核輻射物理及探測(cè)學(xué)課件-輻射測(cè)量方法

輻射測(cè)量方法輻射測(cè)量對(duì)象：放射性樣品活度測(cè)量；

輻射場(chǎng)量的測(cè)量；輻射能量或能譜的測(cè)量；輻射劑量的測(cè)量；

位置的測(cè)量(輻射成像)；

時(shí)間的測(cè)量；粒子鑒別等。12.1

放射性樣品的活度測(cè)量1、相對(duì)法測(cè)量和絕對(duì)法測(cè)量

相對(duì)法測(cè)量簡(jiǎn)便，但條件苛刻：必須有一個(gè)與被測(cè)樣品相同的已知活度的標(biāo)準(zhǔn)源，且測(cè)量條件必須相同。

相對(duì)法測(cè)量：需要一個(gè)已知活度A0標(biāo)準(zhǔn)源，在同樣條件下測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)源和被測(cè)樣品的計(jì)數(shù)率n0、n，根據(jù)計(jì)數(shù)率與活度成正比，可求出樣品的活度：

A＝A0n/n0。2、絕對(duì)測(cè)量中影響活度測(cè)量的幾個(gè)因素1)

幾何因子（fg）點(diǎn)源

絕對(duì)測(cè)量法復(fù)雜，需要考慮很多影響測(cè)量的因素，但絕對(duì)測(cè)量法是活度測(cè)量的基本方法。2)探測(cè)器的本征探測(cè)效率或靈敏度(1)對(duì)脈沖工作狀態(tài)：本征探測(cè)效率

(2)對(duì)電流工作狀態(tài)：靈敏度

有關(guān)因素：入射粒子的種類與能量；探測(cè)器的種類、運(yùn)行狀況、幾何尺寸；電子儀器的狀態(tài)（如甄別閾的大小）等。3)吸收因子(fa)

射線從產(chǎn)生到入射到探測(cè)器的靈敏體積所經(jīng)過(guò)的吸收層為：樣品材料本身的吸收(樣品的自吸收)；樣品和探測(cè)器之間空氣的吸收；探測(cè)器窗的吸收。4)散射因子(fb)

放射性樣品發(fā)射的射線可被其周圍介質(zhì)所散射，對(duì)測(cè)量造成影響。散射對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響有兩類：正向散射反向散射使射向探測(cè)器靈敏區(qū)的射線偏離而不能進(jìn)入靈敏區(qū)，使計(jì)數(shù)率減少。使原本不射向探測(cè)器的射線經(jīng)散射后進(jìn)入靈敏區(qū)，使計(jì)數(shù)率增加。5)

死時(shí)間修正因子(f

)

式中n

為實(shí)際測(cè)量到的計(jì)數(shù)率，m為真計(jì)數(shù)率，

為測(cè)量裝置的分辨時(shí)間。6)

本底計(jì)數(shù)率

（nb）3、對(duì)

、

放射性樣品活度的測(cè)量方法1)小立體角法其中：對(duì)于薄

放射性樣品，對(duì)于厚

放射性樣品和

放射性樣品的測(cè)量需考慮各種修正因子。修正因子多，測(cè)量誤差大，達(dá)5％～10％2)4

計(jì)數(shù)法

流氣式4

正比計(jì)數(shù)器；(適用于固態(tài)放射源)

內(nèi)充氣正比計(jì)數(shù)器和液體閃爍計(jì)數(shù)器；(適用于14C、3H等低能

放射性測(cè)量，將14C、3H混于工作介質(zhì)中)

將源移到計(jì)數(shù)管內(nèi)部，使計(jì)數(shù)管對(duì)源所張立體角為4

，減小了散射、吸收和幾何位置的影響。測(cè)量誤差小，可好于1％。4、

射線強(qiáng)度的測(cè)量

射線強(qiáng)度的測(cè)量包括

輻射場(chǎng)測(cè)量和

射線放射源活度的測(cè)量。同樣可以用相對(duì)測(cè)量法和絕對(duì)測(cè)量法測(cè)量。

如能獲得

能譜，可利用

譜的全能峰面積來(lái)確定源活度，對(duì)于

射線同位素放射源絕對(duì)測(cè)量常用源峰效率得到源活度：12.2符合測(cè)量方法符合方法：用不同的探測(cè)器來(lái)判斷兩個(gè)或兩個(gè)以上事件的時(shí)間上的同時(shí)性或相關(guān)性的方法。符合事件：兩個(gè)或兩個(gè)以上在時(shí)間上相互關(guān)聯(lián)的事件。1、符合方法的基本原理1)符合(真符合)——用符合電路來(lái)選擇同時(shí)事件

以

－

符合裝置為例：對(duì)一個(gè)放射源同時(shí)放出的

和

射線，用兩個(gè)探測(cè)器分別測(cè)量。符合計(jì)數(shù)：可得放射源的活度為：

由于本底同時(shí)進(jìn)入兩個(gè)探測(cè)器的幾率很小；而級(jí)聯(lián)

是相關(guān)事件，它們分別進(jìn)入兩個(gè)探測(cè)器的時(shí)刻一定是同時(shí)的，則有：(2)反符合——

用反符合電路來(lái)消除同時(shí)事件

反符合康普頓譜儀為反符合電路的典型應(yīng)用?？梢杂行岣叻蹇偙龋ㄈ芊迕娣e與譜全面積之比）。

如HXMT的復(fù)合晶體探測(cè)器及荷電粒子反符合屏蔽裝置。

記錄入射

射線在探測(cè)器中能量全吸收的事件；而去除發(fā)生康普頓散射、并且散射光子又發(fā)生逃逸的事件。多道分析器Gate反符合：消除符合事件的信號(hào)。(3)符合裝置的分辨時(shí)間及偶然符合

符合裝置的分辨時(shí)間：符合裝置所能區(qū)分的最小時(shí)間間隔

s，符合電路兩輸入信號(hào)時(shí)間間隔只要小于

s，就被認(rèn)為是同時(shí)事件給出符合信號(hào)。

由于分辨時(shí)間的存在，引起偶然計(jì)數(shù)：

在偶然的情況下，同時(shí)到達(dá)符合電路的非關(guān)聯(lián)事件引起的符合稱為偶然符合。減小偶然符合計(jì)數(shù)率的方法：

(1)減小符合分辨時(shí)間

s，但是會(huì)影響符合效率

(2)減小各符合道計(jì)數(shù)率n

。推廣：i重符合時(shí)的偶然符合計(jì)數(shù)率：例：實(shí)驗(yàn)測(cè)得偶然符合計(jì)數(shù)率nrc

=72/hr.

符合道計(jì)數(shù)n1=n2=100/sec

，求分辨時(shí)間

s。真偶符合比

符合計(jì)數(shù)的實(shí)驗(yàn)測(cè)量值中總是包含真符合計(jì)數(shù)和偶然符合計(jì)數(shù)。真符合計(jì)數(shù)率為：偶然符合計(jì)數(shù)率為：則，真偶符合比為：仍以

－

符合為例：(4)延遲符合

關(guān)聯(lián)事件可以是同時(shí)性事件，也可以是不同時(shí)性事件。

飛行時(shí)間方法(TOF)測(cè)量粒子的飛行時(shí)間。(5)符合曲線符合脈沖受到多方面因素的影響：

輸入脈沖的形狀；

符合電路的工作特性；

計(jì)數(shù)器的觸發(fā)閾值。

這些因素影響符合性能，其綜合效應(yīng)可以通過(guò)符合曲線表現(xiàn)出來(lái)。

符合曲線：n(td)~td電子學(xué)瞬時(shí)符合曲線，假設(shè)：

同步信號(hào)頻率nco

；

不存在時(shí)間離散；成形脈沖是理想的矩形波。符合曲線的高度為nco

，半寬度為:由此決定電子學(xué)分辨時(shí)間為：FWHM/2＝

。

電子學(xué)分辨時(shí)間與成形脈沖寬度、形狀、符合單元的工作特性等因素有關(guān)。物理瞬時(shí)符合曲線：探測(cè)器輸出脈沖時(shí)間統(tǒng)計(jì)漲落引起的時(shí)間晃動(dòng)；系統(tǒng)噪聲引起的時(shí)間晃動(dòng)；定時(shí)電路中的時(shí)間游動(dòng)。由此決定物理分辨時(shí)間。

快符合的符合曲線寬度主要是脈沖時(shí)間離散的貢獻(xiàn)。慢符合：成形脈沖寬度>108sec.；快符合：成形脈沖寬度<108sec.。2．符合測(cè)量裝置1)、多道符合能譜儀

加速器帶電粒子核反應(yīng)：DET2DET12）、HPGe反康普頓

譜儀用HPGe反康普頓

探測(cè)器測(cè)得的60Co

能譜3）快慢符合裝置4）4-符合裝置n

n

nc

這是一種測(cè)量放射性活度的標(biāo)準(zhǔn)方法，適用于帶

－

級(jí)聯(lián)衰變的放射性核素。（1）

偶然符合的校正其測(cè)量結(jié)果的修正因素為：

設(shè)由

道、

道及符合道輸出的計(jì)數(shù)率分別為：其中：而：則：（2）死時(shí)間校正

各道死時(shí)間由成形電路決定，用

表示。在

時(shí)間內(nèi)，放射源不發(fā)生衰變的概率為1－A

考慮死時(shí)間后，

道的探測(cè)效率為：所以，

道的計(jì)數(shù)率可表示為：在

內(nèi)發(fā)生衰變的概率與探測(cè)效率的乘積。在

內(nèi)發(fā)生衰變，但沒(méi)有被測(cè)到，這部分實(shí)際上未受

的影響，要補(bǔ)回去。類似可得出

道的計(jì)數(shù)率為：符合道的計(jì)數(shù)率應(yīng)為：并考慮A

<<1，可得到：若

綜合考慮偶然符合及死時(shí)間兩項(xiàng)修正，可以得到源活度Ａ.

這樣，只要測(cè)出三道的計(jì)數(shù)率及它們的本底計(jì)數(shù)率，并事先測(cè)定各道的死時(shí)間和符合裝置的分辨時(shí)間，就可以求出源的活度。其它校正因素還有：內(nèi)轉(zhuǎn)換電子修正；

探測(cè)器對(duì)

靈敏度修正；

探測(cè)器對(duì)

靈敏度修正；

-符合計(jì)數(shù)修正，等。5)雙PMT液體閃爍計(jì)數(shù)器395頁(yè)圖12－11(b)

特點(diǎn)：采用符合方法，可以降低光電倍增管的噪聲，有利于低能

粒子核素等的測(cè)量。6）、延遲符合裝置測(cè)量核激發(fā)態(tài)壽命瞬時(shí)符合曲線；延遲符合曲線。當(dāng)

e

>>

時(shí)，

取對(duì)數(shù)，得到：直線擬合可以求出核激發(fā)態(tài)壽命

e。12.3

能譜與

最大能量的測(cè)定1.能量的測(cè)量

凡是輻射粒子的能量測(cè)量，探測(cè)器都必須工作于脈沖工作狀態(tài)(電壓脈沖工作狀態(tài)或電流脈沖工作狀態(tài)均可)。在電壓工作狀態(tài)時(shí)，脈沖幅度：

為入射粒子在探測(cè)器靈敏體積內(nèi)產(chǎn)生的信息載流子的數(shù)目。1)能譜但實(shí)驗(yàn)直接測(cè)得的是脈沖幅度譜，即式中dN代表脈沖幅度落在h~h+dh的脈沖數(shù)，dN/dh表示輸出脈沖幅度為h的單位幅度間隔內(nèi)的脈沖數(shù)。由于統(tǒng)計(jì)漲落，即使對(duì)同一能量的帶電粒子，也會(huì)產(chǎn)生不同幅度的脈沖，形成脈沖幅度分布。脈沖幅度分布的中心值對(duì)應(yīng)某一入射粒子的能量。能譜的定義：能譜就是的直方圖。實(shí)測(cè)多采用多道脈沖幅度分析器，給出：2)譜儀的能量刻度和能量刻度曲線

探測(cè)器輸出脈沖幅度與入射粒子能量E一般具有線性關(guān)系，這里的指脈沖幅度分布的中心位置的幅度值。若輸出脈沖幅度與入射粒子能量具有良好的線性關(guān)系。則有：而脈沖幅度分析器具有良好的線性，所以：增益，單位為[KeV/ch]零道址對(duì)應(yīng)的粒子能量，稱為零截E與x的函數(shù)關(guān)系E(x)，稱為能譜儀的能量刻度曲線。借助于一組已知能量的輻射源進(jìn)行能量刻度，而得到一條能量刻度曲線。橫坐標(biāo)為道址x，縱坐標(biāo)為入射粒子的能量E。2.

能譜的測(cè)定1)能量分辨率以金硅面壘半導(dǎo)體探測(cè)器為例。210Po的E

＝5.3MeV，

E＝15.8KeV2)

能譜儀的能量刻度

在測(cè)得輸出脈沖幅度譜后，必須進(jìn)行能量刻度，才能確定

粒子的能量。借助一組已知能量的

源進(jìn)行能量刻度，得到一條能量刻度曲線。根據(jù)脈沖幅度分布的中心位置道址求出

粒子的能量。

對(duì)于

粒子能譜的測(cè)量，要考慮到

粒子與物質(zhì)相互作用的特點(diǎn)，并盡量選擇能量分辨率較好及使用較方便的探測(cè)器。3)探測(cè)器的選擇

金硅面壘半導(dǎo)體探測(cè)器；屏柵電離室；帶窗的正比計(jì)數(shù)器等。

由于

能譜是連續(xù)譜，僅存在Emax，給測(cè)量帶來(lái)困難。1）精確測(cè)定

粒子能譜(如采用磁譜儀)，用居里描繪而求出Emax。也可用半導(dǎo)體探測(cè)器，由于存在散射，會(huì)使譜形畸變，而影響測(cè)量結(jié)果。3.

能譜的測(cè)定2）用吸收法測(cè)得

粒子的最大射程，再根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式求得其最大能量。對(duì)

衰變伴有

射線發(fā)射的樣品，一般都通過(guò)

能譜的測(cè)量來(lái)確定核素的含量。12.4

射線能譜的測(cè)定1.單能

能譜的分析1)單晶

譜儀常用NaI(Tl)，Cs(Tl)，Ge(Li)，HPGe等探測(cè)器

主過(guò)程：全能峰——光電效應(yīng)＋所有的累計(jì)效應(yīng)；康普頓平臺(tái)、邊沿及多次康普頓散射；單、雙逃逸峰。2)單能

射線的能譜

其他過(guò)程：和峰效應(yīng)；I(或Ge)逃逸峰；邊緣效應(yīng)(次電子能量未完全損失在靈敏體積內(nèi))。

屏蔽和結(jié)構(gòu)材料對(duì)

譜的影響：散射及反散射峰；湮沒(méi)峰；特征X射線；軔致輻射。3)能量特征峰

從單能

射線能譜中可以看出，全能峰、單逃逸峰、雙逃逸峰的峰位所對(duì)應(yīng)的能量與

射線的能量都有確定的對(duì)應(yīng)關(guān)系，稱為特征峰。即：全能峰單逃逸峰雙逃逸峰(1)峰位和能量刻度峰位即特征峰的中心位置，代表

射線的能量。能量刻度：選一組能量已知的

射線標(biāo)準(zhǔn)源，用

譜儀得到特征峰的峰位與

射線能量的關(guān)系，稱為對(duì)該

譜儀的能量刻度。(2)峰寬與能量分辨率峰函數(shù)：用高斯函數(shù)表示。FWHM與

的關(guān)系：能量分辨率：(3)源峰探測(cè)效率、峰面積、峰總比、峰康比源峰探測(cè)效率(又稱峰探測(cè)效率)

sp峰面積或峰總比：峰康比：閃爍探測(cè)器半導(dǎo)體探測(cè)器

能譜儀能量分辨率：55Fe5.9keV137Cs662keV60Co1.33MeVSi(Li)~4%正比計(jì)數(shù)器~17%NaI(Tl)~80%~7-8%~5-6%Ge(Li)~1.3‰2.

譜儀裝置1)單晶

譜儀。探測(cè)器放大器多道分析器計(jì)算機(jī)高壓2)全吸收反康普頓譜儀。主探測(cè)器符合環(huán)前置放大反符合帶門控的多道前置放大控制信號(hào)測(cè)量信號(hào)3)康普頓譜儀(雙晶譜儀)。放大器放大器符合電路帶門控的多道主探測(cè)器輔探測(cè)器測(cè)量信號(hào)門控信號(hào)康普頓散射反沖電子能量：4)電子對(duì)譜儀(三晶譜儀)輔I輔II放大器放大器放大器符合帶門控的多道測(cè)量信號(hào)門控信號(hào)3.復(fù)雜

譜的解析1)標(biāo)準(zhǔn)譜法

假定：混合

能譜是樣品組成核素的標(biāo)準(zhǔn)譜按各自強(qiáng)度的線性疊加。必須保證：標(biāo)準(zhǔn)譜與樣品譜獲取條件相同；譜儀響應(yīng)不隨計(jì)數(shù)率而明顯變化。（1）剝譜法（2）逆矩陣法：樣品已知由n種核素組成，求每個(gè)核素的活度xj。(a)確定特征道域即各全能峰，以i表示(b)確定響應(yīng)函數(shù)通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)譜得到(c)混合樣品譜第i道的計(jì)數(shù)率mi實(shí)驗(yàn)測(cè)量得到矩陣表示：A為aij集合而成的矩陣，稱為譜儀的響應(yīng)矩陣