基于核物理虚拟仿真实验平台的γ能谱测量

杨东侠，刘安平，张选梅，韩 忠，谭红兵

(重庆大学 物理实验国家级教学示范中心，重庆 401331)

核物理实验教学是物理专业十分重要的实验教学内容，其中，NaI(TI)闪烁谱仪与γ能谱测量实验是非常典型的实验项目，闪烁谱仪既能测量粒子的强度，又能测量粒子的能量,而且测量效率高，分辨时间短，所以在核物理研究和放射性测量中应用广泛. 进行核物理实验需要用到放射源，会产生核辐射，教学环节中存在安全风险，为此，我校物理实验中心采用虚实结合的方式，建设虚拟仿真模式下的核物理实验教学平台，用虚拟仿真源取代实体放射源开展实验教学，优化实验教学环境，规避安全隐患[1-3]. 为更好地服务实验教学，本文以γ能谱测量实验为例，展示核物理虚拟仿真实验平台开展实验教学的实际效果.

1 实验原理

当放射源发生衰变时，会向外发射出γ射线，γ射线可以与物质相互作用，产生次级带电粒子，这些粒子的能量与γ射线的能量直接相关，因此，可以通过实验测量次级带电粒子的能量标定γ射线的能谱，从而测定未知放射源[4].

根据γ粒子能量与峰位道址的线性关系

Eγ=kN+b，

(1)

如果对应E1的峰位道址位于N1，对应E2的峰位道址位于N2，则可以得到k和b为

对能量和道址进行最小二乘法拟合，得到能量定标公式(1)式，代入未知射线峰位的道址N，可测量未知射线的能量.

2 实验仪器

核物理虚拟仿真实验平台主要由虚拟核信号发生器、通用多道分析器、实验辅助软件、计算机和示波器构成，如图1所示. 用虚拟核信号发生器代替实体放射源，可以给出指定放射源的物理信息，借助计算机仿真技术在实验平台的深入应用，采用虚实结合的模式，为学生提供安全、方便、优质的实验环境[5-7].

图1 可重构实验平台

该实验平台的优点是可以在1台实验仪器上，开展多个实验项目，可以重构实验条件，仿真多个实验过程，通过软件直接测量峰位道址、半高全宽、能量分辨率等；同时具有保存/导出数据功能，可以直接在电脑上利用Excel，Origin等软件进行数据处理.

核物理虚拟仿真实验平台仿真闪烁γ能谱仪，其结构和功能见图2. 闪烁谱仪的结构可分为闪烁探头与高压、信号放大与多道分析2部分. 闪烁γ谱仪与能谱测量实验软件操作界面见图3，界面具有重构实验条件的功能，能够开展多个应用γ能谱的实验项目，学生根据自己的思考，设计实验方案，例如测量不同放射源的光电峰峰位，标定谱仪，测定未知射线能谱和分辨率；验证能量与峰位的线性关系；应用γ谱仪，测量材料的吸收能力.

图2 闪烁γ能谱仪的结构框图

3 实验内容

标定137Cs和60Co的γ能量刻度，测量137Cs和60Co的背散射峰能量，分析能量测量误差，检测虚拟仿真实验平台对γ能谱测量的准确性和实验效果. 实验测得137Cs的能谱如图4所示，测得60Co的能谱如图5所示. 实验数据如表1所示.

图4 实验测量137Cs能谱图

图5 实验测量60Co能谱图

表1 实验测量数据

4 实验结果

查阅衰变纲图：137Cs的光电峰Ee=0.661 MeV，60Co的光电峰E1=1.17 MeV，60Co的光电峰E2=1.33 MeV.

对多道峰位道址做能量刻度，根据表1测得的实验数据，利用Origin进行数据处理，得到能量刻度图，如图6所示. 对上述已知的能量和峰位道址做最小二乘法拟合，得到能量与道址的关系如表2所示.

(a)第1组

(b)第2组

(c)第3组

(d)第4组

(e)第5组图6 能量刻度

表2 能量定标公式及斜率的相对偏差

从图6可以看出，测得的峰位道址与能量呈明显的线性关系，且线性拟合度高. 从表2可以看出，测得的斜率的相对偏差较小,说明虚拟仿真实验仪器测量稳定，能够仿真出符合真实放射源的信号效果.

把137Cs和60Co的背散射峰峰位道址代入能量定标公式，计算结果如表3所示.

表3 137Cs和60Co的背散射峰能量

从表3可以看出，计算得到137Cs和60Co的背散射峰能量，能量值结果合理，相对偏差也比较小. 实验结果表明基于核物理虚拟仿真实验平台的γ能谱测量准确，实验效果理想，符合实验教学要求.

5 结束语

利用核物理虚拟仿真实验平台，实验测定了137Cs和60Co的光电峰峰位，结合光电峰的能量，标定出γ谱的能量刻度，实验测量了137Cs和60Co的背散射峰能量，实现了对未知射线能谱的测定. 验证了能量与峰位道址的线性关系，结果表明基于核物理虚拟仿真实验平台的能谱测量，测量误差小，实验效果理想，满足实验教学要求. 此外，核物理虚拟仿真实验平台，实验内容丰富、操作性强，学生可以根据需要，在平台上重构条件，自主设计实验，开展SRTP项目、应用测量研究等. 这不仅能锻炼学生的动手能力，提高学生的学习兴趣，还能培养学生的创新思维，改进实验教学模式和人才培养方式.