《核数据处理》2 核数据认识与特征

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
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
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
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
2）钍系
核素
Th-232 Ra-224 Rn-220 Po-216 Pb-212 Bi-212 Po-212
Tl-208
α 射线
能量(MeV)
几率
3.993
5.677
6.282
6.774
6.051 8.785
0.337 0.663
γ 射线
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
h
E 1
0.51
h (1 cos )
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）
几率
能量(MeV)
0.197
0.06
0.030
0.241
--
--
--
--
0.470
0.239
0.337 0.293
2.620 0.583
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
3）不成系列的天然放射性核素的射线谱
K-40 1.46 MeV T=1.3 X 109a
4）人工放射性核素的射线谱
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
谱数据处理——前言
韧致辐射对γ能谱的贡献(42K γ能谱)
谱数据处理wk.baidu.com—前言
γ能谱中的特 征X射线峰
X射线逃逸峰
186Re的γ射线谱
谱数据处理——前言
两个γ光子能量的“加和”
60Co的γ能谱
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。
┆ 0-------1 0-----1
谱数据处理——前言
全谱测量（多道脉冲幅度分析器）
元素（核素）放出射线（射线能量E0） 射线与探测器作用，损失能量E 该能量E被转换成电脉冲信号v，其脉冲幅度
V正比于E 脉冲信号v经AD转换，成道址ch，正比于V 所以ch正比于E.
谱数据处理——前言
谱数据处理
谱的认识与显示
谱数据处理——前言
任务
确定各种射线的能量
确定产生该射线 的核素或元素
（定性分析）
对一定能量的射线所产生的信号进行分析 确定核素的活度或元素的含量
（定量分析）
谱数据处理——前言
核辐射测量仪器的组成
核辐射 探测器
前置 电路
线性脉冲 放大器
积分 甄别器
(a)
率计电路 计数器
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
脉冲幅度 分析器
计数器
高压 电源
低压 电源
(b)
辅助电路
多道脉冲 幅度分析器
接口电路
(c)
(a) 总量测量仪器 (b) 能谱测量仪器 (c) 全谱测量仪器
计算机 系统
应用 软件
谱数据处理——前言
核辐射测量所得的数据
全谱测量仪器（多道能谱仪）
所测得的数据：
一条谱线 几百或几千个计数值（数组）
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
放出的粒子:α粒子、β粒子、γ辐射、碎片、特征X射线等
2.核辐射的能量具有特征性
某核素放出的射线（α粒子、γ辐射、特征 X 射线）一定具 有某种特定能量；
如果探测到某种能量的辐射，一定存在某种核素。 即：放射性核素与辐射的能量间存在一一对应关系(定性)
3.核素的含量与特征辐射的强度存在正比关系(定量)
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。
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
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。
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。
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。
Pb：ELα=10.55keV，ELβ=12.61keV， EKα=74.96keV，EKβ=84.92keV
谱数据处理——前言
X射线谱
Fe单质谱： EKα=6.4keV, EKβ=7.06keV， EKab=7.88keV
计数（个数）
Fe kα
Fe kβ
元素（核素）能量 脉冲（电压）幅度 道址
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
┆ 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
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
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
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
谱数据处理——前言
全能峰：
形成电子对效应：
正负电子对的能量 + 正电子湮没产生的两个光 子发生光电效应产生的光电子的能量。
h E E 0.51 0.51
谱数据处理——前言
康普顿平台：
康普顿效应的贡献：多次康普顿效应，使光 子能量不断降低，形成能量从0--hv的连续 分布。
反冲电子的贡献：反散射峰 。
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
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
光电效应的贡献：散射量子经光电效应损失 能量。
谱数据处理——前言
谱线具有高斯分布特征的形状，是由于：
1） 闪烁体发光效率不绝对均匀，发射光子数有偏差 2） 光收集与闪烁产生位置有关，光阴级光子收集效
率的涨落 3） 光阴级发射光电子数的涨落 4） 光电倍增管倍增系数的涨落
即：输出脉冲幅度围绕一平均幅度涨落 因此，单一能量入射射线，通过探测器后，得到