ABOUT RELY-MEASURE
您的当前位置:主页 > 使用说明 >

实验3γ闪烁计数器

发布时间:2020-07-28 10:02 作者:电玩城捕鱼

  实验 3 γ 闪烁计数器 [ 预习提要 ] 1.参阅“核衰变的统计规律实验” ,了解根据相对标准误差要求确定放射性测量所需的 测量时间。 2.参阅“G-M 计数器实验” ,了解放射性测量的一般方法,有关工作电压使用和定标 器计数测量的操作步骤。 [ 实验目的 ] 1. 了解闪烁计数器原理。 2. 用立体角测源强度。 3. 验证放射性强度 N 随距离 R 的平方反比关系。 4. 用微机求出 N~ R-2 经验公式并绘出图线。 [ 实验仪器 ] 长寿命 γ 放射源(R226(强度:100?Ci) )1 个,防护铅室 1 个,屏蔽铅室 1 个,FJ-367 型通用闪烁探头 1 个,FH-408 型自动定标器 2 台,微机和测试软件 1 套,小车、导轨、直 尺各一个。 [ γ 闪烁计数器的工作原理 ] 闪烁计数器主要有两大部分组成: 一是探头部分—闪烁晶体、 光电倍增管、 阴极跟随器、 二是技术显示部分—定标器。 闪烁计数器结构图如图 1-3-1 所示: 反射层 暗盒 射 极 跟 随 器 高压 低压 脉冲 信号 定标器 管 光电倍增管 座 NaI(Tl)闪烁体 光导(硅油) 图 1-3-1 闪烁计数器装置示意图 1.闪烁计数器工作原理概述 (1)当带电粒子进入闪烁体内时,闪烁体吸收带电粒子能量使闪烁体的原子电离和激 发, (不带电粒子(如 γ 粒子)通过闪烁体时由于次级效应—光电效应、康普顿效应、电子 对效应,所产生的次级电子使原子或分子激发) ,入射粒子在闪烁体中所损失能量的一部分 转化为光能而发射光子。 (2)利用光导和反射物质使大部分光子收集到光电倍增管的光明极上。 (3)光子被阴极吸收后,由于光电效应(即光子与原子中的电子相互作用,把它全部 能量交给原子轨道中的一个电子而放出光电子)发射出光电子。 (4)光电子在光电倍增管中倍增,最后倍增的电子束在阳极负载上产生电压脉冲。 (5)此电压脉冲由定标器记录下来。 2.闪烁体的发光机制 闪烁体分两大类: (1)无机晶体闪烁体—它是指含少量杂质(称为“激活剂” )的无机盐晶体。常用的有 碘化钠(铊激活)NaI(Tl); 碘化铯(铊激活)CsI(Tl);硫化锌(银激活)ZnS(Ag)等。 (2)有机闪烁体—它们都是碳氢化合物。如蒽晶体,塑料闪烁体,有机液体闪烁体等。 在我们实验里是测量 r 射线强度,所用的是 NaI(Tl)闪烁体。 下面我们着重介绍这种无机晶体闪烁的发光机制, 也就是说射线打入闪烁体内。 闪烁体 为什么发光? 无机晶体闪烁体和半导体晶体相似, 用晶体能带理论来解释,如图 1-3-2。 在正常情况下, 核外电子处于 “价带” , 当晶体获得足够能量时电子就会从价带跃 迁到导带,这个过程叫“受激” ,所谓“禁 带”就是说电子不能处于此状态的意思。 当电子从导带回到价带式(退激),就会以 发光的形式放出受激时吸收的能量,当然 也可以通过热能的形式放出。 0 C 孤立能级 D B 导带 E2 禁带 A E1 价带 闪烁体发光机制解释 图 1-3-2 这样说来, 是不是纯的 NaI、 CsI、 ZnS 晶体就能起到闪烁体的作用呢?事实上是不行的, 因为退激时发出的光能量 hν=E2-E1 在光束出晶体时便会为价带其他电子所吸收,足以使别 的电子跃到导带,也就是说,这时晶体自己发出来的光会被自己吸收掉,如何才能使晶体发 的光,不被自己所吸收呢?那就是在晶体内加入少量的杂质(激活剂)如铊(Tl) 。加了激 活剂就会使晶体能级的禁带中出现一些杂质的孤立能级, 当价带中的电子受激活而跃迁到导 带后, 会损失一些能量而处于杂质的孤立能级上, 这些处于杂质能级的电子有三种可能的方 式退激。 第 一 种: 杂质能级上的电子在 短时间内直 接回 到价带而发光如图中 CD 向发光能量 。 hν’E2-E1,它的发光时间只有 10-8 秒。称“荧光机构” 第二种:电子在杂质能级上保持一段时间才回到价带而发光,其发光时间为 10-6~10-5 秒,称“磷光机构” 。 第三种:在杂质能级上,电子激发能转变为热能而不发光,这称“淬灭过程” 。 这样我们看出,由杂质的孤立能级退激到价带时发出的能量要小于禁带宽度 E2-E1,因 而不再使价带电子激发到导带中去, 也就是说这时晶体发的光不会被自己吸收掉, 这样掺进 “激活剂”的晶体就变成无机晶体闪烁体了。 我们所用的 NaI(Tl) 闪烁体发光效率比较高,约为 10%。所谓发光效率就是闪烁体吸收 射线能量转变成光能量的本领。即 C发光 = 光能量 。NaI(Tl)对 γ 射线探测效率高, 闪烁体吸收能量 一般为 10~20%,其发射光谱最强的波长为 4150?,这与光电倍增管光谱响应的匹配最好。 它的发光时间为 250 毫微秒。 3.光电倍增管的工作原理(图 1-3-3) 光导 (硅油) D1 D3 D5 D7 D9 D2 D4 D6 D8 图 1-3-3 光电倍增管的结构原理图 K 为光阴级,它是用半导体发光材料锑- 铯合金(Sb-Cs)敷射在管子透光窗子的内表 面上。 D1 是聚焦电极,D2—D9 为倍增极,A 为阳极(一般为 8-13 个极) 。 从前面我们已知,从闪烁体出来的光子通过光导(硅油)射向光电倍增管的光阴级,在 光阴级上打击出光电子。对不同波长的光,在光阴级上打击电子的本领是不同的,半透明 Sb-Cs 光阴级对波长为 4000—6000? 的光,打出光电子能力强,这正好与 NaI(Tl)的最强光 谱响应配合最好。从光阴级出来的光电子,经过聚焦电极 D1,聚焦加速射向第一倍增极 D2, 该极是用镍片涂上一层 Sb-Cs 合金。这样的倍增极受电子轰击后,将发射出更多的电子,即 将电子放大 δ(1)倍。这些更多的电子射向第二,第三……倍增极。每射到一个倍增极, 在将电子数放大 δ 倍,这样总的放大倍数 M=δn (n 为倍增电极数,δ 为二次发射系数),一般 放大系数为 108~109 倍,最后射向 A 的电子数目特多。阳极 A 把所有电子收集起来,转变成 电压脉冲输出。 最后在阳极上积累的总电荷用公式表示: Q= E 入射 ? A ? C 发光 ? G ? T透明度 ? C 光电 ? M ? e E 光子 (1-3-1) ;C 发光 是闪 E 入射 为入射粒子的能量;A 为入射粒子在闪烁体中的能量损失系数(A1) ; G 为几何因子,也就是光阴极接受到光子数的百分 烁体发光效率(C 发光 一般为 10~20%) 比;T 透明度 为闪烁体的透明度;C 光电为光阴极的转换效率;M 为光电倍增管的放大倍数;e 为电子的电荷数;E 光子为光子的平均能量;由于闪烁体发出的光子数: n 光子 = 在光阴极上收到的光电子数为: E 入射 ? A ? C 发光 E 光子 (1-3-2) ′ = n光子 ? G ? T透明度 n光子 在光阴极上轰击出的光电子数为: (1-3-3) ′ ? C光电 n光电子 = n光子 (1-3-4) 以上是闪烁体计数器的工作原理,最后说明一下,输出回路的 RC 一般取 RC3-5τ0,τ0 是电子在阳极上的收集时间,它是闪烁体发光时间(对 NaI(Tl)是 250 毫微秒)和电子在光 电倍增管内的飞行时间 10-8~10-9 秒之和,τ0 主要取决于闪烁体发光时间。 [ 实验装置 ] 实验装置如图 1-3-4 所示。 图 1-3-4 实验装置示意图 [ 实验步骤和数据处理 ] 1. 测放射源强度与距离 R 平方反比关系。 (1)预热仪器,约 10 分钟,用仪器自校验,检查仪器工作是否正常。 (2)测本底计数,测量时间按最大允许误差为 1%确定,共测 3 次。 (3)小心用镊子把放射源从源室中取出放到铅室指定位置上固定好,并按标尺指定的 刻度改变距离,测每一距离时的计数,要求最大允许误差为 1%,每一距离测 3 次。数据记 录表如图 1-3-5: 图 1-3-5 数据记录和计算表 (4)计算、分析数据。因实验测量的源到探头的距离不是严格意义上的精确,需要修 正。设距离修正值为ΔR,用方格图纸绘 N~ 1 关系线可能不是直线,手工用电脑软件回归 R2 计算ΔR ,得到最佳直线。用修正后的 R 计算源强度和误差并与标准值比较,分析误差的 大小和来源。 (5)根据立体角法计算放射源强度的公式是: N0 = N η? (1-3-5) 式中 N 0 为放射源的强度, N 为测量计数率,η 为探测器效率(实验中取 10%) ,? 为 立体角: 探测面积 πr 2 ? r ? ?= = =? ? 2 球面积 4πR ? 2R ? 2 (1-3-6) , R 为源与探头之间的有效距离。算出 N 0 与源强的标 式中 r 为闪烁体半径(20.0mm) 准数据作比较,分析误差的大小和来源。 [ 注意事项 ] 1.实验中必须按规定的闪烁探头工作电压及定标器灵敏阈进行操作。 2.严格防止光电倍增管在未避光的情况下带高压!以免损坏光电倍增管。 参考文献 [1]于群等著: 《原子核物理实验方法》第五章 [2] 中国科学院原子能研究所编“放射性同位素应用知识”第七章。 [3]吴思诚、王祖铨主编, 《近代物理实验(第二版) 》 ,北京大学出版社,1995。 [4]林木欣主编, 《近代物理实验教程》 ,科学出版社,1999。


电玩城捕鱼
Copyright © 2018 电玩城捕鱼 All Rights Reservrd 版权所有 技术支持:捷搜网络
网站部分图片来自互联网,如有侵权,请及时通知,我们会及时更换!