第1章核儀器前言與譜儀的基本概念

1核儀器概論2前言1、為什么要開《核儀器概論》課？核儀器有廣泛應(yīng)用。工業(yè)：測料位、測厚度、稱重量、測成分、……

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。地球（星球）科學(xué)：地質(zhì)勘探、地址年代測定、能源工程：核電站。公共安全及環(huán)境保護(hù)：安全檢測、集裝箱檢測、建筑材料放射性含量的檢測……

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，此曲線被稱為能譜。一、能譜的基本概念：例一、第一章能譜測量概述5△△E△E△E△E

(a）為單能α粒子能譜圖。（b）為多種能量的α粒子的能譜圖。例二、61.2為什么要測量“能譜”？主要目的：通過射線能譜的測量判別被測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)出一定特定能量的輻射粒子。

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如：60CO衰變?yōu)?0Ni時(shí)，會(huì)發(fā)出兩種能量的γ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γ射線，能量為0.661Mev，等。8

因此測量出射線的能量和強(qiáng)度就能判別被測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”的簡單原理

以一定能量的光子、電子、質(zhì)子、α粒子等轟擊樣品。使原子電離或激發(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，再測量其強(qiáng)度，從而確定待測元素的種類及含量。例1：用X光管激發(fā)空氣過濾膜測得的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?？蓪⒎欠派湫缘你熑紵a(chǎn)生銦霧，然后在不同取樣點(diǎn)收集銦的沉降，把取來的樣品放在反應(yīng)堆中輻照，銦及空氣塵埃中的其它物質(zhì)都被中子活化，依靠Ge(Li)探測器的高分辨率，可以不經(jīng)過化學(xué)分離而直接從樣品的γ譜中分出銦的特征γ射線來，并依據(jù)其強(qiáng)度來確定樣品中銦的含量。利用這種方法來測定大氣中銦的濃度，其靈敏度可達(dá)到10－10～10－9g／L。

“中子活化分析”是利用中子與待測樣品發(fā)生核反應(yīng)，產(chǎn)生放射性核素，再測量其放射性的活度和能譜，從而確定待測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核素的能譜，進(jìn)而得到被測樣品中核素（或元素）的種類與含量。

在核物理研究工作中。

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

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。我國發(fā)射繞月衛(wèi)星衛(wèi)星上將攜帶X射線和γ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14○中華人民共和國衛(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量環(huán)境樣品（大氣、水、土壤及其他固體，疑被污染的各類場所）空氣取樣裝置低本底α、β測量儀低本底α能譜議γ能譜議環(huán)境X、γ劑量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α、β測量儀低本底α能譜議γ能譜議環(huán)境X、γ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（核電站、核反應(yīng)堆、輻照加工裝置、中(高)能加速器）X、γ劑量率儀放療劑量儀γ能譜儀低本底α、β測量儀低本底α能譜儀環(huán)境X、γ劑量率儀低本底液閃測量儀中子測量儀含放射性產(chǎn)品檢測建筑及裝飾材料的放射性測量環(huán)境X、γ劑量率儀γ能譜儀含放射性產(chǎn)品和伴生X射線電器產(chǎn)品檢測環(huán)境X、γ劑量率儀γ能譜儀低本底α、β測量儀152.2在譜儀中譜曲線形成的大致過程：①輻射探測器接收粒子能量，并將其轉(zhuǎn)變成脈沖幅度h，其幅度大小要與入射粒子的能量E成正比關(guān)系。即h∝E

。②再將脈沖按幅度大小分類，分別記錄各類幅度的脈沖數(shù)目。

最終可得到測量時(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”。16③

實(shí)際譜曲線中的幾個(gè)概念

a、從譜的形成過程可知：能譜是測量了大量粒子以后得到的統(tǒng)計(jì)結(jié)果。

實(shí)際，在探測器中，從粒子能量到脈沖產(chǎn)生是非常復(fù)雜的過程（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。因此單一能量粒子的譜曲線應(yīng)為單一線譜。17☆NaI晶體做成的譜儀測出的137Cs的能譜圖18☆如圖（a）所示：

α射線在探測器中，引起探測介質(zhì)原子的電離，產(chǎn)生一系列的電子—離子對(duì)。一定能量的α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：

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以上分析可見：諸多因素會(huì)使得最終所測到的脈沖幅度分布（或能譜）可能很復(fù)雜。因此從能譜再反推出被測樣品中核素的種類及含量也可能是一個(gè)復(fù)雜的過程。能譜測量技術(shù)要解決的主要問題之一。

20探測器

前置放大器探測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譜儀的系統(tǒng)框圖21各部分功能簡述如下：

探測器：將射線能量轉(zhuǎn)變?yōu)榕c之成正比的電荷量。

探測器偏置電壓：為探測器提供大小、性能符合要求的工作電壓。

前置放大器：收集探測器輸出的電荷量并將其轉(zhuǎn)換為幅度與探測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)能譜測量系統(tǒng)有更好的能量分辨率。

譜儀ADC、多道緩沖器（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，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。再按其轉(zhuǎn)成的數(shù)字量將幅度進(jìn)行分類，并將不同幅度類別的信號(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)的幅度正比于被測射線的能量，因此脈沖幅度譜經(jīng)能量刻度后可代表被測放射性樣品的能譜。252.4譜儀的能量分辨率：

在單能α粒子能譜圖中，曲線半高寬用ΔE表示，顯然ΔE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。稱之為“相對(duì)半寬度”。26例如對(duì)γ譜儀：

NaI（TI）譜儀:通常給出的是對(duì)137Cs662KeV全能峰的相對(duì)半寬度。如6％～7％。

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。（Fullwidthathalfmaxium）

其值越小，分辨率越高。27“能量分辨率”是能譜測量系統(tǒng)的非常重要的一項(xiàng)指標(biāo)。“高分辨率”通常是能譜測量系統(tǒng)研制過程中追求的目標(biāo)。2、影響譜儀“能量分辨率”的兩個(gè)主要方面的因素：

探測器：種類、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、框圖左圖為臺(tái)式半導(dǎo)體探測器γ譜儀(PIN結(jié)）右圖為便攜式NaI(Tl)探測器γ譜儀29MICROSPEC便攜式NaI(TI)譜儀是世界上最小的手持?jǐn)?shù)字MCA。集成NaI(TI)閃爍探測器、高壓電源、放大器、MCA。具有核素識(shí)別、劑量測量、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α譜儀，可用于常規(guī)或在核事故情況下快速處理和樣品測量專門用于測量中子譜的“旋轉(zhuǎn)中子譜儀”，系統(tǒng)能測量中子能譜和描述現(xiàn)場中子場分布，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)；（NuclearInstrumentModule）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)。而且各國不同廠家的產(chǎn)品之間互換性強(qiáng)、方便用戶，便于生產(chǎn)、降低成本。321964年，美國原子能委員會(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年被國際電工委員會(huì)（IEC）承認(rèn)并推薦為國際標(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)格的規(guī)定。33342.6我國譜儀技術(shù)的發(fā)展簡介

早期測量能譜，常常采用單道脈沖分析器和計(jì)數(shù)設(shè)備。

后來發(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)”。35△80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，國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，再配以性能優(yōu)良的寬能型探測器及軟件，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、探測器的固有能量分辨率某能量粒子射入探測器后，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。第二章譜儀中常用的探測器簡介第一節(jié)探測器的主要性能指標(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：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。

通常用FWHM來衡量探測器的能量分辨能力，稱為探測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。39

上圖為Ge探測器（左）和NaI（TI）閃爍探測器（右）測量同一放射源時(shí)的實(shí)際測量結(jié)果。顯然Ge探測器的能量分辨率比NaI（TI）探測器的要好得多。分辨不同粒子能量的能力要強(qiáng)的多。402、探測效率

探測效率是核輻射探測器的一個(gè)重要技術(shù)指標(biāo)。用ε表示：ε＝

探測器輸出脈沖數(shù)射入探測器的帶電粒子（或光子）數(shù)3、探測器的線性