实验四 闪烁γ能谱测量
核反应及核衰变生成的原子核常处于激发态，处于激发态核由高能级向低能级跃迁时会放射出
射线，测量射线能量可确定原子核激发态能级，这对确定原子核衰变纲图，放射性分析、同位素应用等方面有重要意义。射线能量测量是利用线与探测器相互作用产生次生电子，测得次生电子能量并绘出次生电子按能量分布的谱，即所谓射线“能谱”，求得该射线能量。本实验目的在于1.加深对射线和物质相互作用的理解；2.掌握
谱仪的原理及使用方法；3.学会测量分析能谱；4.学会测定谱仪的刻度曲线。
[实验原理]
1. 射线与物质相互作用
射线与物质相互作用主要有光电效应、康普顿散射及电子偶效应。
在光电效应中，原子吸收光子的全部能量，其中一部分消耗于光电子脱离原子束缚所需的电离能，另一部分就作为光电子的动能。所以，释放出来的光电子能量就是入射光子能量和该束缚电子所处的电子壳层的结合能
之差。因此，
（4.1）
即光电子动能近似等于射线能量。值得注意的是，由于必须满足动量守恒定律，自由电子（非束缚电子）不能吸收光子能量而成为光电子。光电效应的发生除入射光子和光电子之外，还需有一个第三者参加，这第三者就是发射光电子之后剩余下来的整个原子。它带走一些反冲能量，但该能量十分小。由于它的参加，动量和能量守恒才能满足。而且，电子在原子中被束缚得越紧（即越靠近原子核的电子），越容易使原子核参加上述过程。所以在
壳层上发生光电效应的概率最大。
康普顿散射是光子与原子外层电子相互作用的结果。我们分析一下散射光子和反冲电子的能量与散射角的关系。入射光子能量为
，碰撞后，散射光子的能量为
，反冲电子的动能为
，见图4-1，
为散射光子与入射光子方向间的夹角，经推导，散射光子的能量
.
（4.2）
康普顿反冲电子的动能
，
即
，
（4.3）
图4-1 康普顿效应示意图
从（4.2）和（4.3）式可以看出：
（1）当散射角
时，散射光子能量
，达到最大值。这时反冲电子的能量
。这就是说，在这种情况下入射光子从电子近旁掠过，未受到散射，所以光子能量没有损失。
（2）当
时，入射光子与电子对心碰撞后，沿相反方向散射出来，而反冲电子沿着入射光子方向飞出，这种情况称反散射。这时散射能量最小，即
.
由此式可以推断出，即使入射光子的能量变化很大，反散射光子的能量也都在200keV左右。这也是能谱上容易辨认反散射峰的一个原因。
发生康普顿效应时，散射光子可以向各个方向散射。对于不同方向的散射光子，其对应的反冲电子能量也不同。因而即使入射光子的能量是单一的，反冲电子的能量却是随散射角连续变化的。理论计算和实验都表明，入射光子的康普顿反冲电子能谱如图4-2所示。
电子对效应是光子从原子核旁经过时，在原子核的库仑场作用下，光子转化为一个正电子和一个负电子的过程。根据能量守恒定律，只有当入射光子能量
大于
,即>1.02MeV时,才能发生电子对效应。与光电效应相似, 电子对效应除涉及入射光子和电子对以外,必须有一个第三者---原子核参加。
2. 
能谱仪介绍
图4-3是闪烁能谱仪的方框图,探头的工作原理见图4-4。当放射源发出的射线进入闪烁体时，光子即与闪烁体中的原子、分子及晶体系统发生相互作用（如光电效应，康
图4-2 几种能量的康普顿反冲电子能谱
普顿散射和电子对效应等）。相互作用的结果产生次级电子，光子的能量转化为次级电子的动能。探头的闪烁体是荧光物质，它被次级电子激发而发出荧光，这些光子射向光电倍增管的光阴极。由于光电效应，在光阴极上打出光电子，每个光电子在光电倍增管中的打拿极（倍增极）上打出多个电子，这些电子又在其他级的打拿级上，打出更多的电子，经过多次倍增，最后有大量电子射向管子的阳极，转变成电信号输出。以上光电转换过程之间能够保持良好的线性关系，从而使光电倍增管输出的脉冲幅度，正比于光子在闪烁体内由各种效应而产生的次级电子的能量。通常，光电倍增管输出的脉冲幅度不超过1
，所以必须经过线性脉冲放大器放大后，再输入到单道脉冲幅度分析器中，对不同幅度的脉冲强度进行分析。单道分析器输出的脉冲强度由定标器记录（单道脉冲分析器原理见预备知识）。
3. 能谱分析.
我们以
为例，图4-5是的衰变纲图。它可发出能量为1.176MeV的
粒子，成为激发态的
，再跃迁到基态发出能量为0.662MeV的单能射线。其能谱是有三个峰和一个坪台的连续分布，如图4-6所示。图中的峰A称为全能峰，这一幅度的脉冲是0.662MeV的