（粒子物理与原子核物理专业论文）反宇宙射线低本底γ谱仪本底来源及降低方法研究.pdf

广西大学学位论文原创性声明和学位论文使用授权说明 学位论文原创性声明 本人声明：所呈交的学位论文是在导师指导下完成的，研究工作所取得的成 果和相关知识产权属广西大学所有。除已注明部分外，论文中不包含其他人已经 发表过的研究成果，也不包含本人为获得其它学位而使用过的内容。对本文的研 究工作提供过重要帮助的个人和集体，均已在论文中明确说明并致谢。 论文作者签名：彳天锹槠、弘阳年月5 日 学位论文使用授权说明 本人完全了解广西大学关于收集、保存、使用学位论文的规定，即： 本人保证不以其它单位为第一署名单位发表或使用本论文的研究内容； 按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本； 学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务； 学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文； 学校可以公布论文的部分或全部内容。 请选择发布时间： 勉即时发布口解密后发布 ( 保密论文需注明，并在解密后遵守此规定) 论文作者签名：弓枞弥导师签名：甭永龋如f d 年月5 日 反宇宙射线低本底丫谱仪本底来源及降低方法研究 摘要 低本底丫谱仪在常规放射性测量和基础科学研究方面有着非常 广泛的应用，很多情况下要尽量降低谱仪的本底以使谱仪达到更低的 探测下限。以高纯度锗( h p g e ) 为主探测器的y 谱仪本底成分的主要来 源包括：( 1 ) 土壤及建筑材料中的天然放射性，主要是2 3 8 u 、2 3 2 t h 衰 变系的子体以及4 0 k ，也有重核自发裂变和( a ，n ) 反应产生的中子；( 2 ) 屏蔽材料和探测元件中的放射性，包括材料本身的放射性同位素和引 入的放射性杂质或污染；( 3 ) 宇宙射线诱发的本底，包括i r l 子本身以 及p 子在屏蔽材料上产生的中子、高能电子等产生的本底。降低本底 的方法主要分为物质屏蔽方法和反符合方法。物质屏蔽方法能降低天 然的放射性和屏蔽材料及探测元件带来的放射性本底，距离主探测器 较近的屏蔽物质应尽量选择清洁或放射性本底低的材料。反符合方法 一般选用塑料闪烁体或n a i ( t 1 ) 作为反符合探测器，能有效降低宇宙 射线p 子诱发的本底。很多实验室均建立了不同的低本底y 谱仪，并 对它们的本底成分和降低方法做了分析和研究。 本论文基于一台新建的反宇宙射线低本底t t p g e7 谱仪，测量并 分析了各种屏蔽条件下的本底谱，对各种物质屏蔽、反符合屏蔽和热 中子屏蔽降低环境放射性、p 子和中子产生的本底进行了实验研究。 实验结果表明物质屏蔽能有效的阻挡环境中的天然放射性本底， 5 0 3 0 0 0k e v 之间的本底降低系数达4 0 0 倍以上。反符合屏蔽( 塑料闪 烁探测器) 不仅能大幅度降低“子产生的本底，还能有效抑制快中子 与锗晶体和屏蔽材料非弹性散射引起的本底，反符合对1 0 0 2 0 0 0k e v 能区的积分本底抑制系数可达8 0 倍。热中子屏蔽( 镉吸收片) 的加入 可明显降低锗晶体和屏蔽材料热中子俘获产生的本底，同时5 1 1k e v 正电子湮灭峰本底的抑制系数由5 8 倍提高到2 0 7 倍，1 0 0 2 0 0 0k e v 反符合积分本底抑制系数提高到1 3 2 倍。 具备良好物质屏蔽的低本底y 谱仪，再采用反符合和热中子屏蔽 联合降低宇宙射线子和中子产生的本底，可以进一步使本底降低一 个量级以上。本论文的反宇宙射线低本底丫谱仪经上述屏蔽后， 5 0 3 0 0 0k e v 之间的积分本底计数率为2 6 5 x 1 0 。2 s 1 0 0 c m 3 g e ，国际同 类装置中达到了最佳的本底水平。 关键词：低本底y 谱仪宇宙射线反符合热中子屏蔽 i i b a c k g r o u n ds o u r c ea n di t sr e d u c t l 0 no f a n t i c o s m i cl o w - b a c k g r o u n d 1 , - r a y s p e c t r o m 匣t e r a bs t r a c t l o wl e v e l 丫- r a ys p e c t r o m e t e rc o v e r saw i d er a n g eo fm e a s u r e m e n t f r o mr o u t i n es u r v e y st of u n d a m e n t a lr e s e a r c h ，a n dt h eb a c k g r o u n ds h o u l d i nm a n yc a s e sb ea sl o wa sp o s s i b l es oa st op r o v i d et h el o w e s td e t e c t i o n l i m i t t h em a jo rb a c k g r o u n dc o m p o n e n t so f ，l , - r a y s p e c t r o m e t e ru s i n g h i 曲p u r i t yg e r m a n i u m ( h p g e ) a r ea sf o l l o w s ：( 1 ) n a t u r a lr a d i o a c t i v i t yi n s o i la n db u i l d i n gm a t e r i a l s ，s u c ha sr a d i o n u c l i d e s ( ：3 s u ，2 3 2 t h ，4 0 k ) a n d t h e i rp r o g e n ya sw e l la ss o m en e u t r o n sw h i c hc o m ef r o mf i s s i o no f h e a v y n u c l i d e sa n d ( q ，n ) r e a c t i o n ；( 2 ) r a d i o a c t i v i t yi nd e t e c t o re l e m e n t sa n d s h i e l d i n gm a t e r i a l s ，i n c l u d i n g t h e r a d i o a c t i v i t y i s o t o p e s a n d r a d i o i m p u r i t i e s o rc o n t a m i n a t i o ni n s h i e l d i n gm a t e r i a l s ；( 3 ) c o s m i c r a d i a t i o nb a c k g r o u n d ，w h i c hi n c l u d e st h e b a c k g r o u n d o fpi t s e l f , m u o n - i n d u c e dn e u t r o n sa n dh i g he n e r g ye l e c t r o n si ns h i e l d i n gm a t e r i a l s m a t e r i a ls h i e l d i n ga n da n t i c o i n c i d e n c es h i e l d i n ga r et h eg e n e r a lm e t h o d s i i i u s e dt or e d u c et h eb a c k g r o u n d t h es h i e l d i n gm a t e r i a l sc a nr e d u c et h e b a c k g r o u n dw h i c hc o m ef r o mn a t u r a lr a d i o a c t i v i t y , d e t e c t o re l e m e n t sa n d s h i e l d i n gm a t e r i a l s t h es h i e l d i n gm a t e r i a lc l o s et ot h ed e t e c t o rs h o u l db e h i g hr a d i o p u r i t ya n dl o wb a c k g r o u n d t h ea n t i - c o i n c i d e n c es h i e l d i n gi n w h i c h p l a s t i c s c i n t i l l a t i o na n d n a i ( t 1 ) a r eu s u a l l y u s e da s a n t i c o i n c i d e n c ed e t e c t o r sc a nr e d u c et h ec o s m i cr a d i a t i o nb a c k g r o u n d e f f e c t i v e l y d i f f e r e n tk i n d so fl o w b a c k g r o u n d7 - r a ys p e c t r o m e t e r si n v a r i o u sl a b sh a v eb e e ns e tu pa n dt h e b a c k g r o u n dc o m p o s i t i o na n d r e d u c t i o nm e t h o dh a v eb e e ns t u d i e d b a s i n go nan e w l yd e v e l o p e da n t i - - c o s m i cl o w b a c k g r o u n d ) , - r a y s p e c t r o m e t e r ，w eh a v es t u d i e dt h eb a c k g r o u n dr e d u c t i o no fn a t u r a l r a d i o a c t i v i t y , m u o na n dn e u t r o nw i t hm a t e r i a ls h i e l d i n g ，a n t i c o i n c i d e n c e a n dt h e r m a ln e u t r o ns h i e l d i n g t h er e s u l ti n d i c a t e st h a tm a t e r i a ls h i e l d i n g c a ne f f e c t i v e l ys h i e l dn a t u r a lr a d i o a c t i v i t ya n dt h eb a c k g r o u n dh a sb e e n r e d u c e db yaf a c t o ro fm o r et h a n4 0 0i nt h ee n e r g yr e g i o nf r o m50k e vt o 30 0 0k e v t h ea n t i c o i n c i d e n c es h i e l d i n g ( p l a s t i cs c i n t i l l a t i o nd e t e c t o r ) c a nn o to n l yr e d u c et h em u o nb a c k g r o u n ds i g n i f i c a n t l yo nt h eh p g e d e t e c t o r , b u ta l s os u p p r e s st h eb a c k g r o u n df r o mt h ef a s tn e u t r o ni n e l a s t i c s c a t t e r i n go nt h eg ec r y s t a la n ds h i e l d i n gm a t e r i a l s t h es u p p r e s s i o n f a c t o ro ft h ei n t e g r a t e db a c k g r o u n di su pt o8 0i nt h ee n e r g yr e g i o n b e t w e e n10 0a n d2 0 0 0 k e v t h et h e r m a ln e u t r o ns h i e l d i n g ( c da b s o r b e r ) c a ne f f e c t i v e l yr e d u c et h eb a c k g r o u n dg e n e r a t e db yt h et h e r m a ln e u t r o n i v c a p t u r e d i nt h eg ea n d s h i e l d i n gm a t e r i a l s s i m u l t a n e o u s l y , t h e s u p p r e s s i o nf a c t o rb yt h e a n t i c o i n c i d e n c es h i e l d i n gh a sb e e ni m p r o v e dt o 2o 7f r o m5 8f o r t h e511k e v t - r a ya n n i h i l a t i o np e a ka n dt o13 2f o rt h e i n t e g r a t e db a c k g r o u n d i n t h ee n e r g yr e g i o nf r o m10 0t o2 0 0 0k e v w i t he f f e c t i v em a t e r i a ls h i e l d i n g ，u s i n ga n t i c o i n c i d e n c ec o m b i n e d w i t ht h e r m a ln e u t r o ns h i e l d i n gt os u p p r e s st h eb a c k g r o u n df r o mc o s m i c m u o n sa n dn e u t r o n s ，t h eb a c k g r o u n do fal o w - b a c k g r o u n dts p e c t r o m e t e r c a nb ef u r t h e rr e d u c e db yo n em a g n i t u d e e q u i p p e dw i t hu p p e rs h i e l d i n g ， o u rl o w - b a c k g r o u n dt - r a y s p e c t r o m e t e r h a sa c h i e v e dab a c k g r o u n d c o u n t r a t e2 6 5 x1 0 。2 s 1 0 0 c m 3 g ei nt h ee n e r g yr e g i o nf r o m5 0t o3 0 0 0 k e vw h i c hi sb e t t e rt h a nt h o s ed e v e l o p e di nt h eo t h e rc o u n t r i e s k e yw o r d s ：l o w - b a c k g r o u n d ；t - r a ys p e c t r o m e t e r ；c o s m i cr a y ； a n t i c o i n c i d e n c e ；t h e r m a ln e u t r o ns h i e l d i n g v 目录 第1 章引言1 1 1 国内外研究现状2 1 2 本课题的研究目的及意义一5 第2 章低本底丫谱仪的本底来源及降低方法概述6 2 1 丫谱仪本底来源分类6 2 1 1 环境中的天然放射性6 2 1 2 屏蔽材料及探测元件中的放射性7 2 1 3 宇宙射线8 2 2 本底降低方法概述1 2 2 2 1 物质屏蔽及材料选择1 2 2 2 2 反符合屏蔽方法1 4 第3 章装置简介与实验调试1 7 3 1 装置介绍1 7 3 2 塑料闪烁体探测器调试1 8 3 3 电子学线路调试1 9 第4 章本底来源及降低方法的实验研究2 2 4 1 实验条件介绍2 2 4 2 本底测量结果2 3 4 3 本底来源及降低方法的实验研究。2 4 4 3 1 不同物质屏蔽下的本底谱数据分析一2 4 4 3 2 反符合屏蔽下的本底数据分析2 9 4 3 3 热中子屏蔽下的本底数据分析3 0 4 3 41 3 9 5 和1 9 8 3k e v 丫射线峰本底的实验确定一3 2 4 4 探测下限的计算3 3 4 5 小结3 4 第5 章总结与讨论3 7 5 1 本底实验研究的主要结论3 7 5 2 进一步降低本底的讨论3 8 参考文献3 9 致 射4 2 附录：硕士期间发表的文章4 3 v i 究 平测量使用的测量装置称为低本底谱仪，所用探测器以半导体探测器为主。 低本底丫谱仪在辐射防护、环境监测、大气现象、食品卫生等方面都有重要 的应用。随着人们对环境保护工作的日益重视，对放射性分析水平的下限也提出 了更高的要求，特别是在样品放射性极其微弱的情况下，最大限度的降低本底成 为必然。目前，低本底丫谱仪已广泛应用于核设施本底普查、建筑材料放射性检 测、食品放射性监测、土壤样品测量以及标准物质定值等方面。 高纯度锗晶体制作工艺的提高以及丫谱仪本底的改善对低本底丫谱仪发展的 历程具有重要影响。现在，2 埏高纯度锗晶体探测器的使用很普遍，5 埏锗晶体 的探测器也可以生产。大体积晶体的使用会带来高的探测效率，可以减小探测下 限，能快速测量低活度的样品。有关y 谱仪本底来源的辨别和降低方法的研究也 推动了低本底y 谱仪的发展。 从屏蔽本底的结构上讲，低本底丫谱仪测量装置主要分为一般物质屏蔽谱 仪、反符合低本底丫谱仪和地下实验室谱仪。一般的物质屏蔽谱仪仅能屏蔽掉宇 宙射线中的软成分( 电子、质子等粒子) 和周围环境的天然辐射，它对本底的降低 水平有限，5 0 3 0 0 0k e v 之间的积分本底大于0 4 s 1 0 0 c m 3 g e 0 , 2 】。反符合低本底 丫谱仪包括反康普顿低本底y 谱仪和反宇宙射线低本底丫谱仪。反康普顿低本底 y 谱仪采用物质屏蔽降低环境中的放射性，利用反符合技术有效的抑制y 射线康 普顿散射本底和宇宙射线产生的放射性本底，本底水平较前者有了很大改善。反 康普顿低本底丫谱仪在能区5 0 2 0 0 0k e v 的本底计数率可降至6 7 x l o 。2 s 1 0 0 广西大学硕士学位论文反宇宙射线低本底 r 谱仪本底来源及降低方法研究 c m 3 g e ，比普通的物质屏蔽谱仪本底降低一个数量级，但反康普顿丫谱仪测量6 0 c o 等存在级联辐射的核素时会出现漏计数，这增加了测量的复杂性。反宇宙射线低 本底y 谱仪可以弥补这缺点，它的本底水平与反康普顿低本底丫谱仪相当，在 能区1 0 0 2 0 0 0k e v 之间本底计数率能达到4 1 1 0 。2 s 1 0 0 c m 3 g e 。地下实验室谱仪 是目前屏蔽效果最好的低水平测量装置，宇宙射线p 子和中子成分被大幅度的降 低，与反符合低本底丫谱仪相比，抑制本底的能力提高了近2 个数量级。 1 1 国内外研究现状 到目前为止，国内还没有地下实验室测量装置，清华大学正在推动地下实验 室的建设以启动暗物质探测的科研项目。一般的物质屏蔽谱仪有很多，反康普顿 低本底y 谱仪在原子能科学研究院、卫生部工业卫生研究所、西安二炮工程学院 等研究所都建立有相应的装置【3 ，4 ，5 】。反宇宙射线低本底丫能谱测量技术已开始研 究，本论文的实验装置是国内第一台反宇宙射线低本底丫谱仪。 国外在此方面的研究工作开展较早，拥有各种低水平测量装置。如美国、日 本、法国都建有不同深度的地下实验室，在反宇宙射线技术研究中，包括国际原 子能机构( i n t e m a t i o n a la t o m i ce n e r g ya g e n c y , 简称i a e a ) 、美国、法国、韩国、 德国的1 0 余家实验室相继研制和建造了地面或地下反宇宙射线低本底丫谱仪装 置。反宇宙射线屏蔽探测器多采用塑料闪烁体，比较有代表性的成果主要包括 1 9 8 8 1 9 9 1 年r e e v e s 6 及m i l e y 7 1 等人在美国p n l 实验室、2 0 0 2 年美国的s e m k o w t s j 等人以及2 0 0 2 年韩国的j o n g 9 】等人完成的工作。技术指标较好的是美国p n l 实 验室m i l e y 等人在1 9 9 2 年的工作，屏蔽体采用1 5 c m 厚的铅，反宇宙射线屏蔽 探测器塑料闪烁体厚1 0 c m ，以4 7 【立体角放置在主探测器和屏蔽体周围，能够达 到的本底水平为4 1 1 0 。2 计数s 1 0 0 c m 3 g e ( 1 0 0 2 0 0 0 k e v ) 。与普通低本底装置相 比，本底降低了1 0 到2 0 倍。 1 9 8 8 年r e e v e s 等人系统地研究了影响谱仪本底的各种因素，采用足够厚度 的屏蔽体、厚度和面积较大的反宇宙射线屏蔽以及反符合电子学线路抑制谱仪本 底，取得了良好的本底降低效果。反宇宙射线装置的h p g e 探测器相对探测效率 为3 1 5 ，冷指、真空套、端帽和晶体支撑架均由己知放射性纯度的电解铜制成， 2 广西大学硕士学位论文 反宇宙射线低本底y 谱仪本底来源及降低方法研究 由高纯度锡和百年以上老铅制成的焊料焊接探测器附近的电子器件。通常靠近锗 探测器的电子学器件被移至前置放大器，前置放大器与锗晶体之间至少间隔了 1 5c m 的铅以减少4 0 k 和镭钍子体( 存在于电子器件如电阻、电路板等) 的辐射影 响；主屏蔽体采用1 5 c m 厚的铅；主屏蔽体外面的反宇宙射线屏蔽由1 0c m 厚的 塑料闪烁探测器组成，基本上将主屏蔽体全部包围，使用8 支光电倍增管与探测 器在边缘处相接；在反宇宙射线屏蔽与主屏蔽体之间放置0 0 5 c m 厚镉金属内衬， 形成一个密封的测量室，镉金属内衬可以吸收周围环境的热中子，以及在塑料闪 烁体低原子序数材料内慢化的快中子，减少了热中子在锗晶体和样品室内其它材 料上发生的活化反应；杜瓦瓶内蒸发的氮气经一小口径铜管通入铅室，用以减少 铅室内空气中放射性对本底影响。该装置所能达到的本底技术水平，与不采用反 宇宙射线技术的普通低本底装置相比，低于1m e v 能区的本底可以降低1 0 到2 0 倍，大于1m e v 能区的本底降低约4 0 倍，1 0 0 2 0 0 0 k e v 能区内谱仪积分本底计 数约为4 1 x 1 0 之s 1 0 0 c m 3 g e 。 2 0 0 2 年美国的s e m k o w 等人与c a n b e r r a 公司合作研制的一台反宇宙射线装 置，u 型h p g e 探测器的相对效率为1 3 1 ，主体屏蔽为两层铅室结构，内层铅 室厚7 5 c m ( 2 1 0 p b 比活度小于3b q k g ) ，外层铅室厚亦为7 5 c m ( 2 1 0 p b 比活度小于 2 0 b q k g ) ，铅室内充入氮气，一片面积为6 0 c m x 6 0 c m 厚度为5 c m 带有4 支光电 倍增管的塑料闪烁探测器置于外铅室上部作为反宇宙射线屏蔽，整套装置位于 3 3 米等效水深( m e t e r so f w a t e re q u i v a l e n t ，简称mw e ，相当1 0 0g c i n 2 的质量屏蔽) 的一幢建筑物的地下铁室内，铁室由1 5 c m 厚的二战前钢板制成。反符合关门脉 冲宽度为2 0 1 0 0 p s ，有利于提高反宇宙射线效率。由于反宇宙射线屏蔽探测器置 于足够厚的铁室内，输出脉冲计数率很低( 4 5 c p s ) ，采用较宽的反符合关门脉冲基 本不会影响h p g e 探测器的探测效率。5 0 2 7 0 0 k e v 能区内积分本底计数约 6 8 x 1 0 2 s 1 0 0 c m 3 g e ，与不采用反宇宙射线技术时的装置相比，本底抑制系数为 2 。 s e m k o w 等人的工作同样取得了较理想的效果，分析其原因，主要是采用了 较厚的建筑物屏蔽( 3 3 mw e ) 和金属屏蔽( 1 5 c m 铁和1 5 c m 铅) 。其不足之处主要 有两方面：一是反宇宙射线屏蔽探测器厚度较薄并且数量太少；二是未使用镉金 属吸收片。 3 广西大学硕士学位论文 反宇宙射线低本底丫谱仪本底来源及降低方法研究 2 0 0 2 年韩国的j o n g 等人研制的反符合屏蔽丫谱仪装置，h p g e 探测器的相 对效率为6 0 ，前放位于铅室外部。主体屏蔽体由总厚度1 5 c m 的两层低放射性 铅构成，内层铅室厚2 c m ( 1 ：l ：活度1 0 b q k g ) ，外层铅室厚1 3 c m ( 匕l 活度5 0 b q k g ) ， 铅室内衬为0 4 c m 厚的铜用以吸收铅x 射线，铅室内充氮气，在铅室外部前后 左右及上部5 个方向上加以7 片5 c m 厚的塑料闪烁探测器，其中3 片尺寸7 0 c m x 3 5c m ，另外4 片尺寸7 0c m x 7 0c m ，塑料闪烁探测器和h p g e 探测器输出信 号经放大并转换成逻辑信号送至时幅转换器( t a c ) ，当两路信号的时间间隔小于 2 肛s 时t a c 产生一逻辑脉冲，此逻辑脉冲展宽至5 0p s 作为反符合门控信号。谱 仪装置抑制本底效果：5 0 3 0 0 0k e v 能区内积分本底计数率约1 2 x 1 0 。1 s 1 0 0 c m 3 g e ，与不采用反宇宙射线技术时的装置相比，本底抑制系数约为4 。 j o n g 等人的反符合屏蔽丫谱仪装置的本底抑制效果没有达到谱仪本底预期 的降低效果。分析其原因，主要可能在于反宇宙射线屏蔽探测器厚度较薄且未使 用镉金属吸收片，此外，2 “s 的符合分辨时间也显得太短，造成很多真符合事件 无反符合门控信号输出。 目前在低水平y 放射性测量领域，国内和国外的技术水平相比还存在一定的 差距。国内外不同的低本底y 谱仪所能达到的本底技术水平见表1 1 。 表i - 1国内外低本底 r 谱仪本底水平 t a b l e1 - 1t h eb a c k g r o u n dl e v e lo f 7 - s p e c t r o m e t e ri n t e r n a la n da b r o a d 表1 1 列出了部分屏蔽效果较好的低本底y 谱仪，国内的反康普顿低本底y 4 广西大学硕士学位论文反宇宙射线低本底1 ，谱仪本底来源及降低方法研究 谱仪和国外的反符合低本底y 谱仪所能达到的本底水平基本相当，但与地下实验 室相比还存在较大差距。 对于以上低本底 r 谱仪的本底来源及屏蔽措施，包括屏蔽体材料的选择，本 底成分构成等国外已有系统的研究。 1 2 本课题的研究目的及意义 本课题来源于国防军工计量“十一五”计划重点项目“反宇宙射线低本底丫能 谱测量技术”，主要研究在不同屏蔽条件下，反宇宙射线低本底y 谱仪的本底来 源及降低方法，分析各种物质屏蔽和反符合屏蔽对本底的屏蔽效果及抑制水平， 提高国内低水平丫放射性核素活度的测量技术水平。 低本底- r 谱仪本底降低方法的研究有助于低水平测量装置的优化，在材料选 择、屏蔽结构设计、探测元件选购等方面为低水平测量装置的建立提供依据和建 议。低本底y 谱仪装置的建立，在以上每个方面都有许多需要仔细考虑的地方， 比如内衬材料对铁和铜的选择哪个更优先，屏蔽体的最佳厚度选多少。一个优化 的低本底 r 谱仪需要考虑这些因素的影响，铁和铜作为内衬材料都有各自的优缺 点，与铁相比，电解铜比较清洁，不易受到放射性杂质污染，但是与中子作用会 产生更多的t 射线。铅屏蔽的厚度也并不是越厚越好，厚度大固然能吸收环境中 的高能1 ，射线，这样却会增大次级射线的产生概率和材料中放射性杂质的干扰。 这些都是本底降低方法研究的内容。对本底降低方法的系统认识，也有利于本底 来源的细致分析，对低本底丫谱仪的建立有着重要的指导作用。 5 广西大学硕士学位论文反宇宙射线低本底y 谱仪本底来源及降低方法研究 第2 章低本底丫谱仪的本底来源及降低方法概述 2 1 y 谱仪本底来源分类 在放射性测量中，本底是指在探测系统中被测量的放射性物质所产生的信 号以外的信号，这里主要介绍电离辐射与探测器介质相互作用产生的本底，不包 括电子学和电磁学方面引起的本底，如电子学仪器的噪声及周围环境产生的电磁 干扰等。低本底丫谱仪的本底主要有三种来源：( a ) 环境中的天然放射性本底；( b ) 探测元件及屏蔽材料中的放射性；( c ) 宇宙射线。在一般的丫辐射测量装置所探测 到的本底中，周围环境的y 辐射约占5 0 到6 0 ，宇宙射线的软成分占1 0 ， 硬成分占2 0 到3 0 ，其他来源占1 0 蛰j2 0 。 2 1 1 环境中的天然放射性 环境中的放射性本底主要由天然2 3 8 u 和2 3 2 t 1 1 两大衰变系中的放射性核素及 4 0 k 产生，也有重核自发裂变和( a , n ) 反应产生的中子的影响。2 3 8 u 、2 3 2 1 1 1 和4 0 k 核素普遍存在于建筑材料及土壤中。不同地区不同地质所含的放射性水平不同。 大陆地壳与北京地区的土壤平均放射性水平对比见表2 1 。 表2 - i 北京地区土壤与地壳中的放射性核素及活度 t a b l e2 - 1t h en u c l i d e sa n da c t i v i t yo fb e r i n gs o i la n dc o n t i n e n t a lc r u s t 堡童j ! 塞圭攮坐g 堡立盔堕丝壹堡g 坐立 镭 3 5 3 6 钍4 04 4 钾6 7 08 5 0 氡( 2 2 2 啪是2 3 8 u 衰变系中的一种放射性气体，半衰期3 8 天，实验室的建筑 材料及土壤均会释放出这种放射性气体，每天大概有13 0 0b q m 2 的2 2 2 r n 通过这 种方式由地表释放到大气中，住所及实验室的氡放射性浓度可以达到4 0b q m 3 ， 在密封或通风不好的空间里，氡的浓度会更高。2 1 8 p o 、2 1 4 p b 、2 1 4 b i 等几个短寿 6 广西大学硕士学位论文 反宇宙射线低本底7 谱仪本底来源及降低方法研究 命核素是氡的子体，这些重金属的固体颗粒具有很强的附着能力，能牢固的附在 物体的表面。氡与其子体一起对人体产生的辐射剂量，占天然或人工源对人体产 生的辐射总剂量的5 0 p a _ l z ，其子体2 1 4 p b 和2 1 4 b i 的特征丫射线在丫谱仪本底上 是很常见的本底线，本底谱上因氡产生的本底强度会随着天气条件产生很大波 动。 2 1 2 屏蔽材料及探测元件中的放射性 由于人类活动( 核电站、核技术应用、核试验等) 释放到环境中的放射性核素 所产生的本底称为人工放射性本底，这些放射性杂质有可能存在于大气层沉降物 中，屏蔽材料在生产过程或者提纯工艺中很容易引入含有这些放射性杂质的灰 尘。探测元件及配件自身的放射性来源有多种，主要是材料中的杂质影响。h p g e 探测器的前置放大器、高纯锗端帽及恒温保持器都可能含有少量的u 和t h ，而 且在玻璃材料中还会含有4 0 k 【1 0 】。第二次世界大战后，放射性同位素的使用越来 越普遍， 0 c o 放射源常被用于监测炼钢炉壁的耗损情况，所以铁和钢在熔炼过程 中也会受到6 0 c o 污染。 探测器结构材料的精选对于低水平样品的测量非常重要，探测器结构材料中 微量的放射性核素产生的本底是不能忽略的。大量的分析结果表明h p g e 探测器 封装外壳宜用不锈钢和铝制作，但不锈钢中会含有微量的6 0 c o ，不同型号的铝材 或不同公司生产的同一型号的铝材，其放射性核素的含量也是不相同的，因此选 择不锈钢和铝做探测器的外壳材料时还需仔细检测。镁材料中放射性核素含量比 不锈钢还低，而且生产镁的过程无6 0 c o 污染，所以国外的h p g e 探测器生产厂 家已有用镁材料制作h p g e 的封装外壳的。对于n a i ( t 1 ) 探测器，为了降低来自 n a i ( t 1 ) 晶体中的4 0 k 所引起的本底，可以在n a i ( t 1 ) 晶体和光电倍增管的阴极之 间加上一块 7 5m i n x 7 5m l n 的低钾纯n a i 晶体。这块晶体既能屏蔽来自光电倍 增管材料中的4 0 k ，又能起到光导的作用。 普遍采用的屏蔽材料铅中含有放射性同位素2 1 0 p b ，它对本底的影响不容忽 略，而且其半衰期很长，约为2 2 年。2 1 0 p b 的弱p 射线和丫射线在很大程度上能被 自身吸收，但是其子体2 1 0 b i 的高能d 射线被铅阻挡时会产生轫致辐射和特征x 射线，x 射线有四种能量：7 2 8k e v 、7 5 0k e v 、8 4 9k e v 和8 7 4k e v 。轫致辐射 7 广西大学硕士学位论文反宇宙射线低本底y 谱仪本底来源及降低方法研究 产生的是一个连续本底区，最大计数率对应的能量在1 7 0k e v 左右。2 1 0 p b 的来 源主要是铅矿本身伴有含铀矿物质，熔炼过程中使用的煤或焦炭也含有大量的铀 元素，这样就混入了铀在长期放射性平衡下衰变产生的2 1 0 p b 核素。 另外一些材料中会含有宇生放射性核素，即因宇宙射线作用而产生的放射性 核素，但这部分影响很小。 2 1 3 宇宙射线 宇宙射线是由太空进入地球大气的一些粒子流及其次级产物组成的。从太空 进入地球大气上层的宇宙射线主要是能量极高的质子以及少量0 【粒子与各种原 子核等，通常称为初级宇宙射线。这些初级宇宙射线与大气中的原子核相互作用， 产生大量的次级粒子和光子，形成次级宇宙射线。初级宇宙射线和大气作用的产 物如图2 1 所示。 图2 1 初级宇宙射线与大气原子核的反应产物 f i g2 - 1t h ep r o d u c t i o no fp r i m a r yc o s m i cr a yw i t ha t m o s p h e r en u c l e u s 次级宇宙射线包含中子、电子、中微子、质子、p 子和介子，这些次级粒子 的总强度在1 3 7m 海拔高度( 大气厚度15 0g c m 2 ) 处达到一个最大值后就逐渐 降低。在海平面上，各次级粒子：带电介子、质子、电子、中子、“子的相对强 度分别为1 ：1 3 ：3 4 0 ：4 8 0 ：1 4 2 0 ，他们的通量依赖于地磁纬度和周期1 1 年的 太阳活动，而且通量变化很大，特别是中子。带电粒子可以贯穿探测器的灵敏体 8 广西大学硕士学位论文反宇宙射线低本底y 谱仪本底来源及降低方法研究 积，和其他入射粒子符合产生连续的本底。在锗探测器内，“子在1c m 长的路 径上会产生大约1 0m e v 的能量信号。宇宙射线也可产生次级粒子( p ，e - 和e + ) 的 簇射，这主要发生在探测器的屏蔽体上，这些次级带电粒子又依次产生轫致辐射 和湮灭射线。这种次级辐射主要贡献给探测器的低能区本底。软成分电子、质子 等基本可以被1 5c m 厚的铅完全吸收，而硬成分p 子贯穿本领很大，它在屏蔽材 料里还会产生大量的高能电子、轫致辐射、湮灭光子、x 射线及中子等，这些贡 献的相对大小取决于屏蔽材料的原子序数和屏蔽体积的大小。在具备有效铅屏蔽 的条件下，软成分被屏蔽，宇宙射线对本底的贡献主要来源于“子和中子。“子 和中子在不同等效水深处的强度如图2 2 所示。 o k 一 3 翟聒 崩 等效水深( 米) 图2 2 “子和中子强度随不同等效水深的变化 f i g2 - 2t h ei n t e n s i t yo fm u o na n dn e u t r o nv e r s u ss h i e l d i n gd e p t h 宇宙射线中的p 子具有较强的贯穿能力，1 0 0 0g c m 2 的混凝土仅能使它减弱 6 0 ，所以它被称为宇宙射线的硬成分。在带电粒子中，它是最主要的宇宙射线 成分，电子和质子分别比它少5 倍和1 0 0 倍。关于h 子的入射，垂直方向上数量 是最多的，到达各个方向的数目与c o s 2 0 成正比，0 为天顶角。在海平面上，“ 子的通量大概为1 8 0m - 2 s 1 【1 1 】，即入射到每平方厘米水平面的“子数每分钟大约 有一个。它的衰减主要通过电离，电子对产生，轫致辐射和核反应来完成。“介 子可以直接和探测器作用产生本底，还可以与屏蔽材料作用间接影响本底，如与 9 广西大学硕士学位论文反宇宙射线低本底y 谱仪本底来源及降低方法研究 铅、铜、铁作用产生中子，和屏蔽材料作用还能产生次级电子，湮灭射线。产生 的次级电子能引起轫致辐射，湮灭射线则会增加5 1 1k e v 峰位的计数。“子不稳 定，通过衰变： + 一je + 一+ 、，。) + v p ( v 儿) 也能增加5 1 1k e v 的射线峰的计数和整个本底谱的计数【1 2 】。 “子与物质作用损失能量，会产生6 电子( 向前撞击的电子) 、电子对以及 轫致辐射，6 电子在物质中能继续产生高能电子、正电子、光子簇射。这部分损 失的能量只占p 子初始能量的很小一部分。这种很低的能量损失率能够允许“ 子贯穿地球表面。 i 本身不稳定，静止时，p 子会衰变，也会被一个原予核俘获( 负 “子情形) 。对于前一种情况，衰变电子会导致另一个簇射反应。而后一种情况， 靶原子核的原子序数z 降低一个单位，发出一个或几个中子【1 3 】，并且激发态的 靶核还会激发出几m e v 能量的簇射产物。 p 子直接轰击探测器，与探测器作用( 主要为电离) 会导致特殊的高能量沉 积。通过蒙特卡罗软件g e a n t 3 1 5 在计算机上模拟“子在高纯锗7 谱仪上产生 的本底，结果显示p 直接电离、6 电子、电子对湮灭、“衰变和轫致辐射对低能 本底的影响分别为2 5 ，8 1 2 ，1 0 o ，4 0 ，2 3 【1 4 】。图2 3 是斗子直接轰 击g e 谱仪产生的本底。 e 懈钟( m e v ) 图2 - 3 “子直接轰击g e 谱仪产生的高能谱【1 5 1 f i g2 - 3h i 曲e n e r g yg es p e c t r u mf r o md i r e c tm u o nh i t s 1 0 三 生 雩 西 广西大学硕士学位论文 反宇宙射线低本底1 ，谱仪本底来源及降低方法研究 除了来自宇宙射线外，中子还来源于环境中的( a ，n ) 反应及重核的自发裂 变，但贡献较前者要小两个数量级，在铅屏蔽室里，除了外界穿透铅室被削弱的 中子( 次级中子以及天然放射性核产生的中子) ，“子和铅相互作用产生的三级中 子可以使铅室内中子的总注量提高一个数量级【l6 1 。非弹性散射和俘获反应是中 子直接产生本底的主要反应。非弹性散射主要发生在快中子与大原子序数核的碰 撞中，碰撞过程中，一部分中子的能量被反冲核吸收，使其处于激发的亚稳定态。 反冲核可能立刻通过y 辐射失去能量，或在激发的亚稳定态停留一段时间。中子 散射是快中子和中能中子慢化为热中子的基本作用机制。热中子是在室温下与周 围原子保持热运动平衡的中子，其最可几能量为0 0 2 5 3e v ，热中子能量虽然低， 但容易接近原子核，所以很容易被俘获。海平面上，屏蔽体里的热中子通量在 1 0 4 0m 之s 以之间变化【1 7 1 。俘获热中子的原子核通常以发射丫射线为辐射类型。在 1 0 0 0 米的等效水深处，由宇宙粒子诱发的中子通量小于在海平面观测到的1 ， 表2 2 所示为中子和一些