本科核辐射测量方法考题及参考答案

成都理工大学学年第一学期《核辐射测量方法》考试试题参考答案与评分标准大题一二三四五总分得分一、名词解释（每名词3分，共18分）1.探测效率：探测效益率是表征γ射线照射量率与探测器输出脉冲计数之间关系的重要物理参数。2.衰变常数：衰变常数是描述放射性核素衰变速度的物理量，指原子核在某一特定状态下，经历核自发跃迁的概率。3.吸收剂量：电力辐射授予某一点处单位质量物质的能量的期望值。D=dE/dm，吸收剂量单位为戈瑞（Gy）。4.平均电离能：在物质中产生一个离子对所需要的平均能量。5.放射性活度：表征放射性核素特征的物理量，单位时间内处于特定能态的一定量的核素发生自发核转变数的期望值。A＝ｄN/dt。6.碰撞阻止本领：带电粒子通过物质时，在所经过的单位路程上，由于电离和激发而损失的平均能量。二、填空题（每空0.5分，共9分）1.α射线与物质相互作用的主要形式是电离和激发。2.铀系气态核素是222Rn；其半衰期是3.825d。3.用γ能谱测定铀、钍、钾含量，一般选择的γ辐射体是214Bi、208Tl和40K；其γ光子的能量分别是1.76MeV、2.62MeV和1.46MeV。4.β＋衰变的实质是母核中的一个质子转变为中子。5.放射性活度的单位为：Bq；照射量率的单位为：C/kg*s；能注量率的单位为W/m2。6.β射线与物质相互作用方式主要有电离与激发、轫致辐射和弹性散射。三、简要回答下列问题（每题6分，共36分）1.简述NaI(Tl)探测器的特征X射线逃逸以及对谱线的影响。解答：当γ光子在晶体内发生光电效应时，原子的相应壳层上将留一空位，当外层电子补入时，会有特征X射线或俄歇电子发出（3分）。若光电效应发生在靠近晶体表面处时，则改特征X射线有可能逃逸出探测晶体，使入射光子在晶体内沉淀的能量小于光子能量，光子能量与在晶体内沉淀能量即差为特征X射线能量（2分）。因此，使用Na(Tl)晶体做探测器时，碘原子K层特征射线能量为38keV，在测量的γ谱线上将会出一个能量比入射γ射线能量小28keV的碘特征射线逃逸峰（2分）。随着入射射线能量增加和探测晶体体积的增大，NaI(Tl)探测器的特征X射线逃逸峰会逐渐消失。（2分）2.画出γ能谱仪的基本框图，并说明各个部分的作用。图（3分）闪烁体和倍增管是探测器部分，用于将γ射线的能量转化为可以探测的电信号。前置放大器是将信号进行一定倍数的放大。主放大器是将信号转化微可以供多道脉冲幅度分析器使用的信号。多道脉冲幅度分析器将信号转化成数字信号。微机对采集的信号进行软件的处理。（3分）3.随着入射γ射线能量的变化，γ射线与物质相互作用的主要效应所占比例如何变化？解答：伽马射线与物质相互作用的主要形式是光电效应、康普顿效应和电子对效应。随着入射伽玛射线能量的变化，三种效应所占比例是不同的。低能光子与物质作用的主要形式是光电效应（2分）；随着射线能量增大，光电效应所占比例逐渐降低，康普顿效应所占比例增加，成为射线与物质作用的主要形式（2分）。当入射光子能量大于1.02MeV，将存在形成电子对效应的几率，并随着能量的继续增大，电子对效应所占的比例会逐渐增大；而康普顿效应和光电效应所占比例逐渐降低。电子对效应是高能量光子与物质作用的主要的作用形式。（2分）4.简述半导体探测器的工作原理。解答：半导体探测器工作时，在搬半导体P区和N区加反向电压，使空间电荷电场增强。电子和空穴分别向正负两级扩散，使得探测器灵敏区的厚度增大。（3分）当探测的射线进入闪烁体光电倍增管前置放大器放大器多道脉冲幅度分析器处理微机电源模块灵敏区时产生电离，生成大量电子-空穴对。（3分）在电场的作用下，电子和空穴分别迅速向正、负两级漂移。电子和空穴漂移至两极被收集后，在输出电路中形成电脉冲信号，通过放大电路和分析电路后被仪器收集。（3分）5.什么是“谱平衡”？解答：当伽玛射线穿透物质的时候，当物质达到一定的厚度时（1分），射线谱线的成分不再随物质厚度的正加而改变（3分），射线谱成分大体一致，各能量之间相对组分大致不变（2分）。6.简述NaI(Tl)仪器谱中反散射峰的形成的机理和能量特点。解答：从界面反射出来，与入射角方向成180°夹角散射的散射射线称放散射射线，是散射射线的一部分（3分）。当γ射线射向闪烁体时，总有一部分γ射线没有被闪烁体吸收而逸出。当它与闪烁体周围的物质发生康普顿效应时，反散射光子返回闪烁体，通过光电效应被记录，这就构成反散射峰（3分）。当然，在放射源衬底材料中，以及探头的屏蔽材料中产生的反散射光子同样有可能对反散射峰作出贡献。根据康普顿效应中散射光子能量分布'0.5110.51coshvhv（MeV）由上式可知，反散射光子能量最大不超过250keV。（3分）四、论述题（每题9分，共27分）1.γ射线谱仪中能量分辨率的定义及其意义，简述NaI(Tl)探测器的能量分辨率指标。解答：能量分辨率可以用全能峰的半高宽度（FWHM）或相对半高宽度（%）来表示（1分）。半高宽（FWHM）是指谱线峰最大计数一半处峰的能量宽度（2分）；相对办高宽度（%）为半高宽度和谱线峰位能量的百分比（2分）。能量分辨率是表征伽马射线谱仪对能量相近的γ射线分辨本领的重要参数，γ谱仪的能量分辨率率与γ射线的能量有关（2分）。NaI(Tl)探测器能量分辨率指标一般用137Cs的0.662全能峰相对半高宽度来表示，目前的一般水平为6%~8%。（2分）2.简述γ射线与物质相互作用的光电效应，并说明由光电效应产生仪器谱的特点。解答：一个具有hv能量的光子与一个束缚电子发生相互作用，将全部能量传递给原子，光子消失，电子获得能量成为光电子，这一过程称为光电效应。（3分）（或为，当γ射线与原子壳层轨道上的内层电子碰撞时，将所有能量hv交给壳层的一个内层电子，电子克服了电离能，脱离原子而运动，产生了光电子，而γ射线被完全吸收，这种作用称为光电效应。）1．作用截面54phk（×10-24cm2）1)当20hvmc，K层光电截面k可由量子力学有关方程式计算得到：Na（T1）闪烁谱计数器的137Cs能谱图7/22520048423(137)kmCZrhv或53.51()kCZhv（1）式中：Z—靶物质的原子序数；r0—经典电子半径2.82×10-13cm；m0—电子质量；c——光速；C1——比例常数。2）当20hvmc，512()kCZhv（2）（1分）2．光电子的能量ekEEE（3）式中，eE—光电子动能；E—入射光子能量；kE—k层电子结合能；（1分）光电子释放所产生的电子壳层电子空穴会被外层电子所填充，在次过程通过释放特征X射线会俄歇电子的方式释放结合能。（1分）光电效应会产生的自由光电子和一个或多个低能电子，如果产生的任何次级粒子没有逃逸出探测器，那么所产生的这些电子的能量等于入射γ射线的能量。对于这种理想过程，在仪器谱上表现的是出现一个能量等与入射γ粒子能量的单峰。而对于实际情况，由于低能X特征射线可能的逃逸出探测器，因此，在小体积探测器上可能会出现能量略小于入射γ粒子能量的特征X射线逃逸峰。（3分）3.试画出137Cs伽玛射线源在NaI(Tl)闪烁计数器为探测器的仪器谱，并解释各谱峰的形成机理。解答：一个典型的NaI（T1）谱仪测到的137Cs源的0.662MeVγ能谱。如右图所示（3分），谱线上有三个峰和一个平台。最右边的峰A称为全能峰。这一脉冲幅度直接反映，射线的能量。这一峰中包含光电效应及多次效应的贡献。（2分）平台状曲线B就是康管顿散射效应的贡献，它的特征是散射光子逃逸后留下一个能量从0到)4/11/(EE的连续的电子谱。（2分）峰C是反散射峰。当γ射线射向闪烁体时，总有一部分γ射线没有被闪烁体吸收而逸出。当它与闪烁体周围的物质发生散射时，反散射光子返回闪烁体，通过光电效应被记录，这就构成反散射峰。（1分）峰D是X射线峰，它是由137Ba的K层特征X射线贡献的137Cs的β衰变子体137Ba的0.662MeV激发态，在放出内转换电子后，造成K空位，外层电子跃迁后产生此X光子。（1分）五、计算题（10分）1.对下图的谱线进行能量刻度，计算214Bi-1760keV特征峰道址，并在谱线上标明特征峰的位置。（图中：CH为道址，EN为能量）解答：根据已经知道的射线的全能峰道址和全能峰峰位能量，根据关系式EN=CH*a+c,列线性方程组，求解。（3分）609=173*a+c2620=723*a+c解方程组得a=3.656，c=-23.5。（2分）根据能量刻度系数求1760keV特征峰的道址（2分）CH1760=（1760+23.5）/3.656≈487由求出1760keV特征峰道址可在图中找到1760光电峰的位置，如图红箭头所指位置。（3分）