放射性核素的探测概述

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,*,课堂练习,已知一,Sr标准源1981年3月18日，标定其强度为0.4uCi。若用一探测效率为40%，本底计数为600cpm的探测器测该标准源，问该标准源衰变到2004年9月18日时，其放射性强度是多少Bq?,在某次测量中，,5min测得放射源加本底的总计数N=1080，移去放射源，10min测得本底总计数为223，求放射源的静计数率,第二章 放射性核素的探测,第一节 气体电离探测器,第二节 闪烁探测器,第三节 放射性探测器中使用的电子仪器,第四节 放射性样品的测量,第五节核计数的统计学处理,探测器测量核射线是基于第一章中我们学过的什么原理,?,射线与物质作用能产生各种效应。,电离、激发、光电效应,放大电信号,记录器记录电脉冲（光变成电）。,探头,电子线路,常用的探测器类型 测量形式,气体电离探测器,固体闪烁探测器,液体闪烁探测器,半导体探测器,激光扫描仪,r照相机,PET,SPECT,放射自显影,定量（强度测量）,定性（能量测量）,定位（相对定量，绝 对定位）,第一节 气体电离探测器,气体作为,吸收射线,（,带电粒子,）的,介质,。,带电粒子穿过气体时，,气体被电离,产生,电子,和,正离子,。,在外电场,作用下,，引起一个,瞬间,的,电离电流,随着外电场的增加和降低，电极上收集到的离子对数也随之变化。,见下一张图。,当带电粒子穿过气体时，气体被电离产生电子和正离子，,并做混乱的热运动。,在,没有外电场,(E)时,，电离产生的电子和正离子在,混乱的热运动,中，又复合成气体分子。,在外电场作用,下,电子向正极,漂移,，正离子向负极漂移。,当,EV,1,时,，一些正离子和电子会重新,复合,成中性分子，电极两端,收集,到的,离子对数小于,射线的,初始电离的离子数。,V,1,EV,2,，,射线产生的电子和离子,完全被收集,，收集到,.,等于,.,V,2,EV,3,，,电子在运动过程中可获得足够的能量，产生,次级电子,。收集的,.,大于,.,“,气体放大,”。,V,3,EV,4,有限正比,。,V,4,EV,5,，,G-M区,，,气体探测器工作在这个区。,放电区,复合区,饱和区,正比区,有限正,比区,G-M计数区,放电区,图,2-9. G-M计数管结构示意图,G-M计数器（Geiger-Muller Counters）,射线,（带电粒子）,进入,G-M,管,，产生电离，气体放大，雪崩现象，假计数，淬灭。,G-M,管内充有,两种气体,：,1、,惰性气体,2、,卤素气体,（有机蒸汽）。,淬灭原理：、,淬灭气体,比惰性气体,电离电势低,。、,淬灭气体,的正离子在与阴极作用时，,打出次级电子,和光子的几率很小。,3、,淬灭气体,对,光子,具有,较强的吸收能力。,初始电离效应，在高外电场,下，气体放大，导致的电子,增值过程。,工作气体,淬灭气体,淬灭气体,图,2-13. G-M防护仪,（,polon-ekolab的产品）,闪烁探测器 （,Scintillation Detectors）,闪烁探测器的组成见右图。,闪烁体的种类很多，从化学成份上看分为,无机,和,有机,两大类，而从物理形态上又分为,固体、固溶体、液体和气体。,理想闪烁体的特征。,无机和有机闪烁体的发光机制有很大的不同。大家自己看讲义。,常用的无机闪烁体（,NaI(Tl), ZnS(Ag),常用的有机闪烁体（塑料闪烁体）,液体闪烁体（组成、特点）,1、闪烁体应有较好的将吸收射线能量转变成光,的能力，即有高的发光效率。,2、能量响应具有线性关系，即输出脉冲与入射,粒子能量之间应有线性关系。,3、闪烁体闪烁的持续时间（），即发光衰减,时间要短。,4、有好的化学和辐射稳定性，及小的温度效应,5、易作成大晶体，高密度。透明度和光学均匀,度好。,用于,射线探测,用于,射线探测,用于,射线探测,理想闪烁体特性：,闪烁体应有较好的将吸收射线能量转变成光的能力，即有高的发光效率。,能量响应具有线性关系，即输出脉冲与入射粒子能量之间应有线性关系。,闪烁体闪烁的持续时间（,），即发光衰减时间要短。,有好的化学和辐射稳定性，及小的温度效应。,易作成大晶体，高密度。,透明度和光学均匀度好。,液体闪烁体由溶剂、溶质、添加剂组成,闪烁液中,99% 以上是有机,溶剂,（甲苯、二氧杂环乙烷和二甲苯等）。,溶质,：,第一溶质（,0.3-1%）,对联三苯,TP,N,O,2,5-二苯基氧氮杂茂,PPO,O,N,N,2-苯基-5（4,-二苯基）-1，3，4-氧二氮杂茂,PBD,第二溶质（,0.01-0.05%,CH,3,CH,3,N,O,N,O,DMPOPOP,1,4-双-2-（4-甲基-苯基噁唑基）-苯,N,O,N,O,POPOP,1,4-双-2-（5-苯基噁唑基）-苯,CH,3,CH,3,CH=CH,CH=CH,双,-MSB,对,-双（邻-甲基苯乙烯基）-苯,添加剂,（,也称第二溶剂）,萘、乙醇、甲醇等,1、溶解样品和溶质。,2、接收样品的能量转移给第一溶质。,主溶质 ，作用：接收溶剂,传递的能量并发光。,作用：接收第一溶质发射的光，,发射较长波长的光。,波长转移剂,。,1、改善溶剂的溶解度；,2、增加光传递效率；,3、分散样品。,死时间”（,D,） 、“恢复时间”（,R,） 、“分辨时间”（,）,一次雪崩后，质量相对大的阳离子，由于迁移速度远小于电子，故仍滞留在阳极丝周围，形成阳离子鞘，抵消了一部分外电场。此时不能引起,G-M计数器的再一次雪崩，这段时间称G-M计数器的“,死时间”（,D,）,。,随着阳离子鞘不断向阴极运动，阳极丝周围的电场逐渐恢复，入射粒子形成的脉冲幅度逐渐增大，从有脉冲出现到脉冲幅度恢复到最大值所需要的时间称为,“恢复时间”（,R,）。,探测器能记录下来的两个相邻脉冲的最短时间间隔，称为,“分辨时间”（,） 。,光电倍增管,将光变成电,(阴极),光电子在倍增级中倍增,阳极输出电脉冲,光耦合剂和光导,放射性探测器中使用的电子仪器,电脉冲通过电子仪器的状况,.,定标器或记录仪是在给定的时间内，累计、显示，由脉冲高度分析器输出的信号。,各种探测器电子线路部分基本相同.,探测器的调试,确定甑别域值,确定工作电压,调整放大倍数,计算探测效率,(E),品质因素(F)的计算,甑别域,计数率,有源,无源,工作阈值,放射性样品的测量,探测器的测量方式,:,定量测量,(获得样品量多少的测量),绝对测量,:利用测量装置直接测量或经过各种校正后测得样品的活度。,相对测量,:将样品和标准源在相同条件下进行测量。,定性测量,：根据,放射性核素在衰变时都会发射出自己特征能 量的射线,，分析判断出射线种类,样品的计数（,cps)-本底计数（cps),E（探测效率）,测量样品的制备,液闪测量中的淬灭校正方法,样品的衰变数,(dps)=,测量样品的制备,放射性测量对样品制备的要求不高。相比之下液闪测量,，,多数样品需根据其测量形式进行一定的处理。,液闪测量，包括：,均相测量,和,非均相测量,。,非均相测量，包括：,乳浊液测量法,、,悬浮液测量,、,固相法,。,液体体积一样,固体摆放位置一致,。,Tritonx-甲苯-水,乳化剂,:,凝胶剂,(硬脂酸铝等),一定大小微粒,固相载体摆放位置,液闪测量中的淬灭校正方法,内标准源法,：,样品计数效率用外加的标准源,（对标准源有要求）,来确定。,具体操作步骤是：先,测,样品计数,率,（,C,1,）；加入已知活度,（A）,的标准源，并计数（,C,2,）；,确定,计数效率,E。,样品道比法,：原理：1、,淬灭时，谱脉冲高度降低，能谱,左,移（见图,（1）2、,谱在给定的两个道内计数比值发生变化（见图（,2,）3,、,道比值与淬灭程度与仪器探测效率有线性关系（见右下图）。具体方法见后。,外标准源道比法,淬灭,1,淬灭,2,计数率,脉冲高度（,1）,无淬灭,计数率,B,无淬灭,A,淬灭,1,淬灭,2,C,脉冲高度（,2）,图,2-15. 淬灭对,谱的影响,用样品道比法进行淬灭校正的方法是：,配制一组（一般,7,9,个）放射性活度（,DPM,）已知并相等，但淬灭程度不同的一系列标准样品。,计算道比值：,在液闪中测出这些样品在两道中（A，B）的计数（CPM），,B/A=?,算出道比值,。,计算探测效率：,E=（样品计数率-本底计数）/放射性活度,以样品道比值作为,横坐标，,探测效率作为,纵坐标,可作出一条关系曲线（两道选取合理所得到的是一条直线或光滑的曲线）。,未知样品,测量时，可先,测出,该未知样品在,两道中的计数率,，算出,道比值,，利用道比值在标准曲线上查出探测效率。,即可算出该未知样品的放射性活度大小。,NaI,探测器,液体闪烁计数器,半,导,体,探,测,器,激光扫描成像仪,Gamma照相机和它的发明者H. Anger,1958年，H. Anger和他的同事们共同研制成功了Gamma照相机。它既可以单独完成探测显像任务，又是现代所有核医学显像仪如PET、SPECT实现探测的重要组成部分。,Cassen发明,Anger发明,SPECT和PET技术,Gamma计数器,Gamma照相机,ECT技术,二维投影,三维显像,正电子发射计算机断层扫描,（,Positron Emission Tomography）,简称 PET,核医学显像,技术的双引擎,单光子发射计算机断层扫描,（,Single Photon Emission Computed,Tomography）,简称SPECT,探头围绕患者旋转,采集放射性核素空间分布投影,采用滤波反投影等方法,获得放射性核素空间分布的断层图像,The picture shows one-head SPECT,照相机探头围绕着病人旋转运动,The picture shows two-head SPECT,Siemens tri-head SPECT,1964年环状头部PET，图为第一台的PET扫描仪，从图中我们可以看到其纷繁的线路裸漏在外面。,PET发展史,商品化,PET 通用公司,课堂练习,在,32,P标记寡核苷酸的实验中所购买的r-,32,P生产标定时的放射性比活度为2010,6,Bq/ml，在使用时r-,32,P的放射性比活度需,5,10,6,Bq/ml。,32,P半衰期为14天，问实验需要在距校定日多少时间内完成实验？,三种射线分别用什么类型探测器进行探测？其中液体闪烁探测器主要用于什么射线的测量？,表,2-8 一个长寿命核素样品重复测量数据,测 量,序 号,计数,(2min),N,i,测 量,序 号,计数,(2min),N,i,1,1880,-18,324,11,1976,78,6084,2,1887,-11,121,12,1876,-22,484,3,1915,17,289,13,1901,3,9,4,1815,-47,2209,14,1979,81,6561,5,1874,-24,576,15,1836,-62,3844,6,1853,-45,2025,16,1832,-66,4353,7,1931,33,1089,17,1930,32,1024,8,1866,-32,1024,18,1917,19,361,9,1980,82,6724,19,1899,1,1,10,1893,-5,25,20,1890,-8,64,注：数据来源于,核化学及核技术应用,平均值,放射性统计误差,第五节 核计数的统计学处理,误差来源：系统误差、偶然误差、过失误差 。,放射性统计误差是一种,特殊的偶然误差,，它是由核事件的,微观过程本身的随机性所造成的,。,本节重点介绍涉及在核辐射计数测量应用中的统计（偶然）误差。,核衰变的统计性 ，可通过实验观察到。平均计数,N,10时，它服从泊松分布。当,N,16时，它过渡到高斯分布。在放射性测量中,N,一般都远远大于16。,统计误差的,表示,及,运算,。,测量结果表示：N ,N,，（ ）,核衰变的,标准误差,可表示为：,N,=N,1/2,（中科院原子能所编“放射性同位素知识应用”第156页），所以测量结果又能写成：N N,1/2,相对误差,F= ,N,/N= N,1/2,/N = 1/ N,1/2,（,相对误差反映测量的精确度,）,误差的运算 （见书67页）,图,2-31。,m=3.5,时的泊松分布图,m=10,时的高斯分布图,相加时为：,相减时为：,相乘时为：,相除时为：,设两个独立测量值,和,误差的运算,统计分析的应用,平均计数率的标准误差为：,1、计数率、平均计数和平均计数率标准误差和相对误差的表示,计数率的标准误差为,：,相对误差为,：,平均计数的标准误差为,：,相对误差为,：,相对误差为,:,注意：,在此时间（,t）和测量次数（m）看作无误差的确定值。,例一：在,2,分钟里测得计数是,4900,，测量次数为次，求平均计数率,(n),和相对误差,(F,n,),。,解：,= 4900/2 =2450 CPM,测量结果表达为：,2450,35,2、样品净计数率的计算,所有的核探测器都有本底计数。所以探测器测量样品所得到的计数包括放射性样品（,N,c,）和仪器本底（,N,b,）计数两部分，样品的净计数（,N,s,）为：,N,s,= N,c,- N,b,根据误差运算公式，净计数率的标准误差为：,相对误差为：,如果,tc 和tb 分别为放射性样品和本底的测量时间，则样品的净计数率为：,例二：在样品和本底测量时间各,4,分钟里，测得总的样品的计数是,6000,，本底是计数,4000,。问：其净计数率和标准误差各是少？,所以，,n,s,= 500,25 cpm,3、测量时间的合理分配,在给定总测量时间,T,内（,T =t,c,+ t,b,），,t,c,和,t,b,如何分配可使测量误差最小？,因为,所以，,欲使,n,s,最小，应令上式的一阶导数为零，即,因为上式中,故,整理后,例 ，一个放射性测量实验，根据实验情况要求，样品 和本底的总测量时间为,2min,，样品的计数率为,3840cpm,，本底的计数率为,60cpm,。问，样品和本底的测量时间各为多少时，测量的标准误差最小？,答：已知,成立时标准误差最小。,4、估算所需的测量时间,给定,测量时,相对误差,，,计算满足,不大于这个,相对误差,时所需要的,最短测量时间,。,将,代入,得,整理可得,5、最小可测量量的计算,给定测量时间和误差，计算,至少,需要多少放射性量。才能满足实验要求。,，,两式相加得：,例三：如果某仪器的探测效率为,60%，本底不超过40cpm，实验给定 的总测量时间T=2min，Fn,s,5%，要达到上述要求，所需样品最小的放射量是多少？解：,则所需,最小强度,为：,cpm,n,c,425,=,(,),(,),n,c,40,1,2,05,.,0,2,2,-,=,(,),n,n,T,F,b,c,n,1,2,2,-,=,在,32,P标记寡核苷酸的实验中所购买的r-,32,P生产标定时的放射性比活度为2010,6,Bq/ml，在使用时r-,32,P的放射性比活度需,5,10,6,Bq/ml。,32,P半衰期为14天，问实验需要在距校定日多少时间内完成实验？,三种射线分别用什么类型探测器进行探测？其中液体闪烁探测器主要用于什么射线的测量？,在某次测量中，5min测得放射源加本底的总计数N=1080，移去放射源，10min测得本底总计数为223，求放射源的净计数率及其标准误差、相对误差。,课堂练习,