第1章核儀器前言與譜儀的基本概念

1、1核儀器概論2前言1、為什么要開(kāi)核儀器概論課？核儀器有廣泛應(yīng)用。 工業(yè)：測(cè)料位、測(cè)厚度、稱(chēng)重量、測(cè)成分、 醫(yī)學(xué)：診斷、治療。 農(nóng)業(yè)及食品衛(wèi)生： 育種、保鮮、食品中放射性含量的檢測(cè)。 地球（星球）科學(xué)：地質(zhì)勘探、地址年代測(cè)定、 能源工程：核電站。 公共安全及環(huán)境保護(hù)： 安全檢測(cè)、集裝箱檢測(cè)、建筑材料放射性含量 的檢測(cè) 科學(xué)研究：各種核物理實(shí)驗(yàn)，等。 32、核儀器是高科技的產(chǎn)物、是多學(xué)科知識(shí)綜合應(yīng)用的成果：核物理 ；輻射防護(hù) ；核輻射物理及探測(cè)學(xué)；模擬、數(shù)字電子技術(shù)；計(jì)算機(jī)軟硬件知識(shí)；隨機(jī)數(shù)學(xué)；概率統(tǒng)計(jì)；核能與核技術(shù)概論；等。41.1 什么是“射線的能譜”？ 定義：測(cè)量時(shí)間內(nèi)入射粒子的計(jì)數(shù)隨粒子能

2、量的分布曲 線，此曲線被稱(chēng)為能譜。一、能譜的基本概念：例一、第一章第一章 能譜測(cè)量概述能譜測(cè)量概述5 1.00.5脈沖計(jì)數(shù)（相對(duì)值）脈沖幅度或粒子能量(a)脈沖計(jì)數(shù)粒子能量，M eV(b)7005003001005055233 U?E=29.6KeV239 Pu?E=43.4KeV244 Cm?E=35.4KeV241 Am+239 Pu?E=44.4KeVEEEE (a）為單能粒子能譜圖。（b）為多種能量的粒子的能譜圖。例二、61.2 為什么要測(cè)量“能譜”？ 主要目的：通過(guò)射線能譜的測(cè)量判別被測(cè)樣品中存在那幾種核素（或元素）及它們的含量。 對(duì)于放射性樣品 核物理中告訴我們：各種核素都會(huì)發(fā)出一

3、 定特定能量的輻射粒子。 7 如：60CO衰變?yōu)?0Ni時(shí)，會(huì)發(fā)出兩種能量的射線，分別為1.17Mev和1.33Mev。 137Cs衰變?yōu)?37Ba時(shí)就只發(fā)射一種單能的射線，能量為0.661Mev，等。 8 因此測(cè)量出射線的能量和強(qiáng)度就能判別被測(cè)樣品中存在那幾種核素和它們的含量，這是對(duì)放射性核素進(jìn)行甄別和分析的一種重要方法，稱(chēng)之為“射線能譜分析”。 對(duì)于非放射性的樣品 被分析樣品在很多情況下本身是不帶有放射性的。如：古陶瓷的鑒別。 對(duì)“非放射性樣品”進(jìn)行成分分析通常可采用“X熒光分析”、“中子活化分析”等方法。 9“X熒光分析”的簡(jiǎn)單原理 以一定能量的光子、電子、質(zhì)子、粒子等轟擊樣品。使原子電

4、離或激發(fā)。當(dāng)原子內(nèi)殼層電子被電離時(shí)，該殼層留下空位。原子處于激發(fā)態(tài)。外殼層電子向內(nèi)殼層躍遷使原子回到基態(tài)，同時(shí)以特征X射線的形式釋放出躍遷能量。10 因各種元素的特征X射線的能量都有其確定的值，因此可用X射線能譜儀分辯出不同元素的特征X射線，再測(cè)量其強(qiáng)度，從而確定待測(cè)元素的種類(lèi)及含量。例1：用X光管激發(fā)空氣過(guò)濾膜測(cè)得的X射線能譜，從圖中可知空氣中存在的各種元素及含量例2：是某病人的血樣分析，從圖中可知患者有鉛中毒癥。11例：利用中子活化技術(shù)研究某地區(qū)的大氣擴(kuò)散規(guī)律。 可將非放射性的銦燃燒產(chǎn)生銦霧，然后在不同取樣點(diǎn)收集銦的沉降，把取來(lái)的樣品放在反應(yīng)堆中輻照，銦及空氣塵埃中的其它物質(zhì)都被中子活化，

5、依靠Ge(Li)探測(cè)器的高分辨率，可以不經(jīng)過(guò)化學(xué)分離而直接從樣品的譜中分出銦的特征射線來(lái)，并依據(jù)其強(qiáng)度來(lái)確定樣品中銦的含量。利用這種方法來(lái)測(cè)定大氣中銦的濃度，其靈敏度可達(dá)到1010109gL 。 “中子活化分析”是利用中子與待測(cè)樣品發(fā)生核反應(yīng)，產(chǎn)生放射性核素，再測(cè)量其放射性的活度和能譜，從而確定待測(cè)樣品的元素成分和含量。12二、譜儀中的基本概念2.1 譜儀有著十分廣泛的應(yīng)用 本課中要講述的“譜儀”是能測(cè)量放射性能譜的儀器，是核儀器中非常重要的儀器設(shè)備。 其主要功能為：對(duì)探測(cè)器輸出信號(hào)攜帶的能量信息進(jìn)行一系列復(fù)雜的處理后得到被測(cè)核素的能譜，進(jìn)而得到被測(cè)樣品中核素（或元素）的種類(lèi)與含量。 在核物理

6、研究工作中。 在核工程技術(shù)中。 在放射性分析、活化分析及X射線熒光分析 技術(shù)領(lǐng)域中。13考古古代陶瓷分析考古古代陶瓷分析 利用X射線熒光分析法和能譜儀可對(duì)古陶瓷器的化學(xué)元素成分進(jìn)行分析。我國(guó)發(fā)射繞月衛(wèi)星我國(guó)發(fā)射繞月衛(wèi)星 衛(wèi)星上將攜帶X射線和射線和射線譜儀，射線譜儀，用以判斷和分析月球表面的各種不同元素。 地球或其它星球的物理研究工作地球或其它星球的物理研究工作14 中華人民共和國(guó)衛(wèi)生部制定的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中：中華人民共和國(guó)衛(wèi)生部制定的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中：環(huán)境與生物樣品的放射性測(cè)量環(huán)境樣品（大氣、水、土壤及其他固體，疑被污染的各類(lèi)場(chǎng)所）空氣取樣裝置低本底、測(cè)量?jī)x低本底低本底能譜議能譜議能譜議能譜議環(huán)境X、劑量

7、率議灰化裝置生物樣品（糧食、蔬菜、水果等食品，動(dòng)物、人體組織和器官，毛發(fā)等）低本底、測(cè)量?jī)x低本底低本底能譜議能譜議能譜議能譜議環(huán)境X、劑量率議灰化裝置核設(shè)施與輻照裝置等大型設(shè)施檢測(cè)（核電站、核反應(yīng)堆、輻照加工裝置、中(高)能加速器）X、劑量率儀放療劑量?jī)x能譜儀能譜儀低本底、測(cè)量?jī)x低本底低本底能譜儀能譜儀環(huán)境X、劑量率儀低本底液閃測(cè)量?jī)x中子測(cè)量?jī)x含放射性產(chǎn)品檢測(cè)建筑及裝飾材料的放射性測(cè)量環(huán)境X、劑量率儀能譜儀能譜儀含放射性產(chǎn)品和伴生X射線電器產(chǎn)品檢測(cè)環(huán)境X、劑量率儀能譜儀能譜儀低本底、測(cè)量?jī)x152.2 在譜儀中譜曲線形成的大致過(guò)程： 輻射探測(cè)器接收粒子能量，并將其轉(zhuǎn)變成脈沖幅度h，其幅度大小要與

8、入射粒子的能量E成正比關(guān)系。即hE 。 再將脈沖按幅度大 小分類(lèi)，分別記錄各 類(lèi)幅度的脈沖數(shù)目。 最終可得到測(cè)量時(shí)間內(nèi)入射粒子的計(jì)數(shù)隨粒子能量的分布曲線即“能譜”。16 實(shí)際譜曲線中的幾個(gè)概念 a、從譜的形成過(guò)程可知：能譜是測(cè)量了大量粒 子以后得到的統(tǒng)計(jì)結(jié)果。 實(shí)際，在探測(cè)器中，從粒子能量到脈沖產(chǎn)生是非常復(fù)雜的過(guò)程（包括輻射與物質(zhì)相互作用的發(fā)生、電離或激發(fā)、光電子倍增過(guò)程等）其中不可避免的有統(tǒng)計(jì)漲落這一因素。此外，譜儀的電子學(xué)電路中還存在有多種因素影響信號(hào)的幅度。因此同一能量的粒子會(huì)產(chǎn)生不同幅度的脈沖，形成脈沖幅度的分布。b、理想情況下，同一種能量的粒子應(yīng)產(chǎn)生同一 幅度的脈沖。因此單一能量粒子

9、的譜曲線應(yīng) 為單一線譜。17NaI晶體做成的譜儀測(cè)出的137Cs的能譜圖18如圖（a）所示： 射線在探測(cè)器中，引起探測(cè)介質(zhì)原子的電離，產(chǎn)生一系列的電子離子對(duì)。一定能量的粒子產(chǎn)生的離子對(duì)數(shù)是漲落的，服從一定的概率分布。 不同入射能量的粒子產(chǎn)生的脈沖分布可能互相疊加。如圖（b）所示： 19 以上分析可見(jiàn)：諸多因素會(huì)使得最終所測(cè)到的脈沖幅度分布（或能譜）可能很復(fù)雜。因此從能譜再反推出被測(cè)樣品中核素的種類(lèi)及含量也可能是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程。能譜測(cè)量技術(shù)要解決的主要問(wèn)題之一。 20探測(cè)器 前置放 大器探測(cè)器偏置電壓譜儀放 大器接口電路譜儀ADC、多道緩沖器（MCB）計(jì)算機(jī)多道分析器2.3 2.3 譜儀的系統(tǒng)框

10、圖譜儀的系統(tǒng)框圖21各部分功能簡(jiǎn)述如下： 探測(cè)器：將射線能量轉(zhuǎn)變?yōu)榕c之成正比的電 荷量。 探測(cè)器偏置電壓：為探測(cè)器提供大小、性能 符合要求的工作電壓。 前置放大器：收集探測(cè)器輸出的電荷量并將 其轉(zhuǎn)換為幅度與探測(cè)器輸出總電荷量 成正比的電壓信號(hào)。另外，前置放大 器的電路設(shè)計(jì)應(yīng)保證使其輸出信號(hào)有 盡量大的信噪比。22譜儀放大器：一方面是將從前放接受到的信號(hào)幅度進(jìn)一步放大到所需要的數(shù)值，另一方面譜儀放大器的電路中采用了成形、濾波、極零相消、堆積判棄等一系列重要的信號(hào)處理環(huán)節(jié)，可進(jìn)一步改善信噪比和（或）縮短每個(gè)脈沖的相應(yīng)時(shí)間，盡量減少堆積效應(yīng)。使整個(gè)能譜測(cè)量系統(tǒng)有更好的能量分辨率。 譜儀ADC、多道緩

11、沖器（MCB）： 譜儀ADC：將放大器輸出的攜帶著能量信 息的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字量。23接口電路：完成ADC、MCB與計(jì)算機(jī)之間的各 種控制信號(hào)及數(shù)據(jù)傳送。計(jì)算機(jī)：完成譜的顯示、譜數(shù)據(jù)的處理、文件 的管理、系統(tǒng)的控制等多種重要任務(wù)。 計(jì)算機(jī)與譜儀ADC、多道緩沖器（MCB）共同構(gòu)成多道分析器。對(duì)于研究核輻射這樣的具有統(tǒng)計(jì)性的物理現(xiàn)象，多道分析器是不可缺少的有效設(shè)備。多道緩沖器（MCB）：將ADC輸出的數(shù)字量 暫時(shí)存貯起來(lái)，并隨時(shí)準(zhǔn)備按系統(tǒng)控制信號(hào)的要求將數(shù)據(jù)傳送給計(jì)算機(jī)，以進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、分析和數(shù)據(jù)處理。24 在能譜分析系統(tǒng)中多道分析器的主要任務(wù)是： 將放大器輸出的脈沖信號(hào)的幅度經(jīng)ADC轉(zhuǎn)換為數(shù)字量

12、。 再按其轉(zhuǎn)成的數(shù)字量將幅度進(jìn)行分類(lèi)，并將不同幅度類(lèi)別的信號(hào)的計(jì)數(shù)按幅度順序進(jìn)行存儲(chǔ)，最終得到序列脈沖幅度的分布譜。 因放大器輸出的脈沖信號(hào)的幅度正比于被測(cè)射線的能量，因此脈沖幅度譜經(jīng)能量刻度后可代表被測(cè)放射性樣品的能譜。252.4 譜儀的能量分辨率： 在單能粒子能譜圖中，曲線半高寬用E表示， 顯然E越窄，譜儀對(duì)相鄰譜線的分辨能力越強(qiáng)。對(duì)能量相近的不同種類(lèi)的粒子的分辨能力也越強(qiáng)。為表示譜儀對(duì)不同能量的粒子的分辨能力，給出了：“能量分辨率”這一重要的概念。1、“能量分辨率”的兩種方法表示： 用峰的半高寬的絕對(duì)值表 示，單位用“eV”或“KeV”。 用峰的半高寬與峰位之比 的百分?jǐn)?shù)表示。稱(chēng)之為 “

13、相對(duì)半寬度”。26例如對(duì)譜儀： NaI（TI）譜儀: 通常給出的是對(duì)137Cs 662KeV全能峰的相對(duì)半寬度。如67。 Ge（Li）譜儀：常用對(duì)60Co的1.33MeV全能峰的半高寬的絕對(duì)值表示。 如：FWHM =1.9Kev。（Full width at half maxium） 其值越小，分辨率越高。27 “能量分辨率”是能譜測(cè)量系統(tǒng)的非常重要的一項(xiàng)指標(biāo)。 “高分辨率”通常是能譜測(cè)量系統(tǒng)研制過(guò)程中追求的目標(biāo)。2、影響譜儀“能量分辨率”的兩個(gè)主要方面的因素 ： 探測(cè)器：種類(lèi)、尺寸、使用能區(qū)等。 電子電路中多個(gè)影響因素。 282.5 幾種譜儀的實(shí)例外形圖、框圖幾種譜儀的實(shí)例外形圖、框圖左圖為

14、臺(tái)式半導(dǎo)體探測(cè)器譜儀(PIN結(jié)） 右圖為便攜式NaI(Tl) 探測(cè)器譜儀29 MICROSPEC便攜式NaI(TI)譜儀是世界上最小的手持?jǐn)?shù)字MCA。集成NaI(TI)閃爍探測(cè)器、高壓電源、放大器、 MCA。具有核素識(shí)別、劑量測(cè)量、放射源尋找及自動(dòng)自檢功能。具有紅外數(shù)據(jù)傳送和遠(yuǎn)程控制功能，支持適用于NaI譜學(xué)的InterWinner軟件。30柵網(wǎng)電離室譜儀，可用于常規(guī)或在核事故情況下快速處理和樣品測(cè)量專(zhuān)門(mén)用于測(cè)量中子譜的“旋轉(zhuǎn)中子譜儀”，系統(tǒng)能測(cè)量中子能譜和描述現(xiàn)場(chǎng)中子場(chǎng)分布，適用于核電站、與武器有關(guān)的軍事設(shè)施和加速器實(shí)驗(yàn)室。31【NIM標(biāo)準(zhǔn)；（Nuclear Instrument Modul

15、e）NIM標(biāo)準(zhǔn)是隨著科學(xué)技術(shù)發(fā)展的需要提出的： 對(duì)于核儀器中的信號(hào)處理系統(tǒng)，因處理任務(wù)不同而千變?nèi)f化。為了適應(yīng)各種不同用途的需要，把具有一定功能的信號(hào)處理設(shè)備按一定規(guī)范做成各種插件。 用戶(hù)可以用這些標(biāo)準(zhǔn)的插件可非常方便的自行組合成所需的信號(hào)處理系統(tǒng)。而且各國(guó)不同廠家的產(chǎn)品之間互換性強(qiáng)、方便用戶(hù)，便于生產(chǎn)、降低成本。32 1964年，美國(guó)原子能委員會(huì)的核子儀器插件（AEC）委員會(huì)公布的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，即NIM標(biāo)準(zhǔn)。 1974年被國(guó)際電工委員會(huì)（IEC）承認(rèn)并推薦為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。 NIM標(biāo)準(zhǔn)是核子儀器向插件式發(fā)展后發(fā)展起來(lái)的。它把核儀器的機(jī)械結(jié)構(gòu)、幾何尺寸、電源電壓和技術(shù)指標(biāo)、輸入輸出信號(hào)的電平都做了嚴(yán)格的

16、規(guī)定。33342.6 2.6 我國(guó)譜儀技術(shù)的發(fā)展簡(jiǎn)介我國(guó)譜儀技術(shù)的發(fā)展簡(jiǎn)介早期測(cè)量能譜，常常采用單道脈沖分析器和計(jì)數(shù)設(shè)備。后來(lái)發(fā)明了多道，但元件數(shù)量大，道數(shù)不能很多，例如小于10道。60年代末70年代初，“硬件多道”在我國(guó)被研制成功，其道數(shù)可以做到8192道。但只能對(duì)獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行簡(jiǎn)單的分析和處理，且體積十分龐大、笨重。70年代以后，隨著小型電子計(jì)算機(jī)的普及，研制出“計(jì)算機(jī)多道分析系統(tǒng)”。3580年代以后，隨著微型計(jì)算機(jī)、大規(guī)模集成 電路、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的迅速發(fā)展，譜儀技術(shù)也隨 之有很大的發(fā)展。 近年來(lái)，國(guó)際知名的幾家核儀器公司，如 canbbera公司、ortec公司等研制的一體化數(shù) 字譜儀，再配

17、以性能優(yōu)良的寬能型探測(cè)器及 軟件，譜儀已發(fā)展到一個(gè)較高的水平。向著 更小型化、數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、自動(dòng)化方向不 斷改進(jìn)。而目前，我國(guó)譜儀的技術(shù)水平離世 界先進(jìn)水平還有一段距離。361、探測(cè)器的固有能量分辨率 某能量粒子射入探測(cè)器后，設(shè)其能量全部轉(zhuǎn)換成離子對(duì)，由于脈沖產(chǎn)生過(guò)程中存在的不可避免的統(tǒng)計(jì)漲落因素，根據(jù)概率與數(shù)理統(tǒng)計(jì)理論，探測(cè)器所產(chǎn)生的離子對(duì)數(shù)N也是圍繞其平均值 漲落的。離子對(duì)數(shù)N的概率密度函數(shù)f (N)呈高斯分布。 N第二章第二章 譜儀中常用的探測(cè)器簡(jiǎn)介譜儀中常用的探測(cè)器簡(jiǎn)介第一節(jié)第一節(jié) 探測(cè)器的主要性能指標(biāo)的定義探測(cè)器的主要性能指標(biāo)的定義37離子對(duì)的概率密度分布曲線為高斯形曲線。如下圖：

18、FWHM為峰高一半處的全寬度。38 如果f(N)的峰狀曲線比較寬，能量相近的兩種粒子產(chǎn)生的峰將重疊，結(jié)果難以將兩種能量的粒子分辨出來(lái)。 通常用FWHM來(lái)衡量探測(cè)器的能量分辨能力，稱(chēng)為探測(cè)器的固有能量分辨率。 具體表示方法有兩種： （1）、FWHM的絕對(duì)寬度，單位用離子對(duì)數(shù) 或能量（keV）。 （2）、FWHM和峰位的百分比RD表示。100%DFWHMRN39 上圖為Ge探測(cè)器（左）和NaI（TI）閃爍探測(cè)器（右）測(cè)量同一放射源時(shí)的實(shí)際測(cè)量結(jié)果。顯然Ge探測(cè)器的能量分辨率比NaI（TI）探測(cè)器的要好得多。分辨不同粒子能量的能力要強(qiáng)的多。402、探測(cè)效率 探測(cè)效率是核輻射探測(cè)器的一個(gè)重要技術(shù)指標(biāo)。用表示： 探測(cè)器輸出脈沖數(shù)射入探測(cè)器的帶電粒子（或光子）數(shù)3、探測(cè)器的線性 探測(cè)器所產(chǎn)生