总α总β放射性测量培训讲稿

1总α、总β放射性测量培训讲义1前言随着放射性同位素在各个领域中的广泛应用，随着核反应堆、核电站等核设施的不断建立，随着人们对生存环境及健康关注程度的逐步提高，在商品检验、食品卫生、矿物分析、辐射保护、核医学、环境监测、农业科学以及考古等多个领域中,越来越多的微弱的放射性测定问题，摆在了我们面前，有些领域的问题在某种程度上已经关系到了人类的生存和健康，所以需要我们认真对待和研究。近期，国家对能源结构进行了调查和变更，在第“十一”个五年规划中，由原来的适度发展核电改为大力发展核电，预计2020年，核电的发电能力可达4000万千瓦。核电的大力发展必然会带动整个核工业的发展，与此相关的环境保护与监测的问题也会引起人们的普遍关注，这也是微弱放射性测量增多的一个重要方面。通常我们把这种微弱放射性的测量称为低本底测量或低水平测量。2放射性简述因为我们所涉及和研究的是微弱放射性的测量问题，所以我们要首先简要介绍一下什么是放射性。众所周知，物质是由分子组成，分子由原子组成，而原子又由原子核及核外电子组成。原子核带正电，位于原子中心，电子带负电围绕原子核做高速运动。通常情况下，原子呈中性是稳定的，但是，有些原子核是不稳定的，它能自发地放射出粒子或光子，并转换为另一种元素的原子核。这种现象称为放射性衰变，亦称放射性。核衰变通常放出三种类型的粒子，称α、β和γ。到目前为止，人们已经发现了三个天然放射系，即铀系、锕系和钍系，及一个人工放射系镎系。铀系第一代核素为铀（238），它从半衰期（T1/2=4.51×109年）最长的U（238）开始，经过8次α衰变6次β衰变，最后到稳定的Pb(206)。钍系是从半衰期（T1/2=1.40×1010年）最长的Th（232）开始，经过6次α衰变4次β衰变，最后到稳定的Pb(208)。锕系是从半衰期（T1/2=7.1×108年）最长的U（235）开始，经过7次α衰变4次β衰变，最后到稳定的Pb(207)。2镎系从半衰期Pu(241)开始到Bi(209)为止，系中Np(237)的半衰期最长（T1/2=2.14×106年）,故称镎系。Np(237)的半衰期比U(238),U(235)及Th(232)半衰期小很多，故除Bi(209)外镎系中各种放射性核素在地壳中存在量极微。2.1α衰变放射出α粒子的核衰变称为α衰变，可用下式表示：QYXAZAZ42X表示母核，原子序数为Z，原子量为A，Y为子核原子序数减少2为Z-2，原子量减少4为A-4。α粒子实际上是氦原子核He42，它的原子序数为2，原子量为4。Q为衰变时释放出的能量。天然α粒子的能量在4～8Mev。一般α粒子具有几个孤立的能量，能谱为分立能谱。α粒子属于重带电粒子，它的阻止本领很大，即单位射程上损失的能量很大，其射程很短，在空气中的天然α粒子其射程仅仅为几个厘米，一张纸就可以挡住α粒子，它穿不过皮肤的角质层，故不存在外照射的危害，但是α粒子一旦不慎进入体内，所产生的内照射危害却是严重的，所以应该对α粒子的内照射问题有足够的重视。2.2β衰变原子核放射β粒子或俘获轨道电子的放射性衰变称为β衰变，可以分为三种类型：第一种类型是原子核放出高速电子的衰变，这种电子称为β-粒子。通常说的β衰变就是β-衰变，它可以自发地进行，且常伴有γ衰变。β-衰变可以用下式表示：QYXAZAZ1式中的X为母核，原子序数为Z，原子量为A，Y为子核，由于放出一个电子，故子核的原子序数加1，而电子的质量比原子核质量小的多，可以忽略不计，故子核的原子量仍为A。为质量非常微小的中性粒子称为中微子，Q为衰变时放出来的能量，此种能量几乎全部分配给β-和，其分配是完全随机的，故β-的能量可以从零一直到Q（最大），故β-粒子能谱是一个连续谱。当β-粒子具有最大动能为Q时，的动能为零。β-粒子的平均能量约为31Emax,一般资料中给出的β-能量通常是指β-的最大能量Emax。β-能谱如下图：3N计数1/3EmaxEmaxE（能量）β-衰变可以看成原子核内的一个中子变成了质子，同时放出一个β-粒子和中微子的衰变。另外两种β衰变是指β+衰变和轨道电子俘获，分别用下式表示：QYXAZAZ1（质子变中子衰变）QYeXAZAZ11这里不再详谈。还有一种情况需要讲解一下，即原子核从激发态跃迁到低能态或基态时，有时不发射γ射线而将多余的能量交给核外的壳层电子，此电子脱离原子核的束缚而发射出去，这种电子称为内转换电子，此种情况可以发生在K层，L层或其它层的电子上，这种电子是单能谱。通常β辐射只有一种微弱的外部危害，其用薄薄的铝层就可以屏蔽β辐射。用原子序数低的材料屏蔽β，防止靭致辐射。2.3γ衰变有些放射性原子核在发生α或β衰变以后，仍处于不稳定的激发态，它必然要向低能态或基态跃迁，这时就会发生γ衰变。γ射线实质上就是一种波长很短（10-8-10-11）的电磁波，又称γ光子。γ射线是从核内发射出来的，能量是单色的，其数值为两个能级之差。在发生γ衰变时，原子核的原子序数和质量数均不变，故γ亦称为同质异能态的跃迁。通常遇到的Χ射线和γ射线相同，也是一种电磁波。靭致辐射产生的Χ射线，能量为连续谱，而外壳层电子向内壳层跃迁时，所释放的Χ射线为特征Χ射线，能谱为单能谱。γ射线的穿透能力很强，因此要注意它的外照射的危害。一般选用原子序数高的材料如铅来屏蔽它。43放射性衰变的基本规律3.1指数衰变规律放射性物质的核衰变都是按照指数规律来进行的。数学表达式如下：N=N0te（3.1.1）N0为初始时（t=0）的原子核数；N为t时刻的原子核数；λ为衰变常数，它是表征衰变快慢的一个常数，λ大则衰变快，λ小则衰变慢。λ=2/1693.0T（3.1.2）T1/2为半衰期，核衰变到原来活度的一半所需要的时间为该核素的半衰期。不同的核素，半衰期是不同的，有的很长很长，如104年，有的很短很短，如几天，几分钟，甚至更短。半衰期可由相关资料查询。3.2放射性衰变的统计涨落对某一个原子核而言，什么时候衰变，这完全是偶然的，是随机性的。在单位时间内发生衰变的原子核有时多些，有时少些，并不是完全确定的，但是它会在一个平均值上下波动、涨落，这种现象称为放射性衰变的统计涨落，是对大量原子核而言的统计规律。由核衰变统计涨落造成的误差称为统计误差，它服从高斯分布。由于核衰变有统计涨落，所以无论你用的仪器多么精密、准确，工作人员多么仔细认真，对放射性测量的结果也是有起伏涨落的，是在某一个平均值上下涨落的，出现在平均值附近的几率大，远离平均值的几率小，而且平均值两边出现的几率是对称的。表示统计涨落的大小，通常用标准偏差σ表示：σ=1)(21KNNiKi（3.2.1）算数平均值KiNiKN11（3.2.2）Ni为第i次的测量值；5K为测量次数；σ表示测量计数统计分布的一个宽度，σ越大测量计数越分散，分布曲线越平、越宽。反之，σ越小，测量数据越集中，分布曲线越窄越尖。其测量结果可表示为：kN（置信系数为1，置信度为68.3%）kN2（置信系数为2，置信度为95.5%）kN3（置信系数为3，置信度为99.8%）平均值的标准偏差kN对于核辐射测量，标准偏差σ≈NN（3.2.3）其中N为有限次测量的平均值，N为一次测量值。在计数测量中若不存在其它误差，则（3.2.1）式与（3.2.3）式的结果是一致的。若计数中除统计误差外，还存在有其它随机误差，则前者给出的结果要大些。这里顺便讲一下测量的准确度和精确度这两个不同的概念。测量的准确度是指测量值与真值符合的程度，即测量值与真值相差的大小。准确度是由系统误差决定的，如果测量的系统误差小，结果的准确度就高，反之，系统误差大，准确度就差。精确度是指测量数据的重复性，或者说是指测量数据的分散性大小。精确度是由偶然误差决定的，偶然误差大，重复性就差，精确度就低，反之，偶然误差小，数据的重复性就好，分散性就小，精确度就高。有的测量结果准确度还可以，但精确度不高，有的精确度较高而准确度较差。当然，亦有的测量结果准确度高，精确度亦不差。总之，准确度与精确度是两个完全不同的概念。4射线与物质的相互作用上面谈到原子发生衰变，发射出各种射线，可是人们用肉眼是根本看不见它们的，手也摸不到它们。如何感知它们的存在呢？这就要研究射线与物质的相互作用，利用射线与物质的相互作用所产生的一系列效应，探知射线的存在，以及它的种类、强度、能谱等等相关的信息。因此，研究射线与物质的相互作用是研究射线探测、辐射防护和同6位素应用的基础。4.1电离与激发当带电粒子走近原子时，这些带电粒子就会和核外的束缚电子相互发生作用，当带电粒子的能量足够大时，就能使束缚的电子脱离原子核的束缚，成为自由电子，从而产生了离子对，这种效应称为原子的电离。而当带电粒子的能量不够大或距离原子较远时，不能使束缚电子成为自由电子，只能使束缚电子从低能态跃迁到高能态，从而使原子处于较高能量的激发态，这个过程称为原子的激发。处于激发态的原子是不稳定的，它会自发地回到基态，即高能轨道上的电子会自发地回到原来的低能轨道上，这个过程称为退激。退激时，多余的能量会以光的形式释放出来，这就是伴随着激发过程的发光效应。我们只要测出带电粒子在物质中产生的离子对或测量到退激时发出的光，我们即可测到带电粒子的射线了。电离和激发是带电粒子与核外电子相互作用产生的。4.2散射带电粒子除与核外电子发生相互作用以外，还可以与原子核发生作用，带正电的原子核的静电场可以改变带电粒子的运动方向，这种现象称为散射。科学家利用α粒子的大角度散射，证实了原子核的存在。β粒子很轻，容易发生散射，还可以发生多次散射，这是在测量β射线时需要认真对待和注意的事情。高速运动的带电粒子可以与原子核发生非弹性碰撞，使带电粒子的运行突然改变，并伴有连续能谱的Χ射线发射出来，这就是靭致辐射。综上所述，带电粒子通过物质时，发生电离、激发和散射，会逐渐损失其能量，最终被物质阻止着，即被物质吸收。4.3γ射线与物质的相互作用γ与物质相互作用主要有三种效应，即光电效应、康普顿效应和电子对效应。光电效应就是光子被吸收，能量转移给光电子；康普顿效应即光子把一部分能量给康普顿电子，γ光子改变方向。电子对效应是光子能量h1.02Mev时，光子转换为一对电子。5有关低水平测量5.1低水平γ放射性测量低水平γ放射性测量主要是用低本底反康普仪。其主探测器可以是NaI(Tl)、7Ge(Li)和HPGe探测器。反符合探测器可以用塑料闪烁体，凹型NaI(Tl)、BGO、BaF2等，配有铅屏蔽系统可以得到本底很低的精细γ谱，这里不作详述。5.2低水平α、β放射性测量目前，国内外使用的低水平αβ测量仪，就它使用的探测器而言，可分为三类：第一种是使用流气式正比计数管为探测元件；第二种是使用塑料闪烁体上喷涂ZnS（Ag）做探测元件；第三种是使用半导体探测器作探测元件。下面简要介绍这三种低水平αβ测量仪的优缺点。5.2.1流气式正比计数管低水平αβ测量仪目前，我国进口的低水平αβ测量仪均为此类型仪器，262厂及康科洛公司也有此类产品出售。其主要的优点是：⑴辐射源与计数管灵敏体积之间无窗，或极薄窗；⑵灵敏体积大，可同时测量多个样品；⑶对测量低能β，同其它类型的低水平αβ测量仪相比较，有着无法比拟的优势，要测量3H或14C的低能β，是有其优势的，如在考古部门,但是对于测量饮用水中的β，因国际标准定义的测量下限为300Kev，所以此项优势的用途不大⑷数据微机化，软件较完善。不足之处：⑴它必须备有一个较笨重的供气系统，如果气体是“一次通过”型的，则要不定期地更换气瓶。如果气体是“循环”型的，要备有一套较复杂的气体纯化器；⑵气体是氩与甲烷按照一定比例混合而成的，仪器对所用气体的质量要求较高，气体的成分、纯度和压力均对测量结果有着明显的影响；⑶计数管的工作电压在既能测量α粒子，又能测量β粒子的“β坪”上，β坪较短且斜率较大，故对高压要求较高；⑷进口仪器价格昂贵，售后服务不够方便，计算机软件全部为英