高纯锗探测器测量放射性活度
高纯锗谱仪作用
高纯锗谱仪作用
高纯锗谱仪是一种用于探测和分析放射性物质的仪器，主要用于核物理、核技术、环境监测、地质勘探、材料科学等领域。
高纯锗谱仪的核心部件是高纯锗探测器，它具有高灵敏度、高分辨率和低本底等优点，可以探测到极微量的放射性物质。
通过对放射性物质的能谱分析，可以确定其种类、含量和半衰期等参数。
在核物理和核技术领域，高纯锗谱仪可以用于研究原子核的结构和反应机制，以及放射性同位素的制备和应用。
在环境监测领域，高纯锗谱仪可以用于检测空气、水和土壤中的放射性物质，评估环境污染的程度和风险。
在地质勘探领域，高纯锗谱仪可以用于探测地下的放射性矿产资源，为矿产资源的开发提供技术支持。
在材料科学领域，高纯锗谱仪可以用于研究材料的放射性性能，评估材料的质量和安全性。
总之，高纯锗谱仪是一种非常重要的放射性物质探测和分析仪器，具有广泛的应用前景和重要的科学价值。
高纯锗探测器与碘化钠探测器γ能谱仪测量不确定度比较
高纯锗探测器与碘化钠探测器γ能谱仪测量不确定度比较用高纯锗探测器与碘化钠探测器γ能谱仪分别测量同一种陶瓷标准样品（GSB 08-1954-2005），并对其检测过程进行测量不确定度的评定，通过测量不确定度的比较来衡量高纯锗探测器与碘化钠探测器γ能谱仪性能的差距。
标签高纯锗探测器；碘化钠探测器；γ能谱仪；不确定度1.前言近十年来，房地产市场的活跃，带动整个建筑材料市场的发展。
随着大家经济水平的日益提高，对于家居装修有较高的要求，各种各样的无机非金属建筑装修材料使用在室内、室外的装饰装修工程上。
比较常见的无机非金属建筑装修材料包括天然石材和人造石材、建筑陶瓷、石膏制品、吊顶材料及其他新型饰面材料等。
在家居装饰装修工程使用到上述材料在美化家居的同时也导致了室内环境有害物质放射性含量的增加而危害人体健康。
目前用来评价各类无机非金属建筑材料的放射性危害程度的强制性标准为GB 6566-2010《建筑材料放射性核素限量》，该标准明确要求使用低本底多道γ能谱仪进行建筑材料放射性的检测。
目前低本底多道γ能谱仪主要有两种：高纯锗探测器γ能谱仪与碘化钠探测器γ能谱仪。
高纯锗探测器γ能谱仪能量分辨率高、线性好、稳定性非常高，但是需要液氮维护探测器，维护成本高；碘化钠探测器γ能谱仪探测效率高、仪器维护简单，但能量分辨率较差，难于胜任分析核素较多、谱线较复杂的样品。
为了比较高纯锗探测器与碘化钠探测器γ能谱仪的性能差别，通过测量同一种陶瓷标准样品（GSB 08-1954-2005），并对其检测过程进行测量不确定度评定来衡量。
4.讨论与结论由以上测量不确定度的评定结果来看，高纯锗探测器γ能谱仪与碘化钠探测器γ能谱仪的测量结果非常接近，分别为IRa=0.42±0.07，Ir=0.66±0.06；IRa=0.43±0.04，Ir=0.67±0.03，两者之间的内外照射指数差距只在0.01的范围里。
辐射探测与测量试验
辐射探测与测量实验
实验题目：土壤中的γ放射性测量
实验目的：了解土壤中的放射性水平，熟悉使用γ射线的探测装置 实验器材：土壤样品、〈U-Ra 标准源、K40标准源、Th232标准源、空盒子、黄土样本、高纯锗半导体探测器、线性放大器、多道分析系统、能量刻度源Eu152。
实验原理：
● 天然放射性活度测量原理
自然界土壤中含有一定的放射性元素，其中分为天然放射性和人工放射性。
其中天然放射性，我们可以测量长寿命的U-238、Ra-226、Th-232和长半周期的K-40的特征γ射线来计算土壤中的反射性活度。
对于连续性放射性衰变，满足
n n n n N N dt
dN λλ-=--11n ……（1） 而对U238、Ra226、Th232而言。
衰变常数1λ《《，且i 0λ≈n λ，n λ为子体的衰变常数，当衰变达到长期平衡时，微分方程（1）满足
=11N λ22N λ=.....Nn n λ. (2)
此时，各个子体的数量不随时间变化，它们的放射性活度彼此相等，因此，我们可以通过对U238、Ra226、Th232子体活度求得其母体活度。
● 高纯Ge 探测原理
HPGe 由于土壤中
实验步骤：先用标准发射源对多道进行能量刻度，并对探测器进行效率刻度；然后进行本底测量；加入土壤样品，测量γ的能谱。
利用U-238、Ra-226、Th-232、K-40的衰变纲图，测量特征γ射线能谱，计算它们的活度。
数据处理：探测效率 ，活度A，Cs-137能量E1和其对应的道数n1，利用数学处理计算其四种核素活度。
高纯锗探测器简介
半导体（高纯锗和Si（Li））探测器拥有精锐的能量分辨率，由其组成的γ和X射线能谱测量技术与产品，不仅是核结构、分子物理、原子碰撞等核物理与核反应研究的重要工具，而且在核电、环境、检验检疫、生物医学、天体物理与化学、地质、法学、考古学、冶金和材料科学等诸多科学与社会领域得到了越来越广泛的应用。
四十多年来，ORTEC 探测器种类不断丰富、性能不断提高，在探测效率上，能提供相对效率200%的P型同轴探测器、175%效率的P型优化（“宽能”）同轴探测器和100%效率的N型探测器。
一、探测器机理与各指标的简要意义放射性核素产生的γ光子和X射线，其能量一般在keV至MeV范围。
由于其不带电荷，通过物质时不能直接使物质产生电离，不能直接被探测到，因此γ和X射线的探测主要依赖于其通过物质时与物质原子相互作用，并将全部或部分光子能量传递给吸收物质中的一个电子。
这种相互作用表现出光子的突变性和多样性，在吸收物质中主要产生三种不同类型的相互作用：光电效应、康普顿效应或电子对效应，而产生的次级电子（光电子）再引起物质的电离和激发，形成电脉冲流，电脉冲的幅度正比于γ和X射线的能量。
三种效应中，光电效应中γ光子把全部能量传递给光电子而产生全能峰，是谱仪系统中用于定性定量分析的主要信号；而康普顿效应和电子对效应则会产生干扰，应尽可能予以抑制。
在谱仪中，探测器（包括晶体、高压和前置放大器）实际上是一个光电转换器，将光子的能量转变成幅度与其成正比的电脉冲。
然后通过谱仪放大器将该脉冲成形并线性放大，再送入模数变换器即ADC中将输入信号根据其脉冲幅度转变成一组数字信号，并将该数字信号送入多道计算机数据获取系统，由相关软件形成谱图并进行分析。
以下简要阐明所涉及的相关物理概念：1、相对效率、绝对效率与实际效率相对探测效率（即标称效率）的定义：按ANSI/IEEE Std. 325-1996定义，Co-60点源置于探测器端面正上方25cm处，对1.33MeV能量峰，半导体探测器与3"×3" NaI探测器计数率的比值，以%表示。
辐射环境监测中高纯锗
2000
3000
4000
5000
Time(s)
6000
18 16 14 12 10 8 6 4 2 0
0
Pb-214(351keV)
1Day 2hour 指数 (2hour) 指数 (1Day)
1000
2000
3000 Time(s)
4000
5000
6000
实验结果： 对于氡子体，采样2小时与采样1天，所得到的子体计数率相差
T=nT1/2 A
1 T1/2 0.5 P
2T1/2
3T1/2
4T1/2
5T1/2
6T1/2
0.75 P 0.875 P 0.938 P 0.969 P 0.985P
Count(n/s) Count(n/t)
25 20 15 10 5 0
0
1000
Bi-214(609keV)
1Day 2hour 指数 (2hour) 指数 (1Day)
• 3关于NORM的设施或企业的监测
放射性污染源普查监测技术规定 监测对象是全国伴生放射性矿物资源开采、冶炼和加工过程中的污染源，即伴生 矿原料及产生的废气（气溶胶）、废液（废水）、固体废物（尾矿、废渣）中放 射性核素含量；其中伴生矿原料包括伴生矿原矿、精矿。
• 4核与辐射应急
• 辐射事故（高活度源的丢失及损坏，如巴 西戈亚尼亚事故、云南辐照室及苏州大学 辐照室事件、南京探伤事故）
• 实验室低比活度环境样品测量 • 现场高活度污染样品的测量及就地测量
1.HPGe谱仪简介
• 探测器类型 几何上：coaxial、planar、well、semi-planar； 晶体上：P型、N型;(B用HPGe谱仪
空气中放射性核素的γ能谱分析方法
空气中放射性核素的γ能谱分析方法1 范围本标准规定了高纯锗（HPGe）γ能谱仪测定空气中γ放射性核素组成及其活度浓度的方法，Ge（Li）探测器和碘化钠探测器可参照本标准执行。
本标准适用于空气中放射性核素的γ能谱分析。
2 规范性引用文件下列文件对于本文件的应用是必不可少的。
凡是注日期的引用文件，仅注日期的版本适用于本文件。
凡是不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改单）适用于本文件。
GB/T 11713—2015 高纯锗γ能谱分析通用方法GB/T 11743—2013 土壤中放射性核素的γ能谱分析方法3 术语和定义下列术语和定义适用于本文件。
3.1气溶胶 aerosol固体或液体微粒物质在空气或其他气体介质中形成的气体分散体系。
含有放射性核素的气溶胶称为放射性气溶胶。
3.2空气取样器 air sampler利用抽吸的方法把气溶胶微粒或气态碘等收集或阻留在过滤介质上的装置。
3.3呼吸带 breathing zone操作人员的口腔和鼻孔附近的区域。
操作人员在完成规定任务的过程中，该处的空气经口和鼻吸入人体。
3.4个人空气取样器 personal air sampler工作人员个人佩带的空气取样器，用以得到有代表性的呼吸带的空气样品。
4 材料与设备4.1 空气采样系统空气采样系统主要包括空气取样器、流量测量与控制装置和抽气动力。
4.2 过滤介质应根据取样目的和采集对象，选用合适的过滤介质。
过滤介质的有效采样面积应与空气取样器采样窗面积相符。
本文件推荐常用的三种用途的过滤介质：a）超细玻璃纤维滤纸：用于采集气溶胶微粒；b）活性炭滤纸：用于采集气态元素态碘和气溶胶微粒；c）活性炭滤筒：用于采集气态有机碘化物。
4.3 流量测量与控制装置流量测量与控制装置宜具有即时流量显示、流量调节和采集体积累积等功能，流量测量装置应经法定计量单位标定，精度应好于5%。
4.4 抽气动力抽气动力应与流量控制装置联动实现流量调节和维持流量恒定功能。
高纯锗γ谱仪测量程序
从现场取样，将样品带回。
பைடு நூலகம்
使用粉碎机将样品磨碎。
使用筛子将磨碎的样品筛选出来，装入样品盒，使 用夯压锤压实。
将样品盒外表擦拭干净，在待测区按顺序排放整齐。 核实样品的数量以及编号，保证与清单完全一致。 记录样品的存放地点、送样人员、收样人员和接收 日期。
使用仪器进行测量时，将样品装入塑料袋，放入探 测器上方的容器中，使样品盒的底部贴住容器。
2010年7月
γ射线与探测器中的HPGe晶体原子相互作用产生的电子 -空穴对，在高电压下被收集，经前置放大器放大，输 出一个脉冲信号，再经数字化MCB（集高压电源、多道 MCA以及模数转换ADC于一体）处理，最后送入计算 机由相关软件处理，形成γ能谱。 可以使用解谱软件分析样品γ射线形成的谱形：峰的位 置表明了射线的能量，可以根据核素特征射线的能量判 断样品中的核素种类；峰面积的大小表明了测量时间内 样品放出的γ射线数量，从而判断出样品中核素的活度。 高纯锗探测器产生的信号与电压的线性关系更好，可以 区分能量差别较小的γ射线，即能量分辨率较好，有利 于判断核素的种类。
解谱：确认谱信息。
解谱：显示谱形，按解谱按钮。
注意：
打开与谱仪配套的软件，点击“start”，等待测量的 有效时间：“live”时间足够以后，点击“stop”，
GR7023、GC4019：Genie2000
GR4022：wingamma2
将测量谱保存在指定的目录下。点击Clear或Delete删除谱。
解谱：打开解谱程序。
解谱：选择谱文件。
分析核素种类所依据的γ射线必须是核素所有γ射线 中分支比较大的。常见核素的特征能量：铀238 （63.3，92.6keV），钍232（238.6，338.4， 583.0，911.2keV），镭226（295.2，351.9， 609.3keV），钾40（1460.8keV），钴60 （1173.2，1332.5keV），铯137（661.7keV）。 实际操作时必须注意不能让样品污染到探测器，否 则由于本底的变化会造成所有测量结果的偏差。也 不能让不同的样品交叉污染。
金属材料中钴-60放射性活度的方法
金属材料中钴-60放射性活度的方法随着经济的发展，国家对放射性的管理越来越严格，屡有进出口的金属制品检查出放射性污染，这类污染是由放射性金属或放射源熔入而造成。
一旦出现这类情况，不但会造成不必要的经济损失，若流入市场，还会对公众造成一定的健康隐患。
尽快发现放射性污染，了解其中掺有的放射性核素的类别、活度，从而能够及时评价该金属制品的危害性，并为以后金属制品的处理提供理论依据[1]，因此建立一个简单快速的分析方法势在必行。
1材料与实验步骤1、1实验器材含60Co钢箍，高纯锗γ谱仪（ORTEC公司生产的GEM40P4-76-RB型高纯锗γ谱仪）、可调式电炉、蒸发皿，量筒（100mL、250mL），容量瓶（200mL）、电子天平，Ф7075mm有机塑料样品盒1、2实验试剂浓盐酸（AR）、浓硝酸（AR）、蒸馏水，将浓盐酸和浓硝酸以体积比3：1配置成王水待用（现配）。
1、3样品的前处理：1、3、1称取若干个质量相同（约20。
0g）的钢箍，制作成相同形状，分别置于探头同一位置测量相同时间，选取60Co1、33MeV全能峰净计数率相近的6个钢箍（即可认为6个样品的比活度一致），编号1，6号。
1、3、2取1号钢箍置于蒸发皿中，加200mL王水，用可调式电炉加快其溶解速度，待钢箍全部溶解于王水后，冷却至室温。
1、3、3用容量瓶（200mL）定容，称量其重量，作为标准溶液，转入到样品盒中，待测。
由所称的重量和体积（200mL）算出此标准溶液的密度，作为标准密度。
1、3、4取2，6号样品按1、3、2操作，冷却至室温后，分别称量质量和体积，并计算所需加入王水和蒸馏水的体积，用容量瓶（200mL）定容后，转入样品盒中，待测。
1、3、5使用γ能谱仪分别对6个样品进行测量[2]。
2结果对6个样品分别测量80000，分析样品中60Co1、33MeV全能峰的净计数率，测量结果见表1。
3讨论进口可用作原料的废物放射性污染检定目前是依靠外照贯穿辐射剂量率和一般表面α、β污染水平的巡测，从而判断检验批的合格与否，而王水溶解金属法可以定性、定量的进行核素分析。
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四、实验装置
高纯锗探测器×1；高压电源×1；电脑（数据处理系统）×1；放射源152Eu（已知活度A=2.75×104Bq)；放射源241Am（未知活度）
五、实验步骤
1、高纯锗探测器的效率曲线图
利用已知活度的放射源152Eu测量高纯锗探测器的效率曲线图：
（1）将放射源152Eu置于高纯锗探测器中间，关闭好铅室门，在探测系统中点击“Acquire”，找到“MCB Properties”项，设置工作高压为2000V，测量时间Live time为600.00s（即10min），点击开始测量
（2）找出放射源152Eu各个能量谱线的峰值和对应的分支比。
（3）待测量系统显示测量时间Live time达到设置值，找出放射源152Eu各个能量谱线的峰值对应的全吸收峰净面积S并记录。
（4）根据c=S/ ε η t ，单位：(Bq•s-1) 计算出每个能量谱线的峰值所对应的探测效率ε，做出探测器探测效率与能量的关系曲线。
2、计算得出放射源241Am的比活度
（1）将放射源241Am置于高纯锗探测器中间，关闭好铅室门，探测器参数参见1部分步骤无需更改（测量时间：10min)，点击开始测量。
（2）找出放射源241Am的能量谱线峰值以及相应的分支比。
（3）待测量系统显示测量时间Live time达到设置值，找出放射源241Am能量谱线的峰值对应的全吸收峰净面积S并记录。
（4）根据所测得高纯锗探测器的效率曲线图找到241Am能量谱线的峰值能量对应的探测效率ε，根据c=S/ ε η t ，单位：(Bq•s-1) 计算出放射源241Am的放射性活度A.。
六、实验数据记录及问题分析
1、高纯锗探测器的效率曲线图
表1：放射源152Eu各项参数值
根据上表数据，以能量为横坐标，探测效率为纵坐标，用Excel做出高纯锗探测器的效率曲线图，如图1：
由图1可看出，探测器的探测效
率与射线放射能量近似呈现乘幂
函数关系，对实验曲线做乘幂拟
合，得出其趋势线公式为
y=2512.7x^(-1.0268)
该趋势线的R2为0.9509，近似于1，
可见该趋势线可信度高。
观察曲线图可看出当能量在
200keV与300keV之间和400keV
与700keV之间时，实验曲线与拟
合趋势线符合的不太好，推测原因
为：在计算各项能量对应的探测效
率时并没有把全吸收峰净面积的误差值计算进去，并且当能量为244.6keV，411.0keV和443.9keV时，在该能量区间，康普顿散射发生几率占主导地位，实验环境中康普顿散射本底大，且此时分支比仅为28%，7%和18%，此时该放射源γ光子的发射几率很小，因此对探测器探测造成了一定影响，故出现了较大的偏差。
2、计算得出放射源241Am的放射性活度
表2：放射源241Am各项参数值
当能量为59keV时，根据图1中的趋势线可知，将x=59keV代入y=2512.7x^(-1.0268)即可得此时的探测效率ε=38.18.
由c=S/ ε η t以及A=ct可知A=S/ ε η,即A=308905/（38.18×35.7%）=2.27×104Bq。
由于在计算并测绘高纯锗探测器效率曲线图和利用A=S/ ε η计算放射性活度时并没有考虑全吸收峰净面积的误差值，故计算所得241Am放射性活度存在一定的误差。
七、实验结果
1、利用利用已知活度的放射源152Eu测量高纯锗探测器的效率曲线图如图1所示：探测器的探测效率与射线放射能量近似呈现乘幂函数关系，其趋势线公式为y=2512.7x^(-1.0268)，该趋势线的R2为0.9509，近似于1，可见该趋势线可信度高。
2、当能量在200keV与300keV之间和400keV与700keV之间时，实验曲线与拟合趋势线符合的不太好，推测原因为：在计算各项能量对应的探测效率时并没有把全吸收峰净面积的误差值计算进去，并且当能量为244.6keV，411.0keV和443.9keV时，康普顿散射发生几率占主导地位，实验环境中康普顿散射本底大，且此时分支比仅为28%，7%和18%，此时该放射源γ光子的发射几率很小，因此对探测器探测造成了一定影响，故出现了较大的偏差。
3、利用测得的高纯锗探测器探测曲线图计算出对于能量为59keV的241Am的探测效率为38.18，其放射性活度为2.27×104Bq，计算所得241Am放射性活度存在一定的误差。
八、思考题
1、高纯锗探测器的效率曲线图先高后低的原因分别是什么？
当γ射线进入探测器灵敏体积内时会与探测介质发生相互作用。
当其能量小于1022keV 时，主要为光电效应以及康普顿散射，当其能量大于1022keV时还会发生电子对效应。
对于灵敏体积不大的高纯锗探测器，对吸收峰内的脉冲计数贡献主要来自光电效应，因此，当能
量逐渐增加时，发生光电效应的概率就逐渐减小，同时康普顿散射的概率也越来越大，这对吸收峰内的脉冲计数产生了一定程度的影响，由于探测效率是由c=S/ ε η t以及A=ct计算得到，即在探测时间，活度一定的情况下，探测效率的大小与全吸收峰净面积的大小成正比，因此，随着能量的增长，对吸收峰内的脉冲计数产生了影响使其减少，对探测效率的测得也相应减小。
2、影响探测器效率大小的因素有哪些？他们的理论计算是怎样的？
（1）几何条件：只有对着探测器的灵敏体积发射的那个立体角内的射线才有可能被记录（不考虑散射的影响）
（2）物质减弱因子。
射线从放射源发出往往要穿过源的包装材料、空气和探测器的外壳等才能到达灵敏区。
不用射线在这些材料的穿透程度也不同。
（3）作用概率：射线达到灵敏区后与探测介质发生相互作用。
探测介质的材料与尺寸不同，产生次级带电粒子的概率也不同，因而探测效率也不同。
（4）记录效率：1）在探测元件中形成信号不一定会被记录下来：对电信号形成的脉冲信号必须高于探测系统所设置的阈值，而阈值的高低又跟噪声有关，并且，探测系统存在死时间也会缺失一部分计数。
2）探测系统有时只做选择的测量：只探测γ射线下面的全能峰下面的计数等等。
3）探测条件不一样，各种因素的影响也不同：比如测量低能粒子时。
探测器的噪声影响比较大，而测量高能粒子时探测系统的分辨时间又是一大问题。
有上述影响因素，因此提出将探测效率分为两大类：源探测效率和本征探测效率。
源探测效率（绝对探测效率）：εs=记录脉冲数/ 放射源发射的粒子数（或γ光子数）
——与上述四种影响因素有关
本征（探测）效率：εin=记录脉冲数/ 射到探测器灵敏体积内的粒子数（或γ光子数）
——与几何条件无关当只记录全能峰对应的计数时，此时的探测效率称为峰探测效率，亦可分为源峰探测
效率εsp和本征峰探测效率εinp:
εsp=全能峰内的计数/ 放射源发射的光子数
εinp=全能峰内的计数/ 射到探测器灵敏体积内的光子数
九、成绩评定。