放射源活度的符合测量讲解Word文档下载推荐.docx
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NapointsourceAnnihilationphotonγ-γCoincidencemethod
第一章绪论1
1.1符合测量的基本概述1...
1.2符合测量的发展现状1...
第二章方案原理概述3
2.122Na源的衰变特性3...
2.2γ-γ快符合装置介绍4...
2.3活度公式推导及修正4...
第三章技术路线的实现7
3.1实验仪器的选择和电路的连接7..
3.2检验实验仪器能否正常工作8..
3.322Na的能谱测量以及符合测量时两单道参数的确定1.3
3.4用偶然符合计数确定符合分辨时间1..8
3.5确定延迟时间2..1.
3.622Na的活度测量2..2.
3.7结论分析2..4.
第三章总结24
参考文献26
致谢27
附录1（137Cs的衰变纲图）28
附录2（译文与原文）29
第一章绪论
1.1符合测量的基本概述放射性活度是描述放射源放射性特征的一个重要物理量，而活度的测量在核科学技术领域有着重要的地位，例如：
低能核物理中许多核衰变参数和某些反应参数的确定，最终都要归结到样品放射性活度的测量，放射性核素的生产及其在工、农、医等学科研究中的应用以及环境监测辐射防护等各方面都涉及到放射性活度的测量。
而放射源活度测量的方法有很多，如测β源活度的方法有小立体角法，4π计数法以及符合法。
小立体角法的原理是放射源各向同性地发射出粒子，而测量仪器的效率是已知的，通过记录一定立体角的粒子计数率便能推出源的活度，此法适合于活度在微居到毫居量级的放射源。
4π计数法的原理是把放射源移到计数管内部，使计数管对源所张的立体角接近4π，在小立体角法的基础上减少了散射、吸收及几何位置的影响，此法适合于测活度在微居以下的纯放射性核素。
有级联衰变的放射源活度测量则用符合法。
符合法起源于1930年前后，因可以排除探测效率等对实验结果的影响而得到广泛运用。
在核过程中，有很多在时间上相互关联的事件，这种相关的事件通常反映了原子核内在的运动规律。
例如，核级联衰变所放射的粒子之间在时间上是相关联的，级联衰变的平均时间间隔是确定的，它就是激发态的平均寿命。
又如上述衰变的粒子在方向上还有相关性，即方向角关联。
研究这类事件可以确定原子核状态的参数。
符合测量是核物理实验中的一项常用的方法，可用来选取时间上相关的事件，舍弃无关事件，以免无关的事件湮灭了相关事件的信息，从时间上的符合与不符合把时间信息归纳、简化，选出有用的信息。
用于符合测量的电路叫符合电路，它的基本逻辑功能相当于一个数字门电路，输入正信号时，符合电路相当于与门或与非门，输入负信号时，相当于或门或者或非门。
1.2符合测量的发展现状
历史上，符合法最初应用于宇宙射线的研究。
后来，符合法又应用于相关辐射的测量。
近20年来，由于快电子学、多道分析器和多参数分析系统的发展，电子计算机在核物理实验中的应用，符合法已成为实现多参数测量必不可少的实验手段。
符合法是继小立体角法，4π计数法较好的活度测量方法。
用符合法研究辐射间的级联关系或相关性时，要求符合装置既能对辐射能量进行选择，又能具有短时间分辨的本领。
可用慢符合装置来满足这种要求。
由两个探测器输出的脉冲分别输入线性放大器，经放大后输入单道分析器，选出特定能量的脉冲，其输出经成形后输入符合电路。
这种装置中探测器输出脉冲经过一系列电路后才到达符合电路的输入端，为了获得高的时间分辨本领，就要求经过上述电路之后脉冲仍保持很短的上升时间和小的上升时间涨落。
因此对慢符合装置改进，有了快慢符合装置。
1949年Bell和Petch首先提出快慢符合原理，他们将能量选择和时间选择分别在两组符合道中进行。
快符合道由每个探测器输出脉冲分两路输入两组符合道，探测器的输出信号经定时拾取电路整形成标准形状的窄脉冲，然后输入短分
辨时间的快符合电路。
慢符合道主要由线性放大器、单道和整形电路组成。
快慢符合道的输出脉冲一起输入三重慢符合电路。
以上是传统的符合测量方法。
随着符合装置的改进，又出现了多道符合能谱仪、多参数符合谱仪等符合测量装置。
图1-1传统符合测量系统框图
图1-2数字化符合测量系统框图
如今，国内外对数字符合测量有一定的研究，其原理是两路探测器输出信号经放大成形电路后输入有模数转换功能的双通道数字示波器，示波器将两路输入信号数字化，再由数据处理系统实现实时获取示波器采样数字序列，实现对数字序列的处理即获取两路探测器数字序列的时间信息和幅度信息，并进行符合判断。
数字化符合测量相对于传统的符合测量具有系统结构简单、操作简便、电子学噪声小、系统死时间小以及实验数据可重复利用等优点。
在符合测量中具有很好的参考价值。
第二章方案原理概述
2.122Na源的衰变特性
图2-1Na-22的衰变纲图
由22Na的衰变纲图可知，22Na源的半衰期T12=2.602年。
它可以自发地从3+的自旋态衰变到0+的自旋态，有EC俘获和β正衰变两种类型，其中22Naβ正衰变到22Ne的激发态的分支比为90.2%，经过EC俘获衰变到22Ne的激发态的分支比为9.7%，再从22Ne的激发态衰变到22Ne的基态，放出能量为1.27MeV的γ光子，22Na直接衰变到22Ne基态的分支比为0.06%。
放出的正电子进入物质后，与物质原子分子发生非弹性碰撞，很快被慢化，能量迅速从KeV量级减至热运动能量，即小于1eV，然后在正电子径迹末端遇负电子发生淹没，放出两个能量为0.511的γ光子。
两个湮没光子的发射方向相反，并且湮没光子的发射是各向同性的。
因此，我们用能量为两个0.511MeV的光子进行符合，从而推导出正电子源22Na的活度。
2.2γ-γ快符合装置介绍
图2-2符合法电子学框图
两个NaI闪烁体探测器的输出脉冲信号分别输入线性放大器，经放大后输入单道脉冲幅度分析器，单道输出信号再输入符合电路进行符合。
由于22Na放射源衰变产生了两种能量的光子，即能量分别为0.511MeV和1.27MeV，两个探测器探测到两种光子，产生输出脉冲，其输入线性放大器，经放大后输入单道，因为只采用能量为0.511MeV的光子进行符
合，所以单道的作用是选取能量为0.511MeV的光子，而不让能量为1.27MeV的光子信号通过，然后两个道中0.511MeV的光子信号经延时成形后输入符合（反符合）电路进行符合，从而得出两个道的计数率和符合输出计数率。
符合电路的功能是：
当符合电路有两个（及以上）输入端时，两个（及以上）输入端的输入信号是在一定时间间隔内到达，电路将产生一个输出信号，如果在给定的时间内有一个（至少一个）输入端缺少输入信号时，电路不产生输出。
2.3活度公式推导及修正
图2-3探测器与放射源相对位置示意图
两个探测器与源的位置如图所示，两个探测器探头在同一水平线上正对，即两个探头圆面圆心与放射源中心在同一条直线上，并且两个探头到源的垂直距离是相等的，则两个探测器对源所张的立体角相等，即：
用定标器测得
Ⅰ道的计数率为
12
（2-1）
n1A0fg1
（2-2）
Ⅱ道的计数率为
n2A0fg2
（2-3）
式中：
A0为放射源的活度；
fg4为两探测器对源所张的相对立体角，；
1为探测器
2-4）
2-5）
1对γ的探测效率，2为探测器2对γ的探测效率。
由于两个湮没光子的发射方向相反，如果一对湮没光子进入探测器1，则另一个必然进入到探测器2。
符合道计数率为
ncA0fg12
由式（2-1）（2-2）（2-3）可得放射源活度为
A0nnc1nf2g
通过式（2-5）明显可以看出放射源的活度只和两个γ道和符合道的计数率以及探测器对源所张的相对立体角有关，而与探测器的探测效率等因素无关。
另外，在实验过程中和探测原理装置自身因素等对实验结果有一定影响。
其因素有：
第一，在实验环境中，不可避免会存在本底，所以在三个道都会有本底计数。
第二，由于两个γ道的脉冲总有一定的宽度，使得符合电路存在一定分辨时间。
因此不相关的两个γ道的脉冲会产生偶然符合计数。
并且本底也会产生符合计数。
因此，在实际测量时，我们不能简单的利用式（2-5），而要对上述各点进行修正。
下面就具体讨论一下各种修正的定量计算。
首先对各种修正因子单独进行讨论，看看对测量结果会产生什么影响，然后再综合起来，以求获得精确的活度计算公式。
（1）本底修正。
要对本底进行修正，只需要对各个道的本底计数率扣除。
设n1b、n2b、ncb分别为两个γ道和符合道的本底计数率，则
n10n1n1b
2-7）
（2-6）
n20n2n2b
n12ncncb
2-8）
其中ncnconc，即包含真符合计数率和偶然符合计数率。
而在实验上，将放射源取走后，很容易测得本底计数率n1b，n2b及ncb。
（2）分辨时间修正。
符合电路存在一定的分辨时间会引起偶然符合的发生，从而使
符合道的计数增加。
对分辨时间修正就是设法由总的计数率n1、n2、nc和分辨时间R，计
算出偶然符合计数率。
再从符合道总计数率扣除偶然符合计数率，即得到真符合计数率。
当两个不相关的γ脉冲，在符合分辨时间内被记录，就会给出一个偶然符合计数。
实测1道的计数率为n1，2道的计数率为n2，符合道总计数率为nc。
那么在1道计数中不参与真符合的计数为n1nco，对偶然符合计数率的贡献为（n1nco）Rn2。
同样在2道计数中，不参与真符合部分的计数为n2nco，对于偶然符合的贡献为（n2nco）Rn1。
于是总的偶然符合计数率为：
nc（n1nco）Rn2（n2nco）Rn1（2-9）
ncncnco（2-10）
最后得到真符合计数率为
应该说明，上述讨论中，n1和n2中已包含本底的贡献。
所以，偶然符合计数率中已包含了本底引起的偶然符合。
立体角的计算：
在球面坐标中，我们知道立体角为：
2
sindd（2-12）
式中α为的最大值，如下图所示：
图2-4立体角计算示意图对点源有：
cosh/h2r2
（2-13）
式中，h为放射源到探测器探头的垂直距离，r为圆面探测器探头半径。
将式（
2-13）代
入式（2-12）并积分，便得：
2（1h/h2r2
（2-14）
fg1（1h/h2r2
g2
（2-15）
由以上修正可知放射源活度活度为：
A2n1n21Rn1n2
A022
（2-16）
nc2Rn1n21hh2r2
第三章技术路线的实现
3.1实验仪器的选择和电路的连接
图3-1实验原理图
根据实验原理图，本实验所需要的实验仪器有探测器、线性放大器、单道、符合电路和定标器，鉴于波形的观测和电路的检查，还需要使用脉冲发生器和数字示波器。
结合川大现有的实验条件，我们使用了以下仪器：
脉冲发生器
1
个
DG4072
数字示波器
DS1204B
通用（NaI）
闪烁体探测器
2个
2012C502/2012C504
线性放大器
BH1218
单道
2035A
7
符合（反符合）电路1个BH1221智能定标器3个FH463B符合（反符合）电路上带有延时器，因此不需要另找延时器，该智能定标器上能产生稳定的正负高压，还有低压输出，能和通用闪烁体探测器所需要的高压和低压相匹配，使探测器正常工作。
另外，根据实验需求，我们使用了的放射源有22Na和137Cs。
其中22Na源是点源，137Cs是圆面源。
3.2检验实验仪器能否正常工作
首先我们使用源137Cs通过观测探测器的输出信号和各级电路的信号来验证探测器和整个电路。
从附录1中137Cs的衰变纲图中可以发现，137Cs衰变到137Ba的激发态，在退激的过程中只放出能量为0.662MeV的γ光子，用NaI闪烁体探测器和单道测它的能谱，来分别检验探测器在两个高压下能否正常工作
将仪器按顺序摆放连接好，并且将两个通用（NaI）闪烁体探测器如图3-1所示呈1800水平对齐固定，连接好低压线、高压线和信号输出线，再将源137Cs放到两个探测器的正中心位置，调节源到探测器的距离在适当值，用铅砖屏蔽。
接通电源，依次从零逐渐增大调节探测器的负高压，将探测器信号输出线接入数字示波器，用数字示波器分别观测两个探测器的输出信号。
当给探测器1加高压至-512V时，
从示波器读出探测器1的输出信号波形如下图：
图3-2探测器1测得137Cs源的输出信号从示波器显示的波形上我们读出探测器1探测到137Cs源的输出信号是幅度为1.3V的负脉冲，其脉宽大约2us。
当给探测器2加高压至-460V时，从示波器读出探测器2的输出信号波形如下图：
图3-3探测器2测得137Cs源的输出信号
从示波器显示的波形上我们读出探测器2探测到137Cs源的输出信号是幅度为0.11V的负脉冲，其脉宽大约2us。
分别将两个探测器的输出信号接入两个线性放大器，调节放大器的参数，将两个放大器的输出信号接入示波器，用示波器观察放大器的输出信号。
由于放大器的输入信号是负脉冲，所以将放大器极性调为负极性，当放大器1的积分调为0.1us，微分为0.1us，放大在200倍，增益为0时，放大器1输出信号波形不失真且稳定，从示波器上读出其波形如下图：
图3-4放大器1的输出信号
当放大器2的积分调为0.1us，微分为0.1us，放大在1000倍，增益为3.0时，放大器2输出信号波形不失真且稳定，从示波器上读出其波形如下图：
图3-5放大器2的输出信号
然后，分别将放大器1、放大器2的输出信号接入单道1和单道2中，将两个单道的输出信号接入示波器，用示波器观察单道的输出信号，适当调节两个单道的参数，示波器显示单道1、单道2的波形如下：
图3-6单道1的输出信号
图3-7单道2的输出信号
再用单道脉冲幅度分析器测137Cs的谱形，保持探测器1的高压-512V，放大器的参数
10
不变，使单道工作在微分状态下，保持道宽H=0.5V不变，从零依次改变下阈值，用智能定标器测量并记录每一阈值下的输出脉冲计数率，便可测得幅度谱。
测得在对应阈值下探测器1的输出脉冲计数如下表：
表3-1通用NaI探测器1在对应阈值下测到137Cs在10s内的输出脉冲计数
下阈值
（V）
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
3.0
3.5
计数
（个）
1021
956
738
504
756
651
535
470
4.0
4.5
5.0
5.5
6.0
6.5
6.6
6.7
490
495
303
111
190
1432
1683
1728
6.8
7.0
7.5
7.7
1586
28
4
用origin软件画出幅度谱图如下：
图3-8探测器1测得的137Cs的幅度谱
从图3-8测得的幅度谱图中，我们可以看到，在6.8V附近有一个很明显的峰，这个峰就是137Cs的单能O.662MeV的γ射线的全能峰，这一脉冲幅度直接反应γ射线的能量。
这个峰之前还有一些峰，这些是康普顿坪和反散射峰等。
11
同理对探测器2保持高压-460V不变，放大器的参数不变，使单道工作在微分状态下，保持道宽H=0.5V不变，改变下阈，用智能定标器测并记录每一阈值下的输出脉冲计数率，便可测得幅度谱。
测得在对应阈值下探测器2的输出脉冲计数如下表：
表3-2通用NaI探测器2在对应阈值下测到137Cs在10s内的输出脉冲计数
976
959
679
764
835
637
611
540
5.8
5.9
6.1
525
205
123
541
1736
1978
1966
1720
6.2
6.4
1200
352
125
8
用origin软件画出幅度谱图如下图：
图3-9探测器2测得的137Cs的幅度谱
同样，从图3-9测得的幅度谱图中，我们可以看到，在6.0V附近有一个很明显的峰，这个峰就是137Cs的单能O.662MeV的γ射线的全能峰。
此峰之前的平台是康普顿坪和反散射峰等。
通过以上的测量结果，各级输出信号的波形以及两个道测得的137Cs源能谱，我们可以明显知道探测器1在-512V，探测器2在-460V高压下可以正常工作，两个线性放大器，两个单道，以及整个电路可以正常工作。
3.322Na的能谱测量以及符合测量时两单道参数的确定
我们取出137Cs源，将22Na放射源放置于两个探测器的正中间，保持源到探测器的距离在合适位置，保持探测器1的高压在-512V，保持探测器2的高压在-460V。
将探测器1的信号输出线接入数字示波器，用示波器观测到探测器1的脉冲输出信号如下图，其幅度为-2.5V，脉宽为2us。
图3-10探测器1测得22Na源的输出信号
将探测器1的输出信号接入线性放大器1，用示波器观测线性放大器1的输出信号，经过调节线性放大器的微分积分，在微分为0.1us，积分为0.1us，放大在100，增益为10时，线性放大器的输出比较合适，输出波形如下图,所以经过线性放大器1的输出幅度为7.8V。
图3-11放大器1的输出信号
将线性放大器1的输出信号接入单道1，适当调节单道的道宽和下阈值，用示波器观测到单道1的输出波形如下图，其幅度为5.2V，脉宽为0.5us。
13
图3-12单道1的输出信号
用单道脉冲幅度分析器测22Na的幅度谱，以便能在做符合测量的时候正确调节单道的阈值，使只有0.511MeV这个能量的光子信号通过单道。
放大器1的参数不变，使单道工作在微分状态下，保持道宽H=0.5V不变，改变下阈，用智能定标器测并记录每一阈值下的输出脉冲计数率，便可测得幅度谱。
测得在对应阈值下探测器1的22Na的输出脉冲计数
如下表：
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