γ射线探测器在宽能区光峰效率精密刻度进展

1、第37卷第4期原子能科学技术Vol.37,No.42003年7月Atomic Energy Science and TechnologyJ uly 2003射线探测器在宽能区光峰效率精密刻度进展袁观俊1,魏涛2,郭兰英2(1.中国原子能科学研究院核物理研究所,北京102413;2.南华大学核科学技术学院,湖南衡阳421001摘要:介绍了射线探测器的光电峰(FEP 效率刻度在近年来的进展;着重评述了高纯锗探测器在高能区(2.710.0MeV 进行效率刻度的有效方法。关键词:射线探测器;宽能区;效率刻度中图分类号:TL81文献标识码:A 文章编号:100026931(20030420302204P

2、rogress in the E ff iciency Precision C alibration of Full 2energyPeak for 2ray Detector in a Wide R egion of 2.710.0Me VYUAN Guan 2jun 1,WEI Tao 2,GUO Lan 2ying 2(1.China Institute of A tomic Energy ,P.O.Box 275210,Beijing 102413,China ;2.N anhua U niversity ,Hengyang 421001,China Abstract :The pro

3、gress in the efficiency precision calibration of full 2energy peak (FEP for2ray detector in a wide region of 2.710.0MeV is described.Varieties of useful methods of efficiency precision calibration in the energy region for HP G e detector are reviewed.K ey w ords :2ray detctor ;wide region ;efficienc

4、y calibration 收稿日期:2003202220;修回日期:2003202226作者简介:袁观俊(1939,男,湖北黄石人,研究员,核物理专业随着核科学技术的快速发展,对广泛用于射线测量的探测器,如高纯锗(HP G e 探测器,效率刻度要求愈加精细、严格。不仅要获得高精度的效率曲线,而且要求扩展到宽能区(0.114.0MeV 。如核燃料裂变所释放的10MeV 以上的快中子与一次循环冷却水中的16O 反应,发射分支比分别为68%和5%的6.13MeV 和7.12MeV 高能射线,随循环水被带到生物屏蔽层之外,它对周围环境造成的辐射危害问题,需要严格的标定标准1。在E <2.7Me

5、V 能区,由于有发射率精度较高、并能发射多条射线的同位素标准源,HP G e 探测器的相对效率刻度的精度可达0.5%,或更好。然而在E >2.7MeV 能区,效率刻度存在一些严重问题。首先是目前还未找到理想的发射高能射线的同位素标准源;其次是66G a 源虽可扩展到4MeV 附近,但在E >2MeV 能区,由国际原子能机构(IAEA 给出的相对强度的分支比I 2有错误3,其射线分支比数据有待进一步测量澄清。56Co 是可利用的同位素标准源,但它在高能端的I 值也存在较大误差2。利用核反应法,即某些核的热中子俘获反应和质子俘获反应生成核所发射的多条瞬时射线,可进行射线探测器的光电峰、

6、单逃逸峰的效率曲线刻度。这是目前发展的趋势,也是同行们关注的问题。1主要方法1.1蒙特卡罗模拟计算法蒙特卡罗(MC法(也称随机抽样技术或统计试验法是通过计算机由数学计算来模拟单个光子的作用计算出效率曲线的方法。此方法主要用来对效率刻度后的曲线作理论上的检验,给出曲线在高能端的走向,也可直接对探测器的探测效率进行估算。此方法简便可行,特别对于不同几何形状的探测器的估算具有一定意义。但因输入参数较多,存在人为选值的不确定性,使得计算误差较大。早期,用此方法得出的效率曲线的精度为20%,近期的结果表明,不确定度约可控制在10%,最好的可到5%。1.2初级标准刻度源在小于2.7MeV的低能区,已有许多

7、可供选择的商用标准源,诸如22Na、54Mn、57Co、60Co、88Y、133Ba、137Cs、152Eu、228Th、241Am、24Na 等。这些放射性同位素标准源不仅发射多条射线,而且这些有用的射线由一些国家的标准实验室共同合作,进行多次独立测量,互相比对评价给出推荐发射率标准,数据误差一般小于2%,好的到千分之几。特别像22Na、54Mn、65Zn、137Cs、203Hg等放射标准源,是由42或KX射线2符合测量给出的绝对发射率。它们可用于初级标准,作绝对效率刻度。精度一般在千分之几。这些精密可靠的数据为扩展到高能的效率刻度提供了必要条件。1.3热中子俘获核反应法早在1986年,T.

8、J.Kennett等4用Na I 作反康普顿屏蔽的G e谱仪对核反应14N(n,15N进行能谱测量获取核结构信息的同时,意外发现15N能级纲图中的几乎每一能级仅存在一对级联跃迁,且射线能谱在1.610.8 MeV区间内分布均匀,组份分布有规律,得到了精度为1%的结果。此结果可用于射线探测器的效率刻度标准,引起同行们的注意。近期,有实验室改进设备,测量15N的瞬时射线,力求获得更好的结果。其后,相继又找到一些核反应的生成核,它们能发射的多条瞬时射线,同样可选择用于效率刻度标准,如35Cl(n,36Cl5、48Ti(n, 49Ti6等。有关14N(n,15N和35Cl(n,36Cl反应的射线发射率

9、的近期评价数据列于表1。由表1数据可知,15N的数据精度好于36Cl 的数据精度。然而,14N的热中子俘获截面c(14N比35Cl的c(35Cl小两个数量级。因此,为获取同样的数据统计,选35Cl(n,反应刻度射线探测器的效率可大大节约刻度时间。1.4双线法所谓双线法,通常是指衰变能级纲图中两个级联的高能和低能射线的发射率之比满足R=Pi/Pj=1而内转换系数i和j又都为零时,如果低能区的j能量点的效率值可通过放射性同位素源刻度得出,那么,高能区的i点的绝对效率值则可由比值R计算得到。在轻核区的质子共振反应(p,中,不仅有尖锐的共振峰,而且在它们的生成核的能级纲图中存在一些感兴趣的级联跃迁对。

10、这些跃迁对具备上述特点,可用作射线探测器高能区效率刻度的次级标准源,如23Na(p, 24Mg8,9、27Al(p,28Si8,9和14N(p,15O10。此方法不仅是测定射线高能区效率曲线的简单有效的办法,而且可获得很高的精度9。近年来经常使用的一些核反应以及它们的生成核的能级纲图中的级联对的比值R列于表2。303第4期袁观俊等:射线探测器在宽能区光峰效率精密刻度进展表114N (n ,15N 和35Cl(n ,36Cl 反应部分射线的绝对强度7T able 1Absolute intensities of some 2rays from the reactions of 14N (n ,1

11、5N and 35Cl(n ,36Cl反应类型E /keV I /%反应类型E /keV I /%35Cl (n ,516.7323.8(514N (n ,16787.96(0786.2610.4(3188518.72(20788.4016.4(42000 4.05(51164.7227.2(52520 5.68(71600.82 3.84(42831 1.72(31950.9320.2(435329.09(91959.1313.0(3367814.70(15863.94 5.64(9450916.63(173061.71 3.45(6526929.94(205715.20 5.33(1052

12、9821.27(186100.8220.8(4553319.66(216619.427.59(15632218.45(146627.50 4.44(972999.56(96977.56 2.24(58310 4.17(57413.710.00(251082914.0(37790.058.25(228578.212.73(7注:14N (n ,15N 热中子总俘获截面0.08b ,35Cl (n ,35Cl 热中子总俘获截面43.60b (1b =10-28m 2表2双线法效率刻度标准源T able 2Stand ard sources for calibration with double l

13、ine method放射源E p /MeVE 12E 2/MeVR =I (1/I (227Al (p ,28S 11.317 6.5724.50 1.017±0.0060.7677.7022.840.981±0.0020.99210.7621.780.806±0.01014N (p ,15O 100.2780.7626.79 1.00±0.081.3826.18 1.00±0.052.3725.181.00±0.0324Na 2.7521.370.999(<0.0022函数拟合对射线探测器,特别是分辨率很高的高纯锗探测器,为了

14、获得较好的效率曲线,在一定的能区范围内,应尽可能使用多个标准源,具有多个实验点。但有的标准源含有不多的几条射线,在归一化时,可能出现非物理性振动11,需要选择适当的函数拟合实验点。其次,由于能区很宽,效率曲线的走向有变化。如何选择最优的拟合函数,提高拟合优度,是值得认真考虑的问题。通常的做法是分区段选择不同的拟合函数,有线性的也有非线性的。在Z.K is 等11的工作中,在508500keV 能区范围内,对相对效率为25%的N 型HP G e 探测器选取了6种不同的线性函数拟合,比较了它们的性能,除ln =F (ln E 使用能区较宽外,似乎很难看出某403原子能科学技术第37卷一特定的拟合函

15、数的优越性。如果用多项式拟合效率,曲线可写为:lg (E =nj =0a jxj(1其中:x =lg (E /E 0;E 为射线能量,keV ;E 0=1keV 。3结束语1综合近期国际上有关射线探测器的效率刻度方法可看出,凡是精度较高的结果,几乎所有测量射线的探测器都带有屏蔽罩,即主探测器加锗酸铋(B GO 或Na I (Tl 的反康普顿谱仪装置。如此可大大提高信噪比,能获得满意的测量结果,提高测量精度。2好的效率刻度结果来自原始数据给出的高精度标准。原始高精度的标准数据又从何而来,我们认为:探测器和探测技术的共同发展,以及精细的测量措施和有效的数据分析手段,是促成数据精度不断提高的主要原因

16、,它们之间相是互依赖、相互影响、共同提高的。3为更快提高该领域的水平和标准,除建立我国独立的标准站外,还需建立广泛的合作,包括国际上和国内的有关单位的有效合作,并进行经常性的结果比对。参考文献:1丁声耀,李宇兵,叶宗垣,等.准单能67MeV射线参考辐射场的建立和对6.13MeV 能点探测效率的绝对刻度J .原子能科学技术,1992,26(6:916.2International Atomic Energy Agency.X 2ray andG amma 2ray Standards for Detector Calibration :I 2AEA 2TECDOC 2619R .Vienna :

17、IAEA ,1991.3Chmid G J S ,Chastelet RM ,Laymon CM ,et al.Correction Factors for 2ray Relative Intensities inthe 66G a Radioisotope J .Nucl Phys ,1996,A (607:139151.4K ennettTJ ,Prestwich WV ,Tsai J S.The14N (n ,15N Reaction as Both an Intensity and Energy Standard J .Nucl Instrum Methods ,1986,A (249

18、:366378.5Spits AMJ ,K opecky J.The Reaction 35Cl (n ,36ClStudied With Non 2polarized and Polarized Thermal NeutronsJ .Nucl Phys ,1976,A (264:6392.6Ruy J FA G ,EndtPM.Investigation ofthe48Ti (n ,49Ti Reaction J .Nucl Rhys ,1983,A (407:6076.7Raman S ,Y onezawa C ,Matsue H ,et al.E fficien 2cy Calibration of a G e Detector in the 0.111.0MeV J .NuclInstrumMethods ,200