原子核物理实验方法Chapter8

课程名称：《原子核物理实验方法》第章度测量第8章α、β源活度测量清民清民副教授副教授张清民张清民副教授副教授[e-mail]核科学与技术学院核科学与技术学院能源与动力程学院能源与动力程学院能源与动力工程学院能源与动力工程学院西安交通大学西安交通大学核科学与技术学院SchoolofNuclearScienceandTechnology目录Page28.1概述8.2α放射源活度的测量83β放射源活度的测量8.3β放射源活度的测量8.4液体闪烁计数器测源活度液体闪烁计数器测源度SchoolofNuclearScienceandTechnologyPage38.1概述放射性活度的测量和核科学技术领域的各个方面的发展有十分密切的关系。展有系例如：1）低能核物理中许多核衰变参数和某些反映参数的确定最终都要归结到样品放射性活度的测映参数的确定，最终都要归结到样品放射性活度的测量；2）放射性核素的生产及其在工、农、医等学科研究中的应用以及环境监测等方面都涉及到放射研究中的应用，以及环境监测等方面，都涉及到放射性活度测量。所以放射性活度的测量与标定在核物理及核技所以，放射性活度的测量与标定，在核物理及核技术中有着很重要的地位。放射源活度的测量涉及面较广源活度范围很大放射源活度的测量涉及面较广，源活度范围很大，每一种方法往往适合一定范围。本章介绍微居级α、β源活度的测量SchoolofNuclearScienceandTechnology源活度的测量。8.2α放射源活度的测量Page4核工程、辐射防护、核物理实验以及放射性样品测量中常常会碰到α放射放射性样品测量中，常常会碰到α放射源活度的测量问题。一小立体角法测薄α源活度、小立体角法测薄α源活度假定放射源各向同性地发射出α粒子，而测量仪器的效率是已知的则通过记而测量仪器的效率是已知的，则通过记录一定立体角内的α粒子计数率便能推算出源的活度。算出源的活度。放射源发出的α粒子经准直器打到探测器（闪烁体）上闪烁体发出的光子测器（闪烁体）上，闪烁体发出的光子经光导进入光电倍增管。SchoolofNuclearScienceandTechnologyPage5为接近于点源，源和探测器要稍远一点。管子长一般几十厘米，比α粒子在大气中的管子长般几十厘米，比α粒子在大气中的射程要长。因此，管内要抽真空以避免空气的吸收和散射。准直器孔径的大小确定了探测器对源所张的立体角。为了准确计算立体角，准直孔轴线与源轴线要重合源轴线要重合。由于探测器对源所张的立体角很小，α粒子从源承托膜上的反散射可不考虑。从源承托膜上的反散射可不考虑。闪烁体可以是硫化锌荧光屏或碘化铯薄闪烁体，也可用薄塑料闪烁体。若不用闪烁体，可用半导体探测器（如金硅面垒型探测器）或薄窗正比计数管。SchoolofNuclearScienceandTechnologyPage6设放射源活度为A，每衰变放出一个α粒子，测到的计数率为n,本底计数率为nb，则子，率,本率b，则净计数率为：式中Ω/4π为探测器对源所张的相对立体角。相对立体角又称几何因子，记为f。在球面坐标中，相对立体角又称几何因子，记为fg。在球面坐标中，立体角为式中α为θ的最大值，如图所示。对点源有对点源有式中，h为源到准直孔的垂直线离，r准直孔半径。SchoolofNuclearScienceandTechnologyPage7实际情况中，源面积总有一定大小。小。例如:在放射源为均匀圆平面时，如图所示。源的半径R和源到准直及如图所示。源的半径R和源到准直及距离h相比不能忽略，就无法用上式。R1为源半径，R2为探测器半径，R1为源半径，R2为探测器半径，当源面沿（θ，φ）投影到探测器所在平面上，只有其投影与探测器圆在平面上，只有其投影与探测器圆面重叠部份S(θ,φ)的粒子才被探测器记录。此时，几何因子为参见附录p459记录。此时，几何因子为参见附录p459SchoolofNuclearScienceandTechnologyPage8计算α源活度时要注意测到的计数率n必须对分辨时间进行修正。辨时间进行修正。设装置的分辨时间为τ，测到的计数率为n，则真正进入计数管的粒子数应为想一想忽略了什真正进计数管的粒子数应为想一想，忽略了什么因素？这里假设对进入探引进分辨时间修正因子正fτ：这里假设对进入探测器的α探测效率100%考虑到本底计数率要比样品计数率低很多，因100%考虑到本底计数率要比样品计数率低很多，因此,放射源活度可表示：SchoolofNuclearScienceandTechnologyPage9小立体角法测α源活度的准确度很高。然而要求待测样品做成薄而均匀的源，活性区的直径也不能太大，这样才能满足点源的近似及忽略自吸收的影响。射线被源物质自吸收将使计数率和能谱都有改变。为了鉴定α源的自吸收是否严重，可以预先测定源的能谱。α源是单能的，它的射程很短，当源厚度增加时，自吸收变得严重起来，因此谱线向低能方向畸变，峰的分辨率也愈来愈坏。SchoolofNuclearScienceandTechnologyPage10二、厚样品的放射性比活度测量当样品厚度不能认为是无限薄时，必须考虑自吸收。为此需要知道α粒自需子在样品中的射程。这是很难测准的。所以，厚样品常常通过比放射所，厚样常常射性，即每克样品的放射性活度，作相对测量。设样品比放射性为Am，每次衰变放出一个α粒子，样品质量厚度为tm，面积为S，而且个子，样质厚m，，假定样品直径远大于样品厚度。我们考虑样品中离表面距离为x，厚度为dx的一薄层，如图所示，对这一，厚薄，，薄层中向上出射的所有粒子中，只有在样品中穿过的实际厚度小于其在样品中射程的那些粒子，才有可能SchoolofNuclearScienceandTechnology实厚度于其在样中射程那粒子，才有可能从样品表面射出进入探测器。Page11这相当于以O点为顶点在θ圆锥内向上发射的α粒子。这一部份占O点向发射的粒子这部份占点发射的α粒子总数的份额为(x=R)()于是，深度为x的薄层dx中发射的于是，深度为薄中射α粒子中，能射出样品表面的粒子数就为为SchoolofNuclearScienceandTechnologyPage12将上式对整个样品厚度积分，便得到每秒内能射出样品表面的α粒子总数I出样品表面的α粒子总数I第一项为不考虑自吸收时样品向上方发射的α粒子第项为不考虑自吸收时样品向上方发射的α粒子数。第二项表示被样品自吸收的份额第二项表示被样品自吸收的份额。所谓薄源，就是自吸收可以忽略。此时，源厚度应当比射程小得多如果要求自吸收小于1%这相应当比射程小得多。如果要求自吸收小于1%，这相当于要求样品厚度tm0.02R。SchoolofNuclearScienceandTechnologyPage13从上式也可看到，当样品厚度tm≥R时(即深度大于R部分的α粒子根本出不来)从表面出射的粒子数达到部分的α粒子根本出不来)，从表面出射的粒子数达到饱和。此时的α粒子从表面的饱和出射率为表明：当样品厚度超过α粒子在样品中的射程时α表明：当样品厚度超过α粒子在样品中的射程时，α粒子从表面的出射率和比放射性、射程成正比，而和样品厚度无关样品厚度无关。选择一种比放射性已知的样品作为标准，它与待测样品有相同的S和R则A/A=I/I式中I及I分别样品有相同的S和R，则Am/Am0=I/I0，式中I及I0分别为待测样品及标准样品的α粒子表面出射率。Am和A分别为待测样品及标准样品的比放射性SchoolofNuclearScienceandTechnologyAm0分别为待测样品及标准样品的比放射性。Page14因此，从实际测到的计数率之比、标准样品的比放射性A便可推算出待测样品的比放射性比放射性Am0，便可推算出待测样品的比放射性，再由样品的质量M可得总的放射性活度:AMAA=MAm这种依赖于与标准样品或与标准仪器比较的方法称为相对测量相对测量简单方便适宜于大法称为相对测量。相对测量简单方便，适宜于大批量样品的测量。SchoolofNuclearScienceandTechnology8.3β放射源活度的测量Page15β源的活度测量有下面一些问题：第粒子的能谱是连续的从零到都有第一，β粒子的能谱是连续的，从零到Emax都有。能量低的β粒子从放射源到探测器途中易被吸收，即使进探测器在探测器产生的信号幅度也很即使进入探测器，在探测器里产生的信号幅度也很小，很可能淹没在噪声里而被甄别掉。所以，测到的β计数将比实际的偏低的β计数将比实际的偏低。第二，β粒子质量小，在源与探测器途中易被散射。从使测到的计数与真的活度有差异为此需从而使测到的计数与真正的活度有差异，为此需要修正。下面讨论常用的小立体角绝对测量的方法。SchoolofNuclearScienceandTechnologyPage16为减少本底，放射源和探测器都置于铅室内。以减少宇宙器都置于铅室内。以减少宇宙辐射及周围环境放射性引起的本底。铅室的厚度一般为本底。铅室的厚度般为50mm左右。铅室内壁衬以铝或塑料板，铅室内壁衬以铝或塑料板，厚度约2－3mm。它的作用是减少β射线在铅中产生的韧致减少β射线在铅中产生的韧致辐射。放射源支架要用低原子序数放射源支架要用低原子序数的材料，且内腔尽量做得空旷，为的是减少散射的影响。SchoolofNuclearScienceandTechnology为的是减少散射的影响。Page17准直器中间的空间大小，决定了立体角的大小。为防止选定了立体角的大小。为防止选定立体角外的粒子进入计数管灵敏区，准直器厚度要略大于β灵敏区，准直器厚度要略大于β射线在其中的射程。为了使能量低的β粒子亦能进为了使能量低的β粒子亦能进入探测器的灵敏区，探测器的窗要薄，气体探测器常用云母窗要薄，气体探测器常用云母片做窗。塑料闪烁体为避光，需用极薄的铝箔。需用极薄的铝箔。常用的探测器有钟罩型计数管，也可用带窗的流气正比计SchoolofNuclearScienceandTechnology管，也可用带窗的流气正比计数管或塑料闪烁计数器。Page18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n则净计子，测得的总计数率为n，本底计数率为nb，则净计数率n0为：式中，ε为小立体角测量装置对β射线的总探测效率如果ε已知由测得的n和n就可求出放射源活率。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，以下讨论诸修正因子。SchoolofNuclearScienceandTechnologyPage191）相对立体角修正因子fg设准直孔的半径为源到准直孔的距离为h若设准直孔的半径为r，源到准直孔的距离为h，若放射源是各向同性的发射β粒子，则对点源而言，由于探测器只能测到小立体角Ω内的β粒子所以要由于探测器只能测到小立体角Ω内的β粒子，所以要进行立体角修正。相对立体角修正因子fg为：SchoolofNuclearScienceandTechnologyPage202）吸收修正因子faβ射线从放射源内射出到探测器灵敏体积的路径中β射线从放射源内射出到探测器灵敏体积的路径中要经过源自身、空气、探测器入射窗等的吸收，由于这些吸收入射到探测器灵敏体积内的粒子数减少这些吸收，入射到探测器灵敏体积内的粒子数减少，所以要进行吸收因子的修正。总的吸收修正因子为总的吸收修正因子为：式中：fas、faw、fam分别表示源自身吸收、空气吸收入射窗吸收的修正因子收、入射窗吸收的修正因子。SchoolofNuclearScienceandTechnologyPage213）反散射修正因子fb由于放射源是放在托板上的，托板又是在支架上由于放射源是放在托板上的，托板又是在支架上的，这些物质引起本不在小立体角的β粒子大角度散射而进入探测器内从而被探测器记录引起计数射而进入探测器内，从而被探测器记录，引起计数增加。用实验的方法可以确定反散射修正因子。用实