核数据处理b-31

成都理工大学马英杰核数据处理第三章谱数据处理-1谱的认识与显示成都理工大学核自学院成都理工大学马英杰谱数据处理——前言任务确定各种射线的能量对一定能量的射线所产生的信号进行分析确定产生该射线的核素或元素（定量分析）确定核素的活度或元素的含量（定性分析）成都理工大学马英杰谱数据处理——前言核辐射测量仪器的组成核辐射探测器前置电路线性脉冲放大器积分甄别器率计电路计数器脉冲幅度分析器辅助电路计数器多道脉冲幅度分析器接口电路计算机系统应用软件高压电源低压电源(a)(b)(c)(a)总量测量仪器(b)能谱测量仪器(c)全谱测量仪器成都理工大学马英杰谱数据处理——前言核辐射测量所得的数据全谱测量仪器（多道能谱仪）所测得的数据：一条谱线几百或几千个计数值（数组）所需的数据处理：谱数据处理-多个累计计数(面积)、含量、活度等量值预处理（数据的检验、选择、转换等）统计分析成图成像成都理工大学马英杰谱数据处理——前言A/D转换器将脉冲下降沿时的模拟电压转换为数字量tt1t2t3t4t5t6t7模拟信号信号幅度时间数字信号t1t2t3t4t5t6t7A/D转换命令计算机屏幕28656105ADC转换数据采集原理28656105成都理工大学马英杰谱数据处理——前言全谱测量(多道脉冲幅度分析器)数字信号时间t脉冲信号v161716892161616161825161789162161618162516地址单元存储器┆┆2160----------1┆┆250------------------1┆┆180--------------1170---1160-1------2—3--4--5┆┆90-------180-----1成都理工大学马英杰谱数据处理——前言全谱测量计算机屏幕地址单元存储器┆┆2160----------1┆┆250------------------1┆┆180--------------1170---1160-1------2—3--4--5┆┆90-------180-----1道址ch脉冲幅度V计数089161718252161151111成都理工大学马英杰谱数据处理——前言全谱测量（多道脉冲幅度分析器）元素（核素）放出射线（射线能量E0）射线与探测器作用，损失能量E该能量E被转换成电脉冲信号v，其脉冲幅度V正比于E脉冲信号v经AD转换，成道址ch，正比于V所以ch正比于E.成都理工大学马英杰谱数据处理——前言全谱测量（多道脉冲幅度分析器）元素（核素）——能量——脉冲幅度（电压）——道址Cs-137,661keV;Fe-55,5.989keV元素（核素）能量脉冲（电压）幅度道址计数（个数）成都理工大学马英杰谱数据处理——前言核辐射测量的特点1.核辐射是核衰变的产物原子核自发的发生核结构的变化，由一个元素的原子核转变为另一个元素的原子核，同时伴随放射出粒子或电磁辐射的现象。称为放射性衰变放出的粒子:α粒子、β粒子、γ辐射、碎片、特征X射线等2.核辐射的能量具有特征性某核素放出的射线（α粒子、γ辐射、特征X射线）一定具有某种特定能量；如果探测到某种能量的辐射，一定存在某种核素。即：放射性核素与辐射的能量间存在一一对应关系(定性)3.核素的含量与特征辐射的强度存在正比关系(定量)成都理工大学马英杰核辐射能量具有特征性谱数据处理——前言核辐射能量具有特征性K俘获例：1.26*109年↙↘e↙↘β1.32MeV11%↙↘89%↓γ1.461MeV↘基态↓基态K4019Ar4018Ca4020成都理工大学马英杰谱数据处理——前言核辐射能量具有特征性同质异能跃迁例：激发态↘↓γ0.059MeV,99.7%β1.54MeV↘↘β0.31MeV0.3%↘↓γ1.17MeV↓γ1.33MeV基态Co6027Ni6028成都理工大学马英杰谱数据处理——前言放射性核素与辐射的能量间存在一一对应关系1）铀系核素α射线γ射线能量(MeV)几率能量(MeV)U-2384.1850.1870.048Th-234--0.1480.093Ra-2264.7610.0120.184Rn-2225.4820.000640.51Po-2186.002--Pb-214--0.3770.3520.1890.295Bi-214--0.0522.2040.1631.7640.1661.1200.4710.609成都理工大学马英杰谱数据处理——前言放射性核素与辐射的能量间存在一一对应关系2）钍系α射线γ射线核素能量(MeV)几率几率能量(MeV)Th-2323.9930.1970.06Ra-2245.6770.0300.241Rn-2206.282----Po-2166.774----Pb-2120.4700.239Bi-2126.0510.337Po-2128.7850.6630.3372.620Tl-2080.2930.583成都理工大学马英杰谱数据处理——前言放射性核素与辐射的能量间存在一一对应关系3）不成系列的天然放射性核素的射线谱K-401.46MeVT=1.3X109a4）人工放射性核素的射线谱Cs-1370.66MeVT=30aCo-601.17MeVT=5.25a1.33MeV特点：核辐射的原始谱是线谱成都理工大学马英杰谱数据处理——前言仪器谱–以NaIγ谱仪为例定义：由能谱仪器测量得到的、被复杂化的核辐射原始线谱，称为仪器谱。线谱变成了具有高斯分布特征的形状—特点之一具有单一能量的线谱，变成连续谱----特点之二元素（核素）能量脉冲（电压）幅度道址计数（个数）成都理工大学马英杰谱数据处理——前言原因：伽玛射线与物质的相互作用光子与核外电子的作用瑞利散射——弹性散射康普顿散射——非弹性散射光电效应——束缚电子吸收全部光子能量逃离原子光子与核或核外电子库仑场的作用电子对的生成——形成正负电子对德尔布茹克散射或核的势散射——弹性散射光子与原子核（或单个核子）的作用汤姆逊散射——弹性散射共振散射——非弹性散射光致分裂或核的光效应——光子能量被吸收引起光核反应大于总几率的99%成都理工大学马英杰谱数据处理——前言原因（连续谱）：伽玛射线与物质的相互作用（三大效应）光电效应康普顿散射（康普顿—吴有训效应）电子对效应成都理工大学马英杰谱数据处理——前言三大效应的几率分布在低能与高原子序数Z的物质范围内，光电效应占优势在中能与任何Z值物质的范围内，康普顿散射占优势在高能与高Z物质的范围内，电子对生成占优势。成都理工大学马英杰谱数据处理——前言伽玛射线与物质的相互作用（三大效应）光电效应：把全部能量交给壳层电子，γ射线消失，产生光电子。，ε：电子的结合能。产生的峰叫光电峰，或全能峰。如137Cs的γ射线能量为661keV，产生的全能峰的能量也是661keV。0hEph成都理工大学马英杰谱数据处理——前言伽玛射线与物质的相互作用（三大效应）康普顿散射（康普顿—吴有训效应）：γ射线损失一部分能量并改向，产生反冲电子。形成康普顿平台及反散射峰。如137Cs的反散射峰能量：)cos1(51.0100hhEe51.0)cos1(100'hhEkeVhhE18451.0661*2166151.02100'180成都理工大学马英杰谱数据处理——前言伽玛射线与物质的相互作用（三大效应）光电效应康普顿散射（康普顿—吴有训效应）反散射峰康普顿平台道址(E)全能峰，光电峰X射线成都理工大学马英杰谱数据处理——前言伽玛射线与物质的相互作用（三大效应）电子对效应：时，γ射线消失，产生正、负电子对。，e+湮灭，产生2个能量为0.51MeV的光子，形成逃逸峰。)2(02.1200cmMeVh02.10,hEee37S的γ能谱成都理工大学马英杰谱数据处理——前言逃逸峰——正负电子对对全能峰的贡献：正电子的湮没——形成全能峰单逃逸峰：正电子湮没时放出的二个光子中有一个光子飞出晶体双逃逸峰：正电子湮没时放出的二个光子中有二个光子飞出晶体淹没光子峰：0.511MeV51.051.0EEh51.0EEhEEh成都理工大学马英杰谱数据处理——前言全能峰：光电效应：光电子的贡献：光电子能量近似等于入射射线能量康普顿效应：多次康普顿效应，使光子能量全部消耗于晶体中一次康普顿效应产生反冲电子+散射量子的光电效应产生的光电子：khE)cos1(51.01hhEcos51.0151.0'hh成都理工大学马英杰谱数据处理——前言51.051.0EEh全能峰：形成电子对效应：正负电子对的能量+正电子湮没产生的两个光子发生光电效应产生的光电子的能量。成都理工大学马英杰谱数据处理——前言康普顿平台：康普顿效应的贡献：多次康普顿效应，使光子能量不断降低，形成能量从0--hv的连续分布。反冲电子的贡献：反散射峰。光电效应的贡献：散射量子经光电效应损失能量。成都理工大学马英杰谱数据处理——前言谱线具有高斯分布特征的形状，是由于：1）闪烁体发光效率不绝对均匀，发射光子数有偏差2）光收集与闪烁产生位置有关，光阴级光子收集效率的涨落3）光阴级发射光电子数的涨落4）光电倍增管倍增系数的涨落即：输出脉冲幅度围绕一平均幅度涨落因此，单一能量入射射线，通过探测器后，得到一个呈高斯分布的、有一定宽度的谱线。用“能量分辨率”表示高斯分布曲线的宽度成都理工大学马英杰谱数据处理——前言谱线具有高斯分布特征的形状用“能量分辨率”表示高斯分布曲线的宽度能量分辨率可以写成：表示“传输几率”的变化对分辨率的贡献传输几率：一个荧光光子产生一个能达到光电倍增管第一次阴极的电子的平均几率表示NaI(Tl)晶体本身的本征分辨率表示光电倍增管对分辨率的影响E2E成都理工大学马英杰谱数据处理——前言其他影响：探测器外面的物质，如铅屏蔽、样品材料等物质的康普顿散射韧致辐射对γ能谱的贡献（消耗在原子或分子的激发上）γ能谱中的特征X射线峰X射线逃逸峰两个γ光子能量的“加和”大样品对γ能谱的影响自然本底对样品γ能谱的贡献成都理工大学马英杰谱数据处理——前言韧致辐射对γ能谱的贡献(42Kγ能谱)成都理工大学马英杰谱数据处理——前言γ能谱中的特征X射线峰X射线逃逸峰186Re的γ射线谱成都理工大学马英杰谱数据处理——前言两个γ光子能量的“加和”60Co的γ能谱成都理工大学马英杰谱数据处理——前言X射线特征谱X射线：一种低能电磁辐射，一般几至几十keV。特征X射线：其能量E取决于待测元素的原子序数。K系：EEKab（K层电子的吸收限）：产生K层电子空穴，外层电子填充并释放能量。Kα；Kβ成都理工大学马英杰谱数据处理——前言X射线特征谱X射线：一种低能电磁辐射，一般几至几十keV。特征X射线：其能量E取决于待测元素的原子序数。L系：EELab（L层电子的吸收限）：产生L层电子空穴，外层电子填充并释放能量。Lα；Lβ；Lγ成都理工大学马英杰谱数据处理——前言X射线特征谱能量关系：EKELEM……EKabEKβEKαELabELγELβELα分支比：不同线系和同一线系不同谱线之间的相对照射量率关系例：Fe：EKα=6.4keV,EKβ=7.06keV，EKab=7.88keVPb：ELα=10.55keV，ELβ=12.61keV，EKα=74.96keV，EKβ=84.92keV成都理工大学马英杰谱数据处理——前言X射线谱Fe单质谱：EKα=6.4keV,EKβ=7.06keV，EKab=7.88keV元素（核素）能量脉冲（电压）幅度道址计数（个数）FekαFekβ成都理工