核物理是近代物理的一個重要分支，是物質結構的一個新的層次。近代物理實驗中的核物理部分，主要介紹放射性同位素輻射的一些基本探測技術和β、γ衰變的一些基本性質的研究。γ射線，又稱γ粒子流，是原子核能級躍遷退激時釋放出的射線，是波長短于0.01埃的電磁波。γ射線有很強的穿透力，工業中可用來探傷或流水線的自動控制；醫療上用來治療腫瘤。γ射線的能量是它的一個重要特性，測定γ射線的能量對于放射性同位素的應用和核結構的研究等都有重要的意義。通過本虛擬實驗培訓，學生可掌握核物理相關知識、相關核測量技術，為學生進一步探索核物理知識奠定基礎。本虛擬仿真實驗，目的使學生：

????（1）學習放射性同位素衰變規律和γ射線與物質的相互作用

????（2）了解高能射線探測器的基本原理

? ? （3）學會設計計數時間，建立核探測實驗的統計觀念

????（4）具備輻射計量的基本知識，學會規范使用放射源的使用和保存

????（5）掌握γ放射源的能譜結構研究閃爍譜儀的工作條件與放射源光電峰位置的關系，正確標定能譜的橫坐標。

????（6）探索核輻射在材料中的應用

實驗所屬課程所占課時：

90學時

該實驗項目所占課時：

4學時

（簡要闡述實驗原理，并說明核心要素的仿真度）

γ射線是原子核從高能級躍遷到低能級時所放射的電磁輻射，它能夠給出原子核內部結構和核外環境的信息。測定γ射線的能譜對于放射性同位素的應用和核結構的研究等都有重要的意義。閃爍計數器是核物理研究及放射性同位素測量的重要探測儀器之一。它不僅可以探測各種射線，而且和單道或多道脈沖幅度分析器相配合的閃爍能譜儀可以進行比較精確的核輻射能譜測量，其中尤以裝有NaI（Tl）晶體的γ閃爍能譜儀應用得最為廣泛。它有探測效率高，能量分辨率和線性好，時間響應快等優點。

圖1? γ能譜探測系統示意圖

γ閃爍譜儀是利用γ射線與某些物質相互作用產生的熒光閃爍現象來測量能譜的。

???本實驗使用的γ閃爍能譜儀。它的基本組成單元如圖1所示。

γ射線照射在NaI（Tl）閃爍晶體中，它以三種方式與晶體發生作用：

?1.光電效應：γ光子將全部能量Eγ交給電子，受激電子的動能為:Ee=Eγ-W0，其中W0為電子在原子中的結合能。

?2.康普頓散射：γ光子的能量部分地交給電子，剩余部分能量被散射光子帶走。次級電子的能量與散射角θ的關系為：

?? 次級電子的能量在0~之間連續分布。

3.電子對效應：γ光子能以1.02Mev能量生成一對正負電子，剩余能量轉化為正負電子的動能。

Ee+ + Ee- = Eγ -2m0c= Eγ -1.02Mev

?? 電子對效應只有在Eγ>1.02Mev能量時才會產生。

???這三個基本過程中產生次級電子，這些次級電子能使閃爍體的原子或分子電離或激發。當這些被激發的原子或分子返回基態時能產生熒光光子。這些熒光通過閃爍體和光電倍增管之間的光學耦合劑（硅油），照射到光電倍增管的光陰極上，在光陰極的堿金屬上發生光電效應而發射出光電子，然后通過光電倍增管次陰極（倍增極或稱打那極）的多次倍增，最終在倍增管陽極上被收集。倍增管陽極收集到的實際上是一個負脈沖，它們的輸出脈沖幅度與γ射線在閃爍晶體中的能量損失成正比。最后再通過電子線路把脈沖放大，進行幅度分析甄別和記錄，從而獲得γ射線的能譜。由此可見，在閃爍譜儀中，放射粒子的能量是以脈沖的高度顯現的，而輻射強度是以脈沖的計數率顯現的。因此，閃爍計數器所給出的能譜就是脈沖計數率按脈沖高度的分布曲線。

本實驗完全根據放射源60Co和137Cs的衰變過程，采用Monte-Carlo模擬方法來產生γ射線能譜信號，生成符合科學原理和統計規律的數據。正是模擬了真實衰變規律，其能譜數據通過計算機采集是科學的，能譜形狀在計算機上 是真實反映，這些過程都是通過3D來實現；統計時間的改變，計算機上顯示的能譜的變化，也是完全根據統計規律來真實模擬的。

放射源對材料的輻照，其升井和輻照過程通過3D仿真，真實模擬對材料輻射過程，輻照室的設計也是按照真實的輻照室環境來仿真的。

多道分析器原理也是通過模擬實際多道分析器工作原理，通過3D模擬實現。

知識點：共 7 個

(1) γ射線和物質的相互作用(光電效應，康普頓散射，電子對效應)

(2) 鈷-60和銫-137同位素的衰變關系以及相應的γ能譜結構

(3) 閃爍體的發光機制

(4) 光電倍增管的原理

(5) 多道分析器原理

(6) 閃爍探測器的能量標定

(7) 核輻射對材料晶體的影響

本虛擬實驗中，均按照實際實驗來設計，設計的虛擬設備包括以下內容：

???????--- 60Co放射源, 137Cs放射源,屏蔽鉛盒，放射源保險柜

????? --- NaI晶體閃爍體、光電倍增管、光密封套筒

????? ---NIM機箱

????? ---放大器插件

????? ---多道分析器插件

????? ---高壓電源插件

????? ---示波器

????? ---計算機

????? ---BNC同軸電纜若干（連接線）

????? ---鉛玻璃防護鏡、含鉛橡膠手套、鉛盒

????? ---輻射檢測儀

預設參數：

光電倍增管：輸出高壓設置為600V，在實際范圍內可調。

放大器：輸出放大倍率初始預設定為1倍，實驗操作時可按實際情況調整。

多道分析器：門限電壓根據示波器觀察值由學生設定。道數根據預測量狀況而設定。如果學生選擇了放大5倍，多道設為512道，那么光電峰就在 0.3*5/2 *512=341道處。

默認取數時間:設定為1000s。

（舉例說明采用的教學方法的使用目的、實施過程與實施效果）

1.采用演示方法，強調安全規范

?? 本實驗使用的γ放射源屬于危險物品，教師提前演示放射源的取用和保存規范， 避免學生誤操作產生危險。在虛擬仿真實驗中，有放射源操作的演示或提示。通過演示，對學生進行了很好的安全教育。

2. 先觀察后測量，先定性后定量

?? 急于測量是很多學生不良好的習慣。本實驗需要學生先通過示波器觀察信號，確定信號的幅度閾值，再進行參數調節設定，方可進行測量。通過此教學方法使學生切身體會準備和觀察的重要性。

3. 探究式和啟發式教學方法

???實驗過程中學生根據信號的特征選擇合適的參數，學生才能觀察到信號并正確設置閾值。學生要估算并設定取數時間, 取得足夠的數據量降低統計誤差，啟發學生的統計觀念。

???學生利用核輻射寶石，研究寶石顏色的變化，啟發學生探索核輻照材料變化的物理機制是什么，提高學生主動探索精神以及學習興趣

（學生交互性操作步驟應不少于10步）

實驗方法描述：

間接測量和放大法:本實驗由NaI(Tl)閃爍晶體將γ射線轉化為可見光子，再由光電倍增管轉化為電信號，經由放大器放大后輸入至多道分析器進行測量。核物理實驗基本都使用這種方法進行測量。

先觀察后測量，先定性后定量:學生根據示波器上觀察到的信號來調節多道分析器的具體取數參數，是核物理實驗的基本技能之一。

控制變量法:為了獲得實驗噪聲數據，要保持實驗參數不變，在無放射源情況下取得噪聲數據，控制所有實驗因素一致。

放射源能量標定:多道測量的能譜的橫坐標是道數，要利用已知放射源的全能峰來進行能量標定。這是核物理實驗重要的標定方法。

學生交互性操作步驟數：19

學生交互性操作步驟說明：

開始實驗界面如下：

1.觀看實驗中放射源操作的規范演示并安全教育

2.按線路圖正確連接各個電子學接口。

3.按操作規程依次啟動各部件電源，檢查部件是否正常。打開計算機控制軟件界面。

4.把137Cs放射源從保險柜中取出，置于閃爍體前15厘米的地方，并準直放置，四周用鉛磚作屏障保護。打開放射源屏蔽開關。

5.連接信號通道到示波器，調節示波器的觸發源和觸發電壓來尋找信號，確定信號幅度的大小。

6.連接信號通道到多道分析器，使用計算機控制軟件界面預取數。

7.改變閃爍譜儀的工作條件（光電倍增管的高壓、線性放大器放大倍數等），測量放射源光電峰位置的變化，研究它們之間的關系。

8.在計算機上使用分析軟件觀察多道取得的信號，確認信號是否正常，指出全能峰的位置。

9.根據計數率估計需要的數據量，合理設置計數時間。

10.取得足夠統計量的數據后，保存取得的Cs能譜數據。

11.關閉Cs放射源屏蔽開關，取出放射源并放回到保險柜中。

12.不放任何放射源，保持實驗參數完全不變，取本底信號一段時間，并保存。

13.從保險柜中取出Co放射源，按同樣方法放置在閃爍體探測器前方。打開屏蔽開關。

14.重復相同的步驟，測量Co放射源的能譜。

15.取出寶石，進入強輻射室，放入樣品籃，從入口進入，吊入井下，對準Co放射源，改變輻照時間，觀察鉆石顏色的變化。

16.把寶石放到測試平臺，測量寶石的放射性。

17.不放任何放射源，保持實驗參數完全不變，再次取本底信號一段時間，并保存。

18.保存計算機中的數據到學生自己的U盤中，回去進行離線處理。

19.實驗完畢后，將放射源放回保險柜，關閉高壓，按操作規程依次關閉各部件電源。

是否記錄每步實驗結果：否

實驗結果與結論要求：實驗報告

其他描述：本實驗的一個重要內容是數據分析處理，目的在于幫助學生建立實驗測量的統計觀念和初步的數據處理方法。

1.學生首先要對取得的數據進行結構觀察，分辨出全能峰的位置，然后利用全能峰進行能量標定，從而重建出能量和道數對應的關系，畫出正確的能譜圖。

2.學生要標示出全能峰、康普頓邊和反散射峰的能量值（MeV）。

3.學生要利用全能峰能量值及半高寬（FWHM）來計算能量分辨率。

4.學生要了解不同參數對輻照材料的影響以及晶體色心改變相關知識

包括實驗操作考核和實驗報告考核，分別占60%和40%。

一、實驗操作考核：包括實驗前、實驗中和實驗后。

???實驗操作重點考核點如下：

?????? 1.能夠規范存取和使用放射源

???????2.能夠正確連接線路和打開實驗裝置

?????? 3.能夠用示波器找到要觀察的信號

?????? 4.正確設置輻照源以及材料的參數，觀察到材料的變化

?????? 5.取得足夠數量的數據用于分析

?????? 6.尋找閃爍譜儀的最佳工作條件與放射源光電峰位置的關系

?????? 7.正確關閉整個實驗裝置

?? 實驗操作考核方法：

? ? ? ?a.彈出問題：在虛擬仿真實驗過程中，預設了一些問題，學生可以探索和嘗試，會有些問題彈出，讓學生回答，例如：

? ? ? ?b.操作過程系統會自動扣分如下：

基本操作分：

??? 操作完成137Cs測量??????????????+30

??? 操作完成60Co測量? ???????????? +30

??? 操作完成寶石輻照實驗?????????? +20

??? 操作完成寶石放射性測量???????? +20

實驗操作過程總分=基本分+扣分項，占實驗操作考核分數的60%。

考核題共10題，每題10分，占實驗操作考核分數的40%。

二、實驗報告考核：

1.正確描述放射源使用規范

2.能夠對數據進行正確的本底扣除，能量刻度，重建并繪制能譜?

3.能夠正確表示出60Co和137Csγ能譜的關鍵能譜結構

4.會根據數據估計探測器的能量分辨率

5.正確給出閃爍譜儀的工作條件與放射源光電峰能量值（MeV）的關系

6.能夠定性加定量得到輻射材料時輻射時間以及材料溫度對輻射效果的影響,探索輻射對晶體色心改變相關理論知識。

專業與年級要求：

面向物理學、應用物理學、核物理專業三年級學生，作為《近代物理實驗》的一個實驗內容，也可作為物理系光電信息科學與工程三年級的實驗項目；作為拓展實驗，對化工、化學、材料、機械等理工科類專業本科生三、四年級和研究生一年級開放。

基本知識和能力要求：

?了解核物理相關知識：光電效應、康普頓散射等

?具有統計概念基礎知識

?會使用示波器

?具備材料晶體結構相關知識

?具備分析和解決問題能力，能根據實驗現象做出定性推斷。

是否納入到教學計劃：是

是否面向社會提供服務：是

社會開放時間：2019-03-01