基于閃爍探測器的伽瑪能譜測量研究

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——放射性衰變與γ輻射

在元素周期表中，元素是按原子序數來排列，可以用Z來表示。Z的值等于核中質子的數目；電子的數目也等于Z，但只有當原子是電中性的，如果它與Z不同，即更大。或更小）原子是一個離子。原子核的中子和質子之和形成了原子質量A。大多數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。原子數小于83的元素中最豐富的同位素通常具有一定數量的中子，它們在排斥力和吸引力之間提供平衡，這意味著它處于穩定的構型。其他具有不同原子質量的同位素也可能是穩定的，但有時中子的數量會導致力的不平衡。在最后一種情況下，結構將是不穩定的，核是放射性的。Z大于83的核自然不穩定。

放射性核通過不斷發射粒子和電磁輻射來更加趨于穩定；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衰變在原子數大于或等于83的元素中自然發生，包括鈾、鐳等。

β衰變：在“母”核中，兩種反應中的一種發生：a.中子發射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”核處于激發狀態，通過發射伽馬粒子形成更穩定的構型：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下去，最終由這個過程產生穩定的最終子核。

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。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。然后進行伽瑪發射到基態的子同位素。但是它也可能衰變到一個或多個中間激發態，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。所有這些伽馬可以通過閃爍計數器來檢測。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”，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一個信道的最小能量位于最大能量的頂部，以觸發先前的信道。來自第一SCA的脈沖在信道1中計數，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送到MCA，在該MCA中模數轉換器輸出數字信號，脈沖高度分析器確定信號屬于哪個信道，然后觸發該信道的計數器。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（峰值），每個峰值對應于放置在檢測器下面的源發射的特定伽馬射線。如果MCA已經被適當地校準，這些峰的能量，因此伽馬射線的能量，可以直接從計算機監視器讀取，否則峰值由它們的信道號來表示。在最低通道中積累的數據通常對應于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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