Excel和Origin在核物理实验“HPGe-γ谱仪效率刻度”中的应用

2015-10-21 07:31方开洪赵江涛
大学物理实验 2015年1期
关键词:谱仪刻度射线

王 强,方开洪,赵江涛,蒙 萱

(兰州大学,甘肃 兰州 730000)

Excel和Origin在核物理实验“HPGe-γ谱仪效率刻度”中的应用

王 强,方开洪,赵江涛,蒙 萱

(兰州大学,甘肃 兰州 730000)

“HPGe-γ谱仪效率刻度”是核物理实验教学的重要内容。利用Excel对实验数据进行记录和计算,结合Origin软件的数据管理、绘图、微分、非线性拟合等功能,本文给出了效率刻度数据处理方法。对兰州大学核物理实验中心的HPGe-γ探测器进行了效率刻度。本方法大大简化了谱仪效率刻度实验中的数据处理过程。

Excel;Origin;HPGe;效率刻度

利用HPGe-γ谱仪对各种放射性样品进行γ谱探测和分析,必须对探测器进行绝对或相对效率刻度[1,2]。为了从已知刻度的若干γ射线的探测效率,得到该能区任意射线的探测效率,常用的是非线性函数拟合方法。然而这种方法复杂,单靠简单的手动计算,耗时耗力,并且会带来较大的误差。

Origin是Windows平台下应用于科技作图和数据分析的软件[3],它是一个多文档界面应用程序,采用直观的、图形化的、面向对象的窗口菜单和工具栏操作。该软件操作方便且功能强大,能满足复杂的数据分析、图形处理、函数拟合等高级功能,广范应用于教学、科研、工程技术等领域。尤其在大学物理实验中,Origin是必不可少的数据处理和分析工具[4-5]。结合核物理教学实验“HPGe探测器效率刻度”,本文介绍了Excel和Origin软件的数据处理和分析功能。该方法降低了手工处理数据带来的实验误差,可大大简化数据处理过程。

1 实验原理

γ谱仪的探测效率既与射线的能量有关,又与探测器的类型、晶体的大小、形状以及放射源与探测器的几何位置等因素有关。因此,在实验前必须对每一台HPGe谱仪进行效率刻度。

活度为A的标准放射源,放出能量为Ei的γ射线,其分支比为,测量时间为t,则全能峰计数可表示为:

2 Excel对实验数据的记录与计算

实验利用标准放射源为152Eu,对兰州大学核物理实验中心的低本底HPGe-γ谱仪进行了效率刻度。在实验测量时刻,标准源活度为20.367 kBq(相对误差为2%)。实验中,γ能谱由Ortec公司的maestro数据获取软件得到。表1标出了152Eu标准源的活度A及其误差、测量时间t、γ射线的能量Ei及其分支比。其中,全能峰计数已经扣除了γ能谱的本底。

Excel有强大的计算功能,可以计算出探测器对不同能量的γ射线的探测效率。具体做法如下(对应于表1):根据公式(2),在Excel表的I3单元中写入“=G3/(B3∗1000)/D3/(F3/100)”计算探测器的探测效率,式中的数字是进行单位转换;在Excel表的J3单元中输入“=SQRT((C3/B3)∗(C3/B3)+(H3/G3)∗(H3/G3))∗I3”计算探测器探测效率的误差,该式对应于公式(3)。Excel会自动计算并显示结果。然后应用Excel的拖动计算功能,先选择I3,J3两个单元,然后按住选择区右下角的十字,拖动鼠标计算出其它能量的γ射线对应的探测效率及误差(第I和J列)。

表1 Excel中数据表及计算值

3 Origin对实验数据的拟合处理

3.1 实验数据绘图

Origin具有比Excel更强的数据分析和绘图功能,能满足数据筛选、线性及非线性拟合等方面的需要。该软件操作简单,可以把Excel表中的数据拷贝到Origin表中,也可以用Origin直接打开Excel表进行操作。将Excel中的数据(表1)拷贝到Origin数据表中,如图2所示。

表2 Origin数据表

用表2中D(X2)列作横坐标,H(Y2)列作纵坐标,I(yEr)列为误差,点击Origin窗口的图标绘制二维坐标图。Origin能够对坐标图修改,双击坐标轴得图2,查看图2的每个标签,可以对坐标图的外观及坐标大小等多个参数进行修改,最后得到外观满意的坐标图,如图1。

图1 探测器效率刻度曲线

图2 Origin的坐标对话框

3.2 实验数据拟合

其中,拟合相关系数为0.995。从残差散点图(图3)看出,拟合的残差散点图显示无序,且残差散点的最大值小于0.000 2。这说明公式(4)给出的探测器效率刻度曲线的可信度很高。

图3 Origin拟合的残差散点图

4 结 论

Excel和Origin软件直观简便,简单易学。在探测器效率刻度实验过程中,用Excel记录和计算数据;应用Origin软件进行绘图的同时还可进行数据处理与图形分析,充分发挥软件快捷、高效、精度高等特点。计算机软件的应用,大大提高了实验数据处理效率,对提高学生的学习兴趣和数据处理能力,优化大学实验教学方法等方面有十分重要的意义。

[1] 复旦大学,清华大学,北京大学.原子核物理实验方法[M].北京:原子能出版社,1997:266-273.

[2] B.Grosswendt&E.Waibel.,Nucl.Instr.Meth[Z]. 131,143(1975).

[3] 方安平,叶卫平.Origin8.0实用指南[M].北京:机械工业出版社,2009.

[4] 王传坤,张星,吴浪.基于Orign软件在电学实验中的应用[J].大学物理实验,2014,27(1):74-76.

[5] 徐敏莲,邹静.基于C语言和Origin7.5的曲率法测普朗克常量[J].实验室研究与探索,2012,31(6): 92-95.

[6] 郭晓波,周立,王亮.用MATLAB模拟信号检测和复原实验[J].大学物理实验,2013,26(6):81-82.

The Application of EXCEL and ORIGIN in Data Processing of“HPGe Detector Efficiency Calibration”

WANG Qiang,FANG Kai-hong,ZHAO Jiang-tao,MENG Xuan
(School of nuclear science and Technology,Lanzhou University,Gansu Lanzhou 730000)

“HPGe Detector Efficiency Calibration”is very important in experiment course of nuclear physics. Firstly,the data was recorded and calculated by EXCEL.Then,by using the ORIGIN,the experimental data was analyzed easily,i.e.data recording,plotting,nonlinear fitting.Finally,a efficiency calibration curve was given for the HPGe detector in the Experimental Center of Nuclear Physics,Lanzhou University.This data processing method is quick,intuitional and accurate,and could be used in the experiment course of nuclear physics.

Excel;Origin;HPGe;detector efficiency calibration

O4-39;TL817+.2

A

10.14139/j.cnki.cn22-1228.2015.01.025

1007-2934(2015)01-0076-03

2014-09-17

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