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【国家级】核辐射γ射线的能谱测量及其在材料改性中的应用虚拟仿真实验

学院:理学院 专业:应用物理学  试用账号:游客 试用密码:游客

核物理是近代物理的一个重要分支,是物质结构的一个新的层次。近代物理实验中的核物理部分,主要介绍放射性同位素辐射的一些基本探测技术和β、γ衰变的一些基本性质的研究。γ射线,又称γ粒子流,是原子核能级跃迁退激时释放出的射线,是波长短于0.01埃的电磁波。γ射线有很强的穿透力,工业中可用来探伤或流水线的自动控制;医疗上用来治疗肿瘤。γ射线的能量是它的一个重要特性,测定γ射线的能量对于放射性同位素的应用和核结构的研究等都有重要的意义。通过本虚拟实验培训,学生可掌握核物理相关知识、相关核测量技术,为学生进一步探索核物理知识奠定基础。本虚拟仿真实验,目的使学生:

    (1)学习放射性同位素衰变规律和γ射线与物质的相互作用

    (2)了解高能射线探测器的基本原理

    (3)学会设计计数时间,建立核探测实验的统计观念

    (4)具备辐射计量的基本知识,学会规范使用放射源的使用和保存

    (5)掌握γ放射源的能谱结构研究闪烁谱仪的工作条件与放射源光电峰位置的关系,正确标定能谱的横坐标。

    (6)探索核辐射在材料中的应用

实验所属课程所占课时:

90学时

该实验项目所占课时:

4学时

(简要阐述实验原理,并说明核心要素的仿真度)

γ射线是原子核从高能级跃迁到低能级时所放射的电磁辐射,它能够给出原子核内部结构和核外环境的信息。测定γ射线的能谱对于放射性同位素的应用和核结构的研究等都有重要的意义。闪烁计数器是核物理研究及放射性同位素测量的重要探测仪器之一。它不仅可以探测各种射线,而且和单道或多道脉冲幅度分析器相配合的闪烁能谱仪可以进行比较精确的核辐射能谱测量,其中尤以装有NaI(Tl)晶体的γ闪烁能谱仪应用得最为广泛。它有探测效率高,能量分辨率和线性好,时间响应快等优点。

图1  γ能谱探测系统示意图

γ闪烁谱仪是利用γ射线与某些物质相互作用产生的荧光闪烁现象来测量能谱的。

   本实验使用的γ闪烁能谱仪。它的基本组成单元如图1所示。

γ射线照射在NaI(Tl)闪烁晶体中,它以三种方式与晶体发生作用:

 1.光电效应:γ光子将全部能量Eγ交给电子,受激电子的动能为:Ee=Eγ-W0,其中W0为电子在原子中的结合能。

 2.康普顿散射:γ光子的能量部分地交给电子,剩余部分能量被散射光子带走。次级电子的能量与散射角θ的关系为:

   次级电子的能量在0~之间连续分布。

3.电子对效应:γ光子能以1.02Mev能量生成一对正负电子,剩余能量转化为正负电子的动能。

Ee+ + Ee- = Eγ -2m0c= Eγ -1.02Mev

   电子对效应只有在Eγ>1.02Mev能量时才会产生。

   这三个基本过程中产生次级电子,这些次级电子能使闪烁体的原子或分子电离或激发。当这些被激发的原子或分子返回基态时能产生荧光光子。这些荧光通过闪烁体和光电倍增管之间的光学耦合剂(硅油),照射到光电倍增管的光阴极上,在光阴极的碱金属上发生光电效应而发射出光电子,然后通过光电倍增管次阴极(倍增极或称打那极)的多次倍增,最终在倍增管阳极上被收集。倍增管阳极收集到的实际上是一个负脉冲,它们的输出脉冲幅度与γ射线在闪烁晶体中的能量损失成正比。最后再通过电子线路把脉冲放大,进行幅度分析甄别和记录,从而获得γ射线的能谱。由此可见,在闪烁谱仪中,放射粒子的能量是以脉冲的高度显现的,而辐射强度是以脉冲的计数率显现的。因此,闪烁计数器所给出的能谱就是脉冲计数率按脉冲高度的分布曲线。

本实验完全根据放射源60Co和137Cs的衰变过程,采用Monte-Carlo模拟方法来产生γ射线能谱信号,生成符合科学原理和统计规律的数据。正是模拟了真实衰变规律,其能谱数据通过计算机采集是科学的,能谱形状在计算机上 是真实反映,这些过程都是通过3D来实现;统计时间的改变,计算机上显示的能谱的变化,也是完全根据统计规律来真实模拟的。

放射源对材料的辐照,其升井和辐照过程通过3D仿真,真实模拟对材料辐射过程,辐照室的设计也是按照真实的辐照室环境来仿真的。

多道分析器原理也是通过模拟实际多道分析器工作原理,通过3D模拟实现。

知识点:7

(1) γ射线和物质的相互作用(光电效应,康普顿散射,电子对效应)

(2) 钴-60和铯-137同位素的衰变关系以及相应的γ能谱结构

(3) 闪烁体的发光机制

(4) 光电倍增管的原理

(5) 多道分析器原理

(6) 闪烁探测器的能量标定

(7) 核辐射对材料晶体的影响


本虚拟实验中,均按照实际实验来设计,设计的虚拟设备包括以下内容:

       --- 60Co放射源, 137Cs放射源,屏蔽铅盒,放射源保险柜

      --- NaI晶体闪烁体、光电倍增管、光密封套筒

      ---NIM机箱

      ---放大器插件

      ---多道分析器插件

      ---高压电源插件

      ---示波器

      ---计算机

      ---BNC同轴电缆若干(连接线)

      ---铅玻璃防护镜、含铅橡胶手套、铅盒

      ---辐射检测仪


预设参数:

光电倍增管:输出高压设置为600V,在实际范围内可调。

放大器:输出放大倍率初始预设定为1倍,实验操作时可按实际情况调整。

多道分析器:门限电压根据示波器观察值由学生设定。道数根据预测量状况而设定。如果学生选择了放大5倍,多道设为512道,那么光电峰就在 0.3*5/2 *512=341道处。

默认取数时间:设定为1000s。

(举例说明采用的教学方法的使用目的、实施过程与实施效果)

1.采用演示方法,强调安全规范

   本实验使用的γ放射源属于危险物品,教师提前演示放射源的取用和保存规范, 避免学生误操作产生危险。在虚拟仿真实验中,有放射源操作的演示或提示。通过演示,对学生进行了很好的安全教育。

2. 先观察后测量,先定性后定量

   急于测量是很多学生不良好的习惯。本实验需要学生先通过示波器观察信号,确定信号的幅度阈值,再进行参数调节设定,方可进行测量。通过此教学方法使学生切身体会准备和观察的重要性。

3. 探究式和启发式教学方法

   实验过程中学生根据信号的特征选择合适的参数,学生才能观察到信号并正确设置阈值。学生要估算并设定取数时间, 取得足够的数据量降低统计误差,启发学生的统计观念。

   学生利用核辐射宝石,研究宝石颜色的变化,启发学生探索核辐照材料变化的物理机制是什么,提高学生主动探索精神以及学习兴趣

(学生交互性操作步骤应不少于10步)

实验方法描述

间接测量和放大法:本实验由NaI(Tl)闪烁晶体将γ射线转化为可见光子,再由光电倍增管转化为电信号,经由放大器放大后输入至多道分析器进行测量。核物理实验基本都使用这种方法进行测量。

先观察后测量,先定性后定量:学生根据示波器上观察到的信号来调节多道分析器的具体取数参数,是核物理实验的基本技能之一。

控制变量法:为了获得实验噪声数据,要保持实验参数不变,在无放射源情况下取得噪声数据,控制所有实验因素一致。

放射源能量标定:多道测量的能谱的横坐标是道数,要利用已知放射源的全能峰来进行能量标定。这是核物理实验重要的标定方法。


学生交互性操作步骤数:19

学生交互性操作步骤说明:

开始实验界面如下:


1.观看实验中放射源操作的规范演示并安全教育


2.按线路图正确连接各个电子学接口。


3.按操作规程依次启动各部件电源,检查部件是否正常。打开计算机控制软件界面。


4.把137Cs放射源从保险柜中取出,置于闪烁体前15厘米的地方,并准直放置,四周用铅砖作屏障保护。打开放射源屏蔽开关。


5.连接信号通道到示波器,调节示波器的触发源和触发电压来寻找信号,确定信号幅度的大小。

6.连接信号通道到多道分析器,使用计算机控制软件界面预取数。


7.改变闪烁谱仪的工作条件(光电倍增管的高压、线性放大器放大倍数等),测量放射源光电峰位置的变化,研究它们之间的关系。


8.在计算机上使用分析软件观察多道取得的信号,确认信号是否正常,指出全能峰的位置。

9.根据计数率估计需要的数据量,合理设置计数时间。

10.取得足够统计量的数据后,保存取得的Cs能谱数据。

11.关闭Cs放射源屏蔽开关,取出放射源并放回到保险柜中。


12.不放任何放射源,保持实验参数完全不变,取本底信号一段时间,并保存。


13.从保险柜中取出Co放射源,按同样方法放置在闪烁体探测器前方。打开屏蔽开关。

14.重复相同的步骤,测量Co放射源的能谱。

15.取出宝石,进入强辐射室,放入样品篮,从入口进入,吊入井下,对准Co放射源,改变辐照时间,观察钻石颜色的变化。


16.把宝石放到测试平台,测量宝石的放射性。


17.不放任何放射源,保持实验参数完全不变,再次取本底信号一段时间,并保存。

18.保存计算机中的数据到学生自己的U盘中,回去进行离线处理。

19.实验完毕后,将放射源放回保险柜,关闭高压,按操作规程依次关闭各部件电源。





是否记录每步实验结果:

实验结果与结论要求:实验报告

其他描述:本实验的一个重要内容是数据分析处理,目的在于帮助学生建立实验测量的统计观念和初步的数据处理方法。

1.学生首先要对取得的数据进行结构观察,分辨出全能峰的位置,然后利用全能峰进行能量标定,从而重建出能量和道数对应的关系,画出正确的能谱图。

2.学生要标示出全能峰、康普顿边和反散射峰的能量值(MeV)。

3.学生要利用全能峰能量值及半高宽(FWHM)来计算能量分辨率。

4.学生要了解不同参数对辐照材料的影响以及晶体色心改变相关知识


包括实验操作考核和实验报告考核,分别占60%和40%。

一、实验操作考核:包括实验前、实验中和实验后。

   实验操作重点考核点如下:

       1.能够规范存取和使用放射源

       2.能够正确连接线路和打开实验装置

       3.能够用示波器找到要观察的信号

       4.正确设置辐照源以及材料的参数,观察到材料的变化

       5.取得足够数量的数据用于分析

       6.寻找闪烁谱仪的最佳工作条件与放射源光电峰位置的关系

       7.正确关闭整个实验装置

   实验操作考核方法:

       a.弹出问题:在虚拟仿真实验过程中,预设了一些问题,学生可以探索和尝试,会有些问题弹出,让学生回答,例如:



       b.操作过程系统会自动扣分如下:


基本操作分:

    操作完成137Cs测量              +30

    操作完成60Co测量               +30

    操作完成宝石辐照实验           +20

    操作完成宝石放射性测量         +20

实验操作过程总分=基本分+扣分项,占实验操作考核分数的60%。

考核题共10题,每题10分,占实验操作考核分数的40%。


二、实验报告考核:

1.正确描述放射源使用规范

2.能够对数据进行正确的本底扣除,能量刻度,重建并绘制能谱 

3.能够正确表示出60Co和137Csγ能谱的关键能谱结构

4.会根据数据估计探测器的能量分辨率

5.正确给出闪烁谱仪的工作条件与放射源光电峰能量值(MeV)的关系

6.能够定性加定量得到辐射材料时辐射时间以及材料温度对辐射效果的影响,探索辐射对晶体色心改变相关理论知识。



专业与年级要求:

面向物理学、应用物理学、核物理专业三年级学生,作为《近代物理实验》的一个实验内容,也可作为物理系光电信息科学与工程三年级的实验项目;作为拓展实验,对化工、化学、材料、机械等理工科类专业本科生三、四年级和研究生一年级开放。

基本知识和能力要求:

 了解核物理相关知识:光电效应、康普顿散射等

 具有统计概念基础知识

 会使用示波器

 具备材料晶体结构相关知识

 具备分析和解决问题能力,能根据实验现象做出定性推断。

本校上线时间:2018-09-01

是否纳入到教学计划:是

是否面向社会提供服务:是

社会开放时间:2019-03-01

华东理工大学

实验负责人
张先梅

博士,教授,理学院副院长

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