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第七章 核辐射测量方法.._职业技术培训_职业教育_教育专区。第七章 核辐射测量方法.. 第七章 辐射测量方法 辐射测量对象: 放射性样品活度测量; 辐射场量的测量; 辐射能量或能谱

  第七章 核辐射测量方法.._职业技术培训_职业教育_教育专区。第七章 核辐射测量方法..

  第七章 辐射测量方法 辐射测量对象: 放射性样品活度测量; 辐射场量的测量; 辐射能量或能谱的测量; 辐射剂量的测量; 位置的测量(辐射成像); 时间的测量; 粒子鉴别等。 7.1 放射性样品的活度测量 1、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。 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。 2、绝对测量中影响活度测量的几个因素 1) 几何因子 (fg) 点源 ? 1 fg ? ? 4? 4? ? ?0 0 1 2? sin?d? ? (1 ? cos? 0 ) 2 2) 探测器的本征探测效率或灵敏度 (1) 对脉冲工作状态:本征探测效率? 测 到 的脉 冲 计 数 率 ?? ? 100 % 单 位 时间 内 进 入 灵敏 积 体 的 粒子 数 (2) 对电流工作状态:灵敏度? 信号电流 (或 电 压 )值 ? ? A(V ) / 单位照射量率 ?? 入射粒子流强度 有关因素:入射粒子的种类与能量;探测 器的种类、运行状况、几何尺寸;电子仪器的 状态(如甄别阈的大小)等。 3) 吸收因子 (fa) 射线从产生到入射到探测器的灵敏体 积所经过的吸收层为: ?样品材料本身的吸收(样品的自吸收); ?样品和探测器之间空气的吸收; ?探测器窗的吸收。 4) 散射因子 (fb) 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。 散射对测量结果的影响有两类: 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,使计数 率减少。 反向散射 使原本不射向探测器的射线经 散射后进入灵敏区,使计数率 增加。 5) 死时间修正因子 n f? ? ? 1 ? n? m ( f? ) 式中n 为实际测量到的计数率,m为真计数 率,?为测量装置的分辨时间。 6) 本底计数率 (nb) n0 ? ns ? nb 3、对?、?放射性样品活度的测量方法 1) 小立体角法 ?T 其中:? T ? ? ? f g ? fa ? f b ? f? A? ns ? nb 对于薄?放射性样品, ? ? 100 % f a ? 1 f b ? 1 对于厚?放射性样品和?放射性样品的测 量需考虑各种修正因子。 修正因子多,测量误差大,达5%~10% 2) 4?计数法 将源移到计数管内部,使计数管对源所 张立体角为4?,减小了散射、吸收和几何 位置的影响。测量误差小,可好于1%。 流气式4?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?放射性测量,将 14C、3H混于工作介质中) 4、?射线强度的测量 ?射线强度的测量包括?辐射场测量和? 射线放射源活度的测量。同样可以用相对 测量法和绝对测量法测量。 如能获得?能谱,可利用?谱的全能峰面 积来确定源活度, 对于? 射线同位素放射 源绝对测量常用源峰效率 ? sp 得到源活度: A? ns ? nb ? sp 7.2 符合测量方法 符合事件: 两个或两个以上在时间上相互关联的事件。 60 Co h? h? e? e? ? ? ? 60 h? Ni h? 符合方法: 用不同的探测器来判断两个或两个以上事 件的时间上的同时性或相关性的方法。 1、符合方法的基本原理 1) 符合(真符合)——用符合电路来选择同时事件 以?-?符合装置为例:对一个放射源同时放 出的?和?射线,用两个探测器分别测量。 由于本底同时进入两个探测器的几 率很小;而级联 ???是相关事件,它们 分别进入两个探测器的时刻一定是同 时的,则有: n? ? A? ? n? ? A? ? 符合计数: nco ? A? ? ? ? 可得放射源的活度为:A ? n? n? nc (2) 反符合—— 用反符合电路来消除同时事件 如HXMT的复合晶体探测器及荷电粒 子反符合屏蔽装置。 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 与谱全面积之比)。 记录入射?射线在探测器中能量全吸收的事件; 而去除发生康普顿散射、并且散射光子又发生 逃逸的事件。 h? h? e? HPGe BGO ANTI COIN Gate 多道分析器 HPGe BGO 成形 成形 成形 反符合: 消除符合事件的信号。 HPGe BGO Output (3) 符合装置的分辨时间及偶然符合 符合装置的分辨时间:符合装置所能区分的最 小时间间隔?s,符合电路两输入信号时间间隔只 要小于?s,就被认为是同时事件给出符合信号。 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偶然符合。 由于分辨时间的存在,引起偶 然计数: n ? 2? n n rc s 1 2 推广:i重符合时的偶然符合计数率: nrc ? i? n n i ?1 s 1 2 ni 减小偶然符合计数率的方法: (1)减小符合分辨时间? s,但是会影响符合效率 (2)减小各符合道计数率n 。 例:实验测得偶然符合计数率 nrc =72/hr. 符合道计数n1 =n2 =100/sec ,欢迎公海来到赌船710求分辨时间? s。 nrc 72 / 3600 ?6 ?s ? ? ? 1 ? 10 sec 2n1n2 2 ? 100 ? 100 真偶符合比 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。 nc ? nco ? nrc 仍以?-?符合为例: 真符合计数率为: nco ? A? ? ? ? nrc ? 2? s n? n? ? 2? s A? ? ? A? ? 偶然符合计数率为: 则,真偶符合比为: nco 1 R? ? nrc 2? s A (4) 延迟符合 关联事件可以是同时性事件,也可以是不同 时性事件。 飞行时间方法(TOF)测量粒子的飞行时间。 DET1 ? DET2 D1 D2 D1 ? ? d ?d DELAY COIN COIN (5) 符合曲线 符合脉冲受到多方面因素的影响: 输入脉冲的形状; 符合电路的工作特性; 计数器的触发阈值。 这些因素影响符合性能,其综合效应可以通过 符合曲线表现出来。 符合曲线:n(td) ~ td Signal1 Signal2 DL1 COIN DL2 计数器 电子学瞬时符合曲线,假设: 同步信号频率nco ; 不存在时间离散; 成形脉冲是理想的矩形波。 ?? 0 ? DL1 DL 2 ? td 符合曲线的高度为nco ,半宽度为: FWHM ? 2? 由此决定电子学分辨时间为: FWHM/2 = ? 。 电子学分辨时间与成形脉冲宽度、形状、符 合单元的工作特性等因素有关。 物理瞬时符合曲线: 探测器输出脉冲时间统计涨落引起的时间晃动; 系统噪声引起的时间晃动; 定时电路中的时间游动。 由此决定物理分辨时间。 慢符合:成形脉冲宽度10?8sec. ; 快符合:成形脉冲宽度10?8sec. 。 快符合的符合曲线宽度主要 是脉冲时间离散的贡献。 ?1 DET1 60 n( td ) nco ? nrc Co * ?2 DET2 0 t 2.符合测量装置 1)、多道符合能谱仪 加速器带电粒子核反应: d ? 3 H ? 4 He ? n ? 17.6MeV d n ? n ? GATE MCA 分析道 DET1 GATE SCA COIN n AMP DET2 ? AMP SCA 符合道 2)、HPGe反康普顿?谱仪 Ge BGO GATE MCA GATE HPGe AMP SCA ANTI ANTI COIN BGO AMP SCA 用HPGe反康 普顿?探测器 测得的60Co ? 能谱 3)快慢符合装置 4)4??-?符合装置 n? nc n? 这是一种测量放射性活度的标准方法,适用 于带?-?级联衰变的放射性核素。 其测量结果的修正因素为: (1) 偶然符合的校正 设由?道、?道及符合道输出的计数率 分别为: ? ? n n n? c ? ? ? ? nc ? nrc 其中: nc ? ? ? 而: nrc ? (n? ? ? nc )n? ? s ? (n? ? nc )n?? s 则: ? ? 2? s n? ? nc n ? ? nc ? ? 1 ? ? s (n? ? n ? ?) (2) 死时间校正 各道死时间由成形电路决定,用?表示。在 ? 时间内,放射源不发生衰变的概率为1-A? 考虑死时间后,?道的探测效率为: ? ? ? ? ? ? ? ? A? ? ? ? A? (1 ? ? ? ) ?? 在?内发生衰变,但没有被 测到,这部分实际上未受? 的影响,要补回去。 在?内发生衰变的概率 与探测效率的乘积。 所以,?道的计数率可表示为: ? ? A? ? (1 ? A??? ) n? ? A? ? 类似可得出 ? 道的计数率为: ? ? A? ? (1 ? A??? ) n? ? A? ? 符合道的计数率应为: nc ? A? ? ? ? [(1 ? A? ) ? A? (1 ? ? ? )(1 ? ? ? )] 并考虑 A? 1,可得到: n? n? ? A(1 ? A? ?? ? ? ) nc 若 ? ? ? 100% n? n? ? A(1 ? n? ? ) nc 综合考虑偶然符合及死时间两项修正, 可以得到源活度A. ? n? n? [1 ? ? s ( n? ? ? n? )] A? ? ? 2? s n? ? (1 ? n? ? )( nc ? n? ) 这样,只要测出三道的计数率及它们的本底 计数率,并事先测定各道的死时间和符合装置 的分辨时间,就可以求出源的活度。 其它校正因素还有: 内转换电子修正; ?探测器对?灵敏度修正;?探测器对?灵敏度修正; ?-?符合计数修正,等。 5) 双PMT液体闪烁计数器 特点:采用符合方法,可以降低光电 倍增管的噪声,有利于低能?粒子核素等 的测量。 6)、延迟符合装置测量核激发态寿命 A ?? ? B 瞬时符合曲线; 延迟符合曲线。 当? e ? 时, N ( td ) ? n0e ? ?e td ? nrc td ?C 取对数,得到: ln ? ? N ( td ) ? nrc ? ?? ? 直线拟合可以求出核激发态寿命?e 。 ?e 7.3 ?能谱与?最大能量的测定 1. 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: Ne h? C0 N 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。 1) 能谱 能谱的定义:能谱就是 dN / dE ~ E 的直方图。 但实验直接测得的是脉冲幅度谱,即 dN / dh ~ h 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。 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: y xi (计数率 ) ~xi (道址) 2) 谱仪的能量刻度和能量刻度曲线 探测器输出脉冲幅度 h 与入射粒子能量E一般 具有线性关系,这里的 h 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: E ? K1 ? h ? K 2 而脉冲幅度分析器具有良好的线性, x ? h 所以: E( x ) ? G ? x ? E0 增益,单位 为[KeV/ch] 零道址对应的粒子 能量,称为零截 E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E。 E E1 G E2 E3 E0 x3 x2 x1 x 2. ?能谱的测定 1) 能量分辨率 以金硅面垒半导体探测器为例。 ?E ? ?E ? ?E ? ?E 2 1 2 2 2 3 210Po的E ?=5.3MeV,?E=15.8KeV 15.8 ?3 ?? ? 2.98? 10 ? 0.3% 5300 ? 统计涨落引起的谱展宽 ? 噪声引起的谱展宽 ? 空气和窗引起的谱展宽 2) ?能谱仪的能量刻度 在测得输出脉冲幅度谱后,必须进行能量 刻度,才能确定?粒子的能量。借助一组已知 能量的?源进行能量刻度,得到一条能量刻度 曲线。 根据脉冲幅度分布的中心位置道址求 出?粒子的能量。 3) 探测器的选择 对于?粒子能谱的测量,要考虑到?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。 金硅面垒半导体探测器;屏栅电离室;带 窗的正比计数器等。 3. ?能谱的测定 由于?能谱是连续谱,仅存在E?max,给测量 带来困难。 1)精确测定?粒子能谱(如采用磁谱仪),用居 里描绘而求出E?max。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 果。 2)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。对?衰变伴有?射线发 射的样品,一般都通过?能谱的测量来确定核素 的含量。 7.4 ?射线. 单能?能谱的分析 1) 单晶?谱仪 常用NaI(Tl),Cs(Tl),Ge(Li),HPGe等探测器 2) 单能?射线的能谱 主过程:全能峰 —— 光电效应+所有的累 计效应;康普顿平台、边沿及多次康普顿散 射;单、双逃逸峰。 其他过程:和峰效应;I(或Ge)逃逸峰;边缘 效应(次电子能量未完全损失在灵敏体积内)。 屏蔽和结构材料对?谱的影响:散射及反散射 峰;湮没峰;特征X射线) 能量特征峰 从单能?射线能谱中可以看出,全能峰、单逃 逸峰、双逃逸峰的峰位所对应的能量与?射线的 能量都有确定的对应关系,称为特征峰。即: 全能峰 单逃逸峰 双逃逸峰 E f ? E? Es ? E? ? 511KeV Ed ? E? ? 1022KeV (1) 峰位和能量刻度 峰位即特征峰的中心位置,代表?射线的能量。 能量刻度:选一组能量已知的?射线标准源, 用?谱仪得到特征峰的峰位与?射线能量的关系, 称为对该?谱仪的能量刻度。 (2) 峰宽与能量分辨率 峰函数:用高斯函数表示。 y( i ) ? y( i p )e ? ( i ? i p ) 2 / 2? 2 FWHM与?的关系: FWHM ? 2.355? 能量分辨率: ? ? ?E ? ?h ? FWHM ? 100% E h ip (3) 源峰探测效率、峰面积、峰总比、峰康比 源峰探测效率(又称峰探测效率) ?sp 峰面积 N p ? ? yi i?L R 或 N p ? ? yi ? B 1 B ? ( y L ? y R )( R ? L ? 1) 2 i?L R 峰总比: f p/T 特征峰面积 ? 谱的总面积 闪烁探测器 全 能 峰 的 峰 值 峰康比: 半导体探测器 P? 康普顿平台的峰值 ?能谱仪能量分辨率: 55Fe 137Cs 60Co 5.9keV Si(Li) ~4% 662keV 1.33MeV 正比计数器 NaI(Tl) ~17% ~80% ~7-8% ~5-6% Ge(Li) ~1.3‰ 2. ?谱仪装置 1) 单晶?谱仪。 探测器 放大器 高压 多道分析器 计算机 2) 全吸收反康普顿谱仪。 符合环 主探测器 前置放大 前置放大 测量信号 反 符 控 合 制 信 号 带 门 控 的 多 道 3) 康普顿谱仪(双晶谱仪)。 h? 带 主探测器 门 测量信号 放大器 控 ? 符合 的 h? ? 电路 门 多 放大器 控 道 信 辅探测器 h? 号 ? h? ? h? 1? (1 ? cos? ) 2 m0 c Ee ? h? ? h? ? 康普顿散射反冲电子能量: h? Ee ? 2 m0 c 1? h? (1 ? cos ? ) 4) 电子对谱仪(三晶谱仪) 辅I e ? e ? 辅II 放大器 放大器 放大器 带 测量信号 门 控 符 的 合 门 多 控 道 信 号 3. 复杂?谱的解析 1) 标准谱法 假定:混合 ?能谱是样品组成核素的标准 谱按各自强度的线性叠加。必须保证:标准 谱与样品谱获取条件相同;谱仪响应不随计 数率而明显变化。 (1)剥谱法 (2)逆矩阵法:样品已知由n种核素组成, 求每个核素的活度xj。 (a) 确定特征道域即各全能峰,以i表示 (b) 确定响应函数 第j种 成 分 在 第 i道 造 成 的 计 数 率 aij ? 第j种 成 分 的 衰 变 率 通过标准谱得到 (c) 混合样品谱第i道的计数率mi mi ? ? aij ? x j 矩阵表示: M ? AX j ?1 n 实验测量得到 A为aij集合而成的矩阵,称为谱仪的响应矩阵; X为未知量xj组成的矩阵; M为各道域计数率组成的列矩阵。 (d) 解矩阵方程 X?A M 即: ?1 x j ? ? a ? mi i ?1 ?1 ij n 可求出待测样品的各组成核素的含量。 一般样品中不超过5~6个核素。 2) 函数拟合法 (1)把谱分成若干谱区间,每个谱区间包含 了若干叠加在本底上的峰。 (2)在该谱区间,谱曲线用谱函数表示: Yi ? F (i , P ) i ? 0,1,?n ? 1 n为谱数据点数,i为道址,Yi 为由谱曲线 函数确定的第i道谱数据。 P ? ( P1 , P2 ,? Pk ) 称待定参数向量,k为待定 参数的个数。k个参数决定了谱的形状和特 征。 典型函数: Yi ? F (i , P ) ? P1 ? P2 i ? P3 i 2 ? ? P3 j ?1 e xp[ ?( i ? P3 j ? 2 )2 ] / 2 P32j ? 3 j ?1 3 本底 峰高 峰位 峰宽 (3)把谱函数与谱数据拟合,得到残差平方和 Q ? ? gi [Yi ? F ( i , P )] i ?0 n ?1 2 Yi为实测谱数据。n为数据点数。gi为权重因 子,可取gi=1/Yi。该方程称为目标方程。 为满足残差平方和最小, ?Q / ?Pi ? 0 解一系列方程,即可确定参数向量,得到峰 形参数,即得到谱区间内各个峰的峰位、峰 高和峰宽度。 对每个峰的峰函数积分,可得到峰净面积。 4. 用计算机实现谱自动解析 1) 谱数据平滑 减小谱数据的统计涨落,同时保持峰的特征, 如峰位、峰面积等。用多项式拟合移动法,如 二次多项式拟合,得到: 1 Yi ? ( ?3Yi ? 2 ? 12Yi ?1 ? 17Yi ? 12Yi ?1 ? 3Yi ? 2 ) 35 2) 寻峰 (1) 逐道比较法;(2) 导数法;(3) 协方差法; (4) 线) 确定峰参数,如峰位、峰高、峰面积等 4) 计算误差及结果输出