第四章第6節(jié)實驗室B譜儀

4.6β譜儀在環(huán)境放射性監(jiān)測中的應用γ譜儀不能測量（分辨）環(huán)境中存在的純β核素：90Sr，32P，35S，3H，14C等?；瘜W分離方法:耗時多，難傳遞，而且一些母子體混合放射性同位素，無法化學分離解決。磁譜儀、靜電譜儀、正比譜儀，先問世但造價昂貴，結(jié)構龐大，且靈敏度低；因而環(huán)境β測量受限制

液閃譜儀，半導體譜儀，塑料閃爍體譜儀的相繼問世，可廣泛應用于分析環(huán)境中的動植物樣品、水樣品等4.6.1符合型低本底閃爍β譜儀(例)特點：造價低廉，本底低，快速準確由塑料閃爍計數(shù)器與一個薄窗G-M計數(shù)管構成(綜合閃爍計數(shù)器高效率和G-M計數(shù)管低本底的兩個特點)前置放大器對數(shù)放大器20道脈沖幅度分析器高壓電源前置放大器放大器甄別器定標器100道脈沖幅度分析器整體探測器放在一個由5cm厚的鉛，5cm厚的鐵，2.5cm厚的銅構成的評比體內(nèi)晶體厚度選擇：為使β粒子的能量沉積于晶體中

R=412E1.265-0.094lnE0.01＜E＜2.5MeV

R=530E-106E＞2.5MeVR——最大能量為E的β射線在鋁中的最大射程，mg/cm2；

E——β射線的最大能量，MeV。

d=R/ρ(cm)對G-M計數(shù)器端窗膜的要求為了提高β粒子的透視率以減小β譜的畸變，要求Mylar膜盡可能的薄但又不漏光——鍍膜技術要求高（均勻厚～0.9mg/cm2且不漏光）電子學線路

∵β粒子必須穿過G-M計數(shù)器才能進入到塑料閃爍體中

∴裝置中引用了符合電路——β粒子在兩探測器中產(chǎn)生的脈沖符合后才能被脈沖幅度分析器所分析記錄裝置的屏蔽室擋住了宇宙射線中的軟成分，宇宙射線中的μ介子的脈沖輸出超出譜儀分析的范圍，可調(diào)節(jié)多道分析器的甄別閾予以剔除符合型閃爍β譜儀的應用

a)已知核素的低水平計數(shù)——選擇最佳道寬，使本底計數(shù)率較低，實現(xiàn)低水平測量

b)快速測量短壽命核素(事故情況下)——與化學分離方法相比有不可比擬的優(yōu)越性

c)鑒別未知核素——通過確定最大能量Emax，鑒別未知核素

d)分析放射性同位素混合物——89Sr與90Sr，57Co與60Co，103Ru與106Ru等，無法用化學方法分離，譜儀可鑒別之；并可確定各自的含量

e)確定母子體的平衡率——含有母體和子體放射性同位素混合物，如90Sr——90Y，95Zr——95Nb，106Ru——106Rh，144Ce——144Pr等，只要母子體彼此發(fā)射的β射線的最大能量有顯著差異，就能很容易被譜儀測量分析4.6.2液體閃爍β譜儀優(yōu)點：待測樣品與閃爍液混合——幾乎沒有樣品的自吸收,是測量發(fā)射低能β射線核素(3H、14C)的最有效的方法也可以用來探測α射線、中子和γ射線等輻射1)液閃原理閃爍液通常由溶有一種或多種熒光體的芳香劑構成當β粒子通過閃爍液時，其輻射能量消耗與溶劑分子的電力和激發(fā)。溶劑分子激發(fā)后回到基態(tài)時釋放出能量傳給閃爍體，后者偶而也可直接吸收射線能量。退激時多余的能量以光子形式放出，所放出的光子被樣品瓶外的光電倍增管的光陰極探測，打出光電子，經(jīng)光電倍增管放大，在陽極上形成足夠大的電脈沖信號若閃爍體的發(fā)光光譜與光陰極的吸收光譜不太匹配時，可在溶劑×——第一閃爍體#——第二閃爍體中加入第二閃爍體，其作用是吸○——溶劑分子●——放射性分子收第一閃爍體發(fā)射的光子，激發(fā)退激時釋放出其發(fā)射光譜與光電倍增管更為匹配的特征光子?！嗟诙W爍液又稱為“移波液”，其濃度一般為第一閃爍液的1/10∵液閃中產(chǎn)生的每一個脈沖的幅度∝β粒子在閃爍液中消耗的能量

∴可用作β譜測量閃爍優(yōu)值F——估計液體閃爍過程中各個能量轉(zhuǎn)移階段的效率

F=sfqm式中：s——溶劑的相對閃爍效率(定義為產(chǎn)生一個受激分子溶劑所需要吸收的能量，通常以甲苯作為比較的基準)

f——溶劑-溶質(zhì)能量轉(zhuǎn)移的量子效率，數(shù)值上等于受激溶劑分子中得以把其激發(fā)能轉(zhuǎn)移給第一溶質(zhì)的分子所占總分子的百分數(shù)，依賴于溶劑中溶質(zhì)的濃度

q——溶質(zhì)的熒光量子效率，即溶質(zhì)發(fā)射的光子數(shù)同處于受激的溶質(zhì)分子數(shù)目之比

m——光譜匹配因子，表示溶質(zhì)的發(fā)射光譜與光電管陰極吸收光譜的覆蓋程度

sfq依賴于溶劑和閃爍體的選擇；m依賴于閃爍體賀廣電倍增管的選擇2)猝滅概念——由于樣品雜質(zhì)的介入使閃爍液中廣的產(chǎn)生受到抑制或生成的光訊號在閃爍液的傳輸過程中被減弱的現(xiàn)象猝滅分類：稀釋猝滅，化學猝滅和顏色猝滅稀釋猝滅（濃度猝滅）——當濃度高于或低于閃爍液的最佳濃度，計數(shù)率會下降。尤其加入大體積樣品時。鏈烴和酒精屬這類猝滅劑化學猝滅（雜質(zhì)猝滅）——化學物質(zhì)，含微量雜質(zhì)，會分散溶劑的激發(fā)能，或同閃爍體分子競爭激發(fā)能，有的與閃爍體分子形成復體，減少閃爍體的溶度→減少熒光的產(chǎn)生效率。氣體氧時常遇到的強猝滅劑顏色猝滅——指閃爍液中產(chǎn)生的熒光在透過樣品時被有色物質(zhì)吸收，使得轉(zhuǎn)移到光電倍增管光陰極的幾率減小的現(xiàn)象。上述三種猝滅，無論是光子產(chǎn)生抑制，還是光子被吸收減弱，最終都是減少在光電倍增管光陰極上收集到的每一個最初受激事件所發(fā)射的光子數(shù)無論產(chǎn)生光子的源是軟β發(fā)射體還是硬β發(fā)射體，光量子的比率將按同一比例降低3)液體閃爍計數(shù)器結(jié)構及其性能由探測器(包括換樣機構)、電子學測量與控制單元兩部分構成，由下圖所示①探測器：1.樣品瓶(內(nèi)裝閃爍液與被測樣品)；2.光電倍增管及牽制電路；3.鉛屏蔽體(外殼為鑄鐵)；4.光導；5.絕緣內(nèi)襯；6.密封圈；7．升降桿；8.遮光快門；9.樣品盤座架；10.遮光罩；11.上蓋由5～6cm鑄鐵或鉛屏蔽構成的密室低水平裝置的鉛屏蔽：10～15cm上部有設計精巧的換樣機構和避光快門裝有閃爍液的計數(shù)瓶可自動進入嚴格避光的小室內(nèi)被廣電倍增管直接探測要求優(yōu)質(zhì)、低噪聲、高放大倍數(shù)GDB(國外RCA4501或石英窗EMI9635Q；國內(nèi)261廠生產(chǎn)的GDB-52型)在計數(shù)瓶與GDB之間一般裝有不銹鋼、銅或聚四氟乙烯制成的圓錐形或圓柱形光導在瓶蓋內(nèi)加有反射襯墊，在垂直傳動桿的頂部進行了鏡面拋光——改善光的反射效果側(cè)進樣或底部進樣，樣品屏蔽；主探測器的GDB也要屏蔽——進一步降低本底芬蘭LKB公司的1220-681

Quautulus低本底高靈敏液閃譜儀結(jié)構原理如右圖所示：反符合探測器——內(nèi)裝礦物油溶劑閃爍液圓柱形容器和兩個柱面相對的GDB主探測器——安裝在反符合屏蔽液體閃爍體軸線下方的孔道里②測量與控制單元測量部分：符合、相加放大、多道脈沖幅度分析器單元電路符合電路——降低GDB管子熱電子噪聲貢獻相加電路——改善樣品的測量能力，提高信噪比多道分析器——能譜分析儀器的控制部分最初主要用于樣品的自動換樣和猝滅校正現(xiàn)功能加強，大多具有：a)CRT顯示和人機對話；b)自動穩(wěn)譜與自動診斷；c)隨機符合監(jiān)測；d)單光子監(jiān)測；e)放射免疫分析程序及數(shù)值積分程序；f)快速能譜檢索；g)消靜電裝置等③閃爍液甲苯和甲二苯能量傳遞效率高，價廉，是廣泛使用的閃爍溶劑二樣六環(huán)具有良好的水溶性和效率，在含水樣品的測量中占有重要的地位，但因其易燃，價格較貴且毒性又高，現(xiàn)已不多用曲拉通TritonX-100與烷基苯胺一定比例配置的混合液，可是含水樣品在芳香溶劑中有較高的計數(shù)率，∴廣泛應用常用的第一閃爍體——PPO，在甲苯中有足夠的溶解度，熒光量子效率高，能在低溫下工作，對水溶性樣品有一定的兼容性且相當經(jīng)濟，目前用量最大P-TP的效率比PPO稍低，但價格便宜另一種特別有效的第一閃爍體——PBD，但它在甲苯中的溶解度有限，僅在飽和濃度下(12g/l)才有較高的計數(shù)率，使用濃度約為PPO的2倍Buty1-PBD是PBD的丁基衍生物，其熒光特性與PBD相媲美，在甲苯中的溶解度也好，一般使用濃度為6～15g/l,相當穩(wěn)定。對樣品的兼容性極佳，耐猝滅作用較強，使用日益增多。使用最早最多的移波劑(第二閃爍體)——POPOPPOPOP的二甲基衍生物DM-POPOP,在甲苯中的溶解度比POPOP高，但和雙堿光電倍增管的光譜響應較差目前最有效的第二閃爍體——BIS-MSB和PBBO，它們在甲苯中的溶解度都高于POPOP，受猝滅影響較小，其中與BIS-MSB和雙堿光電倍增管的光譜響應也好，近年來使用較普遍閃爍液的配置依賴于樣品的猝滅程度。第一閃爍體濃度范圍是4～10g/l溶劑，第二閃爍體濃度是第一閃爍體濃度的5～15%④計數(shù)瓶一般要求計數(shù)瓶的化學性質(zhì)穩(wěn)定，透光性好且各向同性，特別是瓶材料中的鉀、鐳及其他天然放射性的含量盡量低石英瓶——光傳導性能好，計數(shù)效率高，本底低，但價格昂貴低鉀玻璃瓶——較高的計數(shù)率和較低的本底，常用聚乙烯瓶——本底低，效率高，不易碎；溶劑通過塑料瓶滲透損失顯著，嚴重時會使瓶子鼓脹和變形聚四氟乙烯瓶——效率最高，本底最低，且對碳氫化合物不滲透，適合地本底⑤儀器的品質(zhì)因素和可測靈敏度用測量3H、14C的效率、本底、品質(zhì)因素可被用來衡量液閃譜儀的性能品質(zhì)因子或優(yōu)值FM

：FM=E2/B

式中，E——探測器測量樣品的百分效率；B——本底計數(shù)(cpm)在低水平測量時，將樣品允許加入量V(ml)考慮在內(nèi)，常用靈敏度優(yōu)值SM：

SM=(EV)2/B，比較不同探測系統(tǒng)的靈敏度可測靈敏度：Moghissi提出測量時間為1min，68.3%的置信度時可測量靈敏度y：y=√B/2.22EV(PCi/ml)=1.67×10-2

√B/2.22EV(Bq/l)目前國際上較好的液閃譜儀有：

美國PACKARD公司的Tri-Carb2200CA系列

BECKM公司的LS-9800，LS-5800

芬蘭LKB-Wallac公司的1217/18，1219型EH=60～65%,Ec=90～95%；FM(3H)=150～200，F(xiàn)M(14C)=300～400帶有反符合屏蔽的低本底液閃譜儀(如，日本ALOKA公司的LB-1型，LKB公司的Quantulus1220-681型,國產(chǎn)DYS-1型)，在測量水中氚時加水量可達50%以上，計數(shù)效率仍高于20%；本底計數(shù)≤1cpm，靈敏度優(yōu)值在43700～450004)計數(shù)效率及其猝滅校正在液閃譜儀測量中，對計數(shù)樣品的猝滅校正是十分重要的(由于被測樣品加到閃爍液里改變了閃爍介質(zhì)的原有狀態(tài)，實際上必須對每一個樣品的液閃計數(shù)效率進行測定)①內(nèi)標準法內(nèi)標準法是猝滅校正經(jīng)典的也是最基本的方法，探測效率：

E(%)=(Ns-Na)/A×100%式中，Na——待測樣品原來的凈計數(shù)；Ns——加入已知放射性A后的凈計數(shù)內(nèi)標準法要求被加入同一核素且有足夠的強度標準加入量足夠小以至對樣品的猝滅程度無明顯的影響內(nèi)標準取樣的準確度是內(nèi)標準法效果好壞的關鍵保證內(nèi)標準和待測樣品處在溶液的同一相內(nèi)是正確校正的前提②外標準道比法(ESCR)ESCR由道比法和外標準法兩種猝滅校正技術發(fā)展而來右圖反映了液閃β譜隨猝滅的增加而向低能

方向漂移若用兩個不同測量道測量譜的兩個部分—

→兩道計數(shù)率之比可反映樣品的猝滅程度道比法：用一套標準猝滅樣品系列的計數(shù)效率與相應的樣品道比值作圖→得到一條樣品道比猝滅曲線未知樣品在相同條件下測量，由測得的樣品道比值從曲線上查取相應的計數(shù)效率道比法的缺點——要在合理的計數(shù)時間內(nèi)得到精確的道比值，要求樣品活度較高含3H(虛線)、14C(實線)樣品的脈沖譜計數(shù)(a)不猝滅(b)中等猝滅(c)高度猝滅

效率道比值外標準方法：其方法的基礎是γ源在液閃樣品中產(chǎn)生的康普頓電子譜是一個從零到僅由γ射線初始能量決定的最大值之間的連續(xù)分布譜，可被用來模擬樣品中β射線的猝滅校正用一套標準猝滅樣品系列，在選定的道里，將外標準γ源產(chǎn)生的計數(shù)率對樣品的計數(shù)效率E作圖，可得到外標準猝滅校正曲線(常用源：226Ra、137Cs、133mBa)外標準方法的優(yōu)缺點優(yōu)點：不破壞樣品的組成成分且可是樣品產(chǎn)生很高的計數(shù)率，改善統(tǒng)計效果缺點：外標準源γ射線透過樣品產(chǎn)生的康普頓電子與樣品的有效原子序數(shù)相關，也受樣品體積和物質(zhì)種類的影響，同時源—樣的幾何位置也影響測量的重復性，故這一方法很少用之外標道比法是針對樣品道比法的低計數(shù)率

限制和外標準計數(shù)法重復性差而提出來的，它保留了樣品道比法重復性好、體積效應小和外標準法計數(shù)效率高的優(yōu)點右圖為3H和14C的外標準道比曲線，該方法特別有利于實現(xiàn)儀器對被測樣品的自動猝滅校正③其它猝滅校正方法現(xiàn)代液閃譜儀→微機→自動猝滅校正樣品譜指數(shù)SIS——用β全譜的平均脈沖高度來表示樣品猝滅量進行校正#H數(shù)法——將猝滅樣品與無猝滅標準源兩者