核辐射探测器

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。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A0标准源，在同样条件下测量标准源和被测样品的计数率n0、n，根据计数率与活度成正比，可求出样品的活度：

A＝A0n/n0。2、绝对测量中影响活度测量的几个因素1)

几何因子（fg）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。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Ω内的射线.几何因子为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。3)吸收因子(fa)

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。例如β射线：——物质对这种β的质量吸收系数——β穿过物质的厚度β射线服从指数吸收规律:

自吸收吸收因子：4)散射因子(fb)

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。反射修正因子的实验方法确定：β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Ω内的β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。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

（nb）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％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5mm2、为了减少散射,铅室内腔要足够空旷.注意：3、为了减少β在铅中的韧致辐射(χ),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).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14C、3H等低能放射性测量，将14C、3H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％。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：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。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：(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。

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反符合：消除符合事件的信号。(3)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。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：DET2DET12）、HPGe反康普顿

谱仪用HPGe反康普顿

探测器测得的60Co

能谱3）4-符合装置n

n

nc

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。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。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。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：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。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。210Po的E

＝5.3MeV，E＝15.8KeV2)

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。

由于能谱是连续谱，仅存在Emax，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Emax。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。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。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(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：(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

能谱仪能量分辨率：55Fe5.9keV137Cs662keV60Co1.33MeVSi(Li)~4%正比计数器~17%NaI(Tl)~80%~7-8%~5-6%Ge(Li)~1.3‰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)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xj。(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mi实验测量得到矩阵表示：A为aij集合而成的矩阵，称为谱仪的响应矩阵；X为未知量xj组成的矩阵；M为各道域计数率组成的列矩阵。(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。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。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Yi为实测谱数据。n为数据点数。gi为权重因子，可取gi