4核辐射测量方法-(硕).

核辐射测量方法上海交通大学张继革副研究员2016年3月21日2020/1/122/87核辐射测量任务放射性活度的测量辐射场量的测量：辐射注量(率)辐射粒子能量或能谱测量辐射剂量的测量位置的测量(辐射成像)有关时间的量：半衰期或寿命等粒子鉴别等2020/1/123/87放射性活度放射性活度的严格定义：处于特定能态的一定量放射性核素在给定时刻的活度A是dN除以dt，是该能态发生自发衰变或核跃迁数的期望值单位时间间隔内的核衰变通常称为衰变率。因此活度也即放射性核素在某时刻的衰变率的期望值放射性活度国际单位为贝克勒尔简称Bq(贝克)1Bq=1衰变/s1MBq=103kBq=106Bq1950年，国际规定一个放射源每一秒钟有3.7×1010次核衰变定义为一个居里：1Ci=3.7×1010Bq2020/1/124/87与放射性活度有关的概念发射率：是指放射性样品在单位时间内平均发射某种射线的粒子数比放射性活度(比活度)：放射性样品中某种放射性核素的活度与样品质量(或体积)之比，即单位质量(或体积)的放射性样品内核素的活度。其单位是kBq·g-1，MBq·g-1，Bq·l-1，kBq·l-1等一般探测装置对放射性样品进行活度测量时，得到的是单位时间内纪录的脉冲数，即计数率2020/1/125/87放射性样品的活度测量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：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2020/1/126/87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绝对测量中影响活度测量的几个因素•几何因素•探测器的本征探测效率•吸收因素•散射因素•分辨时间•本底计数2020/1/127/87几何因素对于一般探测器，放射性样品都是放在探测器外面进行测量的，因此射入探测器灵敏体积的粒子数只是发射率的一部分。一般用几何因子fg来进行校正fg的定义是每秒到达探测器灵敏体积的粒子数目与样品每秒发射的粒子数目之比几何因子的校正对点源易于计算，对非点源或扩散源可用数值积分方法计算2020/1/128/87点源对圆盘探测器的几何效率)1(21sin24122/1HRHdfHRtgog2RH探测器源θ0000112sin(1cos)442gfd2020/1/129/87本征效率本征探测效率就是进入探测器灵敏体积的一个入射粒子产生一个脉冲的几率探测器本征效率的最大值为1，其数值与探测器种类、运行状况和几何尺寸有关、与入射粒子的种类和能量、探测器窗厚度有关，还与电子记录仪的工作状况有关粒子以平行束入射和以锥形束入射的探测效率是有差别的％积的粒子数单位时间内进入灵敏体测到的脉冲计数率1002020/1/1210/87吸收因子放射性样品发射的射线，在达到探测器之前，一般要经过三种吸收层：样品材料本身的吸收(自吸收)样品和探测器之间空气层的吸收探测器窗的吸收自吸收吸收因子0xIIeaaaaffff自空气窗_0mmaIxfIe2020/1/1211/87散射因子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的影响有两类：正向散射和反向散射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，这种散射使计数率减少反向散射使原来不该射向探测器的射线经散射后进入灵敏区，这种散射使计数率增加2020/1/1212/87分辨时间（resolvingtime)分辨时间：两个相继出现而仍能被分辨的脉冲或电离事件之间的最小时间间隔探测器、计数器、脉冲幅度分析器等均有一定的分辨时间在分辨时间内无法记录进入探测器的第二个粒子2020/1/1213/87死时间几乎在所有的探测系统中，都存在一个最小时限，两个事件之间的时间间隔大于此时限才能被分辨开而记录为两个单独的脉冲，这个最小的时限通常称为探测系统的死时间。死时间可能由探测器本身的过程所决定，也可能由电子学线路所决定。由于放射性衰变的随机性，将会造成真事件的丢失2020/1/1214/87分辨时间校正时间修正因子n为有分辨时间实际测量到的计数率m为没有分辨时间损失的计数率τ为测量装置的分辨时间计数装置实际测得的计数率要比真正进入探测器内的计数率要小1nfnmmnmn2020/1/1215/87时间分辨率（timeresolusion)时间分辨率：表示脉冲探测器区分两个相继入射粒子能力的一个量它通常用探测器输出信号延迟时间分布谱峰的半高宽度来确定经常利用放射源同时发出两个射线来测量探测器的时间分辨率。例如：电子对湮灭时产生两个0.511ＭeV的γ射线，一个射线给出标准时间信号，另一个给出探测器的输出信号，通过测量输出信号对标准时间信号的延迟时间，得到时间分布谱及时间分辨率。2020/1/1216/87本底计数（backgroundcount)在放射性测量中，狭义的本底计数是指没有被测样品时测量装置显示出的计数，而把样品中干扰放射性产生的计数称为干扰计数。总的本底计数＝无被测样品时计数+干扰计数放射性样品的净计数率为测得的计数率减去本底计数率0-净计数测量值本底（）（）（）sbnnn2020/1/1217/87本底来源宇宙射线是由太空进入地球大气的一些粒子及其次级产物组成的。前者称为初级宇宙射线，例如能量大于10MeV的质子、少量α粒子、各种原子核。后者称为次级宇宙射线，主要是初级宇宙射线与大气中的原子核相互作用产生的μ介子、电子、光子、高能中子及质子。2020/1/1218/87本底来源周围环境的放射性核素•测量装置周围环境中的放射性核素主要有40K、238U和232Th衰变链中的各核素，还有裂变气体如85Kr及活化气体41Ar等屏蔽材料及探测器件中的放射性核素•γ射线的屏蔽材料一般采用铅和铁，铅中常含有210Pb和Ra，某些钢中含有60Co。砖和混凝土等建筑材料中含有微量的Ra，U，Th•闪烁探测器的光电倍增管玻璃中含有40K，NaI(Tl)晶体中含有少量的40K、Ra、Th。用作窗材料的云母也含有40K2020/1/1219/87降低本底的措施降低铅屏蔽材料中的微量放射性核素，选择放置老铅或特殊精练过的铅。保证铅中的Rn-222,K-40衰变完。为了吸收铅屏蔽体中的低能散射射线或铅的射线，可以在铅屏蔽体中加一层镉。镉在该能量段的质量衰减系数较大。当装置周围有中子源存在时，可以用含有硼、石蜡（含氢较多）先屏蔽中子。为减少氡、钍射气造成的本底，可以采用有效的通风。为了降低探测器元器件带来的本底，采用石英玻璃的光电倍增管，可以先对NaI(Tl)晶体经过钾提纯，减少K-40的影响。2020/1/1220/87降低本底的措施降低宇宙射线中硬成分的影响可以采用反符合屏蔽。所谓反符合屏蔽是指在探测器的周围和顶部安放一组探测器，样品发出的射线能量低，只能被主探测器记录，而高能宇宙射线则能被主探测器和屏蔽探测器都记录。将屏蔽探测器中的记录从主探测器消去，就能消去高能宇宙射线的影响。对接地不良造成的电子学线路干扰，可以缩短放大器和探测器距离，所有电子学仪器都一点接地2020/1/1221/87测量方法对α、β放射性核素的活度采用小立体角法或者4π方法对γ放射性核素采取能谱测量对中子进行探测2020/1/1222/87α、β放射性核素的活度－小立体角法1-铅室；2-铝或塑料板；3-探测器；4-探测器的窗；5-支架；6-准直器；7-源托板；8-放射源为减少本底，放射源和探测器都置于铅室内，铅壁厚度一般要大于5mm为了减少散射,铅室内腔要足够空旷2020/1/1223/87为了减少β在铅中的韧致辐射,铅室内壁有一薄层铝皮或塑料(厚度约为2-5mm)为了减少源的支架及托板的散射和韧致辐射,它们都采用低Z材料作成.准直器用来确定立体角,并可防止立体角以外的射线进入探测器探测器采用薄云母窗的钟罩型G-M计数管.也可以用薄窗正比管、塑料闪烁探测器(加避光铝铂)。2020/1/1224/872020/1/1225/87设待测放射源的活度为A，每次衰变放出一个β粒子，测得的总计数率为n，本底计数率为nb，则净计数率n0为ε为小立体角测量装置对β射线的总探测效率fg为相对立体角修正因子，fa为吸收修正因子，fb为反散射修正因子，fk为坪斜修正因子，fτ为分辨时间(即死时间)修正因子，fr为探测器对γ射线灵敏的修正因子ε本征为探测器本征效率。如果ε已知，由测得的n和nb，就可求出，放射源活度A。ε由许多修正因子组成AffffffAnnnrkbagb本征02020/1/1226/874计数法用小立体角法进行绝对测量要经过多种修正，造成测量误差加大。4π计数法是把源移到计数管内部，使计数管对源所张的立体角为4π，这就减少了散射、吸收和几何位置的影响，测量误差比小立体角法大大减小，误差可到1%左右。流气式4π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β放射性测量，将14C、3H混于工作介质中)2020/1/1227/87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：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0CeNhN2020/1/1228/87能谱能谱的定义：能谱就是的直方图实验直接测得的是脉冲幅度谱，即式中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EdEdN~/hdhdN~/2020/1/1229/87由于统计涨落，即使对同一能量的带电粒子，也会产生不同幅度的脉冲，形成脉冲幅度分布。脉冲幅度分布的中心值对应某一入射粒子的能量实测多采用多道脉冲幅度分析器给出：()()ixiyx计数率～道址2020/1/1230/87谱仪的能量刻度和能量刻度曲线探测器输出脉冲幅度与入射粒子能量E一般具有线性关系，这里的指脉冲幅度分布的中心位置的幅度值。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：而脉冲幅度分析器具有良好的线性，12EKhKxh0()ExGxE增益，单位为[KeV/ch]零道址对应的粒子能量，称为零截hh2020/1/1231/87E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ExE0EG1E2E3E1x2x3x2020/1/1232/87α能谱测定在α能谱测量中常用金硅面垒型半导体α能谱仪系统的能量分辨率定义为：，其中ΔE为测量误差，E为能谱峰值。如对于210Po：Eα＝5.3MeV，ΔE＝15.8KeV315.82.98100.3%5300EEEE2020/1/1233/87α能谱仪的刻度当测出α脉冲幅度谱以后，还需进行能量刻度，才能确定所测α粒子的能量。能量刻度曲线：用已知能量的α放射源，在相同条件下测量它们的能量所对应的脉冲幅度(或道址)，作出能量和脉冲幅度的关系曲线。对于α粒子能谱的测量，要考虑到α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。如金硅面垒半导体探测器；屏栅电离室；带窗的正比计数器等2020/1/1234/87β最大能量的测定β能谱是连续谱，能量分布在从零到相应的最大能量之间测量β能谱的装置有β磁谱仪和半导体β谱仪测定β最大能量的最常用的是吸收法I0，I：分别为经过厚度x吸收物质前后的β粒子的注量率；μ：β射线在物质中的线衰减系数用吸收法测得粒子的最大射程，再根据经验公式求得其最大能量β最大能量测定还可用半吸收厚度法，方法简单，迅速，但误差较大0xIIe2020/1/1235/87γ射线能谱测量γ能谱是γ射线产生的脉冲计数按能量的分布，