γ射线与物质作用产生次级电子的三种效应

n        光电效应

设原子第n壳层的电子电离能为En，当γ子能量Eγ>En时，电子会吸收光子的全部能量而摆脱原子束缚，变为自由电子，且具有动能Ee=Eγ-En。另外 ,发射光子后的原子处于激发态，仍会发射特征X射线，俄歇电子等。

一般讲，重原子，低能γ射线发生光电效应的几率较大。

n        康普顿效应

入射电子与自由电子作用，将一部分能量传给电子，并产生一出射电子

由于能量守恒与质量守恒，可得到关系式：

可见：Er<mc²=0.51Mev时，此效应很弱，

当Er>mc²=0.51Mev时,发生几率较大。且由于θ 角度的连续性,即使对于 一定能量的入射光子，其出射光子能量也 是连续的。当θ =π 时，有一最大值。

n        电子对效应

当光子能量E_γ>1.02MeV时，光子与原子核作用产生正负电子对（如图），其余能量转化为电子的动能：

(Ee+)+(Ee-)=Eγ-1.02MeV

此效应发生的几率与原子序数成正比例。

 

闪烁体反应的基本原理

由能带理论，卤化碱晶体可能由三层能带来表示。最低的一层叫价带；价带中通常了了为晶体格子所束缚住的电子。中间的一层叫做禁带；就一个纯晶体而言，禁带中是不可能有电子存在的，但若在价带中的电子（自外界）获得了足够的能量，则可移至传导带，并在通常充满电子的价带中留下一个电洞。在传导带中的电子及在价带中的电洞均自由的迁移；于某些状况下，在传导带中的电子鉴会回到价带与电洞结合而发出光子。但是在纯晶体中，电子与电洞结合而放出光子的机率是非常小的。何况，因为价带与传导带之间的能隙的限制，在上述情况下发出的光子通常能量较高而不在可见光的范围之内。

若在无机闪烁器中加入小量杂质，则可增加电子与电洞结合并发出可见光的机率。这些特意加入的杂质通常叫做活化体，在晶体中形成一些特殊的格子位置，而改变了原来纯晶的能带结构，其结果是，在禁带形成了一些新的能带。若选用适当的活化体，经由这些能态，传导带中电子与电洞结合的机率大为增加，且发出之光为可见光，而可为闪烁器所用。常用的无机晶体闪烁器有NaI(Tl)、CsI(Tl)、CsI(Na)及ZnS(Ag)等。

n        光电倍增管（PMT）是一种具有极高灵敏度和超快时间响应的光探测器件。典型的光电倍增管如图所示，在真空管中，包括光电发射阴极（光阴极）和聚焦电极、电子倍增极和电子收集极（阳极）的器件。

n        光电倍增管在可以探测到紫外、可见和近红外区的辐射能量的光电探测器件中具有极高的灵敏度和极低的噪声。光电倍增管还有快速响应、低本底、大面积阴极等特点。

 

光电倍增管工作原理

依据光电子发射﹑二次电子发射和电子光学的原理制成的﹑透明真空壳体内装有特殊电极的器件。光阴极在光子作用下发射电子﹐这些电子被外电场(或磁场)加速﹐聚焦于第一次极。这些冲击次极的电子能使次极释放更多的电子﹐它们再被聚焦在第二次极。这样﹐一般经十次以上倍增﹐放大倍数可达到10₈～10₁₀。最后﹐在高电位的阳极收集到放大了的光电流。输出电流和入射光子数成正比。整个过程时间约10^-8秒。

各种倍增极的结构形式

a.百叶窗式  b.盒栅式  c.直瓦片式  d.圆瓦片式

 

光电倍增管的供电电路

倍增管各电极要求直流供电，从阴极开始至各级的电压要依次升高，一般多采用电阻链分压办法来供电。一般情况下，各级电压均相等，约80～100V，总电压约1000～1300V。

 

本实验的思路

 

实验内容

n        组装NaI闪烁探头

n        测量Ra，Rk，Rl对闪烁探头性能的影响

n        观察电压对探头输出脉冲的影响

n        用已知放射源对本套谱仪进行刻度

n        用刻度的谱仪测量一个未知放射源的谱线，并确定此放射源

n        测量CS-137全谱，并进行分析

实验条件：

线性放大器；粗调：16，细调：5；

成形常数时间：微分：0.8，积分；0.8

输入:‘-’

RA=300kΩ RK=300kΩ  RL=50kΩ

多道分析器：ums

数据处理软件：Origin6.0

n        线性(RK=300kΩ   RL=50kΩ)

结论：R_A =300kΩ时，谱仪线性性最好。

n        分辨率(R_A =300kΩ   R_L=50kΩ)

结论： R_K= 300 kΩ 时谱仪的分辨率最高。

n        脉冲幅度(RA=300kΩ  R_K=300kΩ  Cs-137)

结论：随R_L的增大，输出脉冲幅度也增大，且二者近似成线性关系。

下面的实验中取：R_A=300kΩ，R_K=300kΩ，R_L=50kΩ。

 

外加电压对闪烁计数器输出辐度的影响

可见,随着光电倍增管所加电压的增大,所测得光谱的全能峰的道址亦增大,即其输出脉冲幅度增大.

闪烁谱仪的能量刻度及未知源的测定

Co-60,Co-57,Na-22,Cs-137作为已知源对本套闪烁谱仪进行能量刻度,所使用的峰值能量与其对应的峰道址如下图所标。

最后一条为未知源的谱线,它只有一个全能峰,且所测峰道址为541,代入计算公式:

Eγ=(821.51+/-5.79)KeV

查核素表,判断此源为Mn-54(全能峰:835KeV).

能量刻度拟合直线（Origin6.0）及数据

拟合公式:

Y=(1.49797+/-0.00987)*X+(11.11168+/-5.79108)

X：道数  Y：峰值能量(单位:KeV)

Cs-137的衰变如图所示:

1.         8%的Cs-137发出能量为1.176MeV的β粒子变为基态的Ba-137(过程A)

2.         92%的Cs-137发出能量为0.541MeV的β粒子变为激发态的Ba-137*(过程B).Ba-137*变为基态的Ba-137同时发出0.662MeV的γ射线 (过程C).

所以其全能峰的能量值为0.662MeV.且不能发生电子对效应。

Cs-137全谱图（电压U=550V）

1.         全能峰：光电效应产生的能量为Ee=Eγ-En的次级电子，且处于激发态的原子的外层电子跃迁至内层，并发出能量为En的X射线，这两个过程几乎同时发生，两部分能量亦迭加在一起，形成全能峰（0.662MeV）。

2.         康普顿连续谱：由射线与电子的康普顿效应产生，且最终被散射的γ光子未被吸收（否则迭加至全能峰），仅有反冲电子被吸收。由公式可得康普顿边限值θ=π，Emax=0.478MeV，本实验测得的康限峰道址为292.0，计算得E=（0.4485+/-0.0087）MeV。

3.         反散射峰：某些γ射线打在放射源衬托物上或探头周围的物质上发生康普顿散射，被散射的光子被探测器吸收，形成E=0.184MeV的反散射峰。

4.         X射线峰：由于内转换效应，激发态的Ba-137*造成K壳层空位，外层电子向K壳层跃进迁后产生32KeV的 X光子，被探测器吸收后形成 低能的X射线峰。但在低能端闪烁谱仪已失去良好的线性，不能较准确的测出其能量值。

 

闪烁谱仪的应用

n        正电子CT
放射线同位素（C11、O15、N18、F18等）标识的试剂投入病人体内，发射出的正电子同体内结合时，放出淬灭γ线，用光电倍增管进行计数，用计算机作成体内正电子同位素分布的断层画面，这种装置称为正电子CT。

n        γ相机
将放射性同位素标定试剂注入病人体内，通过γ相机可以得到断层图象，来判别病灶。从闪烁扫描器开始，经逐步改良，γ相机的性能得到快速的发展。光电倍增管通过光导和大面积NaI（Tl）组合成探测器

n        石油测井应用
石油测井中用以确定石油沉积位置以及储量等。内藏放射源、光电倍增管和闪烁体的探头进入井中，分析放射源被散射的以及地质结构中的自然射线，判断油井周围的地层类型及密度。

n        厚度计
工业生产中的诸如纸张、塑料、钢材等的厚度检测，可以通过包括放射源、光电倍增管和闪烁体的设备来实现。对于低密度物质，比如橡胶、塑料、纸张等，采用β射线源；诸如钢板等的高密度物质则使用γ射线。（在电镀、蒸发控制等处，镀膜的厚度可使用X射线荧光光度计）