NaI(Tl)单晶 γ 能谱仪实验

实验室和教师介绍

　γ能谱仪实验的实验室位于物理楼334房间，本学期由 俞熹 和 李世燕 两位老师负责教学，技术支持乐永康和潘正元老师。

实验目的

核反应一般都会发射γ射线。测量γ射线的强度和能量是核物理研究和应用的重要内容。NaI(Tl)单晶闪烁探头有较高的探测效率和能量分辨率，在现实中有非常广泛的应用。

本实验所涉及的物理内容很丰富，是近代物理实验课的一个传统实验。

通过本实验，学生要掌握核物理的基本知识、核辐射探测的基本技能和能谱分析的基本方法。学生还应比较深入地探讨本实验中物理量的转换过程及电学信号的处理过程。

实验原理

进入NaI(Tl)闪烁探头的γ射线通过光电效应、康普顿效应和电子对效应激发闪烁体发射荧光，荧光强度和γ射线在闪烁体中沉积的能量成正比；光电倍增管接收荧光，并输出一个幅度和荧光强度成正比电学脉冲，多道分析器分析每个脉冲的幅度并分道计数，然后按脉冲幅度输出统计结果。这样，我们就得到了γ能谱。

除了能谱形成的物理过程，学生还应掌握：核衰变纲图、作用截面、闪烁体原理、能量分辨率、光电转换量子效率等重要内容。

教学要点

以下内容希望同学们在预习、操作和实验结果分析等环节能特别留意：

  1. 怎样正确操作示波器，以便观察随机脉冲信号？
  2. 光电倍增管上加高压的作用是什么？高压在不同的打拿极上是怎么分布的？高压改变时，示波器上观察到的脉冲会怎样变化？
  3. 光电倍增管上高压的变化对能谱的本底和计数率怎样会产生怎样的影响？
  4. 放大器上的放大倍率、微分、积分选项分别对脉冲的形状和能谱产生怎样的影响？
  5. 信号脉冲的时间宽度以及能谱分辨率和哪些因素有关？

特别提醒：尽量少改变光电倍增管的接线，如需改变，请一定要请指导老师确认。如果把在信号输出端上接了高压，或者在开机状态下插拔高压接头，很可能马上损坏探头或者导致探头性能下降。

拓展阅读

建议有兴趣的同学课外阅读以下内容：盖革-穆勒计数管、半导体γ射线探测器、符合测量、辐射剂量、辐射防护等。

实验拓展内容

　　本实验下半学期可以选做的课题：

  1. γ能谱中的本底：设计实验研究背景辐射、探测器噪声等的成分各是多少？怎么消除它们对实验结果的影响？
  2. 设计实验研究信号脉冲的时间宽度以及能谱分辨率和哪些因素有关？
  3. 特征X射线：设计实验，探讨我们在本实验中可以探测到哪些特征X射线；
  4. 康普顿平台：探讨康普顿散射的几率和角度的依赖关系；
  5. 设计实验研究γ射线与物质相互作用中，三种过程发生的几率与能量的关系；

　　有兴趣的同学可以从以上课题中选取一个或几个课题作为自己选做实验的内容。

实验室可提供的主要器材

npy.jpg

北京核仪器厂的γ 能谱仪实验装置包括NaI(Tl)闪烁探头、 NIM（Nuclear Instrument Module)机箱、高压电源、低压电源、线性放大器，脉冲多道幅度分析器，示波器，电脑及放射源等。

γ 能谱实验预习要点

通过阅读教材，学生应掌握以下内容：

  1. 了解γ射线与物质作用；
  2. 了解γ能谱仪的工作原理及能谱图的形成机理，能谱分辨率的计算方法；
  3. 了解137Cs, 60Co，22Na 的衰变纲图和能谱图结构。
  4. 了解碘化钠（NaI）单晶中掺入少量铊（Tl）作用；
  5. 了解光电倍增管的工作原理；
  6. 了解散射截面、吸收系数和质量吸收系数的概念；
  7. 学习用“卡全能峰法”测量质量吸收系数及散射截面的方法。

γ能谱实验内容

  • 检查实验仪器的线路连接。
  • 用137Cs为源，将光电倍增管高压调至600V左右，观察随机脉冲电压信号，及脉冲信号随实验条件的变化；用数字示波器记录“典型”的脉冲，探讨脉冲成形机理。
    1. 用示波器直接观察探头输出的信号。
    2. 用示波器观察线性放大器输出的信号。
    3. 可改变的实验条件包括：高压、放大倍数、微分/积分参数等。

　　用示波器观察随机脉冲时，触发信号的正确选择和设置是关键。关于这两个控制量的功能，大家可以参阅《基础物理实验》中“数字示波器实验”的讲义（虽然两门课程用的是不同厂家的示波器，但原理是一样的）。实验中所用XJ4453A型数字示波器的操作说明请参阅XJ4400数字示波器使用说明书。

  • 能谱仪基本性能测定和能量定标
    1. 选择合适的实验参数，使谱仪的能量测量范围为0～2.0MeV左右，以便能记录22Na源的和峰。
    2. 记录137Cs源的能谱，在137Cs的能谱中求出谱仪的能量分辨率η（说明1）及光电峰面积与整个能谱面积的比值（用UMS软件中的积分功能或用Origin等软件处理数据文件），说明这个面积比的物理含义。同时记录137Cs的能谱中反散射峰和康普顿边缘的道址。（请同学们认真思考：康普顿边缘在能谱上的位置该怎么确定？是平台边开始下降的那一点吗？）
    3. 利用137Cs的光电峰和22Na的正负电子湮灭峰、光电峰和和峰定标能谱仪。（要想及时看到Na的和峰，1）测量时尽量将源靠近探头；2）在Setup菜单中选择对数坐标。）
    4. 求出137Cs能谱中反散射峰和康普顿边缘的能量，60Co两个光电峰的能量。
    5. 记录实验室背景辐射的能谱，讨论背景辐射的存在是否会对前述测量“未知峰”能量有影响。

　　　　说明1：书本204页关于能量分辨率的计算公式（8-3）是正确的，但与之相关的定义“我们把全能峰的半宽（即峰顶两侧半高点间的距离ΔVp）与峰高（Vp）的比值，定义为γ能谱仪在全能峰处的能量分辨率η”是错误的。请大家的数据处理时，认真思考，正确使用公式（8-3）。

  • 用卡全能峰的方法物质对γ射线的质量吸收系数μ
    1. 用137Cs源，实验用铅片5片，上面标有质量密度ξ，选定合适的测量时间记录γ能谱随铅衰减片数量的变化，读取137Cs光电峰的积分值（卡全能峰），共测量7组数据：包括未放铅片的一次测量和源取出后本底的测量；求出铅对0.661MeVγ的吸收系数、质量吸收系数和散射截面。
    2. 测量铝对0.661MeVγ的吸收系数、质量吸收系数和散射截面（选做）。
    3. 用22Na重复上述实验（选做）。

典型实验结果

gama-pulse-1.jpg

  • 示波器上观察到的未微分的脉冲。（小图是微分后的脉冲。）

gama-na-spectrum-1.jpg

  • 钠的γ能谱图。（小图是纵轴为对数坐标时的能谱，可看到和峰。）

实验报告要求

  1. 说明做了哪些γ 能谱仪实验及这些实验的目的、意义。
  2. 实验的原理与设计思想的简要阐述。
  3. 各实验的实验过程、数据记录、处理和讨论。
  4. 实验中发现的各种问题及其解决方法；进一步实验的设想。

参考书目

  1. 杨福家. 原子物理学（第三版）. 北京：高等教育出版社，2000.
  2. 吴思诚，王祖铨. 近代物理实验. 北京：北京大学出版社，2001.
  3. 杨福家、王炎森、陆福全 原子核物理（第二版） 上海：复旦大学出版社
  4. 卢希庭 原子核物理 原子能出版社 1981.
  5. 北京大学、复旦大学 主编 《核物理实验》. 北京：原子能出版社，1989年。
  6. 复旦大学、清华大学、 北京大学 合编 《原子核物理实验方法》（上册），北京：原子能出版社，1981.
  7. 一些思考问题和解答——这可能是学生编辑的一个页面，部分内容不正确，只能作参考。 — 乐永康 2013/03/02 15:31
  8. 各种元素的特征X射线：X-Ray Wavelengths——《Reviews of Modern Physics》39,78-124:1966
  9. M. Moszynski et al. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A 484(2002),259-269

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讨论区

最新讨论

请在此处提问！ — 乐永康 2014/11/08 14:04
老师您好！Cs的康普顿反冲电子角分布可以直接计算，但请问Co的康普顿反冲电子角分布该如何处理？——彭博
根据参考文献中的方法，对于单一能量的入射伽马光子，都可以计算出反冲电子角分布，但对于有两种相近能量伽马射线的源，能谱中反冲电子的能量与反冲角不再一一对应，也就无法用参考文献中的方法给出反冲电子的角分布了。
另外，因为我们的能谱仪有较大的展宽（能量分辨率在10%量级），从能谱曲线中提取数据并和理论预期作比较，下结论要很小心。 — 乐永康 2014/11/24 11:47
在处理实验数据时遇到几个问题：
(1)为什么Co的能谱中观察不到湮灭峰？能量明明足够产生正负电子对了啊？
(2)Co的能谱中靠近能量较小的那个全能峰的峰是较小gamma光子的康普顿边缘吗？最坐边那个峰属于什么？从能量上来看它接近于Tl的特征x射线，但是为什么只在Co的能谱中存在？
(3)Na的能谱图中在湮灭峰坐标的那个峰时反散射峰么？在我的测量结果中它的能量是0.162MeV，但理论的值应该是0.213MeV啊。 — 郑雯瀚 2015/05/02 21:20
对（1），首先要明白Na谱中的湮灭峰是怎么来的？能产生电子对，但几率多大？信号强度多大？
对（2）、（3），最好有图，否则不理解是什么情况。 — 乐永康 2015/05/03 23:04

一般性问题

我们用的B组仪器的能谱仪上面除了高压电源，低压电源和信号线之外，还有一个通断开关。实验中要拨到“断”一档，不知道这是控制什么的？相关材料里没有查到唉，期待高手指点迷津…— 沈超
在能谱探头上还有一个信号输出口，用作另外的信号输出，你说的开关拨到“通”时，信号接到那一路。在“断”档时，信号按照目前的连线方式输出。 — 乐永康 2010/03/25 23:29
可能由于源的放射性已不太强了，若只用一个源做，低能区的噪声会很大……导致实验结果不理想……建议大家用两个源做~~~效果要好得多哦~~
现在所用的铯源和钴源都足够强，用一个源做实验较快就可以得到相对涨落较小的能谱图。钠源稍弱，若想得到和峰，希望源的强度尽量大，因此，1）必须源和探测器的距离一定要小；2）可以尝试用两个源叠在一起进行测量。 — 乐永康 2014/11/08 13:45
实验书里面关于线性脉冲放大器的介绍较少，建议预习的时候查一些相关资料，会对于理解这个实验的各种现象很有帮助~~~ — 邓若鹏
尽量来补充相关资料！ — 乐永康 2014/11/08 13:45
请问现在三种放射源的放射性活度分别是多少？ — 叶麦 2014/04/06 22:10
Co60略小于10微居；Cs137略小于2微居；Na22约1微居。 — 乐永康 2014/04/06 22:25
谢谢老师 — 叶麦 2014/04/07 13:37
请问实验室中的铅片是否为纯铅？各片的密度是否相等？ — 叶麦 2014/04/11 18:19
没检测，无法回答。 — 乐永康 2014/04/12 10:50
谢谢老师 — 叶麦 2014/04/13 16:31
有一些符号我没有弄懂，网络上也未查到资料，希望和大家交流一下：1，《近代物理实验 第二版》教材中第500页表3-1有一项“光阴极代号”，分HT和EMI，请问分别是什么意思？是国际通用，还是中国内部的？2，示波器说明书中，关于采样率，有50GSa/s，1Ms/s这两种说法，我知道/s表示每秒，但是GSa和Ms是什么？ — 叶麦 2014/03/28 16:49
示波器那个是这样的：G、M是数量级，分别表示10^9、10^6，Sa的意思是Sample。 — 沈金辉 2014/03/28 18:32
谢谢沈兄！关于第一个问题我查到HT和EMI都是仪器生产商。 — 叶麦 2014/03/28 19:23
其实这个问题你可以自己百度一下。 — 沈金辉 2014/03/28 21:55
请问为什么课本上Co60的能谱图没有和峰？我推测是图中未画出而已。 — 叶麦 2014/03/29 08:29
书本第203页的几张能谱图或多或少都有点问题。Co60的能谱图没有和峰的原因可以是多方面的，现在很难猜测。但请注意，Na22能谱的纵坐标不同。 — 乐永康 2014/03/29 09:42
谢谢乐老师！我会批判性地看教材。 — 叶麦 2014/03/29 18:22

能谱的形成——γ射线与物质的相互作用过程

我对能谱仪还有个小问题，想问问您。如果铯的伽马光子（0.662Mev）发生康普顿散射，反冲电子能量为0.3Mev，那么在某个道址就记录一个脉冲信号，那么对于0.362Mev的散射光子，它也继续发生三种作用，得到次级电子，然后被某几个道址记录么？如果不考虑散射光子，我挺能理解能谱图的，但是加上了散射光子，不知它在能谱图是怎么体现的？ — 何志帆 2014/06/11 21:01
如果散射光子逃离闪烁体，那么，二次电子在闪烁体所带能量经一系列过程，被记录在康普顿平台上，。若散射光子没有逃离闪烁体，由于能量小，光电效应的界面最大，发生概率最大（即便在此发生康普顿散射，则在此散射的光子能量更低，光电效应概率更大），所以，最有可能产生一个能量与散射光子能量相等的二次电子的概率最大。由于这两个二次电子产生的时间间隔很短，一般小于闪烁体的时间分辨，一起产生一个荧光脉冲，相当于之前发生了光电效应，最终被记录到光电峰，所以，光电峰中有多次过程的贡献。 — 乐永康 2014/06/11 21:01

关于康普顿平台

>预习时看到别的论文中说常用的确定康普顿边缘的方法是直接从康普顿平台下降时的半高点中读出，后来对Cs的全能峰、Na的全能峰甚至湮灭峰的康普顿平台都用了这个方法，发现得到的结果特别准，平均只有1-2%的误差，但却查找不到这个方法的原理是什么，也完全想不出是什么原理。 — 刘宇轩 2014/03/15 16:23

我感觉能谱仪其实是对输入信号的一个变换：将线状（或者说展宽较细的能谱）变换成展宽较粗的能谱。那么能不能用数学方法将最后测得的能谱变换为实际能谱呢？比如使用小波变换？那这样就不用担心不同能量的谱线互相干扰，也不用担心找不准康普顿边缘了。 — 高哲深 2014/03/16 12:49
非常好的讨论。刘宇轩同学知道了正确的结果，希望知道物理基础是什么。高哲深同学提出了可能的思路。这里其实包含了实验物理非常基本的、但很重要的知识：仪器输出的未必是真实的信号！但肯定是真实信号的响应！所以，做实验时，充分了解仪器的响应特性是必须的，可以说是理解实验结果的基础。本实验中，能谱仪的能量分辨率有限是问题的关键。有兴趣的同学可以去看一下北京大学的近代物理教材（吴思诚主编）。与此有点类似的是：绝对零度时的费米面和温度非零时的费米面之间的关系。
作为进一步了解此问题的实践过程，有兴趣的同学可以自己去模拟一下：理想条件下，连续、有能量上限的康普顿平台，因为能量展宽，每一个能量对应的“柱子”变成了一个有限宽度的峰，这些峰叠加以后的包络是实验得到的康普顿平台，它具有怎样的特点：能量上限在叠加后的康普顿平台上处于什么位置？实验得到的康普顿平台从开始下降到“谷底”的道数与能量分辨率有何关系？ — 乐永康 2014/03/16 16:50
老师这么一说茅塞顿开了，这也确实是很基本的问题，发现做好实验最关键的地方就是充分了解仪器的特性，也是感觉是很难的一点。 — 刘宇轩 2014/03/16 19:53
对于这个问题，我考虑的是也有可能是发生一次康普顿散射后的出射光子仅损失一点点能量，然后又通过光电效应和二次康普顿散射被接收了。这些个效应叠加的统计结果反映在能谱图上形成这样的包络。— 姜修允 2014/04/16 22:10
如果我没有理解错，你的思路应该有些偏差。 — 乐永康 2014/04/17 21:43
这可以解释为什么Co能谱的康普顿平台是上升的。本来康普顿平台可以看成一个个柱子，但是有能量展宽，而且能量越大的柱子展宽也越大，叠加的效果就是计数变多，所以会有一个上升的趋势。。— 赵志强 2014/04/23 00:10
赵志强同学提供了一个新的思路，可以通过电脑模拟来验证一下。不过我的理解是：相同比例的展宽可能不会导致你说的“Co能谱的康普顿平台是上升的”这一结果，因为随着能量的增大，原先“柱子”面积要合理分配给一个更宽的“包络”，会使得包络的高度有所下降。实际上，北大的近代物理实验教材上给出来的理想条件下（能量分辨率很高，η值很小），康普顿平台就有点“两头翘”。 — 乐永康 2014/04/23 00:49
有期刊文章对高分辨率的康普顿平台和分辨率较低的康普顿平台做了阐述，但是文章中提到的弥散算法我不是很理解，但是最后的计算结果显示康普顿平台的边缘在中点的位置，理想的曲线是两头上翘的。 — 沈金辉 2014/04/23 09:50
两头上翘的原因我感觉是康普敦平台和两边的反散射峰和光电峰的叠加效果。对于铯来说全能峰的叠加效果不显著，所以平台很平，而钴的全能峰叠加效果就很明显了，导致平台上翘。— 赵志强 2014/04/23 13:50
康普顿平台边沿因为“重叠”导致上翘，有说服力。沈金辉，你能提供你说的文章的详细信息吗？如题目、作者，或者给个下载的链接？ — 乐永康 2014/04/23 15:45
我直接写在报告里吧。。。 — 沈金辉 2014/04/23 16:13
是想让你的同学也可以去读一读啦！劳驾贴在这里。 — 乐永康 2014/04/23 17:06
好吧~在γ能谱测量中验证康普顿效应 — 沈金辉 2014/04/23 23:03
不知这样的思路可行吗？实际测得的谱是ls的pdf中有K-N公式得到的康普顿散射理论谱线与线型函数（谱线展宽高斯函数）的卷积。所以用傅里叶变换去卷积可行吗？ — 李阳 2014/04/24/21:04
你不妨尝试一下。 — 乐永康 2015/05/03 23:04
不知道是不是我没理解问题，平台两头上翘好像是符合理论预计的结果吧，不同能量康普顿电子的散射截面不一样的。 有意思的是有些实验里平台不翘，而且平台半高的道址对应了理论预计的平台边缘。 我觉得一个比较简明的解释是实验中展宽的作用相当于把理论曲线抹匀了，或者说我们实验数据中每个点应该对应于理论曲线中这个点附近展宽范围内的数据的平均值，另外理论得到的康普顿平台边缘的峰宽与实验展宽可比拟，这样尖尖角就抹平了。 — 董知寰 2016/03/18 01:50
没错，散射截面的理论曲线中有“两头翘”的现象。两个疑问依然存在：1）展宽会抹平这个“两头翘”吗？2）钠、铯、钴三条谱线的“两头翘”现象表现得不一致，为什么？在讨论这些现象是，还有两点是不能忽略的：1）本底计数集中在低能区；2）探头对不同能量γ射线的吸收系数不同。基于以上讨论，有同学愿意设计一个“虚拟仿真”实验吗？ — 乐永康 2016/03/18 09:46
老师，Co的平台似乎不太直观，因为Co有两个峰，他本应有两个平台以及两个反散射峰，但这些东西叠在一起导致图中看不出明显的两套曲线叠加的效果，只能看到一个很宽很宽的包。。。而Na的反散射峰在beta+峰的左侧，而且距离很近，也就是说beta+峰影响了反散射峰的观测，同时也把本该凹一点的平台填平了，所以也不容易看出“两头尖”。另外，您的提到的“探头对γ射线的吸收系数”，这个值大概是在什么量级？我从物理上感觉，当光子在MeV量级时这个系数会比较稳定，但在低能部分会有很大的波动，因为这个时候波长和晶格常数量级一致（比如x射线的衍射） — 董知宇 2016/03/19 17:05
两兄弟来和我车轮战啊！=)这个吸收系数你们已经测量了啊！书上有散射截面的示意图，但给出来的结果定量上应该不是很准。我的感觉是：对0.511MeV以上的射线，衍射效应带来的吸收系数变化应该可以忽略了吧（仅是猜测），应该可以查到具体的数据，但我手头没有。你们若有兴趣，可以尝试用一下Geant 4.0，估计能直接算出来。 — 乐永康 2016/03/19 23:33

关于吸收系数

又感觉到一个问题，在用卡全能峰法的时候，统计的是未被铅片散射的γ光子吗？ — 刘宇轩 2014/03/17 14:30
我想问的是如果统计的是未被散射的光子那么不是会出现很大的误差吗？ 因为即使在铅片里没有被散射，但进入闪烁体后仍然会散射的，其信号不就被记录在康普顿平台而不是全能峰了吗？或者探测值与真正未被散射的通量是存在比例关系的？
刘宇轩，你的思考很好。不过这个问题在你认真分析后应该自己能找到答案。提示：思考一下“峰台比”的含义，在无铅片衰减和有铅片衰减两种情况下，峰台比会怎么变化？ — 乐永康 2014/03/17 16:52
因为在物理实验中心的网站及课本上均未给出质量吸收系数的参考值，因此上网搜寻了一番，大家可以进入这个数据库http://physics.nist.gov/PhysRefData/Xcom/html/xcom1.html 可以选择元素和自定义γ光子能量，得到质量吸收系数及一系列参数，同时还有软件版本可供下载http://physics.nist.gov/PhysRefData/Xcom/Text/download.html — 梁驭辰 2014/03/25 23:19
从这上面可以查到0.661MeV的γ射线，铅对其质量吸收系数是0.1036cm2/g，而不是05级学长实验报告《三种不同的本底扣除方法对物质吸收系数μ的计算的影响与讨论》中提到的0.107cm2/g
感谢梁驭辰同学提供资料！ — 乐永康 2014/03/26 00:12
从上述数据库中查到的资料只有0.6MeV与0.8MeV时的吸收系数，然后尝试用这两个点进行线性、指数，双对数线性拟合得到的0.661MeV吸收系数都不是0.1036cm2/g…但是假如只看光电效应吸收系数并进行线性拟合的话恰好可以得到0.107cm2/g，所以这个吸收系数是怎么查出来的…FIXME；顺便提供NIST吸收系数数据的另两个入口https://www.nist.gov/pml/x-ray-mass-attenuation-coefficients、https://physics.nist.gov/PhysRefData/FFast/html/form.html，不过数据好像没什么差别的样子 — 吴迪 2018/04/16 19:55
对于本实验中所用的“卡全能峰”法测得的衰减系数，我们一直以0.107cm2/g为参考值。我记得有原始文献的。 — 乐永康 2018/04/18 01:04

关于“未知峰”

>用Cs源做能谱的时候，发现有一个能量越为0.021MeV的很高的峰，我推测应该是Ba的特征X射线峰，但是能量不对（Ba的特征X射线能量是0.032MeV）；还有一个能量为0.065MeV的峰，和Pb的特征X射线（0.075MeV）也对不上。不知道这是为什么？ — 周竑喆 2014/04/20 15:11

能上张图看看么？ — 沈金辉 2014/04/20 15:59
数据和图像都有137cs能谱.txt



没有测它对应的背景辐射。背景辐射的最大值差不多也在0.021MeV的地方，但计数比图上的峰值小很多，所以扣掉之后图像的大致形状还是不变的。 — 周竑喆 2014/04/20 17:12
第一个峰就是Ba的特征X射线峰（能量是0.032MeV），第二个峰是Pb的特征X射线（0.075MeV）的可能性很大。这里的问题是：你怎么测定这两个峰的能量？定标用的已知能量是那几个已知能量的峰？能量范围涵盖这两个X射线峰吗？若是依靠外推，能量测量的相对误差会大一些。实验上，也有办法验证这两个峰就是来自Cs源和铅，你自己能设计实验验证这一点吗？ — 乐永康 2014/04/20 21:14
用的是这张图上的反散射峰和全能峰定标，然后计算得到的康普顿边缘跟理论值相比很准确；经过乐老师的启发已经做过相关的实验，实验上基本可以确定这是两个X射线峰，因此我对这两个峰峰位的这么大的误差感到不理解。另外我想请问老师第一个峰可不可能有Cs的X射线成分？ — 周竑喆 2014/04/21 12:22
第一个峰当然有可能含有Cs的特征X射线成分。进一步的问题是：铯源发射Ba的特征X射线和发射Cs的特征X射线的几率各是多大？两种X射线的能量差是多少？我们的设备能否分辨？想分辨需要什么样的仪器？ — 乐永康 2014/04/21 16:27
感谢老师的提示！ — 周竑喆 2014/04/21 21:00
我们测量22Na和137Cs能谱时（未放铅片）发现在低能区都有一个明显的小峰，这个峰的位置和直接测量的本底能量的峰位一致，但是奇怪的是在扣除本底后，如图2所示小峰依然存在（测量时间都相同）。本底来源有背景辐射和探测器噪声，但主要来源是光电倍增管对热电子的放大。对于本底不能完全扣除，我猜测有几个可能的原因: 1.测量本底时，光电倍增管的工作温度可能比有放射源时低，热发射电流会随着温度降低迅速减小，导致两次噪声不同。2. 放射源的γ光子直接打到光电倍增管的光阴极上发生光电效应，产生一定本底。3. 这个未知峰的能量和铅的X特征峰差不多，会不会是γ光子打到遮挡用的铅块上产生的X特征射线（可能性较小）4. 137Ba的特征峰和Na的特征峰，但是特征峰一般比较尖锐，计数比反散射峰高(如第三张图，1，2两个峰) 5. 由于参数不同，产生的偶然现象。感觉重做一次以后，了解多了以后疑问反而更多了。

— 徐珏 2014/11/03 15:51
徐珏，你说的现象我之前也没有留意到。你说：“感觉重做一次以后，了解多了以后疑问反而更多了”。你们先后两次来做，结果都一样吗？
对书上说的“本底来源包含探测器噪声”这一点，我一直持保留态度：我专门做过探测器无屏蔽和有屏蔽两种条件下的背景计数，结果见近代物理实验教学笔记。那次测量显示：无屏蔽是，背景计数率约为167次每秒，有屏蔽之后（我自己搭的屏蔽并不很理想），计数降为每秒10.6次。而且有屏蔽时，低能端有一个小尖峰（是铅的特征X射线——这一点可以确认），背景能谱的轮廓与无屏蔽时相似。因此，我倾向于认为“探测器噪声”的贡献很小。因此，你讨论中关于“温度”部分的内容，我觉得不太合理。相反，我觉得是铅的特征峰的可能性更大或者其他散射效应的结果，这一点，实验上是可以验证的。 — 乐永康 2014/11/03 23:05
我做了两次，这个低能的未知峰一直存在，第一次做有很明显的137Ba尖峰，如图



但是第二次做的（第一次发的图）看不到明显的137Ba的特征峰。关于本底的来源，看了老师的实验，应该是环境的辐射占主要成分，但是我也有一点疑惑：环境的辐射为什么会对应有一个特征能量，环境辐射的来源很多，我猜测能谱应该是多峰的（网上查不到环境辐射的能谱，可能是不同环境差别很大，一般都考虑计量，不考虑能量），这个明显的峰会不会是房间建筑材料里有某微量的放射物质所产生的。关于是不是铅块的影响，我可以再来做一次。 — 徐珏 2014/11/04 14:34
徐珏，以后请将与本实验有关的文档上传到本实验对应的目录下(:exp:gamma_spectrum)，你上传时，不要修改目录即可。
如果有特定的来源，环境辐射可以有特征峰。但在本实验中，射向探测器的γ射线应该是经过散射的、连续分布的低能γ射线。由于能量越低、被外壳吸收的概率也越大，这一点很可能是背景表现出“有峰”的关键。也因此，这个“峰”比一般的光电峰要宽很多。 — 乐永康 2014/11/04 23:44
找到一张背景辐射的γ能谱http://www.randomuseless.info/spectra/results/background/index.html
谢谢分享。 — 乐永康 2014/11/06 00:43
问题找到了，果然是旁边铅块引起的，多谢乐老师的指点！ — 徐珏 2014/11/08 13:14
我发现还有一个证据可以说明这一未知峰来自铅块。在测吸收系数时，发现加铅片后，未知峰道址的辐射不降反升，尤其在只有一块吸收片的情况下尤为明显，即加上铅版后本应该吸收辐射，但在这个道址却加强了辐射，那么这部分加强我认为很大程度来自铅。— 林泽昊 2017-10-29 17：46
cs_absorbing.jpg
  • exp/gama_spectrum/start.txt
  • 最后更改: 2018/04/18 01:05
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