Excel和Origin在核物理實驗“HPGe-γ譜儀效率刻度”中的應(yīng)用

王 強(qiáng)，方開洪，趙江濤，蒙 萱

（蘭州大學(xué)，甘肅 蘭州 730000）

Excel和Origin在核物理實驗“HPGe-γ譜儀效率刻度”中的應(yīng)用

王 強(qiáng)，方開洪，趙江濤，蒙 萱

（蘭州大學(xué)，甘肅 蘭州 730000）

“HPGe-γ譜儀效率刻度”是核物理實驗教學(xué)的重要內(nèi)容。利用Excel對實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄和計算，結(jié)合Origin軟件的數(shù)據(jù)管理、繪圖、微分、非線性擬合等功能，本文給出了效率刻度數(shù)據(jù)處理方法。對蘭州大學(xué)核物理實驗中心的HPGe-γ探測器進(jìn)行了效率刻度。本方法大大簡化了譜儀效率刻度實驗中的數(shù)據(jù)處理過程。

Excel；Origin；HPGe；效率刻度

利用HPGe-γ譜儀對各種放射性樣品進(jìn)行γ譜探測和分析，必須對探測器進(jìn)行絕對或相對效率刻度［1，2］。為了從已知刻度的若干γ射線的探測效率，得到該能區(qū)任意射線的探測效率，常用的是非線性函數(shù)擬合方法。然而這種方法復(fù)雜，單靠簡單的手動計算，耗時耗力，并且會帶來較大的誤差。

Origin是Windows平臺下應(yīng)用于科技作圖和數(shù)據(jù)分析的軟件［3］，它是一個多文檔界面應(yīng)用程序，采用直觀的、圖形化的、面向?qū)ο蟮拇翱诓藛魏凸ぞ邫诓僮?。該軟件操作方便且功能?qiáng)大，能滿足復(fù)雜的數(shù)據(jù)分析、圖形處理、函數(shù)擬合等高級功能，廣范應(yīng)用于教學(xué)、科研、工程技術(shù)等領(lǐng)域。尤其在大學(xué)物理實驗中，Origin是必不可少的數(shù)據(jù)處理和分析工具［4-5］。結(jié)合核物理教學(xué)實驗“HPGe探測器效率刻度”，本文介紹了Excel和Origin軟件的數(shù)據(jù)處理和分析功能。該方法降低了手工處理數(shù)據(jù)帶來的實驗誤差，可大大簡化數(shù)據(jù)處理過程。

1 實驗原理

γ譜儀的探測效率既與射線的能量有關(guān)，又與探測器的類型、晶體的大小、形狀以及放射源與探測器的幾何位置等因素有關(guān)。因此，在實驗前必須對每一臺HPGe譜儀進(jìn)行效率刻度。

活度為A的標(biāo)準(zhǔn)放射源，放出能量為Ei的γ射線，其分支比為，測量時間為t，則全能峰計數(shù)可表示為:

2 Excel對實驗數(shù)據(jù)的記錄與計算

實驗利用標(biāo)準(zhǔn)放射源為152Eu，對蘭州大學(xué)核物理實驗中心的低本底HPGe-γ譜儀進(jìn)行了效率刻度。在實驗測量時刻，標(biāo)準(zhǔn)源活度為20.367 kBq（相對誤差為2%）。實驗中，γ能譜由Ortec公司的maestro數(shù)據(jù)獲取軟件得到。表1標(biāo)出了152Eu標(biāo)準(zhǔn)源的活度A及其誤差、測量時間t、γ射線的能量Ei及其分支比。其中，全能峰計數(shù)已經(jīng)扣除了γ能譜的本底。

Excel有強(qiáng)大的計算功能，可以計算出探測器對不同能量的γ射線的探測效率。具體做法如下（對應(yīng)于表1）:根據(jù)公式（2），在Excel表的I3單元中寫入“=G3/（B3?1000）/D3/（F3/100）”計算探測器的探測效率，式中的數(shù)字是進(jìn)行單位轉(zhuǎn)換；在Excel表的J3單元中輸入“=SQRT（（C3/B3）?（C3/B3）+（H3/G3）?（H3/G3））?I3”計算探測器探測效率的誤差，該式對應(yīng)于公式（3）。Excel會自動計算并顯示結(jié)果。然后應(yīng)用Excel的拖動計算功能，先選擇I3，J3兩個單元，然后按住選擇區(qū)右下角的十字，拖動鼠標(biāo)計算出其它能量的γ射線對應(yīng)的探測效率及誤差（第I和J列）。

表1 Excel中數(shù)據(jù)表及計算值

3 Origin對實驗數(shù)據(jù)的擬合處理

3.1 實驗數(shù)據(jù)繪圖

Origin具有比Excel更強(qiáng)的數(shù)據(jù)分析和繪圖功能，能滿足數(shù)據(jù)篩選、線性及非線性擬合等方面的需要。該軟件操作簡單，可以把Excel表中的數(shù)據(jù)拷貝到Origin表中，也可以用Origin直接打開Excel表進(jìn)行操作。將Excel中的數(shù)據(jù)（表1）拷貝到Origin數(shù)據(jù)表中，如圖2所示。

表2 Origin數(shù)據(jù)表

用表2中D（X2）列作橫坐標(biāo)，H（Y2）列作縱坐標(biāo)，I（yEr）列為誤差，點擊Origin窗口的圖標(biāo)繪制二維坐標(biāo)圖。Origin能夠?qū)ψ鴺?biāo)圖修改，雙擊坐標(biāo)軸得圖2，查看圖2的每個標(biāo)簽，可以對坐標(biāo)圖的外觀及坐標(biāo)大小等多個參數(shù)進(jìn)行修改，最后得到外觀滿意的坐標(biāo)圖，如圖1。

圖1 探測器效率刻度曲線

圖2 Origin的坐標(biāo)對話框

3.2 實驗數(shù)據(jù)擬合

其中，擬合相關(guān)系數(shù)為0.995。從殘差散點圖（圖3）看出，擬合的殘差散點圖顯示無序，且殘差散點的最大值小于0.000 2。這說明公式（4）給出的探測器效率刻度曲線的可信度很高。

圖3 Origin擬合的殘差散點圖

4 結(jié) 論

Excel和Origin軟件直觀簡便，簡單易學(xué)。在探測器效率刻度實驗過程中，用Excel記錄和計算數(shù)據(jù)；應(yīng)用Origin軟件進(jìn)行繪圖的同時還可進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與圖形分析，充分發(fā)揮軟件快捷、高效、精度高等特點。計算機(jī)軟件的應(yīng)用，大大提高了實驗數(shù)據(jù)處理效率，對提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和數(shù)據(jù)處理能力，優(yōu)化大學(xué)實驗教學(xué)方法等方面有十分重要的意義。

［1］ 復(fù)旦大學(xué)，清華大學(xué)，北京大學(xué).原子核物理實驗方法［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，葉衛(wèi)平.Origin8.0實用指南［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2009.

［4］ 王傳坤，張星，吳浪.基于Orign軟件在電學(xué)實驗中的應(yīng)用［J］.大學(xué)物理實驗，2014，27（1）:74-76.

［5］ 徐敏蓮，鄒靜.基于C語言和Origin7.5的曲率法測普朗克常量［J］.實驗室研究與探索，2012，31（6）: 92-95.

［6］ 郭曉波，周立，王亮.用MATLAB模擬信號檢測和復(fù)原實驗［J］.大學(xué)物理實驗，2013，26（6）:81-82.

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

WANG Qiang，F(xiàn)ANG 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