近代物理实验报告(五)
————单光子实验系统
实验小组:
2011-12 日期:
一、实验目的:
1) 了解本实验的基本操作;
2) 研究鉴别电压(阈值)对系统性能的影响,确定最佳鉴别电压(阈值);
3) 学习用光子计数器测量微弱光信号的原理与技术。
二、实验原理:
光是由光子组成的,由量子物理的知识可知,光子的能量和波长有关,本实验的最终目的是测量光子数的影响因素,本实验采用了光电倍增管(一种可以探测光信号的器件),他使得光子在阳极回路形成一个电流脉冲,然后,我们通过计算机的系统可以观测到不同时刻里光子的个数,试验中,设置了一个半导体制冷器,来降低光电倍增管的温度,试验中我们通过改变温度来观测对光子数测量的影响因素。
三、光电检测技术在本实验的应用:
我觉得本实验中运用了如下光电检测知识:
光电倍增管在实验中的应用。
四、实验过程、现象、数据:
NO.1实验过程:
①:打开计算机电源,打开单光子实验计数器电源,打开软件.
②:手动在在制冷器的控温仪表上设定某一温度,控温开始,一定时间后,待温度稳定,启动计算机,运行应用程序开始采集数据;
③:保持冷去温度的值不变,改变输入的功率和电流的大小,运行应用程序开始采集数据;
NO、2实验现象及数据:
① -15度 时光子数:
GSZF-2型单光子计数器
起点:0
终点:100
最大值:13
最小值:0
毫秒(ms)
采样间隔:1000
积分时间:1000
高压:8
阈值:40
② - 5度 0.1uw 0.1mA
时光子数:
GSZF-2型单光子计数器
起点:0 终点:100 最大值:160 最小值:100 毫秒(ms)
采样间隔:1000 积分时间:1000 高压:8 阈值:40
③ - 5度 0.67uw 0.67mA时GSZF-2型单光子计数器 起点:0 终点:100 最大值:786 最小值:500 毫秒(ms)
采样间隔:1000 积分时间:1000 高压:8 阈值:40
五、分析实验操作、现象、数据以及自己的结论:
No1、对实验操作的分析:
本实验我们通过调节不同冷却温度来观察不同情况下的光子数,在温度一致的情况下通过改变所加电流及功率的大小来观察影响光子数的影响因素。 No2、对实验现象的分析:
我们可以发现温度越高单光子测量系统探测灵敏度越大 No3、对实验数据的分析:
由实验的数据知道(实验数据丢失)温度越高所测量的光子数越多,而加载的功率与电流越大光子数越多。 No4、我的结论:
本次试验所检测的是非常微弱的光,我觉得此次试验最大的亮点是通过分辨单个光子在检测器(光电倍增管)中激发出来的光电子脉冲,把光信号从热噪声中以数字化的方式提取出来。最终使得我们可以看到光子数目。
第二篇:近代物理实验预习报告之一
近代物理实验预习报告一
NaI(Tl)γ闪烁谱仪器及γ射线能谱的测量
物理071
冯才杰
07180120
摘要:
第一次写近代物理实验报告,有可能写得不好,请见谅。下面先来介绍下闪烁探测器。闪烁探测器是利用某些物质在射线作用下会发光的特性来探5g射线的仪器。本实验要利用NaI(Tl)γ闪烁探测仪来测定γ射线能谱分布规律。然后,通过分析结果,在得出结论。本实验要求我们通过实验学会NaI(Tl)γ单晶体闪烁体整套装置的操作、调整和使用,并测量137Cs、60Co的γ能谱并求出能量的分辨率。峰康比、线性等各项指标。
关键词:γ射线、能谱、NaI(Tl)γ闪烁谱仪
引言:
闪烁探测器是利用某些物质在射线作用下会发光的特性来探5g射线的仪器。它的主要优点是:既能探测各种类型的带电粒子,又能探测中性粒天既能测量粒子强度,又能测量粒子能氨并且探测效率高,分辨时间短。它在核物理研究和放射性同位索的测量中得到广泛的应用。本实验的目的是了解NaI(T1)闪烁谱仪的原理、特性与结构,掌捏NaI(T1)闪烁谱仪的使用方法,鉴定潜仪的能量分辨率和线性,并通过对于y射线能谱的测量,加深对y射线与物质相互作用规律的理解。
设计方案:
一、实验目的:
1. 了解闪烁探测器的结构、原理。
2. 掌握NaI(Tl)单晶γ闪烁谱仪的几个性能指标和测试方法。
3. 了解核电子学仪器的数据采集、记录方法和数据处理原理。
二.实验内容
1. 学会NaI(Tl)单晶γ闪烁谱仪整套装置的操作、调整和使用,调试一台谱仪至正常工作状态。
2. 测量137Cs、60Co的γ能谱,求出能量分辨率、峰康比、线性等各项指标,并分析谱形。
3. 了解多道脉冲幅度分析器在NaI(Tl)单晶γ谱测量中的数据采集及其基本功能。
数据处理(包括对谱形进行光滑、寻峰,曲线拟合等)。
三.实验装置
实验器材包括:①γ放射源137Cs和60Co(强度≈1.5微居里);②200mmAl窗NaI(Tl)闪烁探头;③高压电源、放大器、多道脉冲幅度分析器。
四、实验步骤:
1, 连接好实验仪器线路,经老师检查同意后接通电源。
2, 取出放射源Cs和Co。打开电脑预热,准备实验。
3, 了解电脑上软件的使用方法,并了解一些有关物理量的物理意义。
4, 开机预热后,选择合适的工作电压使探头的分辨率和线性都有较好。
5, 把放射源或放在探测器前,调节放大倍数为0.3,调节高压使或能谱的最大脉冲幅度尽量大而又不超过多道脉冲分析器的分析范围。
6, 分别测和的全能谱并分析谱形,指明光电峰,康普顿平台,反射峰,全能峰。掌握横纵坐标的物理意义。
7, 利用多道数据处理软件对所测得的谱形进行数处理,寻峰,半宽度记录,净面积记录,能量刻度,能量分辨率等数据。
8, 在准直孔与放射源之间放置0,1,2,3,4片已知质量厚度的铅块,铝块,分别进行测量,并保存实验图。
9, 比较测得的吸收率μ,分析它们的吸收率是否相同。与哪些因素有关?
10.整理实验台,把电压和放大倍数都调至为零,关闭电源,离开实验室。
五、实验原理
1 NaI(Tl)闪烁探测器
①概述
核辐射与某些物质相互作用会使其电离、激发而发射荧光,闪烁探测器就是利用这一特性来工作的。下图是闪烁探测器组成的示意图。
首先简要介绍一下闪烁探测器的基本组成部分和工作过程。
闪烁探测器有闪烁体、光电倍增管和相应的电子仪器三个主要部分组成。上图中探测器最前端是一个对射线灵敏并能产生闪烁光的闪烁体,当射线(如γ、b)进入闪烁体时,在某一地点产生次级电子,它使闪烁体分子电离和激发,退激时发出大量光子(一般光谱范围从可见光到紫外光,并且光子向四面八方发射出去)。在闪烁体周围包以反射物质,使光子集中向光电倍增管方向射出去。光电倍增管是一个电真空器件,由光阴极、若干个打拿极和阳极组成;通过高压电源和分压电阻使阳极、各打拿极和阴极间建立从高到低的电位分布。当闪烁光子入射到光阴极上,由于光电效应就会产生光电子,这些光电子受极间电场加速和聚焦,在各级打拿极上发生倍增(一个光电子最终可产生104~109个电子),最后被阳极收集。大量电子会在阳极负载上建立起电信号,通常为电流脉冲或电压脉冲,然后通过起阻抗匹配作用的射极跟随器,由电缆将信号传输到电子学仪器中去。
实用时常将闪烁体、光电倍增管、分压器及射极跟随器安装在一个暗盒中,统称探头;探头中有时在光电倍增管周围包以起磁屏蔽作用的屏蔽筒(如本实验装置),以减弱环境中磁场的影响;电子仪器的组成单元则根据闪烁探测器的用途而异,常用的有高、低压电源,线性放大器,单道或多道脉冲分析器等。
归结起来,闪烁探测器的工作可分为五个相互联系的过程:
1) 射线进入闪烁体,与之发生相互作用,闪烁体吸收带电粒子能量而使原子、分子电离和激发;
2) 受激原子、分子退激时发射荧光光子;
3) 利用反射物和光导将闪烁光子尽可能多地收集到光电倍增管的光阴极上,由于光电效应,光子在光阴极上击出光电子;
4) 光电子在光电倍增管中倍增,数量由一个增加到104~109个,电子流在阳极负载上产生电信号;
5) 此信号由电子仪器记录和分析。
②NaI(Tl)单晶γ闪烁谱仪的主要指标:
1) 能量分辨率:
由于单能带电粒子在闪烁体内损失能量引起的闪烁发光所放出的荧光光子数有统计涨落;一定数量的荧光光子打在光电倍增管光阴极上产生的光电子数目有统计涨落。这就使同一能量的粒子产生的脉冲幅度不是同一大小而近似为高斯分布。能量分辨率的定义是:
(1—1)
由于脉冲幅度与能量有线性关系,并且脉冲幅度与多道道数成正比,故又可以写为
(1—2)
ΔCH为记数率极大值一半处的宽度(或称半宽度),记作FWHM(Full Width at half maximum)。CH为记数率极大处的脉冲幅度。
显然谱仪能量分辨率的数值越小,仪器分辨不同的能量的本领就越高。而且可以证明能量分辨率和入射粒子能量有关。
(1—3)
通常NaI(Tl)单晶γ闪烁谱仪的能量分辨率以137CS的0.661MeV单能Υ射线为标准,它的值一般是10%左右,最好可达6~7%。
2)线性
能量的线性就是指输出的脉冲幅度与带电粒子的能量是否有线性关系,以及线性范围的大小。
NaI(Tl)单晶的荧光输出在150KeV<EΥ<6MeV的范围内和射线能量是成正比的。但是NaI(Tl)单晶γ闪烁谱仪的线性好坏还取决于闪烁谱仪的工作状况。例如当射线能量较高时,由于光电倍增管后几个联极的空间电荷影响,会使线性变坏。又如脉冲放大器线性不好等等。为了检查谱仪的线性,必须用一组已知能量的γ射线,在相同的实验条件下,分别测出它们的光电峰位,作出能量—幅度曲线,称为能量刻度曲线(或能量校正曲线),如右图所示。用最小二乘法进行线性回归,线性度一般在0.99以上。对于未知能量的放射源,由谱仪测出脉冲幅度后,利用这种曲线就可以求出射线的能量。
3)谱仪的稳定性:
谱仪的能量分辨率,线性的正常与否与谱仪的稳定性有关。因此在测量过程中,要求谱仪始终能正常的工作,如高压电源,放大器的放大倍数,和单道脉冲分析器的甑别阈和道宽。如果谱仪不稳定则会使光电峰的位置变化或峰形畸变。在测量过程中经常要对137Cs的峰位,以验证测量数据的可靠性。为避免电子仪器随温度变化的影响,在测量前仪器必须预热半小时。
2.单道脉冲幅度分析器和多道脉冲幅度分析器的工作原理
单道脉冲幅度分析器(简称“单道”)是分析射线能谱的一种仪器。
所谓射线的能谱,是指各种不同能量粒子的相对强度分布;把它画到以能量E为横坐标,单位时间内测到的射线粒子数为纵坐标的图上是一条曲线。根据这条曲线,我们可以清楚地看到此种射线中各种能量的粒子所占的百分比。这一任务可以用单道或多道脉冲幅度分析器来完成。
那么,单道是如何测出能谱的?
我们知道闪烁探测器可将入射粒子的能量转换为电压脉冲信号,而信号幅度大小与入射粒子能量成正比。因此只要测到不同幅度的脉冲数目,也就得到了不同能量的粒子数目。由于γ射线与物质相互作用机制的差异,从探测器出来的脉冲幅度有大有小,单道就起到从中“数出”某一幅度脉冲数目的作用。
单道里有一个甄别电压V0(此电压可以连续调节),称为阈值,它就象一道屏障一样,将所有低于V0的信号都挡住了,只有大于V0的信号才能通过。但这样只解决了一半问题,因为在通过的信号中实验者只知道它们都比V0高,具体的幅度还是不能确定。因此在单道中还有一个窗宽DV,使幅度大于V0+DV的脉冲亦被挡住,只让幅度为的信号通过(有的单道是);当我们把DV取得很小时,所通过的脉冲数目就可以看成是幅度为V0的脉冲数目。
简单地说,单道脉冲分析器的功能是把线性脉冲放大器的输出脉冲按高度分类:若线性脉冲放大器的输出是0~10V,如果把它按脉冲高度分成500级,或称为500道,则每道宽度为0.02V,也就是输出脉冲的高度按0.02V的级差来分类。在实际测量能谱时,我们保持道宽DV不变(道宽的选择必须恰当,过大会使谱畸变,分辨率变坏,能谱曲线上实验点过少;道宽过小则使每道的计数减小,统计涨落增大,或者使测量时间相应增加),逐点增加V0,这样就可以测出整个谱形。
上面所描述的情况可以称之为单道工作在微分状态下;当单道工作在积分状态下时,只要脉冲高度大于阈值电压单道就输出一个脉冲,即记录大于某一高度的所有脉冲数目。
单道是逐点改变甄别电压进行计数,测量不太方便而且费时,因而在本实验装置中采用了多道脉冲分析器。多道脉冲分析器的作用相当于数百个单道分析器与定标器,它主要由0~10V的A/D转换器和存储器组成,脉冲经过A/D转换器后即按高度大小转换成与脉高成正比的数字输出,因此可以同时对不同幅度的脉冲进行计数,一次测量可得到整个能谱曲线,既可靠方便又省时。
3.γ全能谱图分析
当核辐射的能量全部耗尽在闪烁体内时,探测器输出脉冲幅度与入射粒子能量成正比,因此可以根据对脉冲幅度谱的分析来测定核粒子的能谱。NaI(Tl)单晶γ谱仪既能对辐射强度进行测量,又可作辐射能量分析,同时具有对γ射线探测效率高和分辨时间短的优点,是目前广泛使用的一种辐射探测装置。在工业、医学的应用领域及核物理实验中,NaI(Tl)单晶γ能谱仪有相当广泛的用途。
NaI(Tl)单晶γ能谱仪由以下单元组成:闪烁探头(包括NaI(Tl)晶体和光电倍增管),高压电源,线性放大器,脉冲幅度分析器(分为单道分析器和多道分析器)。
①响应问题
下面介绍NaI(Tl)闪烁γ射线能谱仪对137Cs的单能γ射线(Eγ=0.661MeV)的响应问题,即对测得的脉冲幅度谱的形状进行分析。
γ射线与物质相互作用时可能产生三种效应:光电效应、康普顿效应和电子对效应,这三种效应产生的次级电子在NaI(Tl)晶体中产生闪烁发光;如下图所示。
表1列出了这些相互作用的基本过程。
光电效应 康普顿效应 电子对效应
表1 γ射线在NaI(Tl)闪烁体中相互作用的基本过程
由于单能γ射线所产生的这三种次级电子能量各不相同,甚至对康普顿效应是连续的,因此相应一种单能γ射线,闪烁探头输出的脉冲幅度谱也是连续的。
γ射线与闪烁体发生光电效应时,γ射线产生的光电子动能为:
(1—4)
其中BI为K、L、M等壳层中电子的结合能。在γ射线能区,光电效应主要发生在K壳层,此时K壳层留下的空穴将为外层电子所填补,跃迁时将放出X光子,其能量为Ex。这种X光子在闪烁晶体内很容易再产生一次新的光电效应,将能量又转移给光电子。上述两个过程几乎是同时发生的,因此闪烁体得到的能量将是两次光电效应产生的光电子能量和:
(1—5)
所以,由光电效应形成的脉冲幅度就直接代表了γ射线的能量。
在康普顿效应中,γ光子把部分能量传递给次级电子,自身则被散射。反冲电子(次级电子)动能为:
(1—6)
散射光子能量可近似写成:
(1—7)
式(1—6)、(1—7)中q为散射γ与入射γ射线的夹角(散射角)。
当q=180°时,即光子向后散射,称为反散射光子;此时
(1—8); (1—9)