第1章核仪器前言与谱仪的基本概念

② 再将脉冲按幅度大 小分类，分别记录各 类幅度的脉冲数目。
最终可得到测量时间 内入射粒子的计数随粒子 能量的分布曲线即“能 谱”。
15 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 1 3 2 1 0
6
3
2
4
5
计 数
n
t
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15
☆NaI晶体做成的谱仪测出的137Cs的能谱图
17
☆如图（a）所示：
α射线在探测器中，引起探测 介质原子的电离，产生一系列的电 子—离子对。一定能量的α粒子产 生的离子对数是涨落的，服从一定 的概率分布。
不同入射能量的粒子产生的脉冲分布可能互 相叠加。如图（b）所示：
18
以上分析可见：诸多因素会使得最终所测到 的脉冲幅度分布（或能谱）可能很复杂。因此从 能谱再反推出被测样品中核素的种类及含量也可 能是一个复杂的过程。能谱测量技术要解决的主 要问题之一。
29
栅网电离室α 谱仪， 可用于常规或在核事 故情况下快速处理和 样品测量
专门用于测量中子谱的“旋转 中子谱仪”，系统能测量中子 能谱和描述现场中子场分布， 适用于核电站、与武器有关的 军事设施和加速器实验室。
30
【NIM标准；（Nuclear Instrument Module） NIM标准是随着科学技术发展的需要提出的： 对于核仪器中的信号处理系统，因处理任务 不同而千变万化。为了适应各种不同用途的需要， 把具有一定功能的信号处理设备按一定规范做成 各种插件。
24
2.4 谱仪的能量分辨率：
在单能α 粒子能谱图中，曲线半高宽用Δ E表示， 显 然Δ E越窄，谱仪对相邻谱线的分辨能力越强。对能量相 近的不同种类的粒子的分辨能力也越强。为表示谱仪对不 同能量的粒子的分辨能力，给出了：“能量分辨率”这一 重要的概念。
1、“能量分辨率”的两种方法表示：
◇用峰的半高宽的绝对值表 示，单位用“eV”或“KeV”。 ◇用峰的半高宽与峰位之比 的百分数表示。称之为 “相对半宽度”。
105
104
Cs： 75x75NaI(TI) 1.18g/cm2Be窗 源距晶体10cm FWHM
137
103
102
0 200 400 600 800 1000 1200 1400
能量（KeV）
n
E=1.33MeV
FWHM
其值越小，分辨率越高。
Ge(Li)探测器测量60Co γ谱
MeV
26
2、影响谱仪“能量分辨率”的两个主要方面的因素 ： ◇ 探测器：种类、尺寸、使用能区等。
空气取样装置 低本底α、β测量仪 低本底α能譜议 γ能譜议 环境X、γ剂量率议 灰化装置
环境与生物 样品的放射 性测量
生物样品（粮食、蔬菜、水 果等食品，动物、人体组织 和器官，毛发等）
低本底α、β测量仪 低本底α能譜议 γ能譜议 环境X、γ剂量率议 灰化装置
核设施与辐照装置等大型设施检测（核电站、 核反应堆、辐照加工装置、中(高)能加速器）
21
◇谱仪放大器：一方面是将从前放接受到的信 号幅度进一步放大到所需要的数值，另 一方面谱仪放大器的电路中采用了成形、 滤波、极零相消、堆积判弃等一系列重 要的信号处理环节，可进一步改善信噪 比和（或）缩短每个脉冲的相应时间， 尽量减少堆积效应。使整个能谱测量系 统有更好的能量分辨率。
◇谱仪ADC、多道缓冲器（MCB）：
可将非放射性的铟燃烧产生铟雾，然后在不同取 样点收集铟的沉降，把取来的样品放在反应堆中辐照， 铟及空气尘埃中的其它物质都被中子活化，依靠 Ge(Li)探测器的高分辨率，可以不经过化学分离而直 接从样品的γ 谱中分出铟的特征γ 射线来，并依据其 强度来确定样品中铟的含量。利用这种方法来测定大 气中铟的浓度，其灵敏度可达到10－10～10－9g／L 。
谱仪ADC：将放大器输出的携带着能量信 息的电压信号转换成数字量。
22
多道缓冲器（MCB）：将ADC输出的数字量 暂时存贮起来，并随时准备按系统控制 信号的要求将数据传送给计算机，以进 行统计、分析和数据处理。 ◇接口电路：完成ADC、MCB与计算机之间的各 种控制信号及数据传送。 ◇计算机：完成谱的显示、谱数据的处理、文件 的管理、系统的控制等多种重要任务。8“X荧光分析”的简单原理
激发源 样品
M L
特征X射线 探测器
e
-
M L K
特征 X射线
K
以一定能量的光子、电子、质子、α粒子等轰击样 品。使原子电离或激发。当原子内壳层电子被电离时， 该壳层留下空位。原子处于激发态。外壳层电子向内壳 层跃迁使原子回到基态，同时以特征X射线的形式释放出 跃迁能量。
4
例二、
1.0
脉冲计数（相对值）
△
700 500
233
U
239
241
?E= △ E 29.6KeV
Am+239 Pu
?E= △ E 44.4KeV
Pu
244
?E= △ E 43.4KeV
Cm
0.5
脉冲计数
?E= △ E 35.4KeV
300 100
脉冲幅度或粒子能量 (a)
50
粒子能量，M eV (b)
X、γ剂量率仪 放疗剂量仪 γ能譜仪 低本底α、β测量仪 低本底α能譜仪 环境X、γ剂量率仪 低本底液闪测量仪 中子测量仪 环境X、γ剂量率仪 γ能谱仪 环境X、γ剂量率仪 γ能谱仪 低本底α、β测量仪
含放射性产品检 测
建筑及装饰材料的放射性 测量 含放射性产品和伴生X射 线电器产品检测
14
2.2 在谱仪中谱曲线形成的大致过程： ① 辐射探测器接收粒子能量，并将其转变成脉冲 幅度h，其幅度大小要与入射粒子的能量E成正 V 比关系。即h∝E 。
12
○考古－古代陶瓷分析
利用X射线荧光分析法和能谱仪可对古陶瓷器的化学 元素成分进行分析。
○地球或其它星球的物理研究工作 我国发射绕月卫星 卫星上将携带X射线和γ射线谱仪，用以判断和分析月球表面的各种不 同元素。
13
○ 中华人民共和国卫生部制定的相关标准中：
环境样品（大气、水、土壤 及其他固体，疑被污染的各 类场所）
核仪器概论
1
前言
1、为什么要开《核仪器概论》课？核仪器有广泛应用。
工业：测料位、测厚度、称重量、测成分、…… 医学：诊断、治疗。 农业及食品卫生： 育种、保鲜、食品中放射性含量的检测。 地球（星球）科学：地质勘探、地址年代测定、 能源工程：核电站。 公共安全及环境保护： 安全检测、集装箱检测、建筑材料放射性含量 的检测…… 科学研究：各种核物理实验，等。
60
5.271年
CO
β- 0 .318
30.17年
(2.5MeV)
55CS
137
β
-
γ1: 1.17MeV γ2: 1.33MeV
60
51 0. 2 % .7 94
0.661 γ 0
β
-
7 1.1 3
(1.33MeV)
% 5.3
0 Ni
137 56Ba
7
因此测量出射线的能量和强度就能判别被测 样品中存在那几种核素和它们的含量，这是对放 射性核素进行甄别和分析的一种重要方法，称之 为“射线能谱分析”。 ◇ 对于非放射性的样品 被分析样品在很多情况下本身是不带有放 射性的。如：古陶瓷的鉴别。 对“非放射性样品”进行成分分析通常可 采用“X荧光分析”、“中子活化分析”等方 法。
9
因各种元素的特征X射线的能量都有其确定 的值，因此可用X射线能谱仪分辩出不同元素的 特征X射线，再测量其强度，从而确定待测元素 的种类及含量。
例1：用X光管激发空气 过滤膜测得的X射线能谱， 从图中可知空气中存在 的各种元素及含量 例2：是某病人的血样分 析，从图中可知患者有 铅中毒症。
10
“中子活化分析”是利用中子与待测样品发生 核反应，产生放射性核素，再测量其放射性的活度 和能谱，从而确定待测样品的元素成分和含量。 例：利用中子活化技术研究某地区的大气扩散规律。
2
2、核仪器是高科技的产物、是多学科知识综合应用的成果：
辐射源 被测材料 探测器 测量仪器 信号处理原理 探头 相互作用 塑料盒 金属盒 α辐射体 β辐射体 γ辐射体 中子源 测量级 吸收 散射(反射) 电离 激发 G-M计数管 闪烁探测器 电离室 半导体探测器 A/A A/D D/A D/D A 指示仪器 记录仪 模拟量控制器 D 数字指示器 数字记录仪 测量值 指示
25
例如对γ 谱仪：
◇ NaI（TI）谱仪: 通 常给出的是对137Cs 662KeV全能峰的相 对半宽度。如6％～ 7％。 ◇ Ge（Li）谱仪：常用对 60Co的1.33MeV全能峰的 半高宽的绝对值表示。 如：FWHM =1.9Kev。
（Full width at half maxium）
脉冲计数
计算机与谱仪ADC、多道缓冲器（MCB）共同 构成多道分析器。对于研究核辐射这样的具有统计性 的物理现象，多道分析器是不可缺少的有效设备。
23
在能谱分析系统中多道分析器的主要任务是：
将放大器输出的脉冲信号的幅度经ADC转换为 数字量。 再按其转成的数字量将幅度进行分类， 并将不同幅度类别的信号的计数按幅度顺序进行存 储，最终得到序列脉冲幅度的分布谱。 因放大 器输出的脉冲信号的幅度正比于被测射线的能量， 因此脉冲幅度谱经能量刻度后可代表被测放射性样 品的能谱。
◇ 电子电路中多个影响因素。 “能量分辨率”是能谱测量系统的非常重 要的一项指标。 “高分辨率”通常是能谱测量 系统研制过程中追求的目标。
27
2.5 几种谱仪的实例外形图、框图 左图为台式半导体探测 器γ 谱仪(PIN结）
右图为便携式NaI(Tl) 探测器γ 谱仪
28
MICROSPEC 便 携 式 NaI(TI) 谱仪是世界上最小的 手持数字MCA。集成NaI(TI) 闪烁探测器、高压电源、放 大器、 MCA。具有核素识别、 剂量测量、放射源寻找及自 动自检功能。具有红外数据 传送和远程控制功能，支持 适用于 NaI 谱学的 InterWinner 软件。
铅盒 石蜡容器
计算机
外部设备 测量中心
核测量装置的可替换结构系统
核物理 ；辐射防护 ；核辐射物理及探测学；模拟、数字电子技术；计算 机软硬件知识；随机数学；概率统计；核能与核技术概论；等。
3
第一章 能谱测量概述 一、能谱的基本概念： 1.1 什么是“射线的能谱”？
定义：测量时间内入射粒子的计数随粒子能量的分布曲 线，此曲线被称为能谱。 例一、
V∝E
15
③ 实际谱曲线中的几个概念
a、从谱的形成过程可知：能谱是测量了大量粒 子以后得到的统计结果。 b、理想情况下，同一种能量的粒子应产生同一 幅度的脉冲。因此单一能量粒子的谱曲线应 为单一线谱。 实际，在探测器中，从粒子能量到脉冲产 生是非常复杂的过程（包括辐射与物质相互作 用的发生、电离或激发、光电子倍增过程等） 其中不可避免的有统计涨落这一因素。此外， 谱仪的电子学电路中还存在有多种因素影响信 号的幅度。因此同一能量的粒子会产生不同幅 度的脉冲，形成脉冲幅度的分布。 16
55
(a）为单能α 粒子能谱图。 （b）为多种能量的α 粒子的能谱图。
5
1.2 为什么要测量“能谱”？
主要目的：通过射线能谱的测量判别被测样 品中存在那几种核素（或元素）及它们的含量。 ◇ 对于放射性样品 核物理中告诉我们：各种核素都会发出一 定特定能量的辐射粒子。
6
如：60CO衰变为60Ni时，会发出两种能量的γ 射线，分别为1.17Mev和1.33Mev。 137Cs衰变为 137Ba时就只发射一种单能的γ 射线，能量为 0.661Mev，等。
11
二、谱仪中的基本概念 本课中要讲述的“谱仪”是能测量放射性能 谱的仪器，是核仪器中非常重要的仪器设备。 其主要功能为：对探测器输出信号携带的能 量信息进行一系列复杂的处理后得到被测核素的 能谱，进而得到被测样品中核素（或元素）的种 类与含量。 2.1 谱仪有着十分广泛的应用 ◇ 在核物理研究工作中。 ◇ 在核工程技术中。 ◇ 在放射性分析、活化分析及X射线荧光分析 技术领域中。
19
2.3 谱仪的系统框图
探 测 器
前置 放大 器
谱仪 放大 器
谱仪ADC、 多道缓冲 器（MCB）
接 口 电 路
计 算 机
探测器 偏置电 压
多道分析器
20
各部分功能简述如下： ◇探测器：将射线能量转变为与之成正比的电 荷量。 ◇探测器偏置电压：为探测器提供大小、性能 符合要求的工作电压。 ◇前置放大器：收集探测器输出的电荷量并将 其转换为幅度与探测器输出总电荷量 成正比的电压信号。另外，前置放大 器的电路设计应保证使其输出信号有 尽量大的信噪比。