第四章第6节实验室B谱仪

4.6β谱仪在环境放射性监测中的应用γ谱仪不能测量（分辨）环境中存在的纯β核素：90Sr，32P，35S，3H，14C等。化学分离方法:耗时多，难传递，而且一些母子体混合放射性同位素，无法化学分离解决。磁谱仪、静电谱仪、正比谱仪，先问世但造价昂贵，结构庞大，且灵敏度低；因而环境β测量受限制

液闪谱仪，半导体谱仪，塑料闪烁体谱仪的相继问世，可广泛应用于分析环境中的动植物样品、水样品等4.6.1符合型低本底闪烁β谱仪(例)特点：造价低廉，本底低，快速准确由塑料闪烁计数器与一个薄窗G-M计数管构成(综合闪烁计数器高效率和G-M计数管低本底的两个特点)前置放大器对数放大器20道脉冲幅度分析器高压电源前置放大器放大器甄别器定标器100道脉冲幅度分析器整体探测器放在一个由5cm厚的铅，5cm厚的铁，2.5cm厚的铜构成的评比体内晶体厚度选择：为使β粒子的能量沉积于晶体中

R=412E1.265-0.094lnE0.01＜E＜2.5MeV

R=530E-106E＞2.5MeVR——最大能量为E的β射线在铝中的最大射程，mg/cm2；

E——β射线的最大能量，MeV。

d=R/ρ(cm)对G-M计数器端窗膜的要求为了提高β粒子的透视率以减小β谱的畸变，要求Mylar膜尽可能的薄但又不漏光——镀膜技术要求高（均匀厚～0.9mg/cm2且不漏光）电子学线路

∵β粒子必须穿过G-M计数器才能进入到塑料闪烁体中

∴装置中引用了符合电路——β粒子在两探测器中产生的脉冲符合后才能被脉冲幅度分析器所分析记录装置的屏蔽室挡住了宇宙射线中的软成分，宇宙射线中的μ介子的脉冲输出超出谱仪分析的范围，可调节多道分析器的甄别阈予以剔除符合型闪烁β谱仪的应用

a)已知核素的低水平计数——选择最佳道宽，使本底计数率较低，实现低水平测量

b)快速测量短寿命核素(事故情况下)——与化学分离方法相比有不可比拟的优越性

c)鉴别未知核素——通过确定最大能量Emax，鉴别未知核素

d)分析放射性同位素混合物——89Sr与90Sr，57Co与60Co，103Ru与106Ru等，无法用化学方法分离，谱仪可鉴别之；并可确定各自的含量

e)确定母子体的平衡率——含有母体和子体放射性同位素混合物，如90Sr——90Y，95Zr——95Nb，106Ru——106Rh，144Ce——144Pr等，只要母子体彼此发射的β射线的最大能量有显著差异，就能很容易被谱仪测量分析4.6.2液体闪烁β谱仪优点：待测样品与闪烁液混合——几乎没有样品的自吸收,是测量发射低能β射线核素(3H、14C)的最有效的方法也可以用来探测α射线、中子和γ射线等辐射1)液闪原理闪烁液通常由溶有一种或多种荧光体的芳香剂构成当β粒子通过闪烁液时，其辐射能量消耗与溶剂分子的电力和激发。溶剂分子激发后回到基态时释放出能量传给闪烁体，后者偶而也可直接吸收射线能量。退激时多余的能量以光子形式放出，所放出的光子被样品瓶外的光电倍增管的光阴极探测，打出光电子，经光电倍增管放大，在阳极上形成足够大的电脉冲信号若闪烁体的发光光谱与光阴极的吸收光谱不太匹配时，可在溶剂×——第一闪烁体#——第二闪烁体中加入第二闪烁体，其作用是吸○——溶剂分子●——放射性分子收第一闪烁体发射的光子，激发退激时释放出其发射光谱与光电倍增管更为匹配的特征光子。∴第二闪烁液又称为“移波液”，其浓度一般为第一闪烁液的1/10∵液闪中产生的每一个脉冲的幅度∝β粒子在闪烁液中消耗的能量

∴可用作β谱测量闪烁优值F——估计液体闪烁过程中各个能量转移阶段的效率

F=sfqm式中：s——溶剂的相对闪烁效率(定义为产生一个受激分子溶剂所需要吸收的能量，通常以甲苯作为比较的基准)

f——溶剂-溶质能量转移的量子效率，数值上等于受激溶剂分子中得以把其激发能转移给第一溶质的分子所占总分子的百分数，依赖于溶剂中溶质的浓度

q——溶质的荧光量子效率，即溶质发射的光子数同处于受激的溶质分子数目之比

m——光谱匹配因子，表示溶质的发射光谱与光电管阴极吸收光谱的覆盖程度

sfq依赖于溶剂和闪烁体的选择；m依赖于闪烁体贺广电倍增管的选择2)猝灭概念——由于样品杂质的介入使闪烁液中广的产生受到抑制或生成的光讯号在闪烁液的传输过程中被减弱的现象猝灭分类：稀释猝灭，化学猝灭和颜色猝灭稀释猝灭（浓度猝灭）——当浓度高于或低于闪烁液的最佳浓度，计数率会下降。尤其加入大体积样品时。链烃和酒精属这类猝灭剂化学猝灭（杂质猝灭）——化学物质，含微量杂质，会分散溶剂的激发能，或同闪烁体分子竞争激发能，有的与闪烁体分子形成复体，减少闪烁体的溶度→减少荧光的产生效率。气体氧时常遇到的强猝灭剂颜色猝灭——指闪烁液中产生的荧光在透过样品时被有色物质吸收，使得转移到光电倍增管光阴极的几率减小的现象。上述三种猝灭，无论是光子产生抑制，还是光子被吸收减弱，最终都是减少在光电倍增管光阴极上收集到的每一个最初受激事件所发射的光子数无论产生光子的源是软β发射体还是硬β发射体，光量子的比率将按同一比例降低3)液体闪烁计数器结构及其性能由探测器(包括换样机构)、电子学测量与控制单元两部分构成，由下图所示①探测器：1.样品瓶(内装闪烁液与被测样品)；2.光电倍增管及牵制电路；3.铅屏蔽体(外壳为铸铁)；4.光导；5.绝缘内衬；6.密封圈；7．升降杆；8.遮光快门；9.样品盘座架；10.遮光罩；11.上盖由5～6cm铸铁或铅屏蔽构成的密室低水平装置的铅屏蔽：10～15cm上部有设计精巧的换样机构和避光快门装有闪烁液的计数瓶可自动进入严格避光的小室内被广电倍增管直接探测要求优质、低噪声、高放大倍数GDB(国外RCA4501或石英窗EMI9635Q；国内261厂生产的GDB-52型)在计数瓶与GDB之间一般装有不锈钢、铜或聚四氟乙烯制成的圆锥形或圆柱形光导在瓶盖内加有反射衬垫，在垂直传动杆的顶部进行了镜面抛光——改善光的反射效果侧进样或底部进样，样品屏蔽；主探测器的GDB也要屏蔽——进一步降低本底芬兰LKB公司的1220-681

Quautulus低本底高灵敏液闪谱仪结构原理如右图所示：反符合探测器——内装矿物油溶剂闪烁液圆柱形容器和两个柱面相对的GDB主探测器——安装在反符合屏蔽液体闪烁体轴线下方的孔道里②测量与控制单元测量部分：符合、相加放大、多道脉冲幅度分析器单元电路符合电路——降低GDB管子热电子噪声贡献相加电路——改善样品的测量能力，提高信噪比多道分析器——能谱分析仪器的控制部分最初主要用于样品的自动换样和猝灭校正现功能加强，大多具有：a)CRT显示和人机对话；b)自动稳谱与自动诊断；c)随机符合监测；d)单光子监测；e)放射免疫分析程序及数值积分程序；f)快速能谱检索；g)消静电装置等③闪烁液甲苯和甲二苯能量传递效率高，价廉，是广泛使用的闪烁溶剂二样六环具有良好的水溶性和效率，在含水样品的测量中占有重要的地位，但因其易燃，价格较贵且毒性又高，现已不多用曲拉通TritonX-100与烷基苯胺一定比例配置的混合液，可是含水样品在芳香溶剂中有较高的计数率，∴广泛应用常用的第一闪烁体——PPO，在甲苯中有足够的溶解度，荧光量子效率高，能在低温下工作，对水溶性样品有一定的兼容性且相当经济，目前用量最大P-TP的效率比PPO稍低，但价格便宜另一种特别有效的第一闪烁体——PBD，但它在甲苯中的溶解度有限，仅在饱和浓度下(12g/l)才有较高的计数率，使用浓度约为PPO的2倍Buty1-PBD是PBD的丁基衍生物，其荧光特性与PBD相媲美，在甲苯中的溶解度也好，一般使用浓度为6～15g/l,相当稳定。对样品的兼容性极佳，耐猝灭作用较强，使用日益增多。使用最早最多的移波剂(第二闪烁体)——POPOPPOPOP的二甲基衍生物DM-POPOP,在甲苯中的溶解度比POPOP高，但和双碱光电倍增管的光谱响应较差目前最有效的第二闪烁体——BIS-MSB和PBBO，它们在甲苯中的溶解度都高于POPOP，受猝灭影响较小，其中与BIS-MSB和双碱光电倍增管的光谱响应也好，近年来使用较普遍闪烁液的配置依赖于样品的猝灭程度。第一闪烁体浓度范围是4～10g/l溶剂，第二闪烁体浓度是第一闪烁体浓度的5～15%④计数瓶一般要求计数瓶的化学性质稳定，透光性好且各向同性，特别是瓶材料中的钾、镭及其他天然放射性的含量尽量低石英瓶——光传导性能好，计数效率高，本底低，但价格昂贵低钾玻璃瓶——较高的计数率和较低的本底，常用聚乙烯瓶——本底低，效率高，不易碎；溶剂通过塑料瓶渗透损失显著，严重时会使瓶子鼓胀和变形聚四氟乙烯瓶——效率最高，本底最低，且对碳氢化合物不渗透，适合地本底⑤仪器的品质因素和可测灵敏度用测量3H、14C的效率、本底、品质因素可被用来衡量液闪谱仪的性能品质因子或优值FM

：FM=E2/B

式中，E——探测器测量样品的百分效率；B——本底计数(cpm)在低水平测量时，将样品允许加入量V(ml)考虑在内，常用灵敏度优值SM：

SM=(EV)2/B，比较不同探测系统的灵敏度可测灵敏度：Moghissi提出测量时间为1min，68.3%的置信度时可测量灵敏度y：y=√B/2.22EV(PCi/ml)=1.67×10-2

√B/2.22EV(Bq/l)目前国际上较好的液闪谱仪有：

美国PACKARD公司的Tri-Carb2200CA系列

BECKM公司的LS-9800，LS-5800

芬兰LKB-Wallac公司的1217/18，1219型EH=60～65%,Ec=90～95%；FM(3H)=150～200，FM(14C)=300～400带有反符合屏蔽的低本底液闪谱仪(如，日本ALOKA公司的LB-1型，LKB公司的Quantulus1220-681型,国产DYS-1型)，在测量水中氚时加水量可达50%以上，计数效率仍高于20%；本底计数≤1cpm，灵敏度优值在43700～450004)计数效率及其猝灭校正在液闪谱仪测量中，对计数样品的猝灭校正是十分重要的(由于被测样品加到闪烁液里改变了闪烁介质的原有状态，实际上必须对每一个样品的液闪计数效率进行测定)①内标准法内标准法是猝灭校正经典的也是最基本的方法，探测效率：

E(%)=(Ns-Na)/A×100%式中，Na——待测样品原来的净计数；Ns——加入已知放射性A后的净计数内标准法要求被加入同一核素且有足够的强度标准加入量足够小以至对样品的猝灭程度无明显的影响内标准取样的准确度是内标准法效果好坏的关键保证内标准和待测样品处在溶液的同一相内是正确校正的前提②外标准道比法(ESCR)ESCR由道比法和外标准法两种猝灭校正技术发展而来右图反映了液闪β谱随猝灭的增加而向低能

方向漂移若用两个不同测量道测量谱的两个部分—

→两道计数率之比可反映样品的猝灭程度道比法：用一套标准猝灭样品系列的计数效率与相应的样品道比值作图→得到一条样品道比猝灭曲线未知样品在相同条件下测量，由测得的样品道比值从曲线上查取相应的计数效率道比法的缺点——要在合理的计数时间内得到精确的道比值，要求样品活度较高含3H(虚线)、14C(实线)样品的脉冲谱计数(a)不猝灭(b)中等猝灭(c)高度猝灭

效率道比值外标准方法：其方法的基础是γ源在液闪样品中产生的康普顿电子谱是一个从零到仅由γ射线初始能量决定的最大值之间的连续分布谱，可被用来模拟样品中β射线的猝灭校正用一套标准猝灭样品系列，在选定的道里，将外标准γ源产生的计数率对样品的计数效率E作图，可得到外标准猝灭校正曲线(常用源：226Ra、137Cs、133mBa)外标准方法的优缺点优点：不破坏样品的组成成分且可是样品产生很高的计数率，改善统计效果缺点：外标准源γ射线透过样品产生的康普顿电子与样品的有效原子序数相关，也受样品体积和物质种类的影响，同时源—样的几何位置也影响测量的重复性，故这一方法很少用之外标道比法是针对样品道比法的低计数率

限制和外标准计数法重复性差而提出来的，它保留了样品道比法重复性好、体积效应小和外标准法计数效率高的优点右图为3H和14C的外标准道比曲线，该方法特别有利于实现仪器对被测样品的自动猝灭校正③其它猝灭校正方法现代液闪谱仪→微机→自动猝灭校正样品谱指数SIS——用β全谱的平均脉冲高度来表示样品猝灭量进行校正#H数法——将猝灭样品与无猝灭标准源两者