1、前言、谱仪的基本概念(2学时)(k1)_593502955

1核仪器概论王义[e-mail]:62771960新工物馆4122011/2/222王义[e-mail]:62771960刘卿楼412万学国[e-mail]何道[e-mail]刘卿楼4183与核有关的科学发现•1895年，伦琴发现X射线•1896年，贝可勒尔发现铀的放射现象•1897年，汤姆逊发现电子•1919年，卢瑟福原子结构、质子•1932年，查德威克发现中子•1939年，哈恩、迈特纳、斯特拉斯曼发现裂变前言4理论发展•1900年，普朗克提出离散辐射能量•1905年，爱因斯坦光电效应的量子理论•1913年，玻尔的定态能级理论•1923年，德布罗意的物质波理论•1925年，海森伯、薛定谔量子力学•1928年，狄拉克的相对论量子力学51081091010101110121013102103104105106FloatglassSemi-conductiveglassCeramicsBeijingCBMRequirementlipCoimbraAlICE-muonLHCbATLASWarsawCMS-forwardCMS-barrelCERN+BolognaCERN+RioLip+USCALICE-TOFLip+USCBeijingDresdenINR+CBMSTAR-BeijingMaxCountingRate(Hz/cm2)VolumResistiviey(cm)MRPC计数率世界分布图十年磨一剑，照样可以做出世界一流的成果！61、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，粒子物理实验等。72、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。被测材料探测器相互作用探头辐射源塑料盒金属盒铅盒石蜡容器中子源γ辐射体α辐射体β辐射体吸收电离激发散射(反射)电离室半导体探测器闪烁探测器G-M计数管测量级外部设备计算机数字记录仪指示仪器记录仪数字指示器指示测量仪器测量值ADA/AA/DD/DD/A测量中心模拟量控制器信号处理原理核测量装置的可替换结构系统83、我们讲课的侧重点：第一部分（教材第一章～第九章）：仪器的原理。能量及幅度信息、时间信息的获取和处理，计数。高能物理实验中的核仪器。第二部分：结合核仪器的重要应用领域－核电站与核反应堆，讲解核仪器在实际应用中需要考虑的许多重要问题。（从理论学习－工程实际）4、时间安排：1－10周：第一部分讲课。（18学时）11,12周：安排实验。（4学时）13－16周：第二部分讲课。（10学时）4月5日的课停上,5月3日的课调到5月6日。9105、考核办法：考察。但记分。分数评定包括：作业(是否独立完成、是否按时提交及作业质量)、小测验、考勤、实验。记分分配：第一部分内容：60分。作业+实验：36分。小测验+考勤（抽查）：24分。第二部分内容：40分。6、教材：《核仪器概论》主要参考书:《核电子学》。7、答疑时间：11第一部分（1～9章）内容中能量信息的获取和处理即：教材中1～6章的内容121.1什么是“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、第一章能谱测量概述131.00.5脉冲计数（相对值）脉冲幅度或粒子能量(a)脉冲计数粒子能量，MeV(b)7005003001005055233U?E=29.6KeV239Pu?E=43.4KeV244Cm?E=35.4KeV241Am+239Pu?E=44.4KeV△△E△E△E△E(a）为单能α粒子能谱图。（b）为多种能量的α粒子的能谱图。例二、141.2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。150.661055CS13756Ba137β-0.51294.7%β-1.1735.3%30.17年γ(1.33MeV)060CO60Niβ-0.3185.271年γ1:1.17MeV(2.5MeV)γ2:1.33MeV如：60CO衰变为60Ni时，会发出两种能量的γ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γ射线，能量为0.661Mev，等。16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。17“X荧光分析”的简单原理特征X射线样品激发源探测器以一定能量的光子、电子、质子、α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。KLMe-KLM特征X射线18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。19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γ谱中分出铟的特征γ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10－10～10－9g／L。“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。20二、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。21○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。我国将发射绕月卫星卫星上将携带X射线和γ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火星探测器发现火星盐层火星探测器22○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α、β测量仪低本底α能譜议γ能譜议环境X、γ剂量率仪生物样品（粮食、蔬菜、水果等食品，动物、人体组织和器官，毛发等）低本底α、β测量仪低本底α能譜议γ能譜议环境X、γ剂量率仪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、γ剂量率仪放疗剂量仪γ能譜仪低本底α、β测量仪低本底α能譜仪环境X、γ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、γ剂量率仪γ能谱仪含放射性产品和伴生X射线电器产品检测环境X、γ剂量率仪γ能谱仪低本底α、β测量仪232.2在谱仪中谱曲线形成的大致过程：①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h∝E。②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”。24③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。25如图（a）所示：α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α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：26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。这是能谱测量技术要解决的主要问题之一。27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谱仪的系统框图28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。29◇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。30◇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。31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。322.4谱仪的能量分辨率：在单能α粒子能谱图中，曲线半高宽用ΔE表示，显然ΔE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”。33例如对γ谱仪：◇NaI（TI）谱仪:通常给出的是对137Cs662keV全能峰的相对半宽度。如6％～7％。◇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。（Fullwidthathalfmaxium）其值越小，分辨率越高。nMeVE=1.33MeVFWHMGe(