放射性的基礎(chǔ)知識

1、放射性的基礎(chǔ)知識一、 放射性衰變不穩(wěn)定的原子核，能自發(fā)放出射線，轉(zhuǎn)變成穩(wěn)定的原子核，這一轉(zhuǎn)變過程稱為放射性衰變。自然界存在著穩(wěn)定性核素和放射性核素，放射性衰變是原子核內(nèi)部的物理現(xiàn)象。穩(wěn)定的原子核中，中子和質(zhì)子數(shù)目通常保持一定的比例，當(dāng)中子數(shù)或質(zhì)子數(shù)過多時，原子核便不穩(wěn)定，形成放射性核素。放射性核素又分為天然放射性核素（自然界存在的，如U-238, Th-232，Ra-226和K-40等）和人工放射性核素（由人工核反應(yīng)生產(chǎn)的，如Cs-137，Co-60，I-131等）。1、 核衰變方式，主要有以下幾種： 衰變，放射性原子核放出粒子（He原子核）后生成另一個核的過程。ZXAZ-2YA-4+2He4

2、+Q它一般發(fā)生在原子序數(shù)較高的重原子核中,尤其為原子序數(shù)大于82的重金屬原子核中,如88Ra22686Rn222+2He4+4.879Mev92U23890Th234+2He4+4.15Mev 衰變，分-衰變、+衰變和電子俘獲三種情況。-衰變?yōu)榉懦鲐?fù)電子（e-）的衰變，它是由于原子核中中子過多而造成，放出一個負(fù)電子后，核內(nèi)一個中子轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€質(zhì)子，原子序數(shù)增加1，衰變式為：ZXAZ+1YA+-+Q由于-衰變產(chǎn)生的能量在-粒子和反中微子之間分配，因此-粒子的能量是連續(xù)分布，最大為Q，最小為0，如：55Cs13756Ba137+-+ +Q27Co60 28Ba60+-+ +Q同理+ 衰變是放出正電子

3、（e+）的衰變，它是由于原子核內(nèi)質(zhì)子過多而引起的，放出一個正電子后，核內(nèi)一個質(zhì)子轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€中子，原子序數(shù)減少1，其衰變式為：ZXAZ-1YA+Q自然界中找不到正電子衰變的核素。電子俘獲又稱K俘獲，它是原子核自核外層軌道上（通常在K層）俘獲一個電子，使核里的一個質(zhì)子轉(zhuǎn)變成一個中子，并放出中微子，衰變式為：ZXA +e+Z-1YA+Q很多放射性同位素會發(fā)生電子俘獲衰變，如：26Fe55 +e-25Mn55+Q53I125 +e-52Te125+Q電子俘獲過程中會伴隨發(fā)生標(biāo)識射線，射線和俄歇電子（即外層電子躍遷至K層時，過剩能量傳遞給另一個殼層電子發(fā)出）。 衰變在衰變、衰變和電子俘獲過程中，原子核往

4、往處于激發(fā)態(tài)（即較高的能級），處于激發(fā)態(tài)的原子核，通過發(fā)出光子回到基態(tài)（即核平常所處的最低能級），這一過程稱為衰變。衰變對于核的原子序數(shù)Z和質(zhì)量數(shù)A均無影響，僅能量狀態(tài)發(fā)生變化，因此又稱同質(zhì)異能躍遷。由于處于激發(fā)態(tài)時間一般都十分短暫（10-13秒左右）。可以認(rèn)為衰變是與或衰變同時發(fā)生的，前面提到的137Cs，60Co和125I等衰變同位素，均伴有輻射。處于激發(fā)態(tài)的原子核，還可以以內(nèi)轉(zhuǎn)換電子方式將能量直接傳給核外電子，把殼層電子（主要為K層）以單能電子束發(fā)射出去，該電子稱為內(nèi)轉(zhuǎn)換電子，此時還會發(fā)出標(biāo)識射線或俄歇電子等次級射線。衰變中射線能量大小取決于激發(fā)態(tài)與基態(tài)之間的能量差，它們用千電子伏特（k

5、ev）和兆電子伏特（Mev）表示。它是發(fā)射線的放射性同位素的特征量，用于識別放射性核素種類的主要依據(jù)，也是能譜儀分析的主要依據(jù)和原理。2、 射線的主要特性射線電離能力強，射程短，穿透力弱，一張紙或皮膚死層（角質(zhì)層）即可擋住，對人體的損傷僅為內(nèi)照射。射線電離能力、穿透能力及射程均為中等，對人體的損害主要為皮膚和內(nèi)照射。射線是一種電磁輻射，間接電離粒子，電離能力最小，穿透能力最強，散射作用最強，可穿透上公里的空氣和幾米厚的人體組織，對人體的損害為全身照射。中子射線為間接電離粒子，具有較強的穿透力和間接電離能力，對人體的損傷為全身照射。3、 放射性衰變規(guī)律時間t=0時，共有原子核數(shù)No個，單位時間中

6、衰變掉的原子核與未衰變的核數(shù)N成正比 N/t=-N 經(jīng)積分后得到：N=Noe-t同理可得到A=Ao e-t不難可以計算 =0.693/T1/2T1/2為原子核數(shù)或活度減少一半所需時間，該值為放射性核素的特征量，也是區(qū)別放射性核素的重要物理量。4、 天然放射性核素與感生放射性自然界存在三個天然放射性系列，它們是釷系、鈾鐳系和錒系，它們的母體為90Th232（T1/2=1.405×1010年）,92U238(T1/2=4.468×109年)和92U235（T1/2=7.038×108年）。說它們是系列是因為它們的母體放射性核素衰變后得到的子體仍為放射性核素，經(jīng)多次衰變

7、后，才達(dá)到穩(wěn)定。在這之間形成了一個放射性核素的系列。這些系列的存在原因是由于其母體核素的半衰期與地球年齡（約30億年）在同一數(shù)量級甚至更大。還有一個镎系，它母體核素為94Pu241，該系列中最長命的93Np237，T1/2=2.14×106年。在地球中已找不到它了。除了三個系列外，自然界中還有19K40（T1/2=1.277×109年）。用核粒子（n、p、等）轟擊較輕的穩(wěn)定性核素會產(chǎn)生放射性核素，這一過程為稱為活化，由此產(chǎn)生的放射性為感生放射性。它是除裂變外生產(chǎn)同位素的又一個重要途徑。5、 放射性單位衡量某一個放射源或含放射性物質(zhì)的物理量為放射性活度（Radioactivi

8、ty）或簡稱活度（Activity）。活度也就是放射源的衰變率。最初放射性活度的單位一直采用居里（Curi）表示。1居里（Ci）=1000mCi=106Ci=1012pci=3.7×1010衰變/秒上世紀(jì)八十年代中期，推廣國際制單位（SI），放射性活度的國際制單位為貝柯（Becqurel）。1貝柯（Bq）=1衰變/秒=2.7×10-11Ci 1千貝柯(KBq)=103衰變/秒=2.7×10-8Ci1兆貝柯(MBq)= 106秒=2.7×10-5Ci目前兩種單位同時使用，但正式文件和出版物中，必須首先使用國際制單位。二、 射線與物質(zhì)的相互作用射線與物質(zhì)的相

9、互作用，僅與它們的能量有關(guān)，而與它們的起源無關(guān)。在通常的能量范圍（<30Mev）射線與物質(zhì)的相互作用主要有以下三種：1、 光電效應(yīng)光子與物質(zhì)原子中殼層電子作用，把全部能量轉(zhuǎn)移給某個束縛電子，使它發(fā)射出去成為自由電子，而其本身消失，該過程為光電效應(yīng)。在光電效應(yīng)中，光電子的能量Ee=h-Bih, h為光子能量，Bi為光電子脫離原子殼層所需之能量，稱為電子結(jié)合能，它們通常為幾千至幾十千電子伏特。因此近似可以認(rèn)為光電子動能等于光子能量，在能譜儀上出現(xiàn)的光電峰也可稱為全能峰，或特征峰，它是識別放射性核素所依據(jù)的能峰。約有80%的光電效應(yīng)發(fā)生K層，L層次之，M、N層更少。在內(nèi)層電子被打擊出現(xiàn)空位情況

10、下，外層電子躍遷入內(nèi)層，因此在放射光電子的同時還伴隨著產(chǎn)生標(biāo)識射線和俄 歇電子。光電效應(yīng)的截面（作用的幾率）與物質(zhì)原子序數(shù)的5次方成正比，原子序數(shù)越大的物質(zhì)，光電截面越大，吸收射線的本領(lǐng)也越大。它與光子的能量成反比，光子能量越大，光電截面越小。2、 康普頓效應(yīng)光子與原子核外殼層電子發(fā)生非彈性碰撞，一部分能量轉(zhuǎn)移給電子成為反沖電子脫離原子，另一部份能量由改變方向后的散射光子帶走，這一過程稱為康普頓效應(yīng)。康普頓效應(yīng)總是發(fā)生在束縛得最松的外層電子上，光子的能量在反沖電子與散射光子兩者之間進行分配。當(dāng)散射角為0°時，散射光子能量最大為h，反沖電子能量最小為0；當(dāng)散射角為180°時，

11、（為反散射），散射光子能量最小，約為200kev左右（無論入射光子能量多少），而反沖電子能量達(dá)最大，為h 200kev左右。在反沖電子的最大能量處，反沖電子數(shù)目最多，形成康普頓坪的邊緣，在較低能量處，電子數(shù)大體相同。由康普頓效應(yīng)產(chǎn)生的康普頓坪，是能譜分析中每個譜圖都會出現(xiàn)的，在解復(fù)雜譜時，低能放射性核素的全能峰迭加在康普頓坪上，往往給定量分析帶來很大的困難。散射光子在改變方向后，可繼續(xù)與物質(zhì)相互作用，發(fā)生多次散射或產(chǎn)生光電效應(yīng)被吸收，由于這一過程是在微微秒水平的時間尺度上發(fā)生的，因此可以認(rèn)為它們是同一事件，被吸收后增加全能峰的計數(shù)。3、 電子對效應(yīng)能量大于1.02Mev（即2moC2）的光子，

12、經(jīng)過原子核傍時，在原子核電場作用下，轉(zhuǎn)化為一個正電子和一個負(fù)電子（即一個電子對），這一過程稱為電子對效應(yīng)。在電子對效應(yīng)中，入射光子能量中，1.02 MoC2轉(zhuǎn)化為電子對的靜止能量，其余成它的動能，即h=Ee+Ee-+ 2moC2正負(fù)電子之間能量分配是任意的。電子對效應(yīng)的逆過程為湮沒輻射，正負(fù)電子發(fā)生湮沒時，產(chǎn)生兩個光子，其能量相同（均為0.51Mev）,方向相反。電子對效應(yīng)作用截面(幾率)與物質(zhì)原子序數(shù)Z2成正比,，與射光子能量h 或ln(h）成正比，因此物質(zhì)原子序數(shù)越大，光子能量越高，發(fā)生電子對效應(yīng)幾率越大。4、 射線的吸收射線穿過物質(zhì)時，通過上述三類效應(yīng)發(fā)生能量轉(zhuǎn)移，每發(fā)生一次碰撞便是一次

13、能量大轉(zhuǎn)移，但未經(jīng)碰撞的光子，它的能量不變。因此經(jīng)物質(zhì)吸收后，盡管強度逐漸減弱，但對于某一個光子無確定的射程。對于低能射線和原子序數(shù)高的吸收物質(zhì)，光電效應(yīng)占優(yōu)勢對于中能射線和原子序數(shù)低的吸收物質(zhì)，康普頓效應(yīng)占優(yōu)勢。對于高能射線和原子序數(shù)高的吸收物質(zhì)，電子對效應(yīng)占優(yōu)勢。經(jīng)準(zhǔn)直的射線（窄束射線）在通過物質(zhì)時，其強度減弱呈指數(shù)規(guī)律 I=I0e-t =Ph+C+Pt為吸收物體的厚度，I為射線強度（I0為t=0處強度），Ph、C、P分別為光電吸收系數(shù)，康普頓吸收系數(shù)和電子對吸收系數(shù)。三、 其它粒子與物質(zhì)相互作用1、 帶電粒子與物質(zhì)相互作用 電離（產(chǎn)生離子對）與激發(fā)（至較高能級）； 彈性散射（改變運動方向

14、，不發(fā)生能量變化）； 軔致輻射（受原子核庫倫電場作用減速，一部分能量轉(zhuǎn)變成具有連續(xù)能譜的電磁輻射）； 湮沒輻射（粒子與反粒子發(fā)生碰撞時，質(zhì)量可轉(zhuǎn)化為輻射）；2、 中子與物質(zhì)相互作用中子與原子核碰撞給出部分能量，反沖核在物質(zhì)中快速運動，引起物質(zhì)電離。由動量守恒和能量守恒定律可知，與輕核碰撞時，中子消耗的能量多，反沖核得到的能量大，引起電離強烈；相反與重核碰撞，給出能量少，引起電離較弱。此外中子還能引起輻射俘獲發(fā)射光子和引起核反應(yīng)等。四、 NaI探測器1、 組成和工作過程由NaI晶體、光導(dǎo)、光電倍增管和電子線路部分構(gòu)成。電子線路包括分壓器、陰極跟隨器和高壓電源等。工作過程可分為五個相關(guān)聯(lián)的步驟：

15、射線進入閃爍體，發(fā)生光電，康普頓、電子對效應(yīng)，閃爍體吸收次級電子能量，使閃爍體原子和分子電離和激發(fā)。 被電離激發(fā)的原子和分子退激時產(chǎn)生光子。 利用反射物盡可能將光子收集到光電倍增管的光陰極上，由光電效應(yīng)，光子在光陰極上打擊出光電子。 光電子在GDB中倍增（可增加幾個數(shù)量級），倍增的電子流在陽極負(fù)載上產(chǎn)生電信號。 此訊號由電子儀器記錄。2、 NaI閃爍體在核輻射進入NaI晶體時，電子從價帶激發(fā)到導(dǎo)帶（或激帶）產(chǎn)生自由電子空穴對，當(dāng)電子從導(dǎo)帶激帶退激，躍遷到價帶時將發(fā)出光子（可見光），為了使產(chǎn)生的光不被晶體自身吸收（又產(chǎn)生電子從價帶至導(dǎo)帶），則需在NaI中加入少量雜質(zhì)原子（Tl），在禁帶中產(chǎn)生雜質(zhì)

16、能級。處于雜質(zhì)能級的電子以發(fā)光形式躍遷到價帶，這就是閃爍過程。主要技術(shù)指標(biāo)為發(fā)光光譜（NaI為4150A），發(fā)光效率，發(fā)光時間（一般為10-9秒）。由于NaI閃爍體中，碘有較高的原子序數(shù)（Z=53），因此探測效率特別高，而且在閃爍探測器中分辨率也屬最好，（對137Cs的662Kev峰可達(dá)7%左右）。它的缺點為易潮解，溫度改變時，發(fā)光效率、分辨率和時間特性也會變差。3、 光學(xué)收集系統(tǒng)光學(xué)收集系統(tǒng)由反射層、耦合劑、光導(dǎo)等組成，使NaI閃爍體發(fā)射的光能均勻，有效地收集在GDB的光陰極上。NaI（TI）晶體在封裝時，四周填充漫散射的氧化鎂粉末作反射層，光子經(jīng)多次散射后仍能到達(dá)光陰極被收集。耦合劑作用為

17、減少閃爍體與光陰極窗界面上光的全反射,在晶體與光電倍增管之間加入耦合劑硅油,可使輸出脈沖幅度增加1/3到1倍。光導(dǎo)的作用為把光有效地傳遞給GDB的光陰極,一般僅在閃爍體面積與GDB端窗的面積形狀不一樣等特殊情況下應(yīng)用。4、 光電倍增管閃爍體出來的光子，在光電倍增管的光陰極上產(chǎn)生光電效應(yīng)，打出電子，由電子光學(xué)輸入系統(tǒng)加速、聚焦后依次射向各打拿極（倍增極），經(jīng)多次倍增后（一般每打拿極倍增系數(shù)為9-14），陽極收集所有電子，轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷好}沖輸出。光電倍增管按打拿極結(jié)構(gòu)可分聚焦型和非聚焦型，它們各具特點，適于作不同的應(yīng)用。光電倍增管中各電極的電位由外加電阻分壓器抽頭供給。光電倍增管有光譜特性，倍增特性、

18、時間特性、暗電流特性和穩(wěn)定性等多項指標(biāo)。具體使用應(yīng)根據(jù)不同類型光電倍增管的不同指標(biāo)作出正確選擇。5、 高壓電源供光電倍增管用的高壓電源，一般要求電壓在5001500V之間，電流在1mA以上。由于高壓的波動會引起放大倍數(shù)波動高一個數(shù)量級，因此對電壓穩(wěn)定性的要求比放大倍數(shù)穩(wěn)定性要求高一個數(shù)量級。特別作能譜測量，譜峰位置的穩(wěn)定性十分重要（一個高壓穩(wěn)定性為0.2的高壓電源,取道址為256道時,峰飄小于半道）。五、 NaI單晶譜儀譜的生成當(dāng)射線的能量全部耗盡在NaI閃爍體內(nèi)時,探測器輸出的脈沖幅度與入射的光子能量成正比,由此可根據(jù)脈沖幅度譜來測定光子的能譜。1、 一個單核素137Cs的譜的生成 137C

19、s的662kev能譜包括三個峰和一個平臺（典型）A 全能峰，662kev直接反映射線能量，由光電效應(yīng)及 多次效應(yīng)的貢獻；B 康普頓坪，為散射光子逃出NaI后留下的一個能量連續(xù)的電子譜，該坪有個邊界，應(yīng)在470kev左右；C 反散射峰，它是由于在NaI中未經(jīng)吸收穿出的光子，在閃爍體后面物質(zhì)上發(fā)生康普頓效應(yīng)，反散射光子回NaI中，通過光電效應(yīng)被記錄，由前述，它的能量總在200kev左右。D 137Ba的射線峰，由于137Cs發(fā)生衰變后，137Ba的激發(fā)態(tài)放出內(nèi)轉(zhuǎn)換電子，在K層造成空位，外層電子躍遷而成。 實際譜圖中，C峰和D峰可能較弱而并不明顯。2、 一個能量較高核素24Na的譜的生成24Na的1

20、380kev和2760kev峰能譜包括如下的峰：A 全能峰1380kevB 全能峰2760kevC 雙逃逸峰，電子對效應(yīng)產(chǎn)生的正負(fù)電子湮滅時產(chǎn)生的二個光子全部逃離NaI閃爍體，它的能量為2760-1020=1740kevD 單逃逸峰，電子對效應(yīng)產(chǎn)生的正負(fù)電子湮滅時產(chǎn)生的二個光子，一個逃離NaI，一個能量被NaI吸收。其能量為2760-510=2250kev3、 引起譜線復(fù)雜化的其它物理過程 累計效應(yīng)由于散射光子在NaI中再次作用與原反沖電子被吸收屬于同一事件，僅輸出一個脈沖，因此全能峰中有相當(dāng)一部分計數(shù)來自多次相互作用的累計效應(yīng)。但是NaI（TL）晶體的發(fā)光線性不是很好，特別在低能區(qū)（<

21、150kev），每單位吸收能量相應(yīng)的脈沖幅度偏大，因此由累計效應(yīng)所產(chǎn)生的脈沖要比一次作用吸收同樣能量的脈沖幅度大，這就造成全能峰增寬，這是NaI晶體的分辨率不及HPGe晶體的最重要原因。 和峰效應(yīng)由于在一次核衰變中產(chǎn)生的級聯(lián)光子，同時被NaI晶體吸收，引起了一個真符合事件，這時NaI輸出的不是兩個分開的脈沖，而是輸出一個幅度為該兩個光子能量之和的脈沖。典型例子如60Co，它的兩組能量為1170kev，1330kev，但在2500kev處會產(chǎn)生一個真和峰。和峰的發(fā)生概率與源強和探測器的效率有關(guān)。由偶然符合也可能產(chǎn)生和峰，它僅在高計數(shù)率下有意義。 碘逃逸峰發(fā)生在NaI晶體表面處的光電效應(yīng)，碘原子K

22、層的射線（28kev）可能逸出晶體，相應(yīng)的脈沖幅度能量為h28kev，此脈沖組成峰為碘逃逸峰。此峰在能量大于170kev的射線中就逐漸看不到了。 邊緣效應(yīng)發(fā)生在邊緣的次級電子可能逸出晶體，將部份動能損失在NaI之外，此為邊緣效應(yīng)，這在高能射線中會強一些。 干擾輻射所產(chǎn)生的峰主要有特征射線峰，散射輻射和反散射射峰、湮沒輻射峰 、軔致輻射等等，為防止射線進入探測器，可采用加吸收片（采用低原子序數(shù)材料）辦法。綜上所述，對于不同能量的射線，能譜有不同的特征：在低能時：主要有光電峰、碘逃逸峰在中能時：主要有光電峰、康普頓坪在高能時（特別在1.5Mev以上）:主要有光電峰、康普頓坪、單逃逸峰、雙逃逸峰等等

23、。六、 譜儀的刻度和解譜方法1、 能量刻度確定射線能量與峰位置（道址）的關(guān)系，由峰位便可以找出射線能量，進而確定放射性同位素種類。因此能量刻度是NaI譜儀應(yīng)用的最關(guān)鍵步驟。典型的能量刻度曲線近似為一條直線（在1001300kev間）由一階方程表示（E=GX+Eo），但精確能量刻度必須考慮其非線性問題（特別在低能和高能時）。此時能量刻度曲線要采用二階方程表示（E=ao+a1x+a2x2）更精確的能量刻度可采用分段曲線擬合法。放射源的選擇是能量刻度最重要的事。國際原子能機構(gòu)（IAEA）推薦的一組標(biāo)準(zhǔn)源241Am、57Co、203Hg、22Na、137Cs、54Mn、88Y和60Co可滿足60kev

24、1800kev能區(qū)的刻度。能量刻度需在一定的測量條件下進行（如溫度等環(huán)境條件），條件有較大變化時，應(yīng)重新刻度。2、 效率刻度效率刻度是開展定量分析必須進行的工作，可采用理論計算辦法（如蒙特卡羅方法）和實驗的方法，已有許多現(xiàn)成的軟件可幫助這一工作。在實驗室普遍使用的還是相對刻度的辦法。該方法必須在實驗室制備一套核素組成、形狀等相同的標(biāo)準(zhǔn)源。計數(shù)率還不能太大，防止累計效應(yīng)等。3、 解譜方法NaI探測器，由于分辨率較差，因此正確解譜是一個十分重要的問題。近二十多年來，已產(chǎn)生了許許多多的解譜方法，也編制過許多計算機軟件進行能譜的定量分析，這些方法歸納起來有： 峰面積法（一般適用于單峰等簡單的譜）又可分曲線擬合法和計數(shù)求和法。它們有全峰面積法、Covell法、Wasson法、Sterlinski法、Quittner法等。 剝譜法，從混合譜中逐個剝?nèi)ジ鱾€核素的譜。 逆矩陣法（適于解復(fù)雜譜）。 逐道最小二乘法（適于解復(fù)雜譜）。 函數(shù)擬合法（適于解復(fù)雜譜） 反卷積法，適于高斯形狀峰的一次迭代（適用于解重峰等復(fù)雜譜）。七、 輻射劑量學(xué)常用的物理量和單位1、 照射量率與倫琴（R）照射量率是表示與射線在空氣中產(chǎn)生電離大小的物理量。它是一個描述輻射場性質(zhì)