BNC便携式核素识别仪培训教材

SAM935便携式核子谱仪技术培训资料香港中威仪器公司上海天视科技发展有限公司编制二00五年二月第一部分概述自一九0三年，克鲁克斯.埃尔斯特和盖特尔利用荧光物质观察到放射性引起的单个闪光，从而发现了闪烁现象至今已有一个多世纪了。

一百多年来，闪烁探测器为科学的进步和发展作出了重要的贡献。

1919年卢瑟福利用这一技术发现了原子核的存在，进而发现了同位素的人工蜕变。

由于人们尚未找到记录光闪烁的有力工具，在20年代、30年代和40年代初期，核测量领域的主要手段为电离室、正比计数器和G-M计数器等气体探测器。

40年代，科学家研制出光电倍增管，1944年柯伦和贝克采用硫化锌闪烁体和光电倍增管（GDB）记录了α粒子的强度。

1948年霍夫斯塔特发现了NaI(TI)单晶闪烁体，并用它来测量γ射线，从此在核测量领域引起了巨大的推动和快速发展。

由于闪烁探测器具有气体探测器无法比拟的分辨时间短、探测效率高等优点，因此NaI探测器独领风骚二十多年之久。

经过几十年的发展，闪烁探测器已成为一种完善的和成熟的探测技术。

六十年代迅速发展起来的半导体探测器（金硅面垒型、锂漂移型、高纯锗型、高纯硅型等，按结构可分同轴型，端面型等）具有能量分辨率高，线性范围宽等等优点，很快得到了越来越广泛的应用，特别在能谱分析领域，几乎成了无可替代的首选探测器，但与NaI探测器相比较，高纯锗探测器具有投资高、运行费用高、相对效率较低、输出脉冲幅度较小等缺点。

至二十世纪末期，随着计算机技术、单片机技术和电子器件技术的迅猛发展，可以采用软硬件技术克服NaI的分辨率较低、温度漂移较大、能量线性差等缺点，充分发挥它的探测效率高、价格便宜、运行成本低、工作可靠等优点，使得其重新焕发了青春，受到了核环境监测人员的青睐，尤其在用于现场实时监测的领域。

便携式环境谱仪提供一种在事故释放或大面积调查中确定环境中放射性核素的快速方法，它通过测定光子积分通量（注量）率的谱分布，来确定地面和空中的放射性水平、核素种类、特定的放射性核素剂量，也可用于控制计划释放、剂量重建、环境改造和寻找放射源等。

它的研究和应用起始于七十年代初，美国的一个小组专家用它来从事铀矿勘探和环境监测，至今发展已有三十多年的历史。

在八十年代，由于两个原因使得它得到了广泛的应用：一个是美国三黑岛核电站和前苏联切尔诺贝利核电站事故；第二是由于八十年代迅速发展的高纯锗探测器克服了NaI探测器和锂漂移型探测器许多缺点。

但至九十年代末，由于前面所述的原因以及NaI探测器较好的性能价格比，由美国能源部（DOE）的科技办公室（OST）资助，BNC开发了采用NaI 探测器的SAM935系统（Surveillance and Measurement System）。

SAM的诞生得到了DOE的很高的评价，被誉为是创新的技术，并迅速配备到美国海关、机场、海外驻军、环保以及反恐部门。

由于前苏联解体后引起的核材料走私和“九一一”事件后，国际反恐形势的发展，SAM可谓是应运而生，它得到广泛的应用是情理之中的事了。

中国的核探测领域在二十年前已有应用便携式谱仪的文献报告。

在一九八五年的“辐射防护”杂志上，分别有中国原子能研究所、高能物理研究所以及核工业部816厂用便携式NaI谱仪，采用总谱能量法或逆矩阵法测量环境中的照射量率，并由剂量率反推土壤中天然放射性核素的浓度的报道，其结果与剂量率仪表测量值在±5%内一致。

不同于传统的便携式NaI谱仪，SAM是新一代的便携式谱仪，它是近二十年来许多新技术发展的结晶，它更适合于今天的需要。

第二部分有关的基础知识一、放射性衰变不稳定的原子核，能自发放出射线，转变成稳定的原子核，这一转变过程称为放射性衰变。

自然界存在着稳定性核素和放射性核素，放射性衰变是原子核内部的物理现象。

稳定的原子核中，中子和质子数目通常保持一定的比例，当中子数或质子数过多时，原子核便不稳定，形成放射性核素。

放射性核素又分为天然放射性核素（自然界存在的，如U-238, Th-232，Ra-226和K-40等）和人工放射性核素（由人工核反应生产的，如Cs-137，Co-60，I-131等）。

1、核衰变方式，主要有以下几种：①α衰变，放射性原子核放出α粒子（He原子核）后生成另一个核的过程。

Z X A→Z-2YA-4+2He4+Q它一般发生在原子序数较高的重原子核中,尤其为原子序数大于82的重金属原子核中,如88Ra 226→86Rn222+2He4+4.879Mev92U 238→90Th234+2He4+4.15Mev②β衰变，分β-衰变、β+衰变和电子俘获三种情况。

β-衰变为放出负电子（e-）的衰变，它是由于原子核中中子过多而造成，放出一个负电子后，核内一个中子转变为一个质子，原子序数增加1，衰变式为：Z X A→Z+1Y A+β-+ν+Q由于β-衰变产生的能量在β-粒子和反中微子ν之间分配，因此β-粒子的能量是连续分布，最大为Q，最小为0，如：55Cs 137→56Ba137+β-+ ν+Q27Co 60 →28Ba60+β-+ ν +Q同理β+衰变是放出正电子（e+）的衰变，它是由于原子核内质子过多而引起的，放出一个正电子后，核内一个质子转变为一个中子，原子序数减少1，其衰变式为：Z X A→Z-1Y A+β++ν+Q自然界中找不到正电子衰变的核素。

电子俘获又称K俘获，它是原子核自核外层轨道上（通常在K层）俘获一个电子，使核里的一个质子转变成一个中子，并放出中微子，衰变式为：Z X A+e+→Z-1Y A+ν+Q很多放射性同位素会发生电子俘获衰变，如：26Fe 55 +e-→25Mn55+ν+Q53I 125 +e-→52Te125+ν+Q电子俘获过程中会伴随发生标识χ射线，γ射线和俄歇电子（即外层电子跃迁至K层时，过剩能量传递给另一个壳层电子发出）。

③γ衰变在α衰变、β衰变和电子俘获过程中，原子核往往处于激发态（即较高的能级），处于激发态的原子核，通过发出γ光子回到基态（即核平常所处的最低能级），这一过程称为γ衰变。

γ衰变对于核的原子序数Z和质量数A均无影响，仅能量状态发生变化，因此又称同质异能跃迁。

由于处于激发态时间一般都十分短暂（10-13秒左右）。

可以认为γ衰变是与α或β衰变同时发生的，前面提到的137Cs，60Co和125I等β衰变同位素，均伴有γ辐射。

处于激发态的原子核，还可以以内转换电子方式将能量直接传给核外电子，把壳层电子（主要为K层）以单能电子束发射出去，该电子称为内转换电子，此时还会发出标识χ射线或俄歇电子等次级射线。

γ衰变中射线能量大小取决于激发态与基态之间的能量差，它们用千电子伏特（kev）和兆电子伏特（Mev）表示。

它是发射γ线的放射性同位素的特征量，用于识别放射性核素种类的主要依据，也是γ能谱仪分析的主要依据和原理。

2、射线的主要特性α射线——电离能力强，射程短，穿透力弱，一张纸或皮肤死层（角质层）即可挡住，对人体的损伤仅为内照射。

β射线——电离能力、穿透能力及射程均为中等，对人体的损害主要为皮肤和内照射。

γ射线——是一种电磁辐射，间接电离粒子，电离能力最小，穿透能力最强，散射作用最强，可穿透上公里的空气和几米厚的人体组织，对人体的损害为全身照射。

中子射线——为间接电离粒子，具有较强的穿透力和间接电离能力，对人体的损伤为全身照射。

3、放射性衰变规律时间t=0时，共有原子核数N o个，单位时间中衰变掉的原子核与未衰变的核数N成正比△N/△t=-λN经积分后得到：N=N o e-λt同理可得到A=A o e-λt不难可以计算λ=0.693/T1/2T1/2为原子核数或活度减少一半所需时间，该值为放射性核素的特征量，也是区别放射性核素的重要物理量。

4、天然放射性核素与感生放射性自然界存在三个天然放射性系列，它们是钍系、铀—镭系和錒系，它们的母体为90Th232（T1/2=1.405×1010年）,92U238(T1/2=4.468×109年)和92U235（T1/2=7.038×108年）。

说它们是系列是因为它们的母体放射性核素衰变后得到的子体仍为放射性核素，经多次衰变后，才达到稳定。

在这之间形成了一个放射性核素的系列。

这些系列的存在原因是由于其母体核素的半衰期与地球年龄（约30亿年）在同一数量级甚至更大。

还有一个镎系，它母体核素为94Pu241，该系列中最长命的93Np237，T1/2=2.14×106年。

在地球中已找不到它了。

除了三个系列外，自然界中还有19K40（T1/2=1.277×109年）。

用核粒子（n、p、α、γ等）轰击较轻的稳定性核素会产生放射性核素，这一过程为称为活化，由此产生的放射性为感生放射性。

它是除裂变外生产同位素的又一个重要途径。

5、放射性单位衡量某一个放射源或含放射性物质的物理量为放射性活度（Radioactivity）或简称活度（Activity）。

活度也就是放射源的衰变率。

最初放射性活度的单位一直采用居里（Curi）表示。

1居里（Ci）=1000mCi=106μCi=1012pci=3.7×1010衰变/秒上世纪八十年代中期，推广国际制单位（SI），放射性活度的国际制单位为贝柯（Becqurel）。

1贝柯（Bq）=1衰变/秒=2.7×10-11Ci1千贝柯(KBq)=103衰变/秒=2.7×10-8Ci1兆贝柯(MBq)= 106秒=2.7×10-5Ci目前两种单位同时使用，但正式文件和出版物中，必须首先使用国际制单位。

二、γ射线与物质的相互作用γ射线与物质的相互作用，仅与它们的能量有关，而与它们的起源无关。

在通常的能量范围（<30Mev）γ射线与物质的相互作用主要有以下三种：1、光电效应γ光子与物质原子中壳层电子作用，把全部能量转移给某个束缚电子，使它发射出去成为自由电子，而其本身消失，该过程为光电效应。

在光电效应中，光电子的能量Ee=hν-Bi ≈hν, hν为γ光子能量，Bi为光电子脱离原子壳层所需之能量，称为电子结合能，它们通常为几千至几十千电子伏特。

因此近似可以认为光电子动能等于γ光子能量，在γ能谱仪上出现的光电峰也可称为全能峰，或特征峰，它是识别放射性核素所依据的能峰。

约有80%的光电效应发生K层，L层次之，M、N层更少。

在内层电子被打击出现空位情况下，外层电子跃迁入内层，因此在放射光电子的同时还伴随着产生标识χ射线和俄歇电子。

光电效应的截面（作用的几率）与物质原子序数的5次方成正比，原子序数越大的物质，光电截面越大，吸收γ射线的本领也越大。

它与γ光子的能量成反比，γ光子能量越大，光电截面越小。

2、康普顿效应γ光子与原子核外壳层电子发生非弹性碰撞，一部分能量转移给电子成为反冲电子脱离原子，另一部份能量由改变方向后的散射光子带走，这一过程称为康普顿效应。