核辐射测量原理复习知识要点

第一章 辐射源

1、实验室常用辐射源有哪几类？按产生机制每一类又可细分为哪几种？

带电粒子源

快电子源： β衰变 内转换 俄歇电子 重带电粒子源： α衰变 自发裂变

非带电粒子源

电子辐射源：伴随衰变的辐射、湮没辐射、伴随核反应的射线、轫致辐射、特征X 射线 中子源：自发裂变、放射性同位素（α，n ）源、光致中子源、加速的带电粒子引起的反应 2、选择辐射源时，常需要考虑的几个因素是什么？ 答：能量，活度，半衰期。 3、252Cf 可做哪些辐射源？

答：重带点粒子源（α衰变和自发裂变均可）、中子源。

第二章 射线与物质的相互作用

电离损失：入射带电粒子与核外电子发生库仑相互作用，以使靶物质原子电离或激发的方式而损失其能量

作用机制：入射带电粒子与靶原子的核外电子间的非弹性碰撞。

辐射损失：入射带电粒子与原子核发生库仑相互作用，以辐射光子的方式损失其能量。 作用机制：入射带电粒子与靶原子核间的非弹性碰撞。

能量歧离：单能粒子穿过一定厚度的物质后，将不再是单能的，而发生了能量的离散；这种能量损失的统计分布，称为能量歧离。

引起能量歧离的本质是：能量损失的随机性。 射程：带电粒子沿入射方向所行径的最大距离。 路程：入射粒子在物质中行径的实际轨迹长度。

入射粒子的射程：入射粒子在物质中运动时，不断损失能量，待能量耗尽就停留在物质中，它沿原来入射方向所穿过的最大距离，称为入射粒子在该物质中的射程。 重带电粒子与物质相互作用的特点： 1、主要为电离能量损失

2、单位路径上有多次作用——单位路径上会产生许多离子对

3、每次碰撞损失能量少

4、运动径迹近似为直线

5、在所有材料中的射程均很短 电离损失： 辐射损失：

快电子与物质相互作用的特点： 1、电离能量损失和辐射能量损失

2、单位路径上较少相互作用——单位路径上产生较少的离子对

3、每次碰撞损失能量大

4、路径不是直线，散射大

?? ???242ion 0dE 4πz e -=NZB dx m v ()()??rad ion dE/dx E Z

dE/dx 800

2

22NZ m E z dx dE rad

∝??? ??-21m S rad ∝E S rad ∝2

NZ S rad ∝

带电粒子在靶物质中的慢化：

(a) 电离损失－带电粒子与靶物质原子中核外电子的非弹性碰撞过程。 (b) 辐射损失－带电粒子与靶原子核的非弹性碰撞过程。 (c) 带电粒子与靶原子核的弹性碰撞 (d) 带电粒子与核外电子弹性碰撞

即轫致辐射：带电粒子穿过物质时受物质原子核的库仑作用，其速度和运动方向发生变化，会伴随发射电磁波。 电子的散射与反散射：

电子与靶物质原子核库仑场作用时，只改变运动方向，而不辐射能量的过程称为弹性散射。由于电子质量小，因而散射的角度可以很大，而且会发生多次散射，最后偏离原来的运动方向，电子沿其入射方向发生大角度偏转，称为反散射。 反散射系数：

入射电子能量越低，反散射越严重；对同样能量的入射电子，原子序数越高的材料，反散射越严重

阻止时间：

正电子与物质的相互作用特点：

正电子与物质发生相互作用的能量损失机制和电子相同。湮没，放出γ光子，或者，它与一个电子结合成正电子素，然后再湮没，放出γ光子。 湮没辐射：正电子湮没放出光子的过程。 湮没光子：正电子湮没时放出的光子。

两个湮没光子的能量相同，各等于0.511MeV γ射线与物质的相互作用特点：

γ光子是通过次级粒子与物质的原子核或原子核外电子作用，一旦光子与物质发生作用，光子或者消失或者受到散射而损失能量，同时产生次电子；产生次级粒子主要的方式有三种，即光电效应、康普顿效应和电子对效应。

光电效应：

γ射线(光子)与物质原子中束缚电子作用，把全部能量转移给某个束缚电子，使之发射出去 光电效应主要发生在原子中结合的最紧的K 层电子上。 光电子能量为：

光电截面： σk 为k 层光电截面

e i E =hv -B k ph σσ4

5=20c m h <<ν()275520

42113227??? ??∝???

? ??=νσνασh Z Z h c m th

k 20c m h >>ννσνασh Z Z h c m th k 15.1552

04∝=0

I I

I η-=E Mc kc R kv R v R T 22

===E M R

T a

7102.1-?=5Z ph ∝σ

光电效应： 电子对效应： 康普顿散射：

低能、高Z ，光电效应占优势；

中能、低Z ，康普顿散射占优势； 高能、高Z ，电子对效应占优势。

康普顿效应 ：γ射线(光子)与核外电子的非弹性碰撞过程。在作用过程中，入射光子的一

部分能量转移给电子，使它脱离原子成为反冲电子，而光子受到散射，其运动方向和能量都发生变化，称为散射光子。

反冲电子与散射光子的能量与散射角及入射光子能量之间的关系： 光子的能量： 光子的动量： 电子的动能：

电子的动量：

相对论关系： 散射光子能量：

反冲电子能量：

反冲角： (1) 任何一种单能γ射线产生的反冲电子的动能都是连续分布的。且存在最大反冲电子动能。

(2) 在最大反冲电子动能处，反冲电子数目最多，在能量较小处，存在一个坪。

电子对效应：是当入射γ射线(光子)能量较高(>1.022MeV)时，当它从原子核旁经过时，在

核力的作用下，入射光子转化为一个正电子和一个电子的过程。 电子对效应除涉及入射光子与电子对以外，必须有第三者——原子核的参与，否则不能同时满足能量和动量守恒。电子对效应要求入射光子的能量必须大于1.022MeV 。 正负电子的总动能为： 电子对效应的截面

稍大于 时：

时：

γ 射线没有射程的概念。窄束 γ 射线强度衰减服从指数衰减规律，只有吸收系数及相应的半吸收厚度的概念。

5ph Z ∝σph σ↓↑hv hv E =γγP =hv /c

2

02202

01c m c m c m E E e --=-=

βe v

P =mv =c v /=βe 22224

0E =P c +m c 'γ

γ

γ

2

0E E =

E 1+

(1-cos θ)

m c )

cos 1()

cos 1(202θθγγ-+-=

E c m E E e 2012E ctg tg m c γθ??

?=+ ??

?2

02c m hv E E e

e -=+-+γσE Z p 2∝hv 20

2c m 202c m hv >>γ

σE Z p ln 2∝Z ∝c σ2p Z ∝σ

质量厚度：

第三章 概率统计问题

二项式分布

数学期望 方差

泊松分布 数学期望 方差 高斯分布

概率密度函数为： 数学期望 方差 串级随机变量

串级随机变量的主要特点：

(A) 期望值：

(B) 方差：

(C) 相对方差：

一个核在0~t 时间内发生衰变的概率为：

长寿命核素在核衰变过程中核衰变数的方差与其平均值相等 误差传递公式： 分析一些常见情况：

ρ

?=t t m m

m t e I t I μ-=0)(μ

693

.02/1=

t ()()

000

N N n m E n P n N p

ξ===?=∑

()

()()

?????

∑0

2

N 2

N n=0

σ=D ξ=n -E ξP n ()()

p E pq N -?==10ξ}{m

n e

n m n P -==!ξ()()m

n P n E =?=∑∞

ξ()()[]()m

n P E n D =?-=∑∞20

ξξ()()??

????--=222exp 21

σσπm x x f ()()m dx x f x x E =?=?

+∞

∞

-()()[]()22σ=-=?

+∞

∞

-dx x f x E x x D ()()[]()()()21122ξξξξξD E D E D +=()()()21ξξξE E E ?=()()[]()212

2

2211ξξξνξνξξνE E D +==t e N N p λ--=?=10

2222

2221221n

x n x x y x y x y x y σσσσ???? ????++???? ????+???? ????=Λ2

1x x y ±=)

(2

22

1

x x y σσσ+=)/()(212

/1222

1x x v x x y ±+=σσ

第一次，没有样品，在时间t 内测得本底的计数为Nb ；

第二次，放上样品，在相同时间内测得样品和本底的总计数为Ns 。 样品的净计数为： 其标准偏差为：

对放射性计数的标准误差只需用一次计数N 或有限次计数的平均值 开方即可得到。

在相对标准偏差给定的情况下，所需最小测量时间为：

在规定的总测量时间T ＝ts+tb 内使测量结果的误差最小

电离过程的涨落：产生电子—正离子对或电子—空穴对的碰撞都是随机的，因而一定能量的带电粒子形成的离子对数是涨落的，同样是一个随机变量，服从一定的概率分布。

共产生的离子对数的平均值：

离子对数涨落的标准误差及相对标准误差

而要对泊松分布进行修正，引入法诺因子F F 一般取 1/2—1/3 (气体)或 0.1~0.15(半导体) 把这种分布称为法诺分布。

第四章 气体探测器

入射粒子直接产生的离子对称为原电离。

初电离产生的高速电子足以使气体产生的电离称为次电离。 总电离 =原电离+ 次电离

电离能ω ：带电粒子在气体中产生一电子离子对所需的平均能量。对不同的气体，ω大约为30eV

若入射粒子的能量为E 0，产生的平均离子对数为： 离子对服从法诺分布

离子对数的方差 电子与离子在气体中的运动： 1、漂移（电场作用）； 2、扩散（密度大--->小）；

3、电子的吸附和负离子的生成；

b s N N N -=0s b N N N N

N s b +=+=)(2

20σσσN σ===22

min )(10b s n n n v T -=T n n n n t b

s b

s s /1/+=T n n t b s b /11+=0n =E ωσ==σν===n n

n F 2

σ==泊松统计预测的方差的方差观测的n F ?=σn F =ν0N =E ω??2

E σ=

F N =F ω

4、 复合；

电子吸附效应、电荷转移效应、复合效应等，都不利于电荷收集。

电离室的工作机制

脉冲型工作状态

记录单个入射粒子的电离效应，处于这种工作状态的电离室称为：脉冲电离室。 用于重带电粒子的能量和强度测量。 累计型工作状态

记录大量入射粒子平均电离效应，处于这种工作状态的电离室称为：累计电离室。 多用于X ，γ、β和中子的强度、通量、剂量、剂量率测量。

输出回路的定义：输出信号电流所有流过的回路都包括在输出回路中。 输出回路的简化过程：

① 感应电荷在外回路上形成的电流，在负载电阻RL 上形成电压，有信号输出； ② 测量仪器有内阻、电容； ③ 探测器电容C 1。

④ 线路的杂散电容C ′。

输出电流： 电离室的输出电压信号

探测效率

能量分辨率：

灵敏度：单位强度的射线照射下输出的电离电流

输出电压脉冲幅度：

离子脉冲电离室存在问题——输出电压脉冲宽度非常大(T ＋是ms 量级)，这样入射粒子的强度不能太大，并且要求放大器电路频带非常宽，噪声大而非实用。 电子脉冲电离室存在问题：输出电压脉冲幅度h-与初始电离的位置有关，也就是Q —与初始电离位置有关。

正比计数器的工作原理 正比计数器中，利用碰撞电离将入射粒子直接产生的电离效应放大了，使得正比计数器的输出信号幅度比脉冲电离室显著增大。

雪崩--电子在气体中的电离碰撞过程。 发生雪崩的阈值电场：ET ~106V/m 。

VT 称为正比计数器的起始电压(阈压). 对于一个确定的正比计数器，只有当工作电压V > VT 时，才工作于正比计数器工作区，否

()()???????

?

00

00t -t R C -t R C 0

00e V t =e I t dt C 粒子数射入电离室灵敏体积的记录下来的脉冲数

=

εFWHM

h

E

E η=

?=

入射粒子流的强度

输出的电流（电压）值=η21/()A cm s --?????()()()()()(

)()()

110()N N j j k k j k e I t E r t u r t E r t u r t V +-→→→→+++---==??=??-?????

∑∑?0000

E Ne e h =

=C ωC cm

V a

b a V E T

T /10~ln 4=

则工作于电离室区。

正比计数器输出信号主要由正离子漂移贡献。 气体放大倍数 与正比计数器比较，最基本的区别在于GM 计数管的输出脉冲幅度 与 入射粒子的类型和能量无关，放电终止仅取决于阳极电位的下降。只要有电子进入计数管的灵敏体积，就会导致计数，入射粒子仅仅起到一个触发的作用。 所以， GM 计数管仅能用于计数。

死时间tD ：随正离子鞘向阴极漂移导致电场屏蔽的减弱，电子又可以在阳极附近发生雪崩的时间。

恢复时间tR ：从死时间到正离子被阴极收集，输出脉冲恢复到正常的时间。 分辨时间τ：从“0”到第二个脉冲超过甄别阈的时间，与甄别阈的大小有关。

设单位时间内进入探测器的平均粒子数即平均计数率为m ，探测器的实测计数率为n , τ不变时，单位时间需要的总分辨时间为n τ，在n τ时间内进入计数器而没被记录的粒子数为mn τ。

第五章 闪烁体探测器

闪烁体种类

一、无机闪烁体：

无机晶体(掺杂) ： 玻璃体： (锂玻璃) 纯晶体： 二、有机闪烁体：有机晶体——蒽晶体等；有机液体闪烁体及塑料闪烁体。 三、气体闪烁体：Ar 、Xe 等。 闪烁计数器工作机制：

1、 射线射入闪烁体使闪烁体原子电离或激发，受激原子退激而发出可见的荧光。

2、 荧光光子被收集到光电倍增管(PMT )的光阴极，通过光电效应打出光电子。

3、 光电子运动并倍增，并在阳极输出回路输出信号。

4、 此信号由电子仪器记录和分析。

发光效率：指闪烁体将所吸收的射线能量转化为光的比例 绝对闪烁效率： Eph 闪烁体发射光子的总能量；

E 入射粒子损耗在闪烁体中的能量。 光能产额： nph 为产生的闪烁光子总数。

退激过程服从指数衰减规律

对于大多数无机晶体，t 时刻尚未退激的原子（分子）数：

退激发出的光子数： 发光强度：单位时间内发出的总光子数（决定输出光脉冲的曲线形状）

0M =n(a)/n(r )

τ

nm n m =-τ

n n m -=

1()()()Ag ZnS Tl CsI Tl NaI ,,()Ce SiO LiO 222?12

34O Ge Bi %

100?=E E C ph np E n Y ph ph =

MeV 光子数v h C E v h E E n Y np

ph ph ph =

?==1()t -τ

ph n t =n e ())t -τ

ph ph ph

n t =n -n(t)=n (1-e ττ

/)(t e t t ph e

e

M T n I --???=

）（

发光衰减时间 M: 光电倍增管总的倍增系数

闪烁探测器输出信号的涨落

闪烁谱仪能量分辨率的极限：

τph n n v ph 12=T

n n ph e n e ?==112ν)1(112-=δδδνM ?????

???? ??-+?=11111δδδT n ph ()

2

211M e n n A

νν+?=????????? ??-+?=11111δδδT n ph h h E E ?=?=ηA

n h νν36.236.2==????????? ??-?+?=111136.21δδδT n ph

dE dN 22hv <2

02c m hv >>Compton )

Compton 连续谱

02c

m hv -

闪烁谱仪的能量分辨率

dE

dN 特征X 射线峰

2

02c m hv >>2

2c m hv

<

)

dE

dN dE

dN 0散射

0值

全能峰顶所在处的幅度全能峰的半宽度

=

η

第六章 半导体探测器

我们把气体探测器中的电子－离子对、闪烁探测器中被PMT 第一打拿极收集的电子及半导体探测器中的电子－空穴对统称为探测器的信息载流子。产生每个信息载流子的平均能量分别为30eV(气体探测器)，300eV(闪烁探测器)和3eV(半导体探测器)。 半导体探测器的特点： (1) 能量分辨率最佳；

(2) γ射线探测效率较高，可与闪烁探测器相比。 常用半导体探测器有：

(1) P-N 结型半导体探测器； (2) 锂漂移型半导体探测器； (3) 高纯锗半导体探测器；

金硅面垒(Surface Barrier)探测器

(1) 影响能量分辨率的因素

输出脉冲幅度的统计涨落

F 为法诺因子，对Si ，F =0.143；对Ge ，F =0.129。w 为产生一个电子—空穴对所需要的

平均能量

能量分辨率可用FWHM 表示： FWHM 或 ?E 称为半高宽或线宽，单位为：KeV 。 (2) 探测器和电子学噪声

探测器的噪声由P-N 结反向电流及表面漏电流的涨落造成； 电子学噪声主要由第一级FET 构成，包括：零电容噪声和噪声斜率。

噪声的表示方法：等效噪声电荷ENC ，即放大器输出端的噪声的均方根值等效于放大器输入端的噪声电荷，以电子电荷为单位；由于噪声叠加在射线产生的信号上，使谱线进一步加宽，参照产生信号的射线的能量，用FWHM 表示，其单位就是KeV 。例如，ENC ＝200电子对，由噪声引起的线宽为： 6.3 锂漂移半导体探测器

6.4 高纯锗(HPGe)半导体探测器

1) 能量分辨率：

为载流子数的涨落。

为漏电流和噪声；

为载流子由于陷阱效应带来的涨落，通过适当提高偏置电压减小。 3) 峰康比

P = 全能峰峰值/康普顿平台的峰值

第八章 辐射测量方法

符合方法：

用不同的探测器来判断两个或两个以上事件的时间上的同时性或相关性的方法。

E w

F v E E N ?==?=36.236.2ηE w F E E FWHM ??==?=36.2ηKeV w ENC FW HM E 64.1)(36.2)(22=??==?23

2221E E E E ?+?+?=?E F E ??=?ω36.21)(36.22ENC E ω=?3E ?

探测器的本征探测效率或灵敏度 (1) 对脉冲工作状态：本征探测效率ε (2) 对电流工作状态：灵敏度η 8.2.2．符合测量装置 1)、多道符合能谱仪 2）、HPGe 反康普顿γ谱仪 3）4βπ-γ符合装置

4) 双PMT 液体闪烁计数器

中子与物质的相互作用

中子的分类与性质 1) 慢中子：0～1KeV

2) 中能中子：1KeV ～0.5MeV 。 3) 快中子：0.5MeV ～10MeV 。 4) 特快中子：>10MeV 。 中子与物质的相互作用 1. 中子的散射 1) 弹性散射 (n ,n ) 2) 非弹性散射 (n,n ’γ) 2. 中子的俘获

1) 中子的辐射俘获 (n,γ)

2) 发射带电粒子的中子核反应 2.5.4 中子探测的基本方法 1. 核反应法 2. 核反冲法 3. 核裂变法 4. 活化法

2.5.5 常用中子探测器 1. 硼电离室和裂变室

2. 10BF3和3He 正比计数器

3. 含锂闪烁体

4. 利用质子反冲效应的探测器

5. 自给能探测器

6 堆用探测器—反应堆中子注量率监测

（1） 堆芯外——用于监测反应堆功率水平，探测器置于压力壳外。 （2）堆芯探测器——堆芯内中子注量率的空间分布。

％积的粒子数单位时间内进入灵敏体测到的脉冲计数率100?=ε入射粒子流强度值

或电压信号电流)(=

η[]

单位照射量率/)(V A