成都理工大学核辐射测量方法复习题(完整版).docx

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一、名词解释（每名词3分，共24分）

半衰期：

放射性核素数目衰减到原来数目一半所需要的时间的期望值。

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。

射气系数：

在某一时间间隔内，岩石或矿石析出的射气量N1与同一时间间隔内该岩石或矿石中由衰变产生的全部射气量N2的比值，即η*=N1/N2×100%。

原子核基态：

处于最低能量状态的原子核，这种核的能级状态叫基态。

核衰变：

放射性核素的原子核自发的从一个核素的原子核变成另一种核素的原子核，并伴随放出射线的现象。

α衰变：

放射性核素的原子核自发的放出α粒子而变成另一种核素的原子核的过程成为α衰变

衰变率：

放射性核素单位时间内衰变的几率。

轨道电子俘获：

原子核俘获了一个轨道电子，使原子核内的质子转变成中子并放出中微子的过程。

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。

线衰减系数：

射线在物质中穿行单位距离时被吸收的几率。

质量衰减系数：

射线穿过单位质量介质时被吸收的几率或衰减的强度，也是线衰减系数除以密度。

铀镭平衡常数：

表示矿（岩）石中铀镭质量比值与平衡状态时铀镭质量比值之比。

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）。

平均电离能：

在物质中产生一个离子对所需要的平均能量。

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。

核素:

具有特定质量数，原子序数和核能态，而且其平均寿命长的足以已被观察的一类原子

粒子注量：

进入单位立体球截面积的粒子数目。

粒子注量率：

表示在单位时间内粒子注量的增量

能注量：

在空间某一点处，射入以该点为中心的小球体内的所有的粒子能量总和除以该球的截面积

能注量率：

单位时间内进入单位立体球截面积的粒子能量总和　　　

比释动能：

不带电电离粒子在质量为dm的某一物质内释放出的全部带电粒子的初始动能总和

剂量当量：

某点处的吸收剂量与辐射权重因子加权求和

同位素:

具有相同的原子序数，但质量数不同，亦即中子数不同的一组核素

照射量：

X=dq/dm，以X射线或γ射线产出电离本领而做出的一种量度

照射量率：

单位质量单位时间内γ射线在空间一体积元中产生的电荷。

剂量当量指数：

全身均匀照射的年剂量的极限值

同质异能素：

具有相同质量数和相同原子序数而半衰期有明显差别的核素

平均寿命：

放射性原子核平均生存的时间.与衰变常熟互为倒数。

电离能量损耗率：

带电粒子通过物质时，所经过的单位路程上，由于电离和激发而损失的平均能量

平衡含量铀：

达到放射性平衡时的铀含量

分辨时间:

两个相邻脉冲之间最短时间间隔

康普顿边:

发生康普顿散射时，当康普顿散射角为一百八十度时所形成的边

康普顿坪：

当康普顿散射角为零到一百八十度时所形成的平台

累计效应:

指y光子在介质中通过多次相互作用所引起的y光子能量吸收

边缘效应:

次级电子产生靠近晶体边缘，他可能益处晶体以致部分动能损失在晶体外，所引起的脉冲幅度减小

和峰效应:

两哥y光子同时被探测器晶体吸收产生幅度更大的脉冲，其对应能量为两个光子能量之和

双逃逸峰：

指两个湮没光子不再进行相互作用就从探测器逃出去

响应函数:

探测器输出的脉冲幅度与入射γ射线能量之间的关系的数学表达式

能量分辨率:

表征γ射线谱仪对能量相近的γ射线分辨本领的参数

探测效率：

表征γ射线照射量率与探测器输出脉冲1. 峰总比:

全能峰的脉冲数与全谱下的脉冲数之比

峰康比:

全能峰中心道最大计数与康普顿坪内平均计数之比

峰总比：

全能峰内的脉冲数与全谱下的脉冲数之比

入射本征效率：

指全谱下总脉冲数与射到晶体上的y光子数之比

本征峰效率：

全能峰内脉冲数与射到晶体上y光子数之比

源探测效率:

全谱下总计数率与放射源的y光子发射率之比

源峰探测效率:

全能峰内脉冲数与放射源y光子发射率之比

光电吸收系数:

光子发生光电效应吸收几率

光电截面:

一个入射光子单位面积上的一个靶原子发生光电效应的几率

原子核基态：

原子核最低能量状态

轫致辐射：

高速带电粒子通过物质时与库仑场作用而减速或加速时伴生的电磁辐射。

俄歇电子：

在原子壳层中产生电子空穴后处于高能级的电子和跃迁到这一层，同时释放能量，当释放的能量传递到另一层

的一个电子，这个嗲你脱离原子而发射出来，发射出来的电子称为俄歇电子。

二、填空（每空0.5分，共9分）

1.天然放射性钍系列的起始核素是　238U　　其半衰期是　4.468×109a　

2.天然放射性铀系列的起始核素是232T其半衰期是1.41×1010a

3.铀系、钍系和锕铀系中的气态核素分别是222Rn、　220Rn和　　219Rn　；其半衰期分别是3.825d、　54.5s和　3.96s　。

4.α射线与物质相互作用的主要形式是电离和激发。

5.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。

6.天然γ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

7.β衰变的三种形式是　β-衰变　、　β+衰变　和　轨道电子俘获。

8.形成电子对效应的入射光子能量应大于1.02MeV。

9.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。

10.β－衰变的实质是母核中的一个　　中子　　转变为　质子　　。

11.β＋衰变的实质是母核中的一个　　质子　　转变为　　中子　　。

12.轨道电子俘获的实质是母核中的一个　　质子　　转变为　　中子　　。

13.半衰期与平均寿命的关系是。

14.半衰期与衰变常数的关系是。

15.α粒子是高速运动的　氦原子核。

16.天然γ射线的最大能量是　　2.62MeV　　。

17.天然α射线在空气中的最大射程是　　8.62cm　。

18.铀系气态核素是222Rn；其半衰期是3.825d。

19.中子按照能量可以大致分为慢中子、中能中子和快中子三类。

20.γ射线谱仪的性能指标中表征γ能谱仪能量分辨本领的参量是半高宽度（FWHM）。

21.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。

22.描述带电粒子束大小的物理量及其单位是照射量率和C∕（kg﹒s）

23.钴60伽玛射线源放出两种伽玛射线的能量是1.33Mev和　1.17Mev

四、论述题

24.β衰变放出的β粒子的能谱，为什么是连续谱。

母核经β衰变所释放出的能量被子核、β粒子及中微子（或反中微子）带走。

由于三个粒子发射方向所成角度是任意的，所以他们带走的能量也是不固定的。

故β粒子的能谱是连续的。

25.试画出Cs-137的衰变纲图。

26.试画出Co-60的衰变纲图。

27.试画出K-40的衰变纲图。

28.什么是放射性“谱平衡”。

当伽马射线穿透物质的时候，当物质达到一定的厚度时，射线谱线的成分不再随物质厚度的增加而改变，射线谱成分大体一致，各能量之间相对组分大致不变

29.什么是“小探测器”

是指探测器的体积小于初始γ射线与吸收材料相互作用所产生的次级γ辐射的平均自由程；

30.简述照射量的物理概念及其与吸收剂量之间的关系。

答：

Χ=dQ／dmdt，D=dE／dm。

Χ：

通过某点无源γ射线强度穿过一定通量的γ射线对空气体积元的作用。

D：

一定辐射量在吸收物质中产生的化学和物理效应。

Χ的作用范围广于D的作用范围。

31.什么是放射性平衡。

当衰变的时间足够长时，母核与子核的数目之比和活度之比趋向一个常数，子体以母核的半衰期衰减，这时称达到放射性平衡

32.什么是放射性暂时平衡

。

如果母核的半衰期不是很长，平衡时间只能维持在有限时间，当母核全部衰变完成以后，放射性平衡将不复存在，称此时为放射性暂时平衡

33.试解释散射射线照射量率与散射体原子序数Z的关系曲线。

随着原子序数增大，散射射线的照射量率逐渐降低，轻物质的散射饱和厚度较大，重物质的饱和厚度较小

34.简述引起伽玛射线仪器谱复杂化的主要因素？

累积效应和峰效应特征X射线逃逸边缘效应

35.简述在伽玛射线谱上来自探测器外的主要干扰辐射？

特征X射线峰散射辐射和反散射峰湮没辐射峰韧致辐射的影响

36.简述我国对放射源的分类及其对人体健康的危害程度。

放射源类型分为五类。

Ⅰ类放射源为极高危险源，在没有防护情况下接触这类源几分钟到一小时可以致死。

Ⅱ类放射源为高危险源，在没有防护的情况下接触几小时至几天可以致死。

Ⅲ类放射源为危险源，在没有防护情况下接触几小时可对人造成永久性损伤，接触几天至几周可以致死。

Ⅳ类放射源为低危险源，基本上不会对人造成永久性伤害，但对长时间，近距离接触此类源可造成可修复的临时性损伤。

Ⅴ类源为极低危险源，不会对人造成永久性损伤。

37.简述产用的闪烁探测器，α、β、γ射线分别用哪种闪烁体探测器比较合适？

ZnS（Ag）闪烁体塑料、液体闪烁体NaI（Tl）

38.简述电离型探测器和闪烁型探测器的区别。

电离探测器是通过收集射线在气体中的电离电荷来测量核辐射。

闪烁探测器是通过带电粒子打在闪烁体上，使原子分子等发生电离激发，在退激过程中发光，利用光电倍增管将光信号转变为可测电信号来测量核辐射

39.在小立体角带电粒子测量中对总探测效率影响较大的因素有哪些？

40.在带电粒子测量4π计数法中总探测效率主要考虑的影响因素有哪些？

41.源探测效率εs的主要影响因素有哪些？

1、为去除噪声脉冲，仪器设置一定的甄别阈，这将去除一小部分幅度小的γ脉冲。

2、射线打在晶体外壳，反射层等物质不可避免的发生散射，散射射线的存在，这会对计数产生干扰3、特征X射线或韧致辐射的干扰

42.探测器固有能量分辨率的理论数学表达式，对其主要的影响因素有哪些？

43.全能峰是怎么形成的?

44.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）

45.画出γ能谱仪的基本框图，并说明各个部分的作用。

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。

46.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？

天然核素释放的伽玛射线在岩石中作用最主要的形式是什么？

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（1分）。

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）

在0.3MeV~3MeV范围内，γ天然放射性核素产生的γ射线与岩石作用最主要的形式是康普顿效应。

（2分）

47.简述NaI（Tl）仪器谱中反散射峰的形成的机理和能量特点。

γ射线在探头和源衬托物上以及周围的屏蔽物上都易发生散射，特别是在进入晶体被吸收是康普顿坪的计数增加，将在胖普顿坪上形成一个小的凸起这就是由反散射光子形成，由于反散射光子的能量随入射光子能量变化不大，反散射峰通常在200Kev左右

48.简单描述伽玛射线与物质相互作用的电子对效应。

49.常用的γ能谱测量的探测器有那些？

用于γ总量测量探测器有那些？

能谱测量：

半导体探测器正比计数器闪烁探测器电离室。

总量测量：

半导体探测器正比计数器闪烁探测器电离室盖革计数管

50.简述放射性核素活度相对测量的原理。

先选取适当的标准源，测量其计数率n标。

由于标准源的活度A标已知，则由下式可算得探测装置的总探测效率η，然后，在相同的测量条件下，用同一台装置测量未知样品，得计数率n样，则样品的活度

51.简述放射性相对测量标准样的要求有哪些？

1、标准样的放射性物质的纯度要求高，含量准确已知，其衰变情况，能量成分也应清楚2、标准养的放射性物质的半衰期应该长，以保持稳定的能注量率3、标准样应制作容易，使用安全

52.伽马射线标准源主要有哪些，适合于哪种测量？

（能量刻度、照射量率（强度）、）

纯镭标准源测能量刻度Co-60标准源测强度

53.带电粒子测量中影响探测效率的因素有哪些？

54.一般情况气体电离探测器、半导体探测器、闪烁体探测器中的固有能量分辨能力从高到低如何排序，为何？

55.简述电离室、正比计数管、G-M计数管分别适合探测什么粒子？

电离室Xβγ中子正比计数器Xγ盖革计数管β

56.简述闪烁体探测器由哪几部分组成？

57.简述光电倍增管的作用。

将闪烁体的闪烁光转换为光电子，并进行倍增，输出一个幅度较大的信号

四、论述题

1.简单描述γ射线与物质相互作用的电子对效应。

解答：

随着入射光子的能量增加，当光子能量大于1.02MeV时（1分），就存在形成电子对效应的几率，即光子完全呗吸收，同时产生一正、负电子对（2分）。

电子对的能量为E=hv-2m02=hv-1.02（MeV），其中hv为入射光子能量（2分）。

正电子很不稳定，很快与电子结合释放两个能量相同，方向想法的光子，此现象称正电子湮没。

（1分）

2.试论述γ射线与物质相互作用的光电效应。

解答：

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。

3.试论述γ射线与物质相互作用的康普顿效应。

（要求推出能量公式，画出示意图）。

（2分）

解答：

当入射γ射线与原子的电子壳层中一个电子发生一次碰撞，（可以是束缚电子，也可以是自由电子）时，γ射线将部分能量传递给电子，使它与γ射线地初始运动方向呈角射出，而γ射线与初始运动方向呈角散射。

（3分）

公式：

（4分）

4.试论述大气氡的主要来源与影响大气氡浓度变化的主要因素。

5.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（并简单描述各谱线的各组成部分）。

Na（T1）闪烁谱计数器的137Cs能谱图

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）

6.试论述X射线荧光分析方法对元素进行定性、定量分析的基本原理。

入射粒子与原子发生碰撞，从中逐出一个内层电子，此时原子处于受激状态。

随后（10-12～10-14s），原子内层电子重新配位，即原子中的内层电子空位由较外层电子补充，两个壳层之间电子的能量差，就以X射线荧光的形式释放出来。

特征X射线能量与原子序数的平方成正比，通过莫塞莱定律可以对特征X射线定量分析

7.试画出“小探测器”记录单能伽玛射线的谱线，并解释其形成机理。

8.试画出“中等探测器”记录单能伽玛射线的谱线，并解释其形成机理。

9.试画出“大探测器”记录单能伽玛射线的谱线，并解释其形成机理。

10.论述影响伽玛能谱仪能量分辨率的主要干扰因素。

γ射线的能量和分支比放射源的辐射性质探测器的物理性质实验条件和环境布置

11.试画出伽玛能谱仪的原理框图，并论述伽玛射线能量测定的工作原理。

12.试画出伽玛能谱仪的原理框图，并论述伽玛射线照射量率测定的工作原理。

13.论述气体电离探测器的工作区如何划分的，各区有何特点，对应的气体探测器分别为什么？

14.分别论述X射线与γ射线的形成过程，对这两种射线加以区别。

15.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。

表征γ摄像谱仪对能量相近的γ射线分辨本领的参量，用全能峰的半高宽度或相对半高宽度表示，对于NaI主要给出Cs137d的662kev全能峰的相对半高宽度为8%左右

16.论述小立体角法和4π计数法测量带电粒子中影响探测效率因素的区别？

17.与α粒子测量相比β粒子测量中独有的影响因素时什么？

试论述如何确定其影响因子？

五、计算题

1.推导窄束单能γ射线随穿透物质的厚度呈指数规律衰减（假设线衰减系数为μ）。

2.试推导无限大含铀均匀的体源上方γ射线照射量率I（假设体源的有效线衰减系数为μ，密度为ρ，平衡铀的伽玛常数为K）。

解答：

如右图所示。

矩形代表体源，P点到源面的距离为H，带源内点S的距离为r。

计算P点的γ射线照射量率I如下：

已知平衡铀的伽玛常数为K，则距任意铀含量的点源任一距离处的照射量率为：

（1）

式中，c为以毫克为单位的铀含量；r为离铀源的距离（cm）。

（4分）

体源在p点产生的γ射线照射量率是源内各体积单元dv所产生的γ射线照射量率dI的总和。

体积单元可看作点源，dv所产生的γ射线照射量率可看作点源的照射量率。

则

（2）（2分）

式中，dm—dv体积单元内以克为单位铀的质量，即（3）

由数学推导知

（4）

（3）、（4）式带入

（2）式，得

（5）（2分）

对（5）式，把dI对整个无限大含铀均匀的体源进行积分；积分限为：

由0～；r由～H；

由0～。

则

当H＝0时，

经计算得：

（2分）

3.计算距一个活度为1居里的钴60放射源一米远处的伽玛射线照射量率。

（已知钴60放射源放出能量分别为1.33MeV和1.17MeV两组伽玛光子，每次衰变产生光子的百分比均为100%，它们在空气中的质能吸收系数分别为2.623×10-3m2/kg和2.701×10-3m2/kg）。

4.推导放射性核素的原子数随时间呈指数规律衰减。

5.设某放射性核素的原子量为A，半衰期为T天，计算1贝可活度的质量M为多少克。

6.试论述氡气引入闪烁室后，α粒子注量率随时间的变化规律。

7.设某放射性核素每次衰变放出能量为Ei的光子几率为ni，共放出N种能量光子，计算活度为mBq的该核素点状源，在d厘米处的伽玛光子能注量率。

伽玛射线在空气中的照射量率为多少C/Kg·s（设空气中产生一对离子的平均电离能为w，空气对Ei光子的质量吸收系数为µi/ρ）。

8.若某镭源的伽玛常数为59.2×10-3C/Kg·s（距1厘米远），计算距该镭源1米处的伽玛照射量率为多少。

9.试推导无限大含铀均匀的体源上方γ射线照射量率I（假设体源的有效线衰减系数为μ，密度为ρ，平衡铀的伽玛常数为K）。

10.设铀的质量为5克，当铀镭平衡时，计算此时镭的质量。

NRa=λUNUλPa=4.8735×10-101.3720×10-115×6.023×1023238

MRa=226×NRa6.023×1023=5×3.37×10-7g

11.发生康普顿散射时，试从动量、能量守恒角度推导康普顿散射电子Ee的表达式。

（画出康普顿散射作用的草图、在图中注明各物理量）

12.能量刻度计算

13.什么是分辨时间，论述探测结果如何消除其影响，当要求其所引起的相对误差小于d时，探测器入射射线强度有何要求？

（要求公式推导与论述结合，探测器探测粒子数为n1，入射粒子数n0，分辨时间为t）

14.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+c

2620=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

92U91Pa90Th89Ac88Ra87Fr86Rn85At84Po83Bi82Pb81Tl

铀　镤　钍　锕　镭　钫　氡　砹　钋　铋　铅

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）