数学核数据处理原理课件

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,*,*,*,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,*,*,*,核数据处理,核数据处理,1,核数据处理,任务,确定各种射线的能量,对一定能量的射线所产生的信号进行分析,确定产生该射线的核素或元素,（定量分析）,确定核素的,活度,或元素的,含量,（定性分析）,核数据处理任务确定产生该射线的核素或元素（定量分析）确定核素,2,核数据处理,核辐射测量仪器的组成,核辐射探测器,前置电路,线性脉冲放大器,积分,甄别器,率计电路,计数器,脉冲幅度分析器,辅助电路,计数器,多道脉冲,幅度分析器,接口电路,计算机系统,应用,软件,高压,电源,低压,电源,(a),(b),(c),(a)总量测量仪器(b)能谱测量仪器(c)全谱测量仪器,核数据处理核辐射测量仪器的组成核辐射探测器前置电路线性脉冲放,3,核数据处理,核辐射测量所得的数据,全谱测量仪器（多道能谱仪）,所测得的数据：,一条谱线,几百或几千个计数值（数组）,所需的数据处理：,谱数据处理,-多个累计计数(面积)、含量、活度等量值,预处理（数据的检验、选择、转换等）,统计分析,成图成像,核数据处理核辐射测量所得的数据,4,核数据处理,A/D转换器将脉冲下降沿时的模拟电压转换为数字量,t,t,1,t,2,t,3,t,4,t,5,t,6,t,7,模拟信号,信号幅度,时间,数字信号,t,1,t,2,t,3,t,4,t,5,t,6,t,7,A/D转换命令,计算机屏幕,2,8,6,5,6,10,5,ADC转换数据采集原理,2,8,6,5,6,10,5,核数据处理 A/D转换器将脉冲下降沿时的模拟电,5,核数据处理,全谱测量(多道脉冲幅度分析器),数字信号,时间t,脉冲信号v,16,17,16,8 9,216,16,16,16,18,25,16,17,8,9,16,216,16,18,16,25,16,地址单元,存储器,216,0-1,25,0-1,18,0-1,17,0-1,16,0-1-2,3-4-5,9,0-1,8,0-1,核数据处理全谱测量(多道脉冲幅度分析器)数字信号时间t脉冲信,6,核数据处理,全谱测量,计算机屏幕,地址单元,存储器,216,0-1,25,0-1,18,0-1,17,0-1,16,0-1-2,3-4-5,9,0-1,8,0-1,道址ch,脉冲幅度V,计数,0 8 9 16 17 18 25 216,1,1,5,1,1,1,1,核数据处理全谱测量地址单元存储器2160-,7,核数据处理,全谱测量（多道脉冲幅度分析器）,元素（核素）放出射线（,射线能量E,0,）,射线与探测器作用，,损失能量E,该能量E被转换成电脉冲信号v，其脉冲幅度,V正比于E,脉冲信号v经AD转换，成道址,ch,，,正比于V,所以,ch正比于E,.,核数据处理全谱测量（多道脉冲幅度分析器）,8,谱数据处理,全谱测量（多道脉冲幅度分析器）,元素（核素）能量脉冲幅度（电压）道址,Cs-137,661keV;Fe-55,5.989keV,元素（核素）能量,脉冲（电压）幅度,道址,计数（个数）,谱数据处理全谱测量（多道脉冲幅度分析器）元素（核素）能量计数,9,谱数据处理,核辐射测量的特点,1.核辐射是,核衰变的产物,原子核自发的发生核结构的变化，由一个元素的,原子核,转变为,另一个,元素的,原子核,，同时伴随,放射出,粒子,或,电磁辐射,的现象。称为,放射性衰变,放出的粒子:粒子、粒子、辐射、碎片、特征X射线等,2.核辐射的,能量具有特征性,某核素放出的射线（粒子、辐射、特征 X 射线）一定具有某种,特定能量,；,如果探测到某种能量的辐射，一定存在,某种核素,。,即：放射性,核素,与辐射的,能量,间存在一一对应关系(定性),3.核素的,含量,与特征辐射的,强度,存在正比关系(定量),谱数据处理核辐射测量的特点,10,谱数据处理,核辐射能量具有特征性,K 俘获,例：,1.26*10,9,年,e,1.32 MeV,11%,89%,1.461 MeV,基态,基态,谱数据处理核辐射能量具有特征性,11,核数据处理,核辐射能量具有特征性,同质异能跃迁,例：,激发态,0.059MeV,99.7%,1.54MeV,0.31MeV,0.3%,1.17MeV,1.33MeV,基态,核数据处理核辐射能量具有特征性,12,核数据处理,放射性,核素,与辐射的,能量,间存在一一对应关系,1）铀系,核数据处理放射性核素与辐射的能量间存在一一对应关系,13,核数据处理,放射性,核素,与辐射的,能量,间存在一一对应关系,2）钍系,核数据处理放射性核素与辐射的能量间存在一一对应关系,14,核数据处理,放射性,核素,与辐射的,能量,间存在一一对应关系,3）,不成系列,的,天然放射性核素,的射线谱,K-40 1.46 MeV T=1.3 X 10,9,a,4）,人工放射性核素,的射线谱,Cs-137 0.66 MeV T=30 a,Co-60 1.17 MeV T=5.25 a,1.33 MeV,特点：核辐射的,原始谱,是,线谱,核数据处理放射性核素与辐射的能量间存在一一对应关系,15,核数据处理,仪器谱,以NaI,谱仪为例,定义：由能谱仪器测量得到的、被复杂化的核辐射原始线谱，称为,仪器谱,。,线谱变成了具有,高斯分布,特征的形状,特点之一,具有单一能量的线谱，变成,连续谱,-,特点之二,元素（核素）能量,脉冲（电压）幅度,道址,计数（个数）,核数据处理仪器谱 以NaI 谱仪为例元素（核素）能量计数,16,核数据处理,原因：伽玛射线与物质的相互作用,光子与核外电子的作用,康普顿散射,非弹性散射,光电效应,束缚电子吸收全部光子能量逃离原子,光子与核或核外电子库仑场的作用,电子对的生成,形成正负电子对,光子与原子核（或单个核子）的作用,汤姆逊散射,弹性散射,光致分裂或核的光效应,光子能量被吸收引起光核反应,大于总几率的99%,核数据处理原因：伽玛射线与物质的相互作用大于总几率的99%,17,核数据处理,原因（连续谱）：,伽玛射线与物质的相互作用（三大效应）,光电效应,康普顿散射,电子对效应,核数据处理原因（连续谱）：,18,核数据处理,三大效应的几率分布,在,低能,与,高原子序数Z,的物质范围内，光电效应占优势,在,中能,与,任何Z,值物质的范围内，康普顿散射占优势,在,高能,与,高Z,物质的范围内，电子对生成占优势。,核数据处理三大效应的几率分布,19,核数据处理,伽玛射线与物质的相互作用（三大效应）,光电效应,：,把全部,能量交给,壳层电子,，射线消失，,产生光电子,。,，：电子的结合能。产生的峰叫光电峰，或全能峰。,如,137,Cs的射线能量为661keV，产生的全能峰的能量也是661keV。,核数据处理伽玛射线与物质的相互作用（三大效应）,20,核数据处理,伽玛射线与物质的相互作用（三大效应）,康普顿散射,（康普顿）：,射线,损失一部分能量并改向,，,产生反冲电子,。形成康普顿平台及反散射峰。,如,137,Cs的反散射峰能量：,核数据处理伽玛射线与物质的相互作用（三大效应）,21,核数据处理,伽玛射线与物质的相互作用（三大效应）,光电效应,康普顿散射,反散射峰,康普顿平台,道址(E),全能峰，光电峰,X射线,核数据处理伽玛射线与物质的相互作用（三大效应）反散射峰康普顿,22,核数据处理,伽玛射线与物质的相互作用（三大效应）,电子对,效应：,时，射线消失，产生正、负电子对。,，e,+,湮灭，产生2个能量为0.51MeV的光子，形成,逃逸峰,。,37,S的能谱,核数据处理伽玛射线与物质的相互作用（三大效应）37S的能谱,23,核数据处理,逃逸峰,正负电子对对全能峰的贡献：,正电子的,湮没形成全能峰,单逃逸峰,：正电子湮没时放出的二个光子中有一个光子飞出晶体,双逃逸峰,：正电子湮没时放出的二个光子中有二个光子飞出晶体,淹没光子峰,：0.511MeV,核数据处理逃逸峰正负电子对对全能峰的贡献：,24,核数据处理,全能峰,：,光电效应：,光电子的贡献,：光电子能量近似等于入射射线能量,康普顿,效应：,多次康普顿效应,，使光子,能量全部消耗,于晶体中,一次康普顿效应产生,反冲电子+,散射量子的光电效应,产生的光电子：,核数据处理全能峰：,25,核数据处理,全能峰,：,形成,电子对效应,：,正负电子对,的能量,+,正电子湮没产生的,两个光子发生光电效应,产生的光电子的能量。,核数据处理全能峰：,26,核数据处理,康普顿,平台,：,康普顿效应,的贡献：多次康普顿效应，使光子能量不断降低，形成能量从,0-hv的连续分布,。,反冲电子,的贡献：,反散射峰,。,光电效应,的贡献：,散射量子,经,光电效应,损失能量。,核数据处理康普顿平台：,27,核数据处理,谱线具有,高斯分布,特征的形状，是由于：,1）闪烁体发光效率不绝对均匀，发射光子数有偏差,2）光收集与闪烁产生位置有关，光阴级光子收集效率的涨落,3）光阴级发射光电子数的涨落,4）光电倍增管倍增系数的涨落,即：输出,脉冲幅度,围绕一平均幅度,涨落,因此，单一能量入射射线，通过探测器后，得到一个呈,高斯分布,的、,有一定宽度,的谱线。,用,“,能量分辨率,”,表示高斯分布曲线的,宽度,核数据处理谱线具有高斯分布特征的形状，是由于：,28,核数据处理,谱线具有,高斯分布,特征的形状,用,“,能量分辨率,”,表示高斯分布曲线的宽度,能量分辨率可以写成：,表示,“,传输几率,”,的变化对分辨率的贡献,传输几率,：,一个荧光光子,产生,一个,能,达到光电倍增管,第一次阴极,的,电子的平均几率,表示NaI(Tl)晶体本身的,本征分辨率,表示,光电倍增管,对分辨率的影响,核数据处理谱线具有高斯分布特征的形状,29,核数据处理,其他影响：,探测器,外面的物质,，如铅屏蔽、样品材料等物质的康普顿散射,韧致辐射,对,能谱的贡献（消耗在原子或分子的激发上）,能谱中的,特征X射线,峰,X射线逃逸,峰,两个,光子能量的,“,加和,”,大样品,对,能谱的影响,自然本底,对样品,能谱的贡献,核数据处理其他影响：,30,核数据处理,韧致辐射对,能谱的贡献(,42,K,能谱),核数据处理韧致辐射对能谱的贡献(42K 能谱),31,核数据处理,能谱中的特征X射线峰,X射线逃逸峰,186,Re的射线谱,核数据处理能谱中的特征X射线峰186Re的射线谱,32,核数据处理,两个,光子能量的,“,加和,”,60,Co的能谱,核数据处理两个光子能量的“加和”60Co的能谱,33,核数据处理,X射线特征谱,X射线：一种低能电磁辐射，一般几至几十keV。,特征X射线：其能量E取决于待测元素的原子序数。,K系：,EE,Kab,（K层电子的吸收限）：产生K层电子空穴，外层电子填充并释放能量。,K,；K,核数据处理X射线特征谱,34,核数据处理,X射线特征谱,X射线：一种低能电磁辐射，一般几至几十keV。,特征X射线：其能量E取决于待测元素的原子序数。,L系：,EE,Lab,（L层电子的吸收限）：产生L层电子空穴，外层电子填充并释放能量。,L,；L,；L,核数据处理X射线特征谱,35,核数据处理,X射线特征谱,能量关系：,E,K,E,L,E,M,E,Kab,E,K,E,K,E,Lab,E,L,E,L,E,L,分支比,：不同线系和同一线系不同谱线之间的相对照射量率关系,例：,Fe：E,K,=,6.4keV,E,K,=7.06keV，E,Kab,=7.88keV,Pb：E,L,=10.55keV，E,L,=12.61keV，E,K,=74.96keV，E,K,=84.92keV,核数据处理X射线特征谱,36,核数据处理,X射线谱,Fe,单质谱,：E,K,=,6.4keV,E,K,=7.06keV，E,Kab,=7.88keV,元素（核素）能量,脉冲（电压）幅度,道址,计数（个数）,Fe k,Fe k,核数据处理X射线谱元素（核素）能量