核辐射探测_第五章课件

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第五章,辐射测量方法,第五章 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。,辐射测量对象：,5.1,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,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,。,相对法测量,：需要一个已知活度,A,0,标准源，在同样条件下测量标准源和被测样品的计数率,n,0,、,n,， 根据,计数率与活度成正比,，可求出样品的活度：,A,A,0,n,/,n,0,。,5.1 放射性样品的活度测量1、相对法测量和绝对法测量,2,、绝对测量中影响活度测量的几个因素,1),几何因子,（,f,g,）,点源,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,几何因子,fg,还可以表示成：,因为,放射性发射的是各向同性的实际进入探测器仅是小立体角,内的射线,.,几何因子为,几何因子fg还可以表示成：,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,(2),对电流工作状态,：灵敏度,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。,2) 探测器的本征探测效率或灵敏度(1) 对脉冲工作状态：本,3),吸收因子,(,f,a,),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。,3) 吸收因子 (fa) 射线从产生到入射到探测,例如,射线：,物质对这种,的质量吸收系数,穿过物质的厚度,射线服从指数吸收规律,:,自吸收吸收因子 ：,例如射线：物质对这种的质量吸收系数射线服从指数吸收,4),散射因子,(,f,b,),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,反向散射,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,。,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,。,4) 散射因子 (fb) 放射性样品发射的射线可,反射修正因子的实验方法确定：,粒子在,源的托板支承物,等上的,大角度散射,使得本不在小立体角,内的,粒子会进入探测器引起,计数增加,故要修正。,没有支承膜是理想状态,，通常用,有机膜,来实现。,有机膜的,Z,较低,又很薄,散射可以忽略。,反射修正因子的实验方法确定：没有支承膜是理想状态，通常用有机,5),死时间修正因子,(,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,（,n,b,）,5) 死时间修正因子 (f) 式中n 为实际测量到的计,3,、,对,、放射性样品活度的测量方法,1),小立体角法,其中：,对于,薄,放射性样品，,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,5,10,3、对、放射性样品活度的测量方法1) 小立体角法其中：对,2),测量装置,小立体角法,:,放射源或样品与探测器之间的布置的角度。,1,、,为了减少本底,探测器和样品都放在,铅室,内,.,铅壁厚度一般要大于,5mm,2,、,为了减少散射,铅室内腔要,足够空旷,.,注意：,2)测量装置1、为了减少本底,探测器和样品都放在铅室内.2、,3,、,为了减少,在铅中的韧致辐射,(),铅室内壁有,一薄层铅皮或塑料,(,厚度约为,2-5mm),4,、,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,.,5,、,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,).,3、为了减少在铅中的韧致辐射(),铅室内壁有一薄层铅皮或,核辐射探测_第五章课件,核辐射探测_第五章课件,核辐射探测_第五章课件,核辐射探测_第五章课件,2),4,计数法,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,14,C,、,3,H,等低能,放射性测量，将,14,C,、,3,H,混于工作介质中,),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,。,2) 4计数法 流气式4正比计数器；(适用于固态放,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,得到源活度：,4、射线强度的测量 射线强度的测量包括辐射场,5.2,符合测量方法,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,。,符合事件,：,两个或两个以上在时间上相互关联的事件。,5.2 符合测量方法符合方法：符合事件：,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。,符合计数：,可得放射源的活度为：,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：,1、符合方法的基本原理1) 符合(真符合)用符合电路来选,(2),反符合,用,反符合电路,来,符合事件脉冲的方法,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）。,反符合电路,中两个输入端分别为分析道和反符合道。把要消除掉的脉冲送入反符合道，把要分析的脉冲送入分析道。只有分析道由脉冲输入时反符合电路才有输出。,(2) 反符合 用反符合电路来符合事件脉冲的方法,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。,多道分析器,Gate,记录入射射线在探测器中能量全吸收的事件；多道分析器,反符合：,消除符合事件的信号,。,反符合：,核辐射探测_第五章课件,(3),符合装置的,分辨时间,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。,实际上,任何符合电路,都有,确定,的,s,，它的大小与,输入脉冲的宽度,有关。如下图所示：,(3) 符合装置的分辨时间 符合装置的分辨时间：符合装,当,两个输入脉冲,之间的,时间间隔,s,时，符合电路输出一个,符合脉冲。,反之，就没有符合脉冲输出。,当两个输入脉冲之间的时间间隔 s时，符合电路输出一个符合,真符合与偶然符合,一个原子核级联衰变时接连放射,和,射线，这一对,、,如果分别进入两个探测器，将两探测器输出的脉冲引到符合电路输入端时，便可输出一个符合脉冲，这种,一个事件与另一个事件,具有,内在因果关系（即相关性）的符合,输出称为,真符合。,另外也存在不相关的独立事件相互符合，例如，有两个原子核,同时衰变,，其中一个原子核放出的,粒子与另一个原子核放出的,粒子,同时,分别被两个探测器所记录，这样的事件就不是真符合事件。这种,不具有相关性的事件,间的,符合,称为,偶然符合。,真符合与偶然符合 一个原子核级联衰变时接连放射和射线，,偶然符合和符合分辨时间,如前所述，凡是相继发生在符合分辨时间以内的两个事件，均可能使符合装置产生一次符合计数。这与两个事件是否有内在因果关系无关，即符合计数中包括,真符合计数和偶然符合计数,。每当在,时间间隔内,存在,两个独立事件引起的脉冲,时，就,可能被符合装置作为符合事件记录下来,，这种符合叫做,偶然符合。,显然,符合分辨时间,越大，发生偶然符合的几率越大，每道的无关事件计数率越大，偶然符合计数率也将越大，它们间的关系可推导如下：,：,偶然符合和符合分辨时间 ：,设有两个,独立,的,放射源,S1,和,S2,，分别用两符合道的探测器,和,记录。两组源和探测器之间用,足够厚的铅屏蔽隔开,，见下图，在这种情况下，,符合脉冲均为偶然符合。,设有两个独立的放射源S1和S2，分别用两符合道的探测器和,假设两符合道的脉冲均为,理想的矩形脉冲,，其宽度为,。再设第,道的,平均,计数率,为,n,1,，第,道的,平均,计数率,为,n,2,，则在,t,0,时刻，第,道的一个脉冲可能与从,t,0,-,s,到,t0+,s,时间内进入第,道的脉冲发生偶然符合，如下图，其,平均偶然符合率,为：,假设两符合道的脉冲均为理想的矩形脉冲，其宽度为 。再设第,显然，,减少,s,能够,减少偶然符合几率,，但是减少,到一定程度时，由于辐射进入探测器的时间与输出脉冲前沿之间存在统计性的时间离散，则同时事件的脉冲宽度可能因脉冲前沿的离散而大于符合电路的分辨时间,s,，则在符合电路中不会引起符合计数，从而造成真符合的丢失。,显然，减少s能够减少偶然符合几率，但是减少到一定程度时，,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,。,推广：,i,重符合时的偶然符合计数率：,例,：实验测得偶然符合计数率,n,rc,=72/hr.,符合道计数,n,1,=,n,2,=100/sec,，求分辨时间,s,。,减小偶然符合计数率的方法：推广：i重符合时的偶然符合计数率：,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。,真符合计数率为：,偶然符合计数率为：,则，,真偶符合比,为：,仍以,符合为例：,讨论：,希望符合装置的,越大越好。,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,(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。,(4) 延迟符合 关联事件可以是同时性事件，也可以是不,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：,DET,2,DET,1,2符合测量装置1)、多道符合能谱仪 加速器带电粒子核,核辐射探测_第五章课件,2,）、,HPGe,反康普顿,谱仪,2）、HPGe反康普顿谱仪,核辐射探测_第五章课件,用,HPGe,反康普顿,探测器测得的,60,Co,能谱,用HPGe反康普顿探测器测得的60Co 能谱,3,）,4,-,符合装置,n,n,n,c,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。,3）4-符合装置nnnc 这是一种测,原理,测得,和,的真符合计数率,则 但,n,o,n,o,和,n,co,与实测值之间有许多效率因子需要修正。,测得,和,的净计数率,n,o,n,o,。,原理 测得和的真符合计数率则 但no,修正因子,（以下每种修正是只考虑某种修正，最后综合考虑）,n,o,n,o,和,n,co,分别由,n,.n,.,n,c,得来。,要进行一些修正。,1),本底修正,修正因子（以下每种修正是只考虑某种修正，最后综合考虑）no,(2),偶然符合修正,在,-,级联衰变放射源中，只有同一个核发射的,和,之间的符合才是真符合,而不同核之间的,和,之间的符合为偶然符合。,总的偶然符合计数率为,道产生偶然符合的计数率为,(n,n,co,) ,s,n,道产生偶然符合的计数率为,(n,n,co,) ,s,n,这些不参予真符合的计数就可能产生偶然符合,道不参予真符合的计数率为,n,n,co,道不参予真符合的计数率为,n,n,co,(2) 偶然符合修正 总的偶然符合计数率为道产生偶然符合,(3),探测器死时间的修正,探测器死时间能引起漏计数，所以必须把漏掉的计数补回来。,道,道,每个脉冲后有一个死时间，那么单位时间内的死时间在死时间内放射源发射的粒子数,在死时间内发射的粒子应有的但是漏掉了的计数（死时间内的漏计数）,漏计数,实测的计数率,应该有的净计数率,(3) 探测器死时间的修正每个脉冲后有一个死时间，那么单位时,因为， 是单位时间内的死时间远小于,1S,，,因为，,48,利用级数展定理为,x1,时,则有,略去高次项则得,48利用级数展定理为x1时,(),符合计数率在死时间内得损失,分,三种,情况讨论引起符合的漏计数：,第一种情况：,当,道正常计数，道是死时间，则由于,t,d,内道无输出,造成符合道的漏计数为,应有的真符合计数率为,实测的真符合计数率为,则符合计数率在死时间内的损失为,() 符合计数率在死时间内得损失,第二种情况,:,当,道正常计数, ,道是死时间,则在,t,rd,内,由于道无计数,造成符合道漏计数为,第三种情况,:,道和道同时是死时间,符合道漏计数取决于 和 中比较短者。一般,右边第三项为负是因为,道和道同时是死时间造成的符合计数损失已分别包含在前两项中，所以应把它扣除，上式可变换为,第二种情况:当道正常计数, 道是死时间,则在trd内,由,同样利用,略去高次项得到,若,同样利用略去高次项得到,综合考虑,偶然符合,及,死时间,两项修正，可以得到,源活度,.,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。,综合考虑偶然符合及死时间两项修正，可以得到源活度,4),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。,4) 双PMT液体闪烁计数器 特点：采用符合方法，,5.3,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：,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,。,5.3 能谱与最大能量的测定1. 能量的测量,1),能谱,但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,。,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,。,能谱的定义：能谱就是 的直方图。,实测多采用,多道脉冲幅度分析器,，给出：,1) 能谱但实验直接测得的是脉冲幅度谱，即式中dN代表脉冲幅,2),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，,所以：,增益，单位为,KeV/ch,零道址对应的粒子能量，称为零截,2) 谱仪的能量刻度和能量刻度曲线 探测器输出脉冲幅度,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。借助于一,2.,能谱的测定,1),能量分辨率,以金硅面垒半导体探测器为例。,210,Po,的,E,5.3,MeV,，,E,15.8,KeV,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,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,。,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。,3),探测器的选择,金硅面垒半导体探测器；屏栅电离室；带窗的正比计数器等。,2) 能谱仪的能量刻度 在测得输出脉冲幅度谱后,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。,3.,能谱的测定,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。,由于能谱是连续谱，仅存在Emax，给测量带,5.4,射线能谱的测定,1.,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,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,。,2),单能,射线的能谱,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,；,轫致辐射,。,5.4 射线能谱的测定1. 单能能谱的分析1) 单晶,3),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,3) 能量特征峰 从单能射线能谱中可以看出，全能峰、,(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。,FWHM,与,的关系,：,能量分辨率,：,(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,(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,或,峰总比：,峰康比：,闪烁探测器,半导体探测器,(3) 源峰探测效率、峰面积、峰总比、峰康比源峰探测效率(又,能谱仪能量分辨率：,55,Fe 5.9keV,137,Cs 662keV,60,Co 1.33MeV,Si(Li),4%,正比计数器,17%,NaI(Tl),80%,7-8%,5-6%,Ge(Li),1.3,能谱仪能量分辨率：55Fe 5.9keV137Cs 662,2.,谱仪装置,1),单晶,谱仪。,探测器,放大器,多道分析器,计算机,高压,2. 谱仪装置1) 单晶谱仪。探测器放大器多道分析器计算,2),全吸收反康普顿谱仪。,主探测器,符合环,前置放大,反符合,带门控的多道,前置放大,控制信号,测量信号,2) 全吸收反康普顿谱仪。主探测器符合环前置放大反符合带门控,3),康普顿谱仪,(,双晶谱仪,),。,放大器,放大器,符合电路,带门控的多道,主探测器,辅探测器,测量信号,门控信号,3) 康普顿谱仪(双晶谱仪)。放大器放大器符合电路带门控的多,康普顿散射反冲电子能量：,康普顿散射反冲电子能量：,4),电子对谱仪,(,三晶谱仪,),辅,I,辅,II,放大器,放大器,放大器,符合,带门控的多道,测量信号,门控信号,4) 电子对谱仪(三晶谱仪)辅I辅II放大器放大器放大器符合,核辐射探测_第五章课件,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,x,j,。,3. 复杂谱的解析1) 标准谱法 假定：混合能,(,a,),确定,特征道域即各,全能峰,，以,i,表示,(,b,),确定,响应函数,通过标准谱得到,(,c,),混合样品谱,第,i,道的计数率,m,i,实验测量得到,矩阵表示：,A,为,a,ij,集合而成的矩阵，称为谱仪的,响应矩阵,；,X,为未知量,x,j,组成的矩阵；,M,为各道域计数率组成的列矩阵。,(a) 确定特征道域即各全能峰，以i表示(b) 确定响应函数,(,d,),解矩阵方程,即：,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。,(d) 解矩阵方程即：可求出待测样品的各组成核素的含量。一般,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：,n,为谱数据点数，,i,为道址， 为由谱曲线函数确定的第,i,道谱数据。,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。,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,典型函数：,本底,峰高,峰位,峰宽,典型函数： 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,Y,i,为实测谱数据。,n,为数据点数。,g,i,为权重因子，可取,g,i,=1/,Y,i,。该方程称为目标方程。,为满足残差平方和最小，,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,。,（3）把谱函数与谱数据拟合，得到残差平方和Yi为实测谱数据。,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：,2),寻峰,(1),逐道比较法；,(2),导数法；,(3),协方差法；,(4),线性拟合寻峰。,3),确定峰参数，如峰位、峰高、峰面积等,4),计算误差及结果输出,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,