第七章 核辐射测量方法

1、 放射性样品放射性样品活度活度测量；测量； 辐射场量辐射场量的测量；的测量； 辐射能量或辐射能量或能谱能谱的测量；的测量； 辐射辐射剂量剂量的测量；的测量； 位置位置的测量的测量(辐射成像辐射成像)； 时间时间的测量；的测量； 粒子鉴别等。粒子鉴别等。7.1 1、相对法测量和绝对法测量相对法测量和绝对法测量简便简便，但，但条件苛刻条件苛刻：必：必须有一个须有一个与被测样品相同与被测样品相同的的已知活度已知活度的的标准源，且标准源，且测量条件必须相同测量条件必须相同。：需要一个已知活度：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标准源，在同样条件下测量标准源和被测样品的计数率测样品的

2、计数率 n0、n， 根据根据计数率与计数率与活度成正比活度成正比，可求出样品的活度：，可求出样品的活度： AA0n/n0。2、绝对测量中影响活度测量的几个因素、绝对测量中影响活度测量的几个因素)cos1(21sin2414000 dfg点源点源复杂复杂，需要考虑很多影，需要考虑很多影响测量的因素，但绝对测量法是活度测响测量的因素，但绝对测量法是活度测量的量的基本方法基本方法。2) 2) (1) 对脉冲工作状态对脉冲工作状态：本征探测效率：本征探测效率 (2) 对电流工作状态对电流工作状态：灵敏度：灵敏度 积的粒子数积的粒子数单位时间内进入灵敏体单位时间内进入灵敏体测到的脉冲计数率测到的脉冲计数

3、率100 入射粒子流强度入射粒子流强度值值或电压或电压信号电流信号电流)( 单单位位照照射射量量率率/ )(VA 有关因素：入射粒子的有关因素：入射粒子的种类种类与与能量能量；探测；探测器的种类、运行状况、几何尺寸；电子仪器的器的种类、运行状况、几何尺寸；电子仪器的状态（如状态（如甄别阈的大小甄别阈的大小）等。）等。3) 3) 射线从产生到入射到探测器的灵敏体射线从产生到入射到探测器的灵敏体积所经过的积所经过的为：为：u样品材料本身的吸收样品材料本身的吸收(样品的自吸收样品的自吸收)；u样品和探测器之间空气的吸收；样品和探测器之间空气的吸收；u探测器窗的吸收。探测器窗的吸收。4) 4) 放射性

4、样品发射的射线可被其放射性样品发射的射线可被其周围介周围介质质所所，对测量造成影响。，对测量造成影响。散射对测量结果的影响有两类：散射对测量结果的影响有两类：正向散射正向散射反向散射反向散射使射向探测器灵敏区的射线使射向探测器灵敏区的射线偏偏离而不能进入离而不能进入灵敏区，使计数灵敏区，使计数率率减少减少。使原本不射向探测器的射线使原本不射向探测器的射线经经散射后进入散射后进入灵敏区，使计数率灵敏区，使计数率增加增加。5)5) 死时间修正因子死时间修正因子 ( (f ) ) nmnf 1 式中式中n 为实际测量到的计数率，为实际测量到的计数率，m为真计数为真计数率，率， 为测量装置的分辨时间。

5、为测量装置的分辨时间。6)6) 本底计数率本底计数率 （nb）0sbnnn3 3、对对 、 放射性样品活度的测量方法放射性样品活度的测量方法1) 1) 小立体角法小立体角法TbsnnA 其中：其中： ffffbagT 对于对于薄薄 放射性样品，放射性样品，%100 1 af1 bf对于对于厚厚 放射性样品和放射性样品和 放射性样品的测放射性样品的测量需考虑各种修正因子。量需考虑各种修正因子。修正因子多，测量误差大，达修正因子多，测量误差大，达5102) 2) 4 4 计数法计数法 流气式流气式4 正比计数器正比计数器；(适用于固态放射适用于固态放射源源) 内充气正比计数器内充气正比计数器和和液

6、体闪烁计数器液体闪烁计数器；(适用于适用于14C、3H等低能等低能 放射性测量，将放射性测量，将14C、3H混于工作介质中混于工作介质中) 将将源源移到计数管移到计数管内部内部，使计数管对源所，使计数管对源所张立体角为张立体角为，减小了，减小了散射散射、吸收吸收和和几何几何位置位置的影响。的影响。测量误差小，可好于测量误差小，可好于1。4、 射线强度的测量射线强度的测量 射线射线强度的测量强度的测量包括包括 辐射场辐射场测量和测量和 射线放射源活度射线放射源活度的测量。同样可以用的测量。同样可以用相对相对测量法测量法和和绝对测量法绝对测量法测量。测量。 如能获得如能获得 能谱能谱，可利用，可利

7、用 谱的谱的来来确定源活度确定源活度， 对于对于 射线同位素放射射线同位素放射源绝对测量常用源峰效率源绝对测量常用源峰效率sp 得到源活度：得到源活度：spbsnnA 符合方法符合方法： 用不同的探测器来判断用不同的探测器来判断两个两个或或两个以上两个以上事事件的件的的的同时性同时性或或相关性相关性的方法的方法。60Co60Ni h h e e h h 符合事件符合事件： 两个或两个以上在时间上相互关联的事件。两个或两个以上在时间上相互关联的事件。1、符合方法的基本原理、符合方法的基本原理1) 符合符合(真符合真符合)用用符合电路符合电路来来选择同时事件选择同时事件 以以 符合装置符合装置为例

8、：对一个放射源同时放为例：对一个放射源同时放出的出的 和和 射线，用两个探测器分别测量。射线，用两个探测器分别测量。 An An 符合计数：符合计数：conA 可得放射源的活度为：可得放射源的活度为：cnnnA 由于本底同时进入两个探测器的几由于本底同时进入两个探测器的几率很小；而级联率很小；而级联是相关事件，它们是相关事件，它们分别进入两个探测器的时刻一定是同分别进入两个探测器的时刻一定是同时的，则有：时的，则有：(2) 反符合反符合 用用反符合电路反符合电路来来消除同时事件消除同时事件 反符合康普顿谱仪为反符合电路的典型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

9、应用。可以有效提高峰总比（全能峰面积与谱全面积之比）。与谱全面积之比）。 如如HXMT的复合晶体探测器及荷电粒的复合晶体探测器及荷电粒子反符合屏蔽装置。子反符合屏蔽装置。 记录记录入射入射 射线在探测器中能量全吸收的事件；射线在探测器中能量全吸收的事件； 而而去除去除发生康普顿散射、并且散射光子又发生发生康普顿散射、并且散射光子又发生逃逸的事件。逃逸的事件。h h e COINANTIBGOHPGe多道分析器多道分析器Gate反符合：反符合： 消除符合事件的信号消除符合事件的信号。HPGe成成形形BGO成成形形成成形形HPGeBGOOutput(3) 符合装置的符合装置的分辨时间分辨时间及及偶

10、然符合偶然符合 符合装置的分辨时间符合装置的分辨时间：符合装置所能区分的最：符合装置所能区分的最小时间间隔小时间间隔 s，符合电路两输入信号时间间隔只，符合电路两输入信号时间间隔只要要小于小于 s，就被认为是，就被认为是同时事件同时事件给出符合信号。给出符合信号。 由于分辨时间的存在，引起偶由于分辨时间的存在，引起偶然计数：然计数：212nnnsrc 在偶然的情况下，同时到达符合电路的非关联在偶然的情况下，同时到达符合电路的非关联事件引起的符合称为事件引起的符合称为偶然符合偶然符合。减小偶然符合计数率的方法：减小偶然符合计数率的方法： (1)(1)减小符合减小符合分辨时间分辨时间 s，但是会影

11、响符合效率，但是会影响符合效率 (2)(2)减小各符合道计数率减小各符合道计数率n 。61272/ 36001 10sec22 100 100rcsnn n 推广：推广：i重符合时的偶然符合计数率：重符合时的偶然符合计数率：112ircsininnn 例例：实验测得偶然符合计数率：实验测得偶然符合计数率 nrc =72/hr. 符合道计数符合道计数n1 =n2 =100/sec ，求分辨时间，求分辨时间 s。 符合计数的实验测量值中总是包含真符合计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。数和偶然符合计数。conA 真符合计数率为：真符合计数率为：22rcssnn nAA 偶然符

12、合计数率为：偶然符合计数率为：12corcsnRnA 则，则，真偶符合比真偶符合比为：为：ccorcnnn 仍以仍以 符合为例：符合为例：(4) 延迟符合延迟符合 可以是可以是同时性同时性事件，也可以是事件，也可以是不同不同时性时性事件。事件。1D2Dd COIN1dD 飞行时间方法飞行时间方法(TOF)测量粒子的飞行时间。测量粒子的飞行时间。1DET 2DETCOINDELAY(5) 符合曲线符合曲线符合脉冲受到多方面因素的影响：符合脉冲受到多方面因素的影响： 输入脉冲的形状输入脉冲的形状； 符合电路的工作特性符合电路的工作特性； 计数器的触发阈值计数器的触发阈值。 这些因素影响符合性能，其

13、综合效应可以通过这些因素影响符合性能，其综合效应可以通过符合曲线符合曲线表现出来。表现出来。DL1COIN1Signal2SignalDL2计数器 符合曲线符合曲线：n(td) td电子学瞬时符合曲线电子学瞬时符合曲线，假设：，假设： 同步信号频率同步信号频率nco ； 不存在时间离散不存在时间离散； 成形脉冲是成形脉冲是理想的矩形波理想的矩形波。1DL2DLdt0符合曲线的高度为符合曲线的高度为nco ，半宽度为，半宽度为:2FWHM由此决定由此决定电子学分辨时间电子学分辨时间为：为： FWHM/2 。 电子学分辨时间与成形脉冲宽度、形状、符电子学分辨时间与成形脉冲宽度、形状、符合单元的工作

14、特性等因素有关。合单元的工作特性等因素有关。物理瞬时符合曲线物理瞬时符合曲线： 探测器输出脉冲探测器输出脉冲时间统计涨落时间统计涨落引起的引起的时间晃动时间晃动； 系统系统噪声噪声引起的引起的时间晃动时间晃动； 定时电路中的定时电路中的时间游动时间游动。1 1DET2 2DET*60Co由此决定由此决定物理分辨时间物理分辨时间。 快符合的符合曲线宽度主快符合的符合曲线宽度主要是要是脉冲时间离散脉冲时间离散的贡献的贡献。()dn tcorcnn t0慢符合慢符合：成形脉冲宽度：成形脉冲宽度10 8sec. ；快符合快符合：成形脉冲宽度：成形脉冲宽度10 8sec. 。2符合测量装置符合测量装置1

15、)、多道符合能谱仪、多道符合能谱仪dn 加速器带电粒子核反应：加速器带电粒子核反应：3417.6MeVdHHen DET2DET1n GATE1DET2DETCOINAMPAMPMCASCASCA符符合合道道分分析析道道n GATE2）、）、HPGe反康普顿反康普顿 谱仪谱仪BGOGeGATEGATEHPGeBGOANTIAMPAMPMCASCASCACOINANTI用用HPGe反康反康普顿普顿 探测器探测器测得的测得的60Co 能谱能谱3）快慢）快慢符合装置符合装置4）4- 符合装置符合装置n n nc 这是一种测量放射性活度的标准方法，适用这是一种测量放射性活度的标准方法，适用于带于带 级

16、联衰变的放射性核素。级联衰变的放射性核素。（1 1） 偶然符合的校正偶然符合的校正其测量结果的修正因素为：其测量结果的修正因素为： 设由设由 道道、 道道及及符合道符合道输出的计数率输出的计数率分别为：分别为： n n cn 其中：其中：rcccnnn scscrcnnnnnnn )()(而：而：)(12 nnnnnnsscc 则：则：（2 2） 死时间校正死时间校正 各道死时间由成形电路决定，用各道死时间由成形电路决定，用 表示。在表示。在 时间内，放射源时间内，放射源不发生衰变的概率不发生衰变的概率为为1A 考虑死时间后，考虑死时间后， 道的探测效率为：道的探测效率为：)1( AA所以，所

17、以， 道道的的计数率计数率可表示为：可表示为：)1( AAAn 在在 内发生衰变的概率内发生衰变的概率与探测效率的乘积。与探测效率的乘积。在在 内发生衰变，但没有被内发生衰变，但没有被测到，这部分实际上未受测到，这部分实际上未受 的影响，要补回去。的影响，要补回去。类似可得出类似可得出 道道的的计数率计数率为：为：)1( AAAn 符合道符合道的的计数率计数率应为：应为：)1)(1()1( AAAnc并考虑并考虑 A 时，时， 0()detdrcN tn en 取对数，得到：取对数，得到：ln()ddrcetN tnC 直线拟合可以求出核激发态寿命直线拟合可以求出核激发态寿命 e 。1. 1.

18、 能量的测量能量的测量 凡是辐射粒子的凡是辐射粒子的能量测量能量测量，探测器都，探测器都必须工作于必须工作于脉冲工作状态脉冲工作状态(电压脉冲工作电压脉冲工作状态或电流脉冲工作状态均可状态或电流脉冲工作状态均可)。在电压。在电压工作状态时，脉冲幅度：工作状态时，脉冲幅度：0CeNh 为入射粒子在探测器为入射粒子在探测器灵敏体积内灵敏体积内产产生的生的信息载流子的数目信息载流子的数目。N1) 能谱能谱但实验直接测得的是脉冲幅度谱，即但实验直接测得的是脉冲幅度谱，即式中式中dN代表脉冲幅度落在代表脉冲幅度落在hh+dh的脉冲数，的脉冲数，dN/dh表示输出脉冲幅度为表示输出脉冲幅度为h的的单位幅度

19、间隔单位幅度间隔内的内的脉冲数脉冲数。由于由于统计涨落统计涨落，即使对同一能量的带电粒子，也，即使对同一能量的带电粒子，也会产生会产生不同幅度的脉冲不同幅度的脉冲，形成脉冲幅度分布。脉，形成脉冲幅度分布。脉冲幅度分布的冲幅度分布的中心值中心值对应对应某一入射粒子的能量某一入射粒子的能量。hdhdN/能谱的定义：能谱就是能谱的定义：能谱就是 的直方图。的直方图。EdEdN/实测多采用实测多采用多道脉冲幅度分析器多道脉冲幅度分析器，给出：，给出：)()(道址道址计数率计数率ixxyi2) 谱仪的能量刻度和能量刻度曲线谱仪的能量刻度和能量刻度曲线 探测器输出探测器输出脉冲幅度脉冲幅度 与与入射粒子能

20、量入射粒子能量E一般一般具有具有线性关系线性关系，这里的，这里的 指脉冲幅度分布的指脉冲幅度分布的中中心位置的幅度值心位置的幅度值。若输出脉冲幅度与入射粒子。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：能量具有良好的线性关系。则有：hh21KhKE 而脉冲幅度分析器具有良好的线性，而脉冲幅度分析器具有良好的线性，hx 所以：所以：0)(ExGxE 增益，单位增益，单位为为KeV/ch零道址对应的粒子零道址对应的粒子能量，称为零截能量，称为零截E与与x的函数关系的函数关系E(x)，称为能谱仪的称为能谱仪的能量刻度能量刻度曲线曲线。借助于一组。借助于一组已知能量已知能量的辐射源进行的辐射

21、源进行能量能量刻度刻度，而得到一条能量刻度曲线。横坐标为道，而得到一条能量刻度曲线。横坐标为道址址x，纵坐标为入射粒子的能量，纵坐标为入射粒子的能量E。xE0EG1E2E3E1x2x3x2. 2. 能谱的测定能谱的测定1) 能量分辨率能量分辨率以金硅面垒半导体探测器为例。以金硅面垒半导体探测器为例。232221EEEE 210Po的的E 5.3MeV， E15.8KeV%3 . 01098. 253008 .153 u 统计涨落引起的谱展宽统计涨落引起的谱展宽u 噪声引起的谱展宽噪声引起的谱展宽u 空气和窗引起的谱展宽空气和窗引起的谱展宽2) 能谱仪的能量刻度能谱仪的能量刻度 在测得输出脉冲幅

22、度谱后，必须进行在测得输出脉冲幅度谱后，必须进行，才能确定，才能确定 粒子的能量。借助一组已知粒子的能量。借助一组已知能量的能量的 源进行能量刻度，得到一条能量刻度源进行能量刻度，得到一条能量刻度曲线。曲线。 根据脉冲幅度分布的根据脉冲幅度分布的中心位置道址中心位置道址求求出出 粒子的能量粒子的能量。 对于对于 粒子能谱的测量，要考虑到粒子能谱的测量，要考虑到 粒子与粒子与物质相互作用的特点物质相互作用的特点，并尽量选择，并尽量选择能量分辨率能量分辨率较好较好及及使用较方便使用较方便的探测器。的探测器。3) 探测器的选择探测器的选择 金硅面垒半导体探测器；屏栅电离室；带金硅面垒半导体探测器；屏

23、栅电离室；带窗的正比计数器等。窗的正比计数器等。 由于由于 能谱是能谱是连续谱连续谱，仅存在，仅存在E max，给测量，给测量带来困难。带来困难。1）精确测定）精确测定 粒子能谱粒子能谱(如采用如采用磁谱仪磁谱仪)，用，用居居里描绘里描绘而求出而求出E max。也可用半导体探测器，。也可用半导体探测器，由于存在散射，会使谱形畸变，而影响测量结由于存在散射，会使谱形畸变，而影响测量结果。果。3. 3. 能谱的测定能谱的测定2）用）用吸收法吸收法测得测得 粒子的粒子的最大射程最大射程，再根据，再根据经经验公式验公式求得其求得其最大能量最大能量。对。对 衰变伴有衰变伴有 射线发射线发射的样品，一般都

24、通过射的样品，一般都通过 能谱的测量来确定核素能谱的测量来确定核素的含量。的含量。1. 1. 单能单能 能谱的分析能谱的分析1) 单晶单晶 谱仪谱仪常用常用NaI(Tl)，Cs(Tl)，Ge(Li)，HPGe等探测器等探测器 主过程主过程：全能峰全能峰光电效应所有的累光电效应所有的累计效应；计效应；康普顿平台康普顿平台、边沿边沿及及多次康普顿散多次康普顿散射射；单、双逃逸峰单、双逃逸峰。2) 单能单能 射线的能谱射线的能谱 其他过程其他过程：和峰效应和峰效应；I(或或Ge)逃逸峰逃逸峰；边缘边缘效应效应(次电子能量未完全损失在灵敏体积内次电子能量未完全损失在灵敏体积内)。 屏蔽和结构材料对屏蔽

25、和结构材料对 谱的影响谱的影响：散射散射及及反散射反散射峰峰；湮没峰湮没峰；特征特征X射线射线；轫致辐射轫致辐射。3) 能量特征峰能量特征峰 从单能从单能 射线能谱中可以看出，射线能谱中可以看出，全能峰全能峰、单逃单逃逸峰逸峰、双逃逸峰双逃逸峰的的峰位所对应的能量峰位所对应的能量与与 射线的射线的能量能量都有确定的对应关系，称为都有确定的对应关系，称为特征峰特征峰。即：。即： EEf 全能峰全能峰KeVEEs511 单逃逸峰单逃逸峰KeVEEd1022 双逃逸峰双逃逸峰(1) 峰位和能量刻度峰位和能量刻度峰位峰位即特征峰的中心位置，代表即特征峰的中心位置，代表 射线的能量。射线的能量。能量刻度

26、能量刻度：选一组能量已知的：选一组能量已知的 射线标准源，射线标准源，用用 谱仪得到特征峰的峰位与谱仪得到特征峰的峰位与 射线能量的关系，射线能量的关系，称为对该称为对该 谱仪的能量刻度。谱仪的能量刻度。(2) 峰宽与能量分辨率峰宽与能量分辨率峰函数峰函数：用高斯函数表示。：用高斯函数表示。222/)()()( piipeiyiy FWHM与与 的关系的关系： 355. 2 FWHM能量分辨率能量分辨率：%100 piFWHMhhEE (3) 源峰探测效率源峰探测效率、峰面积峰面积、峰总比峰总比、峰康比峰康比源峰探测效率源峰探测效率(又称又称峰探测效率峰探测效率) sp峰面积峰面积 RLiip

27、yNByNRLiip )1)(21 LRyyBRL或或峰总比：峰总比：谱的总面积谱的总面积特征峰面积特征峰面积 Tpf/峰康比：峰康比：康普顿平台的峰值康普顿平台的峰值全能峰的峰值全能峰的峰值 P闪烁探测器闪烁探测器半导体探测器半导体探测器 能谱仪能量分辨率：能谱仪能量分辨率：55Fe 5.9keV137Cs 662keV60Co 1.33MeVSi(Li)4%正比计数器正比计数器17%NaI(Tl)80%7-8%5-6%Ge(Li)1.32. 2. 谱仪装置谱仪装置1) 单晶单晶 谱仪。谱仪。探测器探测器放大器放大器多道分析器多道分析器计算机计算机高压高压2) 全吸收反康普顿谱仪。全吸收反康

28、普顿谱仪。主探测器主探测器符合环符合环前置放大前置放大反反符符合合带带门门控控的的多多道道前置放大前置放大控控制制信信号号测量信号测量信号3) 康普顿谱仪康普顿谱仪(双晶谱仪双晶谱仪)。)cos1(120 cmhhheEhh 放大器放大器放大器放大器符合符合电路电路带带门门控控的的多多道道主探测器主探测器辅探测器辅探测器 h h测量信号测量信号门门控控信信号号201(1cos )ehEm ch 康普顿散射反冲电子能量：康普顿散射反冲电子能量：4) 电子对谱仪电子对谱仪(三晶谱仪三晶谱仪)辅辅I辅辅II放大器放大器放大器放大器放大器放大器符符合合带带门门控控的的多多道道 e e测量信号测量信号门

29、门控控信信号号3. 3. 复杂复杂 谱的解析谱的解析1) 标准谱法标准谱法 假定：混合假定：混合 能谱是样品组成核素的标准能谱是样品组成核素的标准谱按各自强度的谱按各自强度的线性叠加线性叠加。必须保证：。必须保证：标准标准谱谱与与样品谱样品谱获取获取条件相同条件相同；谱仪响应不随计谱仪响应不随计数率而明显变化数率而明显变化。（1）剥谱法剥谱法（2）逆矩阵法逆矩阵法：样品已知由：样品已知由n种核素组成，种核素组成，求每个核素的活度求每个核素的活度xj。(a) 确定确定特征道域即各特征道域即各全能峰全能峰，以，以i表示表示(b) 确定确定响应函数响应函数种成分的衰变率种成分的衰变率第第道造成的计数率道造成的计数率种成分在第种成分在第第第jijaij 通过标准谱得到通过标准谱得到(c) 混合样品谱混合样品谱第第i道的计数率道的计数率mi njjijixam1实验测量得到实验测量得到矩阵表示：矩阵表示：AXM A为为aij集合而成的矩阵，称为谱仪的集合而成的矩阵，称为谱仪的响应矩阵响应矩阵；X为未知量为未知量xj组成的矩阵；组成的矩阵； M为各道域计数率组成的列矩阵。为各道域计数率组成的列矩阵。(d) 解矩阵方程解