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1、核辐射探测原理及探测方法王德忠 教授核科学与工程学院2009/9/24 1核辐射测量方法 核辐射测量任务： 测量核辐射活度的测量 。 测量辐射场量的测量 ：辐射注量（率） 。 辐射能量或能谱测量 。 辐射剂量的测量 。 有关时间的量 ：半衰期或寿命等。2009/9/24 2/57放射性活度及其单位 放射性活度 的严格定义：处于特定能态的一定量放射性核素在给定时刻的活度 A是 dN除以 dt内，由该能态发生自发衰变或核跃迁数的期望值。 A=dN/dt 单位时间间隔内的核衰变通常称为 衰变率 。因此活度也即放射性核素在某时刻的衰变率的期望值。 放射性活度国际单位为 贝克勒尔 简称 Bq（贝克）1B
2、q=1衰变 /s1MBq=103kBq=106Bq 历史上放射性活度长期用过的单位是居里（ Ci）1Ci=3.7 1010Bq1Ci=103mCi=106Ci2009/9/24 3/57几个与放射性活度有关的概念 发射率 ：是指放射性样品在单位时间内平均发射某种射线的粒子数。 比放射性活度（比活度） ：放射性样品中某种放射性核素的活动与样品质量（或体积）之比，即单位质量（或体积）的放射性样品内核素的活度。其单位是 kBqg-1， MBqg-1，Bql-1， kBql-1等。2009/9/24 4/57放射性样品活度测量 一般探测装置对放射性样品进行活度测量时，得到的是单位时间内纪录的脉冲数，即
3、计数率。 主要影响因素：几何因素；探测器的本征探测效率；吸收因素；散射因素；分辨时间；本底计数。2009/9/24 5/57活度的绝对测量和相对测量绝对测量 ：利用测量装置直接测量放射性核素的衰变率。不必依赖于其它测量标准的比较。这种测量又称为直接测量。相对测量 ：借助于其它测量标准来校准测量装置，再利用这一测量装置来测量放射性核素的衰变率。这种测量又称为间接测量。通常的使用测量仪器多是相对测量。2009/9/24 6探测效率本征效率 ：进入探测器灵敏体积射线产生一个脉冲的概率。绝对效率 ：放射源（或样品）产生的射线在探测器产生一个脉冲的概率。样品测量的绝对效率与探测器 本征效率 、放射源的特
4、性（ 分布和组分 ）、探测器与源间 几何位置 、周围物质的 散射 和 吸收 等因素有关。2009/9/24 7活度测量方法（ 1）核素衰变特性决定活度与射线数量之间关系 (分支比 )（ 2）测量方法的 绝对效率 决定测量射线数量与发出射线数量间关系（ 3）通过（ 1）和（ 2）间的关系，即可通过测量射线数量导出测量样品的活度2009/9/24 8几何因素 对于一般探测器，放射性样品都是放在探测器外面进行测量的，因此射入探测器灵敏体积的粒子数只是发射率的一部分。一般用几何因子 fg来进行校正。 fg的定义是每秒到达探测器灵敏体积的粒子数目与样品每秒发射的粒子数目之比。 几何因子的校正对点源易于计
5、算，对非点源或扩散源可用数值积分方法计算。2009/9/24 9/57计算点源对圆盘探测器的几何效率，如图所示)1(21s i n24 122/1HRHdf HRtgog 2RH探测器源2009/9/24 10 计算圆盘形源对圆盘形探测器的几何因子2RH2r几何因子：2232 1 / 2 2 5 / 2 2 7 / 2 2 9 / 21 1 3 5 3 5 1 2 ( 1 ) 8 ( 1 ) 1 6 ( 1 ) 6 4 ( 1 )ga b a af b ba a a a 2 2 2/a R H2 2 2/ ( )b r H2009/9/24 11/57探测器的本征探测效率 本征探测效率就是进入
6、探测器灵敏体积的一个入射粒子产生一个脉冲的几率。 探测器本征效率的最大值为 1，其数值与探测器种类、运行状况和几何尺寸有关、与入射粒子的种类和能量、探测器窗厚度有关，还与电子记录仪的工作状况有关。 粒子以平行束入射和以锥形束入射的探测效率是有差别的。2009/9/24 12/57吸收因素 放射性样品发射的射线，在达到探测器之前，一般要经过三种吸收层：样品材料本身的吸收（自吸收）、样品和探测器之间空气层的吸收和探测器窗的吸收。2009/9/24 13/57散射因素 散射对测量的影响有两类：正向散射和反向散射。 正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，这种散射使计数率减少。 反散射使
7、原来不该射向探测器的射线经散射后而进入灵敏区，这种散射使计数率增加。2009/9/24 14/57分辨时间 计数装置的分辨时间是指它能够区分连续两个入射粒子的最小时间间隔。 显然，在分辨时间内进入探测器的第二个粒子就无法记录下来。因此，计数装置实际观测到的计数率要比真正进入探测器内的真计数率少。2009/9/24 15/57本底计数 在放射性测量中，狭义的本底计数是指没有被测样品时测量装置显示出的计数，而把样品中干扰放射性产生的计数称为干扰计数。总的本底计数应是上述两者之和。 放射性样品的净计数率为测得的计数率减去本底计数率。2009/9/24 16/57 、 放射性活度测量的小立体角法 小立
8、体角法原理：放射源朝 4 立体角各向同性地发射 粒子，在探测效率已知的条件下，记录一定立体角内的 粒子产生的计数率，就可计算出待测样品的 粒子发射率。从而计算样品的活度。 这种方法即可用于绝对测量，又可用于相对测量。2009/9/24 17/57 、 放射性活度测量的小立体角法 绝对测量是用测量装置直接对样品进行测量，需要对许多因子进行修正才能得到正确的结果。 相对测量又称间接测量，是把标准源与待测源放在用样条件下进行测量，由于标准源的活度是已知的，所以根据二者测量值之比和标准源的活度可以算出待测样品的放射性活的。 相对测量由于测量条件相同，可以省去许多因子的修正，测量方法简单，但测量准确度比
9、绝对测量的差。2009/9/24 18/57测量 放射性活度的小立体角测量装置示意图 1-铅室； 2-铝或塑料板； 3-探测器； 4-探测器的窗； 5-支架；6-准直器； 7-源托板； 8-放射源2009/9/24 19/57计数率 为减少本底，放射源和探测器都置于铅室内。探测器为端窗型 G-M计数管。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： 为小立体角测量装置对 射线的总探测效率； fg为相对立体角修正因子； fa为吸收修正因子； fb为反散射修正因子； fk为坪斜修正因子； f 为分辨时间（即死时间）修正因子； fr为
10、探测器对 射线灵敏的修正因子； 本征 为探测器本征效率。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。AffffffAnnn rkbagb 本征 02009/9/24 20/574计数法 用小立体角法进行绝对测量要经过多种修正，使测量误差加大， 4计数法是把源移到计数管内部，使 计数管对源所张的立体角为 4，这就减少了散射、吸收和几何位置的影响。 4计数法的测量误差比小立体角法大大减小。 4方法的误差可到 1%左右。2009/9/24 21/57符合方法 用不同的探测器来判定两个以上事件的同时性或时间上的相关性。这种技术就称作符合方法。2009/9/24 22
11、/57当探测器 1和 2同时给出信号时，符合电路产生输出信号。只有一个探测器产生输出信号时，反符合电路才有信号输出。图中粒子 1同时穿过两个探测器，符合电路有信号，反符合电路无信号。粒子 2穿过探测器 1，符合电路无信号，反符合电路有信号。利用符合、反符合电路的这一特性，来判定事件的时间相关性。2009/9/24 23/574-符合方法4-符合方法就是把 4计数法与符合技术结合起来的测量方法。在这种方法中，由于采用了符合技术，确定源的活度时不需要知道各道的探测效率；由于采用了 4计数器，对 射线的探测效率接近 100%，因此大多数校正因子都很小，所以用此法测源的活度精确度很高，可达 0.1%左
12、右，是放射性核素标准化的主要方法。2009/9/24 24/57低水平放射性测量 辐射防护、环境监测、核电站的辐射测量等通常都是极其微弱的放射性测量，被称为低水平放射性测量。 低放射水平测量通常分三步进行：1. 在所关心的地点采集具有代表性的样品；2. 用物理或化学方法处理样品；3. 测量样品并对测量结果作统计学方面的分析判断。2009/9/24 25/57测量装置的优质因子 测量样品的时间为 ts，得到的样品计数率为 ns（包括样品净计数率 n0=ns-nb和本底计数率 nb），测量本底时间为 tb，得到本底计数率为 nb，则可得到样品净计数率的相对标准方差为： ts和 tb的分配满足： T
13、=ts+tb 时，样品净计数率的相对标准误差最小。将上两式代如 T=ts+tb中可得： 22bsbbssnntntnsbbbsbnnnttt 2221bsbsnnnnT 2009/9/24 26/57 通常希望在满足一定的相对标准误差情况下，测量的时间越短越好。因此： 当 n0 =（ ns-nb） nb时，优质因子便为： 一般情况下，由于样品的净计数率比本底计数率大很多， Q2n02。但是，低水平测量情况下，为了提高优质因子，必须提高样品净计数率并降低本底计数率。 2221bsbsnnnnTQ bbbsnnnnnQ4422220 2009/9/24 27/57本底来源及降低本底的措施 本底的主
14、要来源有：1 宇宙射线 ：宇宙射线 是由太空进入地球大气的一些粒子及其次级产物组成的。前者称为 初级宇宙射线 ，例如能量大与 10MeV的质子、少量 粒子、各种原子核。后者称为 次级宇宙射线 ，主要是初级宇宙射线与大气中的原子核相互作用产生的 介子、电子、光子、高能中子及质子。2 周围环境的放射性核素 ：主要有 40K、 238U和 232Th，还有裂变气体如 85Kr及活化气体 41Ar等3 屏蔽材料及探测器件中的放射性核素 ：铅中常含有 210Pb和Ra 2009/9/24 28/57降低本底采用的措施 降低铅屏蔽材料中的微量放射性核素，选择放置老铅或特殊精练过的铅。 为了吸收铅屏蔽体中的
15、低能散射射线或铅的射线，可以在铅屏蔽体中加一层镉。 当装置周围有中子源存在时，可以用含有硼石蜡先屏蔽中子。 为减少氡、钍射气造成的本底，可以采用有效的通风。 为了降低探测器元器件带来的本底，采用石英玻璃的光电倍增管，可以先对 Na（ Tl）晶体经过钾提纯。 降低宇宙射线中的硬成分的影响可以采用反符合屏蔽。 对接地不良造成的电子学线路干扰，可以缩短放大器和探测器距离，所有电子学仪器都一点接地。2009/9/24 29/57判断限、探测限及定量限 由于反放射性测量的统计涨落，判断会造成两类错误：第一类错误：样品中没放射性，竟判断有；第二类错误：样品中有放射性，竟判断没有。2009/9/24 30/57判断限、探测限及定量限 判断限（ LC）是统计学上允许发生第一种错的概率为 是判断样品有放射性的样品净计数最小测量值。 探测限（ LD）是测量装置所能发现的最小期望放射性水平。 定量限（ LQ）是在定量测量中达到预定精度时要求样品含有的最小期望放射性水平。2009/9/24 31/5
