核仪器概论核仪器前言与谱仪基本概念.pptx

1核仪器概论2前言1、为什么要开核仪器概论课？核仪器有广泛应用。工业：测料位、测厚度、称重量、测成分、医学：诊断、治疗。农业及食品卫生：育种、保鲜、食品中放射性含量的检测。地球（星球）科学：地质勘探、地址年代测定、能源工程：核电站。公共安全及环境保护：安全检测、集装箱检测、建筑材料放射性含量 的检测 科学研究：各种核物理实验，等。32、核仪器是高科技的产物、是多学科知识综合应用的成果：核物理；辐射防护；核辐射物理及探测学；模拟、数字电子技术；计算机软硬件知识；随机数学；概率统计；核能与核技术概论；等。41.1 什么是“射线的能谱”？定义：测量时间内入射粒子的计数随粒子能量的分布曲 线，此曲线被称为能谱。一、能谱的基本概念：例一、第一章第一章 能谱测量概述能谱测量概述5EEEE (a）为单能粒子能谱图。（b）为多种能量的粒子的能谱图。例二、61.2 为什么要测量“能谱”？主要目的：通过射线能谱的测量判别被测样品中存在那几种核素（或元素）及它们的含量。对于放射性样品 核物理中告诉我们：各种核素都会发出一 定特定能量的辐射粒子。7 如：60CO衰变为60Ni时，会发出两种能量的射线，分别为1.17Mev和1.33Mev。137Cs衰变为137Ba时就只发射一种单能的射线，能量为0.661Mev，等。8 因此测量出射线的能量和强度就能判别被测样品中存在那几种核素和它们的含量，这是对放射性核素进行甄别和分析的一种重要方法，称之为“射线能谱分析”。对于非放射性的样品 被分析样品在很多情况下本身是不带有放射性的。如：古陶瓷的鉴别。对“非放射性样品”进行成分分析通常可采用“X荧光分析”、“中子活化分析”等方法。9“X荧光分析”的简单原理 以一定能量的光子、电子、质子、粒子等轰击样品。使原子电离或激发。当原子内壳层电子被电离时，该壳层留下空位。原子处于激发态。外壳层电子向内壳层跃迁使原子回到基态，同时以特征X射线的形式释放出跃迁能量。10 因各种元素的特征X射线的能量都有其确定的值，因此可用X射线能谱仪分辩出不同元素的特征X射线，再测量其强度，从而确定待测元素的种类及含量。例1：用X光管激发空气过滤膜测得的X射线能谱，从图中可知空气中存在的各种元素及含量例2：是某病人的血样分析，从图中可知患者有铅中毒症。11例：利用中子活化技术研究某地区的大气扩散规律。可将非放射性的铟燃烧产生铟雾，然后在不同取样点收集铟的沉降，把取来的样品放在反应堆中辐照，铟及空气尘埃中的其它物质都被中子活化，依靠Ge(Li)探测器的高分辨率，可以不经过化学分离而直接从样品的谱中分出铟的特征射线来，并依据其强度来确定样品中铟的含量。利用这种方法来测定大气中铟的浓度，其灵敏度可达到1010109gL。“中子活化分析”是利用中子与待测样品发生核反应，产生放射性核素，再测量其放射性的活度和能谱，从而确定待测样品的元素成分和含量。12二、谱仪中的基本概念2.1 谱仪有着十分广泛的应用 本课中要讲述的“谱仪”是能测量放射性能谱的仪器，是核仪器中非常重要的仪器设备。其主要功能为：对探测器输出信号携带的能量信息进行一系列复杂的处理后得到被测核素的能谱，进而得到被测样品中核素（或元素）的种类与含量。在核物理研究工作中。在核工程技术中。在放射性分析、活化分析及X射线荧光分析 技术领域中。13考古古代陶瓷分析考古古代陶瓷分析 利用X射线荧光分析法和能谱仪可对古陶瓷器的化学元素成分进行分析。我国发射绕月卫星我国发射绕月卫星 卫星上将携带X射线和射线和射线谱仪，射线谱仪，用以判断和分析月球表面的各种不同元素。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 中华人民共和国卫生部制定的相关标准中：中华人民共和国卫生部制定的相关标准中：环境与生物样品的放射性测量环境样品（大气、水、土壤及其他固体，疑被污染的各类场所）空气取样装置低本底、测量仪低本底低本底能譜议能譜议能譜议能譜议环境X、剂量率议灰化装置生物样品（粮食、蔬菜、水果等食品，动物、人体组织和器官，毛发等）低本底、测量仪低本底低本底能譜议能譜议能譜议能譜议环境X、剂量率议灰化装置核设施与辐照装置等大型设施检测（核电站、核反应堆、辐照加工装置、中(高)能加速器）X、剂量率仪放疗剂量仪能譜仪能譜仪低本底、测量仪低本底低本底能譜仪能譜仪环境X、剂量率仪低本底液闪测量仪中子测量仪含放射性产品检测建筑及装饰材料的放射性测量环境X、剂量率仪能谱仪能谱仪含放射性产品和伴生X射线电器产品检测环境X、剂量率仪能谱仪能谱仪低本底、测量仪152.2 在谱仪中谱曲线形成的大致过程：辐射探测器接收粒子能量，并将其转变成脉冲幅度h，其幅度大小要与入射粒子的能量E成正比关系。即hE。再将脉冲按幅度大 小分类，分别记录各 类幅度的脉冲数目。最终可得到测量时间内入射粒子的计数随粒子能量的分布曲线即“能谱”。16 实际谱曲线中的几个概念 a、从谱的形成过程可知：能谱是测量了大量粒 子以后得到的统计结果。实际，在探测器中，从粒子能量到脉冲产生是非常复杂的过程（包括辐射与物质相互作用的发生、电离或激发、光电子倍增过程等）其中不可避免的有统计涨落这一因素。此外，谱仪的电子学电路中还存在有多种因素影响信号的幅度。因此同一能量的粒子会产生不同幅度的脉冲，形成脉冲幅度的分布。b、理想情况下，同一种能量的粒子应产生同一 幅度的脉冲。因此单一能量粒子的谱曲线应 为单一线谱。17NaI晶体做成的谱仪测出的137Cs的能谱图18如图（a）所示：射线在探测器中，引起探测介质原子的电离，产生一系列的电子离子对。一定能量的粒子产生的离子对数是涨落的，服从一定的概率分布。不同入射能量的粒子产生的脉冲分布可能互相叠加。如图（b）所示：19 以上分析可见：诸多因素会使得最终所测到的脉冲幅度分布（或能谱）可能很复杂。因此从能谱再反推出被测样品中核素的种类及含量也可能是一个复杂的过程。能谱测量技术要解决的主要问题之一。20探测器 前置放大器探测器偏置电压谱仪放大器接口电路谱仪ADC、多道缓冲器（MCB）计算机多道分析器2.3 2.3 谱仪的系统框图谱仪的系统框图21各部分功能简述如下：探测器：将射线能量转变为与之成正比的电 荷量。探测器偏置电压：为探测器提供大小、性能 符合要求的工作电压。前置放大器：收集探测器输出的电荷量并将 其转换为幅度与探测器输出总电荷量 成正比的电压信号。另外，前置放大 器的电路设计应保证使其输出信号有 尽量大的信噪比。22谱仪放大器：一方面是将从前放接受到的信号幅度进一步放大到所需要的数值，另一方面谱仪放大器的电路中采用了成形、滤波、极零相消、堆积判弃等一系列重要的信号处理环节，可进一步改善信噪比和（或）缩短每个脉冲的相应时间，尽量减少堆积效应。使整个能谱测量系统有更好的能量分辨率。谱仪ADC、多道缓冲器（MCB）：谱仪ADC：将放大器输出的携带着能量信 息的电压信号转换成数字量。23接口电路：完成ADC、MCB与计算机之间的各 种控制信号及数据传送。计算机：完成谱的显示、谱数据的处理、文件 的管理、系统的控制等多种重要任务。计算机与谱仪ADC、多道缓冲器（MCB）共同构成多道分析器。对于研究核辐射这样的具有统计性的物理现象，多道分析器是不可缺少的有效设备。多道缓冲器（MCB）：将ADC输出的数字量 暂时存贮起来，并随时准备按系统控制信号的要求将数据传送给计算机，以进行统计、分析和数据处理。24 在能谱分析系统中多道分析器的主要任务是：将放大器输出的脉冲信号的幅度经ADC转换为数字量。再按其转成的数字量将幅度进行分类，并将不同幅度类别的信号的计数按幅度顺序进行存储，最终得到序列脉冲幅度的分布谱。因放大器输出的脉冲信号的幅度正比于被测射线的能量，因此脉冲幅度谱经能量刻度后可代表被测放射性样品的能谱。252.4 谱仪的能量分辨率：在单能粒子能谱图中，曲线半高宽用E表示，显然E越窄，谱仪对相邻谱线的分辨能力越强。对能量相近的不同种类的粒子的分辨能力也越强。为表示谱仪对不同能量的粒子的分辨能力，给出了：“能量分辨率”这一重要的概念。1、“能量分辨率”的两种方法表示：用峰的半高宽的绝对值表 示，单位用“eV”或“KeV”。用峰的半高宽与峰位之比 的百分数表示。称之为 “相对半宽度”。26例如对谱仪：NaI（TI）谱仪:通常给出的是对137Cs 662KeV全能峰的相对半宽度。如67。Ge（Li）谱仪：常用对60Co的1.33MeV全能峰的半高宽的绝对值表示。如：FWHM=1.9Kev。（Full width at half maxium）其值越小，分辨率越高。27 “能量分辨率”是能谱测量系统的非常重要的一项指标。“高分辨率”通常是能谱测量系统研制过程中追求的目标。2、影响谱仪“能量分辨率”的两个主要方面的因素：探测器：种类、尺寸、使用能区等。电子电路中多个影响因素。282.5 几种谱仪的实例外形图、框图几种谱仪的实例外形图、框图左图为台式半导体探测器谱仪(PIN结）右图为便携式NaI(Tl)探测器谱仪29 MICROSPEC便 携 式NaI(TI)谱仪是世界上最小的手持数字MCA。集成NaI(TI)闪烁探测器、高压电源、放大器、MCA。具有核素识别、剂量测量、放射源寻找及自动自检功能。具有红外数据传送和远程控制功能，支持适用于NaI谱学的InterWinner软件。30栅网电离室谱仪，可用于常规或在核事故情况下快速处理和样品测量专门用于测量中子谱的“旋转中子谱仪”，系统能测量中子能谱和描述现场中子场分布，适用于核电站、与武器有关的军事设施和加速器实验室。31【NIM标准；（Nuclear Instrument Module）NIM标准是随着科学技术发展的需要提出的：对于核仪器中的信号处理系统，因处理任务不同而千变万化。为了适应各种不同用途的需要，把具有一定功能的信号处理设备按一定规范做成各种插件。用户可以用这些标准的插件可非常方便的自行组合成所需的信号处理系统。而且各国不同厂家的产品之间互换性强、方便用户，便于生产、降低成本。32 1964年，美国原子能委员会的核子仪器插件（AEC）委员会公布的一个标准，即NIM标准。1974年被国际电工委员会（IEC）承认并推荐为国际标准。NIM标准是核子仪器向插件式发展后发展起来的。它把核仪器的机械结构、几何尺寸、电源电压和技术指标、输入输出信号的电平都做了严格的规定。33342.6 2.6 我国谱仪技术的发展简介我国谱仪技术的发展简介早期测量能谱，常常采用单道脉冲分析器和计数设备。后来发明了多道，但元件数量大，道数不能很多，例如小于10道。60年代末70年代初，“硬件多道”在我国被研制成功，其道数可以做到8192道。但只能对获取的数据进行简单的分析和处理，且体积十分庞大、笨重。70年代以后，随着小型电子计算机的普及，研制出“计算机多道分析系统”。3580年代以后，随着微型计算机、大规模集成 电路、网络技术的迅速发展，谱仪技术也随 之有很大的发展。近年来，国际知名的几家核仪器公司，如 canbbera公司、ortec公司等研制的一体化数 字谱仪，再配以性能优良的宽能型探测器及 软件，谱仪已发展到一个较高的水平。向着 更小型化、数字化、网络化、自动化方向不 断改进。而目前，我国谱仪的技术水平离世 界先进水平还有一段距离。361、探测器的固有能量分辨率 某能量粒子射入探测器后，设其能量全部转换成离子对，由于脉冲产生过程中存在的不可避免的统计涨落因素，根据概率与数理统计理论，探测器所产生的离子对数N也是围绕其平均值 涨落的。离子对数N的概率密度函数f(N)呈高斯分布。第二章第二章 谱仪中常用的探测器简介谱仪中常用的探测器简介第一节第一节 探测器的主要性能指标的定义探测器的主要性能指标的定义37离子对的概率密度分布曲线为高斯形曲线。如下图：FWHM为峰高一半处的全宽度。38 如果f(N)的峰状曲线比较宽，能量相近的两种粒子产生的峰将重叠，结果难以将两种能量的粒子分辨出来。通常用FWHM来衡量探测器的能量分辨能力，称为探测器的固有能量分辨率。具体表示方法有两种：（1）、FWHM的绝对宽度，单位用离子对数 或能量（keV）。（2）、FWHM和峰位的百分比RD表示。39 上图为Ge探测器（左）和NaI（TI）闪烁探测器（右）测量同一放射源时的实际测量结果。显然Ge探测器的能量分辨率比NaI（TI）探测器的要好得多。分辨不同粒子能量的能力要强的多。402、探测效率 探测效率是核辐射探测器的一个重要技术指标。用表示：探测器输出脉冲数射入探测器的带电粒子（或光子）数3、探测器的线性 探测器所产生的离子对数平均值和粒子在探测器中消耗的能量E间的线性程度。4、其他指标:“核辐射与探测技术”中会详细讲解，这里不再详述。41能谱测量中最常用的探测器主要有气体探测器、闪烁探测器及半导体探测器。下面将分别给以简述。1、气体探测器：包括脉冲电离室、正比计数器。第二节第二节 能谱测量中常用探测器基本原理简述能谱测量中常用探测器基本原理简述电离室（平板型）的基本结构如右图 由于电子在气体中的“射程”很长，难以把全部能量都消耗在灵敏体积之内。因而，电离室主要适用于测量等重带电粒子的能谱。(1)脉冲电离室42 主要是圆柱形的。其中有一根很细的金属丝作阳极，在其附近有一“小范围的强电场区域”，如右图所示aro区域。入射粒子射入正比计数器后由于电离作用首先直接产生离子与电子，当这些电子经漂移运动到达aro区域后在足够强电场作用下再进行碰撞电离产生新的离子、电子对。其电子数（及相应的正离子数）124816。形成“雪崩”。圆柱形电极间的电场强度(2)正比计数器 工作原理简介43 正比计数器的输出电荷量N与入射粒子在其灵敏体积内直接电离产生的电荷量N之比。称之为“气体放大倍数A”。A同样有涨落，是随机变量。由于正比计数器的气体放大倍数可以做得很大（可大到106量级），即使能量极低的粒子所产生的信号脉冲幅度也能显著地高过噪声。因此，它很适合于探测低能射线的能谱。例如：测氚的能谱。（E=max8.9Kev）。