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1、课程名称：原子核物理实验方法第8章 、源活度测量张清民 副教授核科学与技术学院能源与动力工程学院西安交通大学核科学与技术学院School of Nuclear Science and Technology目录8.1 概述8.2 放射源活度的测量8.3 放射源活度的测量8.4液体闪烁计数器测源活度Page 2School of Nuclear Science and Technology8.1 概述Page 3放射性活度的测量和核科学技术领域的各个方面的发展有十分密切的关系。例如：1）低能核物理中许多核衰变参数和某些反映参数的确定，最终都要归结到样品放射性活度的测量；2）放射性核素的生产及其在工
2、、农、医等学科研究中的应用，以及环境监测等方面，都涉及到放射性活度测量。所以，放射性活度的测量与标定，在核物理及核技术中有着很重要的地位。放射源活度的测量涉及面较广，源活度范围很大，每一种方法往往适合一定范围。本章介绍微居级、源活度的测量。School of Nuclear Science and Technology8.2 放射源活度的测量Page 4核工程、辐射防护、核物理实验以及放射性样品测量中，常常会碰到放射源活度的测量问题。一、小立体角法测薄源活度假定放射源各向同性地发射出粒子，而测量仪器的效率是已知的，则通过记录一定立体角内的粒子计数率便能推算出源的活度。放射源发出的粒子经准直器打
3、到探测器（闪烁体）上，闪烁体发出的光子经光导进入光电倍增管。School of Nuclear Science and TechnologyPage 5u 为接近于点源，源和探测器要稍远一点。u 管子长一般几十厘米，比粒子在大气中的射程要长。因此，管内要抽真空以避免空气的吸收和散射。u 准直器孔径的大小确定了探测器对源所张的立体角。为了准确计算立体角，准直孔轴线与源轴线要重合。由于探测器对源所张的立体角很小，粒子从源承托膜上的反散射可不考虑。闪烁体可以是硫化锌荧光屏或碘化铯薄闪烁体，也可用薄塑料闪烁体。若不用闪烁体，可用半导体探测器（如金硅面垒型探测器）或薄窗正比计数管。School of N
4、uclear Science and TechnologyPage 6设放射源活度为A，每衰变放出一个粒子，测到的计数率为n,本底计数率为nb，则净计数率为： 式中/4为探测器对源所张的相对立体角。相对立体角又称几何因子，记为fg。在球面坐标中，立体角为 式中为的最大值，如图所示。对点源有 式中，h为源到准直孔的垂直线离，r 准直孔半径。School of Nuclear Science and TechnologyPage 7实际情况中，源面积总有一定大小。例如:在放射源为均匀圆平面时，如图所示。源的半径R和源到准直及距离h相比不能忽略，就无法用上式。R1为源半径，R2为探测器半径，当源面沿
5、（，）投影到探测器所在平面上，只有其投影与探测器圆面重叠部份S(,)的粒子才被探测器记录。此时，几何因子为参见附录p459School of Nuclear Science and TechnologyPage 8计算源活度时要注意测到的计数率n必须对分辨时间进行修正。设装置的分辨时间为，测到的计数率为n，则真正进入计数管的粒子数应为 想一想，忽略了什么因素？这里假设对进入探引进分辨时间修正因子正f：测器的探测效率100%考虑到本底计数率要比样品计数率低很多，因此,放射源活度可表示：School of Nuclear Science and TechnologyPage 9小立体角法测源活度的
6、准确度很高。然而要求待测样品做成薄而均匀的源，活性区的直径也不能太大，这样才能满足点源的近似及忽略自吸收的影响。射线被源物质自吸收将使计数率和能谱都有改变。为了鉴定源的自吸收是否严重，可以预先测定源的能谱。源是单能的，它的射程很短，当源厚度增加时，自吸收变得严重起来，因此谱线向低能方向畸变，峰的分辨率也愈来愈坏。School of Nuclear Science and Technology二、厚样品的放射性比活度测量Page 10当样品厚度不能认为是无限薄时，必须考虑自吸收。为此需要知道粒子在样品中的射程。这是很难测准的。所以，厚样品常常通过比放射性，即每克样品的放射性活度，作相对测量。设样
7、品比放射性为Am，每次衰变 放出一个粒子，样品质量厚度为tm，面积为S，而且假定样品直径远大于样品厚度。我们考虑样品中离表面距离为x，厚度为dx的一薄层，如图所示，对这一薄层中向上出射的所有粒子中，只有在样品中穿过的实际厚度小于其在样品中射程的那些粒子，才有可能从样品表面射出进入探测器。School of Nuclear Science and TechnologyPage 11这相当于以O点为顶点在圆锥内向上发射的粒子。这一部份占O点发射的粒子总数的份额为(x=R)于是，深度为x的薄层dx中发射的粒子中，能射出样品表面的粒子数就为School of Nuclear Science and T
8、echnologyPage 12将上式对整个样品厚度积分，便得到每秒内能射出样品表面的粒子总数I第一项为不考虑自吸收时样品向上方发射的粒子数。第二项表示被样品自吸收的份额。所谓薄源，就是自吸收可以忽略。此时，源厚度应当比射程小得多。如果要求自吸收小于1 %，这相当于要求样品厚度tm0.02R。School of Nuclear Science and TechnologyPage 13从上式也可看到，当样品厚度tmR时(即深度大于R部分的粒子根本出不来)，从表面出射的粒子数达到饱和。此时的粒子从表面的饱和出射率为表明：当样品厚度超过粒子在样品中的射程时，粒子从表面的出射率和比放射性、射程成正比
9、，而和样品厚度无关。选择一种比放射性已知的样品作为标准，它与待测样品有相同的S和R，则 Am/Am0=I/I0，式中I及I0分别为待测样品及标准样品的粒子表面出射率。Am和Am0分别为待测样品及标准样品的比放射性。School of Nuclear Science and TechnologyPage 14因此，从实际测到的计数率之比、标准样品的比放射性Am0，便可推算出待测样品的比放射性，再由样品的质量M可得总的放射性活度:A = MAm这种依赖于与标准样品或与标准仪器比较的方法称为相对测量。相对测量简单方便，适宜于大批量样品的测量。School of Nuclear Science and
10、 Technology8.3 放射源活度的测量Page 15源的活度测量有下面一些问题：第一，粒子的能谱是连续的，从零到Emax都有。能量低的粒子从放射源到探测器途中易被吸收，即使进入探测器，在探测器里产生的信号幅度也很小，很可能淹没在噪声里而被甄别掉。所以，测到的计数将比实际的偏低。第二，粒子质量小，在源与探测器途中易被散射。从而使测到的计数与真正的活度有差异，为此需要修正。下面讨论常用的小立体角绝对测量的方法。School of Nuclear Science and TechnologyPage 16l 为减少本底，放射源和探测器都置于铅室内。以减少宇宙辐射及周围环境放射性引起的本底。铅
11、室的厚度一般为50mm左右。l 铅室内壁衬以铝或塑料板，厚度约23mm。它的作用是减少射线在铅中产生的韧致辐射。l 放射源支架要用低原子序数的材料，且内腔尽量做得空旷，为的是减少散射的影响。School of Nuclear Science and TechnologyPage 17l 准直器中间的空间大小，决定了立体角的大小。为防止选定立体角外的粒子进入计数管灵敏区，准直器厚度要略大于射线在其中的射程。l 为了使能量低的粒子亦能进入探测器的灵敏区，探测器的窗要薄，气体探测器常用云母片做窗。塑料闪烁体为避光，需用极薄的铝箔。 常用的探测器有钟罩型计数管，也可用带窗的流气正比计数管或塑料闪烁计数
12、器。School of Nuclear Science and TechnologyPage 18设待测放射源的活度为A，每次衰变放出一个粒子，测得的总计数率为n，本底计数率为nb，则净计数率n0为：式中，为小立体角测量装置对射线的总探测效率。如果已知，由测得的n和nb,就可求出放射源活度A。 由许多修正因子组成，以下讨论诸修正因子。School of Nuclear Science and TechnologyPage 191）相对立体角修正因子fg设准直孔的半径为r，源到准直孔的距离为h，若放射源是各向同性的发射粒子，则对点源而言，由于探测器只能测到小立体角内的粒子，所以要进行立体角修正。
13、相对立体角修正因子fg为：School of Nuclear Science and TechnologyPage 202）吸收修正因子fa射线从放射源内射出到探测器灵敏体积的路径中要经过源自身、空气、探测器入射窗等的吸收，由于这些吸收，入射到探测器灵敏体积内的粒子数减少，所以要进行吸收因子的修正。总的吸收修正因子为：式中：fas、faw、fam分别表示源自身吸收、空气吸收、入射窗吸收的修正因子。School of Nuclear Science and TechnologyPage 213）反散射修正因子fb由于放射源是放在托板上的，托板又是在支架上的，这些物质引起本不在小立体角的粒子大角度
14、散射而进入探测器内，从而被探测器记录，引起计数增加。用实验的方法可以确定反散射修正因子。先将放射性溶液滴在很薄的有机薄膜上，测得计数率为n，由于有机膜很薄，所以反散射可以忽略。再将此有机薄膜放在托板和支架上，再测得计数率为n，则反散射修正因子fb为：School of Nuclear Science and TechnologyPage 224）坪斜修正因子fk气体探测器的坪曲线都具有一定的坪斜，是因为工作电压升高带来的假计数增加。而在坪的起始部分这种增加是很少的。所以坪曲线起始部分的延长线与坪直线的延长线的交点所对应的计数率n为真计数率，若工作电压下所对应的计数率记为n，则坪斜修正因子fk为
15、：School of Nuclear Science and TechnologyPage 235）分辨时间(即死时间)修正因子f在测量系统分辨时间内，探测器对入射粒子不灵敏，使测得计数率比实际应该有的计数率少。设分辨时间为，测得的计数率为n，实际应有的计数率为n0，则分辨时间修正因子为：School of Nuclear Science and TechnologyPage 246）探测器对射线灵敏的修正因子f多数探测射线的探测器对也灵敏。因此，实际测得的计数率包含着射线和射线的总计数率。该修正因子也可以用实验方法确定。若射线能量不高，射线能量较高，在探测器与放射源之间加吸收片吸收而测得射线
16、的计数率为n2，没有吸收片时测得的计数率为n1，则射线引起的修正因子f为：School of Nuclear Science and TechnologyPage 257）探测器本征效率in对带电粒子来说，探测器的本征效率约为100。小立体角方法修正因子较多，因此误差较大。粒子能量大于1MeV时，在作了各项修正之后，误差仍在5%10% 以上。对于低能射线，因吸收严重，探测效率大大降低，当粒子能量低于0.3MeV时，用此法就不大适宜了。小立体角法适用的活度范围可以从微居到毫居量级。School of Nuclear Science and Technology二、4计数法小立体角法测源活度需要作
17、许多修正，使得测量误差很大。l 4计数法是把放射源移到计数管内部，使计数管对源所张的立体角接近于4，减少了散射、吸收以及几何位置等影响。l 源和承托膜做得很薄，使得承托膜吸收、散射和源自吸收降到最低限度。因此，4计数法提高了测量精度，误差可减小到1%左右。Page 26用4计数管进行测量时，有两项重要修正：自吸收修正及膜吸收修正。School of Nuclear Science and Technology1）源承托膜吸收修正Page 27膜吸收修正有好几种方法，这里介绍一种“夹心法” 。在忽略反散射的情况下，单位时间内源向上半空间发射的粒子数为n1；向下半空间发射的粒子数亦为n1。但是因为
18、膜的吸收，使进入下半空间的粒子数降为n2。所以，被膜吸收的粒子数为 n=n1-n2。4计数器记到的粒子数为n=n1+n2。现在用一块无源的承托膜，其厚度与源承托膜一样，盖在源上部，此时，进入上下两半部的粒子数都等于n2。所以，新的计数率为n=2n2。两次计数率之差n-n,即为一块承托膜吸收掉的粒子数 n。所以膜吸收修正因子fa即为School of Nuclear Science and Technology2）源自吸收修正Page 28a.外推法用0 . 10 . 2g/cm2内厚度不等的一组源，观察其在观察其在其它条件相同时的计数率。将计数率与源厚度作图，外推到零厚度，即为无自吸收时的计数
19、率。b.子体标记法自吸收修正因子fs可看作穿透源自身出射的粒子数（单位时间内）与同时间内源自身衰变数之比。数之比对于像90Sr90Y这样的源，先用化学方法去除90Sr中的子体90Y，测得计数率为90Sr的贡献。再测出该源到90Sr90Y平衡时的计数率。其增加部分实为90Y的贡献。School of Nuclear Science and TechnologyPage 2990Y的能量很大，在源中的自吸收很小，所以，可以认为的90Y 的计数率即代表90Sr的衰变率。由知90Sr的粒子出射率与衰变率之比可定出自吸收修正系数。求出了诸修正n - nb因子后，便可以算出活度。A =ft f k f a
20、 fg4计数法是一种很好的绝对测量方法，测量结果的误差可以小到1%左右，尤其适合于测量纯放射性核素。它的缺点是薄膜源很难做，而且，可以测量的活度范围只能在微居以下。School of Nuclear Science and Technology三、符合法测源活度Page 30有好些核素，衰变时往往伴有级联辐射，可以采用符合法测量其活度。它避开了计数法中源自吸收修正的困难。这是目前测量源活度较好的方法。在用该法测60Co这样的核素衰变率时，误差可降到0.1%左右。符合测量中的各修正因子？1）本底修正。扣除各道的本底计数率。实验上，将放射源取走后，很容易测到本底计数率。School of Nucl
21、ear Science and TechnologyPage 312）分辨时间修正符合电路存在一定的分辨时间会引起偶然符合的发生，使符合道计数增加。对分辨时间修正就是设法由总的计数率n、n、nc和分辨时间，计算出偶然符合计数率。从符合道总计数率扣除偶然符合计数率，再得到真符合计数率。其中n，n已经包含本底的贡献，所以偶然符合计数率里面包含了本底引起的偶然符合。School of Nuclear Science and TechnologyPage 323）内转换电子修正跃迁过程中，存在与放光子相竞争的内转换过程。因此必须考虑内转换电子的修正。4）探测器对射线灵敏度的修正射线通过三种效应产生的次
22、级电子引起的，只有在没有探测的时候才有可能产生独立计数。显然 接近于1时，此修正可忽略。4计数器满足这一条件，所以准确度高。School of Nuclear Science and Technology5）死时间修正Page 33采用4计数器作为道探测器的符合装置称为4-符合装置。School of Nuclear Science and Technology符合法测源活度的几个问题Page 34不仅可以用-符合的方法来测源活度，采用不同的探测器后也可以用-、-甚至X-符合方法测源活度。对于一般的慢符合电路，符合分辨时间为0. 5s左右。由真偶符合比nc01=nrc2t Al 可知，活度就不
23、宜超过105贝可量级。l 另外，源又不能太弱。源太弱，符合计数率很低，测量时间就要很长。l 复杂衰变纲图比较复杂，采用效率外推法。School of Nuclear Science and Technology8.4液体闪烁计数器测源活度Page 354计数法测源活度时，粒子的探测效率受到计数管死角及源自吸收、膜吸收等的影响。对低能射线，这种影响尤为严重。符合法虽然可避开源探测效率问题，却受到衰变方式的限制必须是-级联衰变的核素。对一些低能纯放射性核素的活度测量必须寻找新的方法。一种办法是将核素以气态形式充入计数管中，这样可以使立体角达到4，同时也免除了源自吸收、反散射等的影响，这就是所谓内充
24、气法。不过，充气法要有良好的充气制源设备，加工计数管精度要求也很高。在液体闪烁法发展后，内充气法除在计量标准化方面外，已较少应用了。School of Nuclear Science and TechnologyPage 36液体闪烁法是在50年代开始发展起来的。它具有灵敏度高、效率高、操作简便等优点。特别是自然界中大量存在3H、14C等放射性核素，利用它们做成标记化合物，在同位素示踪计数中广泛应用。因比，液闪在工、农、生、化、医、药物、环境保护、考古等许多领域都有广泛的用途。液体闪烁计数器可以测活度，测中子，射线。下面介绍液闪在测低能源活度上的应用。School of Nuclear Sci
25、ence and TechnologyPage 37液体闪烁计数器的如图。探头部分主要是装有样品加液体闪烁体的透明容器和光电倍增管。它们都放在避光的铅屏蔽小室内。闪烁体通常包含溶剂及闪烁剂。射线能量大部分被溶剂吸收，溶剂分子从激发态回到基态时释放出能量传递给闪烁剂。后者从激发态回到基态时释放出光子，光子通过闪烁液杯在光电倍增管的光阴极上打出光电子，再经放大后输出。School of Nuclear Science and TechnologyPage 38光电倍增管的噪声常常造成很大的本底。冷却光电倍增管可使暗电流大大降低。采用双管符合技术也是提高信噪比的重要措施。用两个光电倍增管分别收集闪烁体的发光，当发光来自闪烁体时，两光电倍增管应同时采集到光子，因此，就有符合输出。对光电倍增管的噪声，它们的产生在时间上是不相关的。所以两光电倍增管的噪声脉冲不一定同时到达符合电路。符合电路就不会有输出。这样大大的抑制了噪声计数，提高了信号噪声比。School of Nuclear Science and Technology作业题无Page 39School of Nuclear Science and Technology