《核数据处理》2 核数据认识与特征

表示NaI(Tl)晶体本身的本征分辨率
E 表示光电倍增管对分辨率的影响
谱数据处理——前言
其他影响：
探测器外面的物质，如铅屏蔽、样品材料等 物质的康普顿散射
韧致辐射对γ能谱的贡献（消耗在原子或分子 的激发上）
γ能谱中的特征X射线峰 X射线逃逸峰 两个γ光子能量的“加和” 大样品对γ能谱的影响 自然本底对样品γ能谱的贡献
所需的数据处理：
谱数据处理-多个累计计数(面积)、含量、活度等量值 预处理（数据的检验、选择、转换等） 统计分析 成图成像
谱数据处理——前言
ADC转换数据采集原理
信号幅度
8
6
2
5
10 6
t1
t2
t3
t4
t5
t6
10
2
8A/D转6换器将5脉冲下6降沿时的 模拟电压转换为数字量
t1
t2
t3
全谱测量（多道脉冲幅度分析器）
元素（核素）——能量——脉冲幅度（电压）—— 道址
Cs-137, 661keV; Fe-55, 5.989keV
计数（个数）
元素（核素）能量 脉冲（电压）幅度 道址
谱数据处理——前言
核辐射测量的特点
1.核辐射是核衰变的产物
原子核自发的发生核结构的变化，由一个元素的原子核转变 为另一个元素的原子核，同时伴随放射出粒子或电磁辐射的 现象。称为放射性衰变
Eph h 0 ，ε：电子的结合能。产生的峰叫光电 峰，或全能峰。
如137Cs的γ射线能量为661keV，产生的全能 峰的能量也是661keV。
谱数据处理——前言
伽玛射线与物质的相互作用（三大效应）
康普顿散射（康普顿—吴有训效应）：
γ射线损失一部分能量并改向，产生反冲电子。 形成康普顿平台及反散射峰。
0.3%
↘
60 28
Ni
激发态 ↓γ 0.059MeV,99.7% ↘ β 0.31MeV ↓γ 1.17MeV ↓γ 1.33MeV
基态
谱数据处理——前言
放射性核素与辐射的能量间存在一一对应关系
1）铀系
核素 U-238 Th-234 Ra-226 Rn-222 Po-218 Pb-214
Bi-214
谱数据处理——前言
三大效应的几率分布
在低能与高原子序数Z 的物质范围内，光电效 应占优势
在中能与任何Z值物质 的范围内，康普顿散射 占优势
在高能与高Z物质的范 围内，电子对生成占优 势。
谱数据处理——前言
伽玛射线与物质的相互作用（三大效应）
光电效应：
把全部能量交给壳层电子，γ射线消失，产生光 电子。
37S的γ能谱
谱数据处理——前言
逃逸峰——正负电子对对全能峰的贡献：
正电子的湮没——形成全能峰
h E E 0.51 0.51
单逃逸峰：正电子湮没时放出的二个光子中有一个光子飞出晶体
h E E 0.51
双逃逸峰：正电子湮没时放出的二个光子中有二个光子飞出晶体
h E E
淹没光子峰：0.511MeV
Cs-137 0.66 MeV T= 30 a
Co-60 1.17 MeV T= 5.25 a
1.33 MeV
特点 ： 核辐射的原始谱是线谱
谱数据处理——前言
仪器谱– 以NaI γ谱仪为例
定义：由能谱仪器测量得到的、被复杂化的核辐射 原始线谱，称为仪器谱。
线谱变成了具有高斯分布特征的形状—特点之一 具有单一能量的线谱，变成连续谱----特点之二
一个呈高斯分布的、有一定宽度的谱线。
用“能量分辨率”表示高斯分布曲线的宽度
谱数据处理——前言
谱线具有高斯分布特征的形状
用“能量分辨率”表示高斯分布曲线的宽度
能量分辨率可以写成： 2
E
表示“传输几率”的变化对分辨率的贡献
传输几率：一个荧光光子产生一个能达到光电倍 增管第一次阴极的电子的平均几率
K系：
E放>能E量Kab。（K层电子的吸收限）：产生K层电子空穴，外层电子填充并释 Kα；Kβ
谱数据处理——前言
X射线特征谱
X射线：一种低能电磁辐射，一般几至几十keV。 特征X射线：其能量E取决于待测元素的原子序数。
L系：
E>ELab（L层电子的吸收限）：产生L层电子空穴，外层电子填充并 释放能量。
E'
1
h
h 0
0 (1
cos
)
0.51
Ee 1
h 0
0.51
h 0 (1 cos)
如137Cs的反散射峰能量：
E1' 80
1
h 0 2h
0
661 184keV 1 2 * 661
0.51
0.51
谱数据处理——前言
伽玛射线与物质的相互作用（三大效应）
光电效应 康普顿散射（康普顿—吴有训效应）
计数（个数）
元素（核素）能量 脉冲（电压）幅度 道址
谱数据处理——前言
原因（连续谱） ：伽玛射线与物质的相互作用
光子与核外电子的作用
瑞利散射——弹性散射
康普顿散射——非弹性散射 光电效应——束缚电子吸收全部光子能量逃离原子
光子与核或核外电子库仑场的作用
大于总 几率的 99%
电子对的生成——形成正负电子对
德尔布茹克散射或核的势散射——弹性散射
光子与原子核（或单个核子）的作用
汤姆逊散射——弹性散射
共振散射——非弹性散射
光致分裂或核的光效应——光子能量被吸收引起光核反应
谱数据处理——前言
原因（连续谱）： 伽玛射线与物质的相互作用（三大效应）
光电效应 康普顿散射（康普顿—吴有训效应） 电子对效应
谱数据处理——前言
核辐射能量具有特征性
K 俘获
例：
K 40
19
↙↘
e
↙
↘
11 %
↙

↓γ 1.461 MeV
↓
基态
40 18
Ar
1.26 * 109 年
β 1.32 MeV ↘ 89 %
↘
基态
2400Ca
谱数据处理——前言
核辐射能量具有特征性
同质异能跃迁
例：2670Co
↘
β 1.54MeV↘
α 射线 能量(MeV)
4.185 --
4.761 5.482 6.002
--
--
几率 0.187 0.148 0.012 0.00064
0.377 0.189 0.052 0.163 0.166 0.471
γ 射线 能量(MeV) 0.048 0.093 0.184 0.51 0.352 0.295 2.204 1.764 1.120 0.609
Lα；Lβ；Lγ
谱数据处理——前言
X射线特征谱
能量关系：
EK>EL>EM>…… EKab>EKβ>EKα ELab>ELγ>ELβ>ELα
分支比：不同线系和同一线系不同谱线之间 的相对照射量率关系
例：
Fe： EKα=6.4keV, EKβ=7.06keV， EKab=7.88keV
t4
t5
t6
模拟信号
5 数字信号 t7 t 时间
A/D转 换命令
5
计算机
t7
屏幕
谱数据处理——前言
全谱测量(多道脉冲幅度分析器) 地址单元
┆
脉冲信号v
216
数字信号 16
216 ┆
17
25
8
┆
9
25
16
18
17
18
16
16
16
16
16
216
17
16
16
18
89
16
┆
时间t 25
9
16
8
存储器 ┆ 0----------1 ┆ 0------------------1 ┆ 0--------------1 0---1 0-1------2—3--4--5
谱数据处理——前言
X射线谱
Pb： ELα=10.55keV, ELβ=12.61keV, ELγ=14.76keV
谱数据处理——前言
X射线特征谱
混合谱——能量峰重合
┆ 0-------1 0-----1
谱数据处理——前言
全谱测量
计算机屏幕
计数
5 11 11 1
0 8 9 16 17 18 25
地址单元 ┆ 216 ┆ 25 ┆
18 17 16
道址ch
┆
1脉冲幅度V 9
8
216
存储器 ┆ 0----------1 ┆ 0------------------1 ┆ 0--------------1 0---1 0-1------2—3--4--5
X射线
全能峰，光电峰
反散射峰 康普顿平台
道址(E)
谱数据处理——前言
伽玛射线与物质的相互 作用（三大效应）
电子对效应：
h 0 1.02MeV (2m0c 2 )时， γ射线消失，产生正、 负电子对。
Ee ,e h 0 1.02，e+ 湮灭，产生2个能量为 0.51MeV的光子，形 成逃逸峰。
谱数据处理——前言
全能峰：
光电效应：光电子的贡献：光电子能量近似 等于入射射线能量
E h k
康普顿效应：
多次康普顿效应，使光子能量全部消耗于晶体中
一次康普顿效应产生反冲电子 + 散射量子的光 电效应产生的光电子：
h
'
1
0.51
0.51 cos
h