γ射線探測(cè)器在寬能區(qū)光峰效率精密刻度進(jìn)展

1、第37卷第4期原子能科學(xué)技術(shù)Vol.37,No.42003年7月Atomic Energy Science and TechnologyJ uly 2003射線探測(cè)器在寬能區(qū)光峰效率精密刻度進(jìn)展袁觀俊1,魏濤2,郭蘭英2(1.中國(guó)原子能科學(xué)研究院核物理研究所,北京102413;2.南華大學(xué)核科學(xué)技術(shù)學(xué)院,湖南衡陽421001摘要:介紹了射線探測(cè)器的光電峰(FEP 效率刻度在近年來的進(jìn)展;著重評(píng)述了高純鍺探測(cè)器在高能區(qū)(2.710.0MeV 進(jìn)行效率刻度的有效方法。關(guān)鍵詞:射線探測(cè)器;寬能區(qū);效率刻度中圖分類號(hào):TL81文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):100026931(20030420302204P

2、rogress in the E ff iciency Precision C alibration of Full 2energyPeak for 2ray Detector in a Wide R egion of 2.710.0Me VYUAN Guan 2jun 1,WEI Tao 2,GUO Lan 2ying 2(1.China Institute of A tomic Energy ,P.O.Box 275210,Beijing 102413,China ;2.N anhua U niversity ,Hengyang 421001,China Abstract :The pro

3、gress in the efficiency precision calibration of full 2energy peak (FEP for2ray detector in a wide region of 2.710.0MeV is described.Varieties of useful methods of efficiency precision calibration in the energy region for HP G e detector are reviewed.K ey w ords :2ray detctor ;wide region ;efficienc

4、y calibration 收稿日期:2003202220;修回日期:2003202226作者簡(jiǎn)介:袁觀俊(1939,男,湖北黃石人,研究員,核物理專業(yè)隨著核科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展,對(duì)廣泛用于射線測(cè)量的探測(cè)器,如高純鍺(HP G e 探測(cè)器,效率刻度要求愈加精細(xì)、嚴(yán)格。不僅要獲得高精度的效率曲線,而且要求擴(kuò)展到寬能區(qū)(0.114.0MeV 。如核燃料裂變所釋放的10MeV 以上的快中子與一次循環(huán)冷卻水中的16O 反應(yīng),發(fā)射分支比分別為68%和5%的6.13MeV 和7.12MeV 高能射線,隨循環(huán)水被帶到生物屏蔽層之外,它對(duì)周圍環(huán)境造成的輻射危害問題,需要嚴(yán)格的標(biāo)定標(biāo)準(zhǔn)1。在E <2.7Me

5、V 能區(qū),由于有發(fā)射率精度較高、并能發(fā)射多條射線的同位素標(biāo)準(zhǔn)源,HP G e 探測(cè)器的相對(duì)效率刻度的精度可達(dá)0.5%,或更好。然而在E >2.7MeV 能區(qū),效率刻度存在一些嚴(yán)重問題。首先是目前還未找到理想的發(fā)射高能射線的同位素標(biāo)準(zhǔn)源;其次是66G a 源雖可擴(kuò)展到4MeV 附近,但在E >2MeV 能區(qū),由國(guó)際原子能機(jī)構(gòu)(IAEA 給出的相對(duì)強(qiáng)度的分支比I 2有錯(cuò)誤3,其射線分支比數(shù)據(jù)有待進(jìn)一步測(cè)量澄清。56Co 是可利用的同位素標(biāo)準(zhǔn)源,但它在高能端的I 值也存在較大誤差2。利用核反應(yīng)法,即某些核的熱中子俘獲反應(yīng)和質(zhì)子俘獲反應(yīng)生成核所發(fā)射的多條瞬時(shí)射線,可進(jìn)行射線探測(cè)器的光電峰、

6、單逃逸峰的效率曲線刻度。這是目前發(fā)展的趨勢(shì),也是同行們關(guān)注的問題。1主要方法1.1蒙特卡羅模擬計(jì)算法蒙特卡羅(MC法(也稱隨機(jī)抽樣技術(shù)或統(tǒng)計(jì)試驗(yàn)法是通過計(jì)算機(jī)由數(shù)學(xué)計(jì)算來模擬單個(gè)光子的作用計(jì)算出效率曲線的方法。此方法主要用來對(duì)效率刻度后的曲線作理論上的檢驗(yàn),給出曲線在高能端的走向,也可直接對(duì)探測(cè)器的探測(cè)效率進(jìn)行估算。此方法簡(jiǎn)便可行,特別對(duì)于不同幾何形狀的探測(cè)器的估算具有一定意義。但因輸入?yún)?shù)較多,存在人為選值的不確定性,使得計(jì)算誤差較大。早期,用此方法得出的效率曲線的精度為20%,近期的結(jié)果表明,不確定度約可控制在10%,最好的可到5%。1.2初級(jí)標(biāo)準(zhǔn)刻度源在小于2.7MeV的低能區(qū),已有許多

7、可供選擇的商用標(biāo)準(zhǔn)源,諸如22Na、54Mn、57Co、60Co、88Y、133Ba、137Cs、152Eu、228Th、241Am、24Na 等。這些放射性同位素標(biāo)準(zhǔn)源不僅發(fā)射多條射線,而且這些有用的射線由一些國(guó)家的標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室共同合作,進(jìn)行多次獨(dú)立測(cè)量,互相比對(duì)評(píng)價(jià)給出推薦發(fā)射率標(biāo)準(zhǔn),數(shù)據(jù)誤差一般小于2%,好的到千分之幾。特別像22Na、54Mn、65Zn、137Cs、203Hg等放射標(biāo)準(zhǔn)源,是由42或KX射線2符合測(cè)量給出的絕對(duì)發(fā)射率。它們可用于初級(jí)標(biāo)準(zhǔn),作絕對(duì)效率刻度。精度一般在千分之幾。這些精密可靠的數(shù)據(jù)為擴(kuò)展到高能的效率刻度提供了必要條件。1.3熱中子俘獲核反應(yīng)法早在1986年,T.

8、J.Kennett等4用Na I 作反康普頓屏蔽的G e譜儀對(duì)核反應(yīng)14N(n,15N進(jìn)行能譜測(cè)量獲取核結(jié)構(gòu)信息的同時(shí),意外發(fā)現(xiàn)15N能級(jí)綱圖中的幾乎每一能級(jí)僅存在一對(duì)級(jí)聯(lián)躍遷,且射線能譜在1.610.8 MeV區(qū)間內(nèi)分布均勻,組份分布有規(guī)律,得到了精度為1%的結(jié)果。此結(jié)果可用于射線探測(cè)器的效率刻度標(biāo)準(zhǔn),引起同行們的注意。近期,有實(shí)驗(yàn)室改進(jìn)設(shè)備,測(cè)量15N的瞬時(shí)射線,力求獲得更好的結(jié)果。其后,相繼又找到一些核反應(yīng)的生成核,它們能發(fā)射的多條瞬時(shí)射線,同樣可選擇用于效率刻度標(biāo)準(zhǔn),如35Cl(n,36Cl5、48Ti(n, 49Ti6等。有關(guān)14N(n,15N和35Cl(n,36Cl反應(yīng)的射線發(fā)射率

9、的近期評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)列于表1。由表1數(shù)據(jù)可知,15N的數(shù)據(jù)精度好于36Cl 的數(shù)據(jù)精度。然而,14N的熱中子俘獲截面c(14N比35Cl的c(35Cl小兩個(gè)數(shù)量級(jí)。因此,為獲取同樣的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì),選35Cl(n,反應(yīng)刻度射線探測(cè)器的效率可大大節(jié)約刻度時(shí)間。1.4雙線法所謂雙線法,通常是指衰變能級(jí)綱圖中兩個(gè)級(jí)聯(lián)的高能和低能射線的發(fā)射率之比滿足R=Pi/Pj=1而內(nèi)轉(zhuǎn)換系數(shù)i和j又都為零時(shí),如果低能區(qū)的j能量點(diǎn)的效率值可通過放射性同位素源刻度得出,那么,高能區(qū)的i點(diǎn)的絕對(duì)效率值則可由比值R計(jì)算得到。在輕核區(qū)的質(zhì)子共振反應(yīng)(p,中,不僅有尖銳的共振峰,而且在它們的生成核的能級(jí)綱圖中存在一些感興趣的級(jí)聯(lián)躍遷對(duì)。

10、這些躍遷對(duì)具備上述特點(diǎn),可用作射線探測(cè)器高能區(qū)效率刻度的次級(jí)標(biāo)準(zhǔn)源,如23Na(p, 24Mg8,9、27Al(p,28Si8,9和14N(p,15O10。此方法不僅是測(cè)定射線高能區(qū)效率曲線的簡(jiǎn)單有效的辦法,而且可獲得很高的精度9。近年來經(jīng)常使用的一些核反應(yīng)以及它們的生成核的能級(jí)綱圖中的級(jí)聯(lián)對(duì)的比值R列于表2。303第4期袁觀俊等:射線探測(cè)器在寬能區(qū)光峰效率精密刻度進(jìn)展表114N (n ,15N 和35Cl(n ,36Cl 反應(yīng)部分射線的絕對(duì)強(qiáng)度7T able 1Absolute intensities of some 2rays from the reactions of 14N (n ,1

11、5N and 35Cl(n ,36Cl反應(yīng)類型E /keV I /%反應(yīng)類型E /keV I /%35Cl (n ,516.7323.8(514N (n ,16787.96(0786.2610.4(3188518.72(20788.4016.4(42000 4.05(51164.7227.2(52520 5.68(71600.82 3.84(42831 1.72(31950.9320.2(435329.09(91959.1313.0(3367814.70(15863.94 5.64(9450916.63(173061.71 3.45(6526929.94(205715.20 5.33(1052

12、9821.27(186100.8220.8(4553319.66(216619.427.59(15632218.45(146627.50 4.44(972999.56(96977.56 2.24(58310 4.17(57413.710.00(251082914.0(37790.058.25(228578.212.73(7注:14N (n ,15N 熱中子總俘獲截面0.08b ,35Cl (n ,35Cl 熱中子總俘獲截面43.60b (1b =10-28m 2表2雙線法效率刻度標(biāo)準(zhǔn)源T able 2Stand ard sources for calibration with double l

13、ine method放射源E p /MeVE 12E 2/MeVR =I (1/I (227Al (p ,28S 11.317 6.5724.50 1.017±0.0060.7677.7022.840.981±0.0020.99210.7621.780.806±0.01014N (p ,15O 100.2780.7626.79 1.00±0.081.3826.18 1.00±0.052.3725.181.00±0.0324Na 2.7521.370.999(<0.0022函數(shù)擬合對(duì)射線探測(cè)器,特別是分辨率很高的高純鍺探測(cè)器,為了

14、獲得較好的效率曲線,在一定的能區(qū)范圍內(nèi),應(yīng)盡可能使用多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)源,具有多個(gè)實(shí)驗(yàn)點(diǎn)。但有的標(biāo)準(zhǔn)源含有不多的幾條射線,在歸一化時(shí),可能出現(xiàn)非物理性振動(dòng)11,需要選擇適當(dāng)?shù)暮瘮?shù)擬合實(shí)驗(yàn)點(diǎn)。其次,由于能區(qū)很寬,效率曲線的走向有變化。如何選擇最優(yōu)的擬合函數(shù),提高擬合優(yōu)度,是值得認(rèn)真考慮的問題。通常的做法是分區(qū)段選擇不同的擬合函數(shù),有線性的也有非線性的。在Z.K is 等11的工作中,在508500keV 能區(qū)范圍內(nèi),對(duì)相對(duì)效率為25%的N 型HP G e 探測(cè)器選取了6種不同的線性函數(shù)擬合,比較了它們的性能,除ln =F (ln E 使用能區(qū)較寬外,似乎很難看出某403原子能科學(xué)技術(shù)第37卷一特定的擬合函

15、數(shù)的優(yōu)越性。如果用多項(xiàng)式擬合效率,曲線可寫為:lg (E =nj =0a jxj(1其中:x =lg (E /E 0;E 為射線能量,keV ;E 0=1keV 。3結(jié)束語1綜合近期國(guó)際上有關(guān)射線探測(cè)器的效率刻度方法可看出,凡是精度較高的結(jié)果,幾乎所有測(cè)量射線的探測(cè)器都帶有屏蔽罩,即主探測(cè)器加鍺酸鉍(B GO 或Na I (Tl 的反康普頓譜儀裝置。如此可大大提高信噪比,能獲得滿意的測(cè)量結(jié)果,提高測(cè)量精度。2好的效率刻度結(jié)果來自原始數(shù)據(jù)給出的高精度標(biāo)準(zhǔn)。原始高精度的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)又從何而來,我們認(rèn)為:探測(cè)器和探測(cè)技術(shù)的共同發(fā)展,以及精細(xì)的測(cè)量措施和有效的數(shù)據(jù)分析手段,是促成數(shù)據(jù)精度不斷提高的主要原因

16、,它們之間相是互依賴、相互影響、共同提高的。3為更快提高該領(lǐng)域的水平和標(biāo)準(zhǔn),除建立我國(guó)獨(dú)立的標(biāo)準(zhǔn)站外,還需建立廣泛的合作,包括國(guó)際上和國(guó)內(nèi)的有關(guān)單位的有效合作,并進(jìn)行經(jīng)常性的結(jié)果比對(duì)。參考文獻(xiàn):1丁聲耀,李宇兵,葉宗垣,等.準(zhǔn)單能67MeV射線參考輻射場(chǎng)的建立和對(duì)6.13MeV 能點(diǎn)探測(cè)效率的絕對(duì)刻度J .原子能科學(xué)技術(shù),1992,26(6:916.2International Atomic Energy Agency.X 2ray andG amma 2ray Standards for Detector Calibration :I 2AEA 2TECDOC 2619R .Vienna :

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