核辐射测量原理 (8)

加速器带电粒子核反应：
d 3H 4He n 17.6MeV
n d
43
n
GATE
分析道
n
DET1
AMP
DET2
AMP
符合道
MCA
GATE
SCA SCA
COIN
44
2）、HPGe反康普顿谱仪
45
Ge BGO GATE
HPGe BGO
AMP AMP
MCA
GATE
SCA SCA
ANTI COIN ANTI
2n1n2 2100100
41
真偶符合比 符合计数的实验测量值中总是包含真符合计
数和偶然符合计数。
nc nco nrc
仍以－符合为例：
真符合计数率为： nco A
偶然符合计数率为：nrc 2 n n 2 A A
则，真偶符合比为：
R nco 1
nrc 2 A
42
8.2.2．符合测量装置 1)、多道符合能谱仪
D1
D2
D1 d
d
COIN
39
(4) 符合装置的分辨时间及偶然符合 符合装置的分辨时间：符合装置所能区分的最
小时间间隔，符合电路两输入信号时间间隔只 要小于，就被认为是同时事件给出符合信号。
在偶然的情况下，同时到达符合电路的非关联 事件引Leabharlann Baidu的符合称为偶然符合。
由于分辨时间的存在，引起偶
然计数： nrc = 2τn1n2 40
• 问：如何测未知单能源的活度？
6
8.1.2、绝对测量中影响活度测量的几个因素
1) 几何因子 （fg） 点源:
1
fg 4 4
0
0
2
sind
1 2
(1
cos
0
)
7
2) 吸收因子 (fa) 射线从产生到入射到探测器的灵敏体
积所经过的吸收层为： 样品材料本身的吸收(样品的自吸收)； 样品和探测器之间空气的吸收； 探测器窗的吸收。
25
(1) 峰位和能量刻度
峰位即特征峰的中心位置，代表射线的能量。
能量刻度：选一组能量已知的射线标准源， 用谱仪得到特征峰的峰位与射线能量的关系， 称为对该谱仪的能量刻度。
(2) 峰宽与能量分辨率 峰函数：用高斯函数表示。
y(i) y(i p )e(iip )2 / 2 2
FWHM与的关系： FWHM 2.355
A＝A0n/n0。
相对法测量简便，但条件苛刻：必 须有一个与被测样品相同的已知活度的 标准源，且测量条件必须相同。
3
相同条件：
①源的活性区面积. ②源的组成成分. ③源发射的射线种类和能量. ④源的承托物材料及厚度. ⑤源到探测器的距离. ⑥测量仪器设备及其使用环境条件等都相同.
4
绝对法测量：用测量装置直接测量 放射性核素的衰变数；
8.2.1. 能量的测量 凡是辐射粒子的能量测量，探测器都
必须工作于脉冲工作状态(电压脉冲工作 状态或电流脉冲工作状态均可)。在电压 工作状态时，脉冲幅度：
h Ne C0
N 为入射粒子在探测器灵敏体积内产 生的信息载流子的数目。
17
1) 能谱
能谱的定义：能谱就是 dN / dE ~ E 的直方图。 但实验直接测得的是脉冲幅度谱，即 dN / dh ~ h
件的时间上的同时性或相关性的方法。
34
8.2.1、符合方法的基本原理
1) 符合(真符合)——用符合电路来选择同时事件
以－符合装置为例：对一个放射源同时放 出的和射线，用两个探测器分别测量。
由于本底同时进入两个探测器的几
率很小；而级联是相关事件，它们 分别进入两个探测器的时刻一定是同 时的，则有：
n A
绝对测量法复杂，需要考虑很多影 响测量的因素，但绝对测量法是活度测 量的基本方法。
5
• 一组可用于各种活度测量的探测器（各 探测器本征探测效率已知）；
• 一套完整的电子学系统（放大器、甄别 器，多道分析器等）；
• 一套齐全的辅助材料（屏蔽材料、支撑 材料，抽真空系统，卷尺等）
• 一个活度未知的单能辐射源（单能源为 各向同性的点源） ；
h '
h
e
HPGe BGO
ANTI COIN
Gate
多道分析器
37
HPGe 成形
成形
BGO 成形
反符合： 消除符合事件的信号。
HPGe
BGO
Output
38
(3) 延迟符合 关联事件可以是同时性事件，也可以是不同
时性事件。
飞行时间方法(TOF)测量粒子的飞行时间。
DET1
DET2
DELAY COIN
f
n m
1 n
式中n 为实际测量到的计数率，m为真计
数率，为计数装置的分辨时间。
6) 本底计数率（nb）
n0 ns nb
11
8.1.3、对、放射性样品活度的测量方法
1) 小立体角法 A ns nb
T
其中：T f g fa fb f
对于薄放射性样品， 100% fa 1 fb 1 对于厚放射性样品和放射性样品的测 量需考虑各种修正因子。
n A
符合计数： nco A
可得放射源的活度为：A n n
n35 c
(2) 反符合—— 用反符合电路来消除同时事件
反符合康普顿谱仪为反符合电路的典型 应用。可以有效提高峰总比（全能峰面积 与谱全面积之比）。
36
记录入射射线在探测器中能量全吸收的事件； 而去除发生康普顿散射、并且散射光子又发生 逃逸的事件。
屏蔽和结构材料对谱的影响：散射及反散射 峰；湮没峰；特征X射线；轫致辐射。 24
3) 能量特征峰
从单能射线能谱中可以看出，全能峰、单逃 逸峰、双逃逸峰的峰位所对应的能量与射线的 能量都有确定的对应关系，称为特征峰。即：
全能峰 E f E 单逃逸峰 Es E 511KeV 双逃逸峰 Ed E 1022KeV
h
Ee 1
m0c2
h (1 cos )
32
4) 电子对谱仪(三晶谱仪)
辅I
辅II
ee
放大器
放大器
放大器
带
测量信号 门
控
符
的
合门 多
控道
信
号
33
8.4 符合测量方法
符合事件： 两个或两个以上在时间上相互关联的事件。
60 Co
60 Ni
符合方法：
h ' h
e
e
h
h
用不同的探测器来判断两个或两个以上事
推广：i重符合时的偶然符合计数率：
nrc i i1n1n2 ni
减小偶然符合计数率的方法：
(1)减小符合分辨时间 s，但是会影响符合效率
(2)减小各符合道计数率n 。
例：实验测得偶然符合计数率 nrc =72/hr.
符合道计数n1 =n2 =100/sec ，求分辨时间 。
nrc 72 / 3600 1106 sec
修正因子多，测量误差大，达5％～10％
12
13
2) 4计数法 将源移到计数管内部，使计数管对源所
张立体角为4，减小了散射、吸收和几何 位置的影响。测量误差小，可好于1％。
流气式4正比计数器；(适用于固态放射 源)
内充气正比计数器和液体闪烁计数器； (适用于14C、3H等低能放射性测量，将 14C、3H混于工作介质中)
(1) 对脉冲工作状态：本征探测效率
测到的脉冲计数率 单位时间内进入灵敏体积的粒子数
100％
(2) 对电流工作状态：灵敏度
信号电流(或电压)值 入射粒子流强度
A(V ) / 单位照射量率
有关因素：入射粒子的种类与能量；探测
器的种类、运行状况、几何尺寸；电子仪器的
状态（如甄别阈的大小）等。
10
5) 分辨时间修正因子(f)
3) 探测器的选择
对于粒子能谱的测量，要考虑到粒子与 物质相互作用的特点，并尽量选择能量分辨率 较好及使用较方便的探测器。
金硅面垒半导体探测器；屏栅电离室；带 窗的正比计数器等。
22
8.2.3. 能谱的测定
由于能谱是连续谱，仅存在Emax，给测量 带来困难。
用吸收法测得粒子的最大射程，再根据经 验公式求得其最大能量。对衰变伴有射线发 射的样品，一般都通过能谱的测量来确定核素 的含量。
E
G
E1
E2
E3
x
E0
x3
x2
x1
20
8.2.2. 能谱的测定 1) 能量分辨率
以金硅面垒半导体探测器为例。
E E12 E22 E32
210Po的E＝5.3MeV，E＝15.8KeV
15.8 2.98103 0.3%
5300
21
2) 能谱仪的能量刻度
在测得输出脉冲幅度谱后，必须进行能量 刻度，才能确定粒子的能量。借助一组已知 能量的源进行能量刻度，得到一条能量刻度 曲线。根据脉冲幅度分布的中心位置道址求出 粒子的能量。
E K1 h K2 而脉冲幅度分析器具有良好的线性， x h
所以： E( x) G x E0
增益，单位 为[KeV/ch]
零道址对应的粒子 能量，称为零截
19
E与x的函数关系E(x)，称为能谱仪的能量刻度 曲线。借助于一组已知能量的辐射源进行能量 刻度，而得到一条能量刻度曲线。横坐标为道 址x，纵坐标为入射粒子的能量E。
23
8.3 射线能谱的测定
8.3.1. 单能能谱的分析 1) 单晶谱仪
常用NaI(Tl)，CsI(Tl)，Ge(Li)，HPGe等探测器
2) 单能射线的能谱
主过程：全能峰——光电效应＋所有的累 计效应；康普顿平台、边沿及多次康普顿散 射；单、双逃逸峰。
其他过程：和峰效应；I(或Ge)逃逸峰；边缘 效应(次电子能量未完全损失在灵敏体积内)。
14
15
8.1.4、射线强度的测量
射线强度的测量包括辐射场测量和 射线放射源活度的测量。同样可以用相对 测量法和绝对测量法测量。
如能获得能谱，可利用谱的全能峰面 积来确定源活度， 对于 射线同位素放射
源绝对测量常用源峰效率 sp
得到源活度： A ns nb
sp 16
8.2 能谱与最大能量的测定
46
用HPGe反康 普顿探测器 测得的60Co 能谱
47
3）4-符合装置
n nc n
这是一种测量放射性活度的标准方法，适用
于带－级联衰变的放射性核素。
48
4) 双PMT液体闪烁计数器 特点：采用符合方法，可以降低光电
倍增管的噪声，有利于低能粒子核素等 的测量。
49
50
能量分辨率： E h FWHM 100%
Eh
ip
26
(3) 源峰探测效率、峰面积、峰总比、峰康比
源峰探测效率(又称峰探测效率) sp
R
峰面积 N p yi iL
R
或 N p yi B
iL
B
1 2
(
yL
yR
)(R
L
1)
峰总比：f p/T
特征峰面积 谱的总面积
闪烁探测器
峰康比：P
全能峰的峰值 康普顿平台的峰值
2) 全吸收反康普顿谱仪。
符合环
主探测器
带
前置放大 测量信号
门 控
反
的
前置放大 符 控 多
合制 道
信
号
30
3) 康普顿谱仪(双晶谱仪)。 带
主探测器
h
放大器 测量信号
门 控
符合 的
h
电路 门 多
放大器
控道
辅探测器
信
h
1
h
h
m0c2
(1
cos
)
号
Ee h h
31
康普顿散射反冲电子能量：
8
3) 散射因子 (fb) 放射性样品发射的射线可被其周围介
质所散射，对测量造成影响。
散射对测量结果的影响有两类：
正向散射 使射向探测器灵敏区的射线偏 离而不能进入灵敏区，使计数 率减少。
反向散射 使原本不射向探测器的射线经 散射后进入灵敏区，使计数率 增加。
9
4) 探测器的本征探测效率或灵敏度
式中dN代表脉冲幅度落在h~h+dh的脉冲数， dN/dh表示输出脉冲幅度为h的单位幅度间隔 内的脉冲数。
实测多采用多道脉冲幅度分析器，给出：
yxi (计数率)～xi (道址)
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2) 谱仪的能量刻度和能量刻度曲线
探测器输出脉冲幅度 h 与入射粒子能量E一般
具有线性关系，若输出脉冲幅度与入射粒子能 量具有良好的线性关系。则有：
第八章 辐射测量方法
1
辐射测量对象：
放射性样品活度测量； 辐射场量的测量； 辐射能量或能谱的测量； 辐射剂量的测量； 时间的测量；
2
8.1 放射性样品的活度测量
8.1.1、相对法测量和绝对法测量 相对法测量：需要一个已知活度A0
标准源，在同样条件下测量标准源和被 测样品的计数率 n0、n， 根据计数率与 活度成正比，可求出样品的活度：
半导体探测器
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能谱仪能量分辨率：
55Fe 5.9keV
137Cs 662keV
Si(Li) 正比计数器
~4% ~17%
NaI(Tl)
~80%
~7-8%
Ge(Li)
60Co 1.33MeV
~5-6% ~1.3‰
28
8.3.2. 谱仪装置 1) 单晶谱仪。 探测器 放大器
高压
多道分析器 计算机
29