γ能谱测量实验教案

γ 能 谱 测 量 实 验 教 案

实验课程 实验名称 教学时数

一、教学目的及要求：

1．通过对典型的

137近代物理实验（1） γ能谱测量 6学时

使用教材 出 版 社 主 编

《近代物理实验教程》 科学出版社 吴先球 熊予莹

Cs，初步了解闪烁谱仪的结构、工作原理和测量方法；

1372. 对γ射线与物质的相互作用有进一步的认识； 3．学习初步调整γ闪烁能谱仪的技术，测定4．掌握测定未知γ源能量的方法。

二、教学内容：

1．测定以

137Cs、60Co能谱；

Cs、60Co作标准源的γ能谱能量刻度的全能峰曲线；

1372．测定待测源的γ射线能量； 3．用多道分析仪代替单道分析仪，测定

果比较。

三、教学重点难点：

1．重点：测定以

137Cs、60Co的γ能谱，与单道分析仪测量的结

Cs和60Co作标准源的γ能谱能量刻度的全能峰曲线；

2．难点：如何正确掌握放大倍数、高压大小的合理选择。

四、教学进程及时间分配：

1．检查学生实验预习情况。 （ 8min ）

检查学生预习报告；

2．学生熟悉实验仪器设备。 （ 50 min ） 3．讲解实验的目的和要求。 （ 2 min ） 4．实验原理介绍 （ 15 min ）

◆ 提问：? 射线与物质相互作用会产生哪几种效应？产生的原因是什么？ （1）射线与物质相互作用的一般特性

射线穿过物质时，它的强度按指数规律衰减。? 射线与物质相互作用的过程可以看作光子与物质中的原子或分子碰撞而损失能量的过程，主要的相互作用方式有三种光电效应，康普顿效应和电子对效应。

光电效应：当入射? 光子与物质原子中的束缚电子作用时，? 光子把能量全部 移给某个电子，使它脱离原子的束缚变成自由电子，而光子本身消失掉。这种过程称为光电效应。光电效应中发射出来的电子称为光电子。由于?射线的能量E?远大于电子的束缚能

Wi，所以光电子的能量E光电?E??Wi，即光电子的动能近似地等于射线的能量。

康普顿效应：光子与原子的外层电子发生非弹性碰撞，一部分能量转移给电子使它脱离

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原子成为反冲电子，另一部分能量成为散射光?，这种过程称为康普顿效应。根据能量守恒

'?E??E?'，其中E?h?为入射光子能

''量，E?h?为散射光子能量，并且散射光子的能量与散射角的关系为1??(1?COS?)。

由此可见，康普顿反冲电子的能量变化范围是 0?2?E?/(1?2?)，康普顿效应与光

和动量守恒不难证明，康普顿反冲电子的动能Ee电效应不同。光电效应中光子本身消失，能量完全转移给电子；康普顿效应中光子只是损失掉一部分能量。光电效应发生在束缚得较紧的内层电子上；康普顿效应总是发生在束缚得松的外层电子上.

电子对效应：当光子能量大于2m0C，即大于1.022MeV时，光子在原子核的库仑场作用下可能转化为一个正电子和一个负电子，这个过程称为电子对效应。反过来，当正电子在物质中耗尽动能时，便与物质原子中的轨道电子发生正负电子的湮没，同时产生两个能量各为0.511MeV的光子。

① 对于低能?射线和原子序数高的物质，以光电效应为主； ② 对于中能?射线和原子序数低的物质，以康普顿效应为主； ③ 对于高能?射线和原子序数高的物质，以电子对效应为主。

由此可见，一般说来 ? 射线能量E小于1.5MeV时产生电子对的几率很小，可认为只有光电效应和康普顿效应出现。

◆ 提问：（2）

1371371372Cs能谱上几个能量峰产生的原因是什么？

Cs能谱分析

137Cs在衰变过程中，它可发出能量为1.17MeV的?粒子，成为基态的137Ba；而主要的

Ba?，再跃迁到基态发出能量为

衰变过程是发出能量为0.514MeV的?粒子，成为激发态的

0.662MeV的单能γ射线，其能谱是有三个峰和一个平台的连续分布。峰A称为全能峰，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是康普照顿效应的贡献，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。D峰是X射线峰。它是由的于

137137137Ba的K层特征X射线贡献的。处于激发态

Ba在放出内转换电子后，造成K壳层空位，外层电子向K壳层跃迁后产生X光子，由Cs发出的γ射线的能量为0.662MeV（小于1.02MeV）,所以它的闪烁体作用不会发生电

子对效应。

◆ 提问：如何确定一台能谱仪性能质量的好坏？依据是什么？ （3）γ能谱的性能指标

一台闪烁谱仪的性能指标包括能量分辨率、线性及稳定性等。探测器输出脉冲幅度的过程中存在着统计涨落，即使有确定能量的粒子的脉冲幅度，仍有一定的分布，通常把分布曲线级大值一半处的全宽度称为半高宽，它反映了谱仪对相邻脉冲幅度或能量的分辨本领，因为有些涨落因素与能量有关，故使用相对分辨本领，即能量分辨率η更为确切。

标准源

137???E?V?EVCs的全能峰最为明显和典型，用NaI（TI）闪烁体的γ能谱仪测量其0.662MeV

137的γ射线，能量分辨率一般在8％-10％，理想的能量分辨率为7.8％，因此常用线的能量分辨率来检验和比较能谱仪性能的优劣。

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Cs的γ射

5．实验装置及测量方法 （ 13 min ）

◆ 提问：γ闪烁能谱仪主要包括几个部分？各部分的作用是什么？

◆ 提问：如何调节示波器观察到

137Cs脉冲波形？

◆ 提问：如何合理选择单道分析器的道宽？ ◆ 提问：如何利用能谱仪测量

137Csγ能谱？测定谱仪的分辨率？

◆ 提问：如何选择放大器放大倍数，使各全能峰合理分布在单道分析器的阀值范

围内？

◆ 提问：测量待测源的方法是什么？如何进行测量？

6．注意事项 （ 2 min ）

本实验中使用了γ源137Cs、60Co放射源，对学生要进行安全教育。 1．提醒学生加强自身自我保护意识，注意正确、安全使用放射源；

2．加强对放射源的防盗安全管理，一切外人严禁进入实验室； 3．实验结束，必须认真进行放射源的检查。

7．指导学生完成实验， （ 200 min ）

观察学生做实验并及时纠正学生错误的或不当的实验操作，运用启发式引导学生解决实验所遇到的问题。

◆ 学生在实验过程中容易出现的问题：

1．取放放射源方法不按要求严格去做；

2．定标时不注意选择合适的能量峰位对应的道数，保证所有能量峰的测量； 3．γ能谱仪放大倍数、高压选择不合适；

4．在定标中会出现更换一个样品就改变参数测量的情况； 5．在能量峰附近的测量数据点太少。

8．检查实验数据、实验仪器。教师签字认可。 （ 10 min ）

五、教学方法：

采用启发式、讨论式、独立操作实验的教学方式

六、课后讨论作业：

1．讨论：做讲义后“思考与讨论”中的1、3、4、5题。 2．作业：完成实验报告。

七、参考资料：

[1] 褚圣麟．原子物理学．北京：高等教育出版社，1979．

[2] 张孔时，丁慎训．物理实验教程（近代物理实验部分）．北京：清华大学出版社，1991． [3] 吴思诚、王祖铨主编．近代物理实验（第二版）．北京：北京大学出版社，1995. [4] 邬鸿彦．近代物理实验．北京：科学出版社，1998年出版．

[5] 沙振舜，黄润生．新编近代物理实验．南京：南京大学出版社，2002年出版． [6] 何元金，马兴坤．近代物理实验．北京：清华大学出版社，2003. [7] 吴泳华，沙振舜等．近代物理实验．合肥：安徽教育出版社，1987． [8] 郑裕芳，李仲荣．近代物理实验．广州：中山大学出版社，1989．

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