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1、 核辐射测量原理 核辐射测量原理 实验讲义 实验讲义 核工程技术实验教学中心核工程技术实验教学中心 2012 年年 11 月月 目目 录录 实验 1 放射性衰变涨落的统计规律 .1 实验 2 放射性核素的衰变规律及半衰期的测定.8 实验 3 射线在物质中的能量损失测量 .12 实验 4 X 射线荧光定性定量分析测量.18 实验 5 物质对射线的吸收及射线仪器谱测量.23 实验 6 符合测量方法.37 东华理工大学工程与地球物理学院 核辐射测量原理实验讲义 实验实验 1 放射性衰变涨落的统计规律放射性衰变涨落的统计规律 一、实验目的一、实验目的 1、验证放射性衰变的涨落性 2、了解统计误差的意义
2、，掌握计算统计误差的方法 3、统计检验放射性衰变涨落的概率分布类型 4、学会用列表法和作图法表示实验结果 二、实验内容二、实验内容 1、相同实验条件下，多次重复测量某放射源的计数 2、相同测量条件下，重复测量装置的放射性本底（计数） 3、用列表法和作图法表示实验结果：列出频数、频率统计表和2检验表；作放射源和本底 计数的频数、频率和累计频率曲线图 4、作2检验，确定放射源和本底计数的概率分布类型 三、仪器简介简介（三、仪器简介简介（FD3013 为例） ：为例） ： FD3013 为便携式，操作方便、它适用于地质油矿普查、同位素放射源检测。也使用于 如核电、医院、实验室及废旧钢材等放射性同位素
3、场合的检测。 1、仪器工作原理：、仪器工作原理： 射线经过外包壳后与探测器 NaI（TI）晶体发生作用 产生次级电子，它使闪烁体分子电离和激发，退激时发出大 量光子荧光 （其有各向同性， 光谱范围从可见光到紫外光） ， 在闪烁体周围包以反射物质， 这样能使光子集中向光电倍增 管（由光阴极和若干个打拿极和一个阳极组成）。闪烁光子 经光电倍增管，由于光电效应会产生光电子，这些光电子受 极间电场加速和聚焦，打在第一个打拿极上，产生 36 个 二次电子， 这些二次电子在以后的打拿极上发生同样的倍增 FD3013 数字 辐射仪 过程，直到最后在阳极上可接收到 104109个电子。这些电 子在阳极负载上形
4、成电压脉冲， 通过起阻抗匹配作用的射极跟随器， 传送到电压甄别器进行 脉冲幅度甄别，当脉冲幅度高于甄别阈 40keV 时会形成一个计数信号，触发后续计数电路 计数（低于甄别阈 40keV 的脉冲不会引起计数）。 CPM 测量：计数选通 cpm 计数支路（面版上转换按钮置于 cpm 档），进行 64s 的计数 测量。测量结束后，计数选通门关闭，给出 8 秒显示计数。显示结束后进行监测。 PPM 测量：（面版上转换按钮置于 ppm 档）计数选通 ppm 计数支路，先进行 1s 的判 测计数。当计数在 099 时，自动选择 16s 档的测量时间；计数在 100199 时，自动选择 4s 档的测量时间
5、；计数在 200 以上时，自动选择 2s 档的测量时间。计数清零后进行相应的 测量时间计数测量。测量结束，计数选通门关闭，通过后续电路时间归一后，给出 8 秒显示 计数。显示结束后进行监测。 监测：CPM/PPM 测量结束后，都进行监测状态，除前者以 cps 显示，后者以 ppm 显示 外，工作方式均一样。在持续 0.875s 测量后，在屏幕上显示出来（持续 1s 到下一次显示为 止）。这样周而复始进行测量。 报警方式分四种：读数报警、溢出报警、射线强度异常报警以及失效报警。 2、仪器的特点、仪器的特点: 1 、重量轻、便携式、操作方便、稳定、功耗低 恳请大家指正 编辑：吴和喜 修订：魏强林
6、地址：东华理工大学南昌校区地学楼 B510 室 1 东华理工大学工程与地球物理学院 核辐射测量原理实验讲义 2 、量程宽、精度高、提供异常、显示、溢出和电池失效四种声响报警 3 、量程自动转换、读数归一为 ppmeU （等效铀含量） 3、仪器的技术指标：、仪器的技术指标： 1、探测器：NaI（TI）晶体 35 cm3 2、能量阈：40keV 3、灵敏度：5cps/ppmeU 4、取样时间：1 秒、2 秒、4 秒、16 秒、64 秒 5、显示：四位数字液晶显示、溢出点可扩大量程 6、精度：255000ppmeU 5 500010000ppmeU 10 1000030000ppmeU10（需死时间
7、修正） 7、声响阈：550ppmeU，连续可调。响应时间小于 0.5 秒 8、工作温度：1050 9、供电：两节一号电池可连续工作 40 小时以上 10、外形尺寸和重量：72576236mm；1.7kg 4、仪器的、仪器的 PPM 标定：标定： 将仪器转换开关置于 ppm 测量位置，在含量已知的铀镭平衡的纯铀饱和模型上作 ppm 校准测量。若没有饱和模型，可借用饱和度大于 50的铀镭平衡的纯铀不饱和模型。此时 不饱和模型的含量应为经饱和模型联测求得的视含量。 将仪器探头置于模型中心，启动测量，记下仪器给出的 ppm 读数，取 5 次测量计数的 平均值，若测量的计数与已知模型含量的 ppm 值减
8、仪器本底值（湖面上测得的 ppm 值）不 符时（对于不饱和模型，还要减去模型周位环境所造成的仪器计数值） ，旋转 ppm 校准电位 器旋钮，重新测量直至读数值和模型含量值吻合为止。 四、放射性衰变涨落的统计规律四、放射性衰变涨落的统计规律 放射性物质是由大量的放射性原子所组成。 其中的原子核在什么时候、 哪一个或哪几个 核衰变是完全独立的、随机的，也是不可预测的，也就是说，放射性核衰变纯属偶然性的。 核衰变现象是一种随机现象。因此，在完全相同的实验条件下（例如放射性源的半衰期足够 长；在实验时间内可以认为其活度基本上没有变化；源与计数管的相对位置始终保持不变； 每次测量的时间不变；测量时间足够
9、精确，不会产生其他误差） ，重复测量放射源的计数， 其值是不完全相同的， 而是围绕某一个计数值上下涨落， 涨落较大的情况只是极小的可能性。 这种现象就是放射性核衰变的统计特性， 它是微观粒子运动过程中的一种规律性现象， 是放 射性原子核衰变的随机性引起的，这种现象谓之放射性涨落放射性涨落。 1、核衰变的统计规律、核衰变的统计规律 放射性原子核的衰变过程是相互独立，彼此无关的，每个核什么时候衰变纯属偶然。但 实验表明，对大量核而言，其衰变遵从指数规律e-t衰减，称为衰变常数，它与放射源的 半衰期T1/2之间满足关系：ln2/T1/2。 对于随机现象最基本的统计规律是二项式分布。设在t0时，放射性
10、核总数为x0，在t 时间内将有一部分核发生衰变， 任何一个核在t时间内衰变的概率为1e-t， 不衰变的概率为 e-t，则在t时间内有N个核发生衰变的几率为: ( )()() ()000!1! !xxxttxP xeexxx=（1-1） 实际使用时，二项式分布很不便于计算。由于对放射性原子核来说，总是一个很大的数 目，在这种情况下，二项式分布可以简化为泊松分布或正态分布（高斯分布）。 2. 泊松分布与正态分布泊松分布与正态分布 恳请大家指正 编辑：吴和喜 修订：魏强林 地址：东华理工大学南昌校区地学楼 B510 室 2 东华理工大学工程与地球物理学院 核辐射测量原理实验讲义 当x01，且测量时间
11、t远小于放射源的半衰期T1/2，即t20时，泊松分布实际应用很不方便，这时可简化为正态分布（又叫高斯分布）： P(x)=22()21 2x x e （ x20） (1-3) 式中，x，计数的平均值和均方差 x相等时间间隔内单次测量的计数 P(x)计数为 x 的概率 图1列出了x10时泊松分布与正态分布的图形，可见它们已经很相近了。正态分布是 二项式分布的一种极限情况，它在核辐射测量中尤为 重要，因为在大多数情况下都可采用 正态分布来分析计数的统计误差。 图 1 x10 时泊松分布与正态分布 放射性衰变涨落服从泊松分布或正态分布是一客观规律。若辐射仪器能正确地反映出 这个规律，说明仪器的性能良好
12、，可使用于放射性测量工作。 3、 放射性测量中统计误差的表示放射性测量中统计误差的表示 由于放射性衰变存在统计涨落， 当我们在相同的条件下对衰变作重复测量时， 测得的计数并不相同， 而是在某个平均值x附近形成一个分布曲线， 这样的分布曲线当x的值较小时是泊松分布，当x的值较大时，泊松分布可以用正态分布来代替。通常把x看作测量的最可几值，把涨落带来的误差称为统计误差统计误差，它的大小用标准误差来描述。当x值较大时，由于x值出现在期望值附近的概率也较大，此时均方差xx=。的大小反映了计数的涨落性大小，也即反映了核衰变的涨落性大小。x的大小反映了核衰变的集中趋势。 为了得出统计分布平均数x，严格说必
13、须作无限多次的测量，这事实上是不可能的。实际测量中总是按一定的精度要求进行有限次测量。 通常在作核衰变计数测量时， 将一次测量值x当作平均值，而x 称为标准误差，测量结果记为xx，其相对标准误差为： 1xx xxx=?(1-4) 恳请大家指正 编辑：吴和喜 修订：魏强林 地址：东华理工大学南昌校区地学楼 B510 室 3 东华理工大学工程与地球物理学院 核辐射测量原理实验讲义 相对标准误差直接反映出测量的精度， 显然核衰变测量的统计误差决定于测量的总计数x 的大小，计数x越大，测量的绝对误差越大而相对误差却越小，测量的精确度就越高。 计数测量的结果，经常要用计数率n（单位时间内计数）来表示，这
14、样测量结果可以写成n/n t，相对标准误差为1/nt。显然，测量时间越长，总计数越大，测量的精确度越高。 若在完全相同的条件下，重复m次测量，每次测量时间t相同，则平均计数为: 11mi ixxm=(1-5) 标准误差为: / x m ，测量结果可表示为/xx m ，相对标准误差为1/xm 。 用计数率表示，则平均计数率为: 11mi inmt=x(1-6) 测量结果表示为/nn m t,相对标准误差为1/nmt。 显然，在单次测量中延长测量时间单次测量中延长测量时间和在多次测量中增加测量次数多次测量中增加测量次数，都可以提高测量精 确度，当总计数相等时，其效果一样。一般在核幅射测量中，根据误差的要求，来确定一次 测量所需用的时间或总计数。 五、实验步骤五、实验步骤 1、按图放置好实验设备。 2、 检查仪器， 并置于正常工作状态， 对于 FD-3013 型数字辐射仪置 “cps” 档。 对于 RM-2030 型数字辐射仪亦如此。 3、连续重复测量装置的本底计数（x）100 次以上。 4、连续测量放射源的计数（x）100 次以上。 六、数据处理六、数据处理 1、可疑值的取舍：、可疑值的取舍： 一组测量数据值中，某一可疑值（歪曲实验结果的值）的取舍，可应用基于正态分布理 论的格拉斯方法加以判断。步骤如下： 、 给定信度
