面的源發(fā)射的特定伽馬射線。如果MCA已經(jīng)被適當(dāng)?shù)匦?zhǔn)，這些峰的能量，因此伽馬射線的能量，可以直接從計(jì)算機(jī)監(jiān)視器讀取，否則峰值由它們的信道號(hào)來表示。在最低通道中積累的數(shù)據(jù)通常對(duì)應(yīng)于X射線能量而不是伽馬射線。然而，目前的探測(cè)器對(duì)X射線的能量并不是特別敏感，因?yàn)闉镹aI晶體提供光屏蔽的鋁外殼會(huì)吸收太多的X射線能量。然而，其他具有特殊“窗口”的探測(cè)器也可以用于X射線。為了獲得源的真實(shí)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(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

由于從放射性物質(zhì)中彈射出來粒子會(huì)具有大量的動(dòng)能，氣體會(huì)因其電離，所以伽馬射線電離物質(zhì)。通過仔細(xì)實(shí)驗(yàn)和結(jié)果分析，我們了解了光電效應(yīng)、電子偶的產(chǎn)生、康普頓邊緣和后向散射峰，并用閃爍探測(cè)器對(duì)伽馬能譜進(jìn)行了測(cè)定。

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