基于核物理虛擬仿真實驗平臺的γ能譜測量

楊東俠，劉安平，張選梅，韓 忠，譚紅兵

(重慶大學 物理實驗國家級教學示范中心，重慶 401331)

核物理實驗教學是物理專業十分重要的實驗教學內容，其中，NaI(TI)閃爍譜儀與γ能譜測量實驗是非常典型的實驗項目，閃爍譜儀既能測量粒子的強度，又能測量粒子的能量,而且測量效率高，分辨時間短，所以在核物理研究和放射性測量中應用廣泛. 進行核物理實驗需要用到放射源，會產生核輻射，教學環節中存在安全風險，為此，我校物理實驗中心采用虛實結合的方式，建設虛擬仿真模式下的核物理實驗教學平臺，用虛擬仿真源取代實體放射源開展實驗教學，優化實驗教學環境，規避安全隱患[1-3]. 為更好地服務實驗教學，本文以γ能譜測量實驗為例，展示核物理虛擬仿真實驗平臺開展實驗教學的實際效果.

1 實驗原理

當放射源發生衰變時，會向外發射出γ射線，γ射線可以與物質相互作用，產生次級帶電粒子，這些粒子的能量與γ射線的能量直接相關，因此，可以通過實驗測量次級帶電粒子的能量標定γ射線的能譜，從而測定未知放射源[4].

根據γ粒子能量與峰位道址的線性關系

Eγ=kN+b，

(1)

如果對應E1的峰位道址位于N1，對應E2的峰位道址位于N2，則可以得到k和b為

對能量和道址進行最小二乘法擬合，得到能量定標公式(1)式，代入未知射線峰位的道址N，可測量未知射線的能量.

2 實驗儀器

核物理虛擬仿真實驗平臺主要由虛擬核信號發生器、通用多道分析器、實驗輔助軟件、計算機和示波器構成，如圖1所示. 用虛擬核信號發生器代替實體放射源，可以給出指定放射源的物理信息，借助計算機仿真技術在實驗平臺的深入應用，采用虛實結合的模式，為學生提供安全、方便、優質的實驗環境[5-7].

圖1 可重構實驗平臺

該實驗平臺的優點是可以在1臺實驗儀器上，開展多個實驗項目，可以重構實驗條件，仿真多個實驗過程，通過軟件直接測量峰位道址、半高全寬、能量分辨率等；同時具有保存/導出數據功能，可以直接在電腦上利用Excel，Origin等軟件進行數據處理.

核物理虛擬仿真實驗平臺仿真閃爍γ能譜儀，其結構和功能見圖2. 閃爍譜儀的結構可分為閃爍探頭與高壓、信號放大與多道分析2部分. 閃爍γ譜儀與能譜測量實驗軟件操作界面見圖3，界面具有重構實驗條件的功能，能夠開展多個應用γ能譜的實驗項目，學生根據自己的思考，設計實驗方案，例如測量不同放射源的光電峰峰位，標定譜儀，測定未知射線能譜和分辨率；驗證能量與峰位的線性關系；應用γ譜儀，測量材料的吸收能力.

圖2 閃爍γ能譜儀的結構框圖

3 實驗內容

標定137Cs和60Co的γ能量刻度，測量137Cs和60Co的背散射峰能量，分析能量測量誤差，檢測虛擬仿真實驗平臺對γ能譜測量的準確性和實驗效果. 實驗測得137Cs的能譜如圖4所示，測得60Co的能譜如圖5所示. 實驗數據如表1所示.

圖4 實驗測量137Cs能譜圖

圖5 實驗測量60Co能譜圖

表1 實驗測量數據

4 實驗結果

查閱衰變綱圖：137Cs的光電峰Ee=0.661 MeV，60Co的光電峰E1=1.17 MeV，60Co的光電峰E2=1.33 MeV.

對多道峰位道址做能量刻度，根據表1測得的實驗數據，利用Origin進行數據處理，得到能量刻度圖，如圖6所示. 對上述已知的能量和峰位道址做最小二乘法擬合，得到能量與道址的關系如表2所示.

(a)第1組

(b)第2組

(c)第3組

(d)第4組

(e)第5組圖6 能量刻度

表2 能量定標公式及斜率的相對偏差

從圖6可以看出，測得的峰位道址與能量呈明顯的線性關系，且線性擬合度高. 從表2可以看出，測得的斜率的相對偏差較小,說明虛擬仿真實驗儀器測量穩定，能夠仿真出符合真實放射源的信號效果.

把137Cs和60Co的背散射峰峰位道址代入能量定標公式，計算結果如表3所示.

表3 137Cs和60Co的背散射峰能量

從表3可以看出，計算得到137Cs和60Co的背散射峰能量，能量值結果合理，相對偏差也比較小. 實驗結果表明基于核物理虛擬仿真實驗平臺的γ能譜測量準確，實驗效果理想，符合實驗教學要求.

5 結束語

利用核物理虛擬仿真實驗平臺，實驗測定了137Cs和60Co的光電峰峰位，結合光電峰的能量，標定出γ譜的能量刻度，實驗測量了137Cs和60Co的背散射峰能量，實現了對未知射線能譜的測定. 驗證了能量與峰位道址的線性關系，結果表明基于核物理虛擬仿真實驗平臺的能譜測量，測量誤差小，實驗效果理想，滿足實驗教學要求. 此外，核物理虛擬仿真實驗平臺，實驗內容豐富、操作性強，學生可以根據需要，在平臺上重構條件，自主設計實驗，開展SRTP項目、應用測量研究等. 這不僅能鍛煉學生的動手能力，提高學生的學習興趣，還能培養學生的創新思維，改進實驗教學模式和人才培養方式.