放射性的基础知识.docx

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放射性的基础知识

放射性的基础知识

一、放射性衰变

不稳定的原子核，能自发放出射线，转变成稳定的原子核，这一转变过程称为放射性衰变。

自然界存在着稳定性核素和放射性核素，放射性衰变是原子核内部的物理现象。

稳定的原子核中，中子和质子数目通常保持一定的比例，当中子数或质子数过多时，原子核便不稳定，形成放射性核素。

放射性核素又分为天然放射性核素（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（由人工核反应生产的，如Cs-137，Co-60，I-131等）。

1、核衰变方式，主要有以下几种：

1α衰变，放射性原子核放出α粒子（He原子核）后生成另一个核的过程。

ZXA→Z-2YA-4+2He4+Q

它一般发生在原子序数较高的重原子核中,尤其为原子序数大于82的重金属原子核中,如

88Ra226→86Rn222+2He4+4.879Mev

92U238→90Th234+2He4+4.15Mev

2β衰变，分β-衰变、β+衰变和电子俘获三种情况。

β-衰变为放出负电子（e-）的衰变，它是由于原子核中中子过多而造成，放出一个负电子后，核内一个中子转变为一个质子，原子序数增加1，衰变式为：

ZXA→Z+1YA+β-+ν+Q

由于β-衰变产生的能量在β-粒子和反中微子ν之间分配，因此β-粒子的能量是连续分布，最大为Q，最小为0，如：

55Cs137→56Ba137+β-+ν+Q

27Co60→28Ba60+β-+ν+Q

同理β+衰变是放出正电子（e+）的衰变，它是由于原子核内质子过多而引起的，放出一个正电子后，核内一个质子转变为一个中子，原子序数减少1，其衰变式为：

ZXA→Z-1YA+β++ν+Q

自然界中找不到正电子衰变的核素。

电子俘获又称K俘获，它是原子核自核外层轨道上（通常在K层）俘获一个电子，使核里的一个质子转变成一个中子，并放出中微子，衰变式为：

ZXA+e+→Z-1YA+ν+Q

很多放射性同位素会发生电子俘获衰变，如：

26Fe55+e-→25Mn55+ν+Q

53I125+e-→52Te125+ν+Q

电子俘获过程中会伴随发生标识χ射线，γ射线和俄歇电子（即外层电子跃迁至K层时，过剩能量传递给另一个壳层电子发出）。

3γ衰变

在α衰变、β衰变和电子俘获过程中，原子核往往处于激发态（即较高的能级），处于激发态的原子核，通过发出γ光子回到基态（即核平常所处的最低能级），这一过程称为γ衰变。

γ衰变对于核的原子序数Z和质量数A均无影响，仅能量状态发生变化，因此又称同质异能跃迁。

由于处于激发态时间一般都十分短暂（10-13秒左右）。

可以认为γ衰变是与α或β衰变同时发生的，前面提到的137Cs，60Co和125I等β衰变同位素，均伴有γ辐射。

处于激发态的原子核，还可以以内转换电子方式将能量直接传给核外电子，把壳层电子（主要为K层）以单能电子束发射出去，该电子称为内转换电子，此时还会发出标识χ射线或俄歇电子等次级射线。

γ衰变中射线能量大小取决于激发态与基态之间的能量差，它们用千电子伏特（kev）和兆电子伏特（Mev）表示。

它是发射γ线的放射性同位素的特征量，用于识别放射性核素种类的主要依据，也是γ能谱仪分析的主要依据和原理。

2、射线的主要特性

α射线——电离能力强，射程短，穿透力弱，一张纸或皮肤死层（角质层）即可挡住，对人体的损伤仅为内照射。

β射线——电离能力、穿透能力及射程均为中等，对人体的损害主要为皮肤和内照射。

γ射线——是一种电磁辐射，间接电离粒子，电离能力最小，穿透能力最强，散射作用最强，可穿透上公里的空气和几米厚的人体组织，对人体的损害为全身照射。

中子射线——为间接电离粒子，具有较强的穿透力和间接电离能力，对人体的损伤为全身照射。

3、放射性衰变规律

时间t=0时，共有原子核数No个，单位时间中衰变掉的原子核与未衰变的核数N成正比△N/△t=-λN

经积分后得到：

N=Noe-λt

同理可得到A=Aoe-λt

不难可以计算λ=0.693/T1/2

T1/2为原子核数或活度减少一半所需时间，该值为放射性核素的特征量，也是区别放射性核素的重要物理量。

4、天然放射性核素与感生放射性

自然界存在三个天然放射性系列，它们是钍系、铀—镭系和錒系，它们的母体为90Th232（T1/2=1.405×1010年）,92U238（T1/2=4.468×109年）和92U235（T1/2=7.038×108年）。

说它们是系列是因为它们的母体放射性核素衰变后得到的子体仍为放射性核素，经多次衰变后，才达到稳定。

在这之间形成了一个放射性核素的系列。

这些系列的存在原因是由于其母体核素的半衰期与地球年龄（约30亿年）在同一数量级甚至更大。

还有一个镎系，它母体核素为94Pu241，该系列中最长命的93Np237，T1/2=2.14×106年。

在地球中已找不到它了。

除了三个系列外，自然界中还有19K40（T1/2=1.277×109年）。

用核粒子（n、p、α、γ等）轰击较轻的稳定性核素会产生放射性核素，这一过程为称为活化，由此产生的放射性为感生放射性。

它是除裂变外生产同位素的又一个重要途径。

5、放射性单位

衡量某一个放射源或含放射性物质的物理量为放射性活度（Radioactivity）或简称活度（Activity）。

活度也就是放射源的衰变率。

最初放射性活度的单位一直采用居里（Curi）表示。

1居里（Ci）=1000mCi=106μCi=1012pci=3.7×1010衰变/秒

上世纪八十年代中期，推广国际制单位（SI），放射性活度的国际制单位为贝柯（Becqurel）。

1贝柯（Bq）=1衰变/秒=2.7×10-11Ci

1千贝柯（KBq）=103衰变/秒=2.7×10-8Ci

1兆贝柯（MBq）=106秒=2.7×10-5Ci

目前两种单位同时使用，但正式文件和出版物中，必须首先使用国际制单位。

二、γ射线与物质的相互作用

γ射线与物质的相互作用，仅与它们的能量有关，而与它们的起源无关。

在通常的能量范围（<30Mev）γ射线与物质的相互作用主要有以下三种：

1、光电效应

γ光子与物质原子中壳层电子作用，把全部能量转移给某个束缚电子，使它发射出去成为自由电子，而其本身消失，该过程为光电效应。

在光电效应中，光电子的能量Ee=hν-Bi≈hν,hν为γ光子能量，Bi为光电子脱离原子壳层所需之能量，称为电子结合能，它们通常为几千至几十千电子伏特。

因此近似可以认为光电子动能等于γ光子能量，在γ能谱仪上出现的光电峰也可称为全能峰，或特征峰，它是识别放射性核素所依据的能峰。

约有80%的光电效应发生K层，L层次之，M、N层更少。

在内层电子被打击出现空位情况下，外层电子跃迁入内层，因此在放射光电子的同时还伴随着产生标识χ射线和俄歇电子。

光电效应的截面（作用的几率）与物质原子序数的5次方成正比，原子序数越大的物质，光电截面越大，吸收γ射线的本领也越大。

它与γ光子的能量成反比，γ光子能量越大，光电截面越小。

2、康普顿效应

γ光子与原子核外壳层电子发生非弹性碰撞，一部分能量转移给电子成为反冲电子脱离原子，另一部份能量由改变方向后的散射光子带走，这一过程称为康普顿效应。

康普顿效应总是发生在束缚得最松的外层电子上，γ光子的能量在反冲电子与散射光子两者之间进行分配。

当散射角为0°时，散射光子能量最大为hν，反冲电子能量最小为0；当散射角为180°时，（为反散射），散射光子能量最小，约为200kev左右（无论入射光子能量多少），而反冲电子能量达最大，为hν—200kev左右。

在反冲电子的最大能量处，反冲电子数目最多，形成康普顿坪的边缘，在较低能量处，电子数大体相同。

由康普顿效应产生的康普顿坪，是能谱分析中每个谱图都会出现的，在解复杂谱时，低能放射性核素的全能峰迭加在康普顿坪上，往往给定量分析带来很大的困难。

散射光子在改变方向后，可继续与物质相互作用，发生多次散射或产生光电效应被吸收，由于这一过程是在微微秒水平的时间尺度上发生的，因此可以认为它们是同一事件，被吸收后增加全能峰的计数。

3、电子对效应

能量大于1.02Mev（即2moC2）的γ光子，经过原子核傍时，在原子核电场作用下，转化为一个正电子和一个负电子（即一个电子对），这一过程称为电子对效应。

在电子对效应中，入射光子能量中，1.02MoC2转化为电子对的静止能量，其余成它的动能，即hν=Ee++Ee-+2moC2

正负电子之间能量分配是任意的。

电子对效应的逆过程为湮没辐射，正负电子发生湮没时，产生两个γ光子，其能量相同（均为0.51Mev）,方向相反。

电子对效应作用截面（几率）与物质原子序数Z2成正比,，与λ射光子能量hν或ln（hν）成正比，因此物质原子序数越大，γ光子能量越高，发生电子对效应几率越大。

4、γ射线的吸收

γ射线穿过物质时，通过上述三类效应发生能量转移，每发生一次碰撞便是一次能量大转移，但未经碰撞的光子，它的能量不变。

因此经物质吸收后，尽管强度逐渐减弱，但对于某一个γ光子无确定的射程。

对于低能γ射线和原子序数高的吸收物质，光电效应占优势

对于中能γ射线和原子序数低的吸收物质，康普顿效应占优势。

对于高能γ射线和原子序数高的吸收物质，电子对效应占优势。

经准直的γ射线（窄束γ射线）在通过物质时，其强度减弱呈指数规律I=I0e-μtμ=μPh+μC+μP

t为吸收物体的厚度，I为γ射线强度（I0为t=0处强度），μPh、μC、μP分别为光电吸收系数，康普顿吸收系数和电子对吸收系数。

三、其它粒子与物质相互作用

1、带电粒子与物质相互作用

1电离（产生离子对）与激发（至较高能级）；

2弹性散射（改变运动方向，不发生能量变化）；

3轫致辐射（受原子核库伦电场作用减速，一部分能量转变成具有连续能谱的电磁辐射）；

4湮没辐射（粒子与反粒子发生碰撞时，质量可转化为γ辐射）；

2、中子与物质相互作用

中子与原子核碰撞给出部分能量，反冲核在物质中快速运动，引起物质电离。

由动量守恒和能量守恒定律可知，与轻核碰撞时，中子消耗的能量多，反冲核得到的能量大，引起电离强烈；相反与重核碰撞，给出能量少，引起电离较弱。

此外中子还能引起辐射俘获发射γ光子和引起核反应等。

四、NaI探测器

1、组成和工作过程

由NaI晶体、光导、光电倍增管和电子线路部分构成。

电子线路包括分压器、阴极跟随器和高压电源等。

工作过程可分为五个相关联的步骤：

1γ射线进入闪烁体，发生光电，康普顿、电子对效应，闪烁体吸收次级电子能量，使闪烁体原子和分子电离和激发。

2被电离激发的原子和分子退激时产生光子。

3利用反射物尽可能将光子收集到光电倍增管的光阴极上，由光电效应，光子在光阴极上打击出光电子。

4光电子在GDB中倍增（可增加几个数量级），倍增的电子流在阳极负载上产生电信号。

5此讯号由电子仪器记录。

2、NaI闪烁体

在核辐射进入NaI晶体时，电子从价带激发到导带（或激带）产生自由电子—空穴对，当电子从导带激带退激，跃迁到价带时将发出光子（可见光），为了使产生的光不被晶体自身吸收（又产生电子从价带至导带），则需在NaI中加入少量杂质原子（Tl），在禁带中产生杂质能级。

处于杂质能级的电子以发光形式跃迁到价带，这就是闪烁过程。

主要技术指标为发光光谱（NaI为4150A），发光效率，发光时间（一般为10-9秒）。

由于NaI闪烁体中，碘有较高的原子序数（Z=53），因此γ探测效率特别高，而且在闪烁探测器中分辨率也属最好，（对137Cs的662Kev峰可达7%左右）。

它的缺点为易潮解，温度改变时，发光效率、分辨率和时间特性也会变差。

3、光学收集系统

光学收集系统由反射层、耦合剂、光导等组成，使NaI闪烁体发射的光能均匀，有效地收集在GDB的光阴极上。

NaI（TI）晶体在封装时，四周填充漫散射的氧化镁粉末作反射层，光子经多次散射后仍能到达光阴极被收集。

耦合剂作用为减少闪烁体与光阴极窗界面上光的全反射,在晶体与光电倍增管之间加入耦合剂硅油,可使输出脉冲幅度增加1/3到1倍。

光导的作用为把光有效地传递给GDB的光阴极,一般仅在闪烁体面积与GDB端窗的面积形状不一样等特殊情况下应用。

4、光电倍增管

闪烁体出来的光子，在光电倍增管的光阴极上产生光电效应，打出电子，由电子光学输入系统加速、聚焦后依次射向各打拿极（倍增极），经多次倍增后（一般每打拿极倍增系数为9-14），阳极收集所有电子，转变为电压脉冲输出。

光电倍增管按打拿极结构可分聚焦型和非聚焦型，它们各具特点，适于作不同的应用。

光电倍增管中各电极的电位由外加电阻分压器抽头供给。

光电倍增管有光谱特性，倍增特性、时间特性、暗电流特性和稳定性等多项指标。

具体使用应根据不同类型光电倍增管的不同指标作出正确选择。

5、高压电源

供光电倍增管用的高压电源，一般要求电压在500—1500V之间，电流在1mA以上。

由于高压的波动会引起放大倍数波动高一个数量级，因此对电压稳定性的要求比放大倍数稳定性要求高一个数量级。

特别作能谱测量，谱峰位置的稳定性十分重要（一个高压稳定性为0.2‰的高压电源,取道址为256道时,峰飘小于半道）。

五、NaI单晶谱仪γ谱的生成

当γ射线的能量全部耗尽在NaI闪烁体内时,探测器输出的脉冲幅度与入射的γ光子能量成正比,由此可根据脉冲幅度谱来测定γ光子的能谱。

1、一个单核素137Cs的谱的生成

137Cs的662kev能谱包括三个峰和一个平台（典型）

A—全能峰，662kev直接反映γ射线能量，由光电效应及多次效应的贡献；

B—康普顿坪，为散射光子逃出NaI后留下的一个能量连续的电子谱，该坪有个边界，应在470kev左右；

C—反散射峰，它是由于在NaI中未经吸收穿出的γ光子，在闪烁体后面物质上发生康普顿效应，反散射光子回NaI中，通过光电效应被记录，由前述，它的能量总在200kev左右。

D—137Ba的χ射线峰，由于137Cs发生β衰变后，137Ba的激发态放出内转换电子，在K层造成空位，外层电子跃迁而成。

实际谱图中，C峰和D峰可能较弱而并不明显。

2、一个能量较高核素24Na的谱的生成

24Na的1380kev和2760kev峰能谱包括如下的峰：

A—全能峰1380kev

B—全能峰2760kev

C—双逃逸峰，电子对效应产生的正负电子湮灭时产生的二个γ光子全部逃离NaI闪烁体，它的能量为2760-1020=1740kev

D—单逃逸峰，电子对效应产生的正负电子湮灭时产生的二个γ光子，一个逃离NaI，一个能量被NaI吸收。

其能量为2760-510=2250kev

3、引起γ谱线复杂化的其它物理过程

1累计效应

由于散射光子在NaI中再次作用与原反冲电子被吸收属于同一事件，仅输出一个脉冲，因此全能峰中有相当一部分计数来自多次相互作用的累计效应。

但是NaI（TL）晶体的发光线性不是很好，特别在低能区（<150kev），每单位吸收能量相应的脉冲幅度偏大，因此由累计效应所产生的脉冲要比一次作用吸收同样能量的脉冲幅度大，这就造成全能峰增宽，这是NaI晶体的分辨率不及HPGe晶体的最重要原因。

2和峰效应

由于在一次核衰变中产生的级联γ光子，同时被NaI晶体吸收，引起了一个真符合事件，这时NaI输出的不是两个分开的脉冲，而是输出一个幅度为该两个光子能量之和的脉冲。

典型例子如60Co，它的两组能量为1170kev，1330kev，但在2500kev处会产生一个真和峰。

和峰的发生概率与源强和探测器的效率有关。

由偶然符合也可能产生和峰，它仅在高计数率下有意义。

3碘逃逸峰

发生在NaI晶体表面处的光电效应，碘原子K层的χ射线（28kev）可能逸出晶体，相应的脉冲幅度能量为

hν–28kev，此脉冲组成峰为碘逃逸峰。

此峰在能量大于170kev的γ射线中就逐渐看不到了。

4边缘效应

发生在边缘的次级电子可能逸出晶体，将部份动能损失在NaI之外，此为边缘效应，这在高能γ射线中会强一些。

5干扰辐射所产生的峰

主要有特征χ射线峰，散射辐射和反散射射峰、湮没辐射峰、轫致辐射等等，为防止β射线进入探测器，可采用加吸收片（采用低原子序数材料）办法。

综上所述，对于不同能量的γ射线，γ能谱有不同的特征：

在低能时：

主要有光电峰、碘逃逸峰

在中能时：

主要有光电峰、康普顿坪

在高能时（特别在1.5Mev以上）:

主要有光电峰、康普顿坪、单逃逸峰、双逃逸峰等等。

六、谱仪的刻度和解谱方法

1、能量刻度

确定射线能量与峰位置（道址）的关系，由峰位便可以找出射线能量，进而确定放射性同位素种类。

因此能量刻度是NaI谱仪应用的最关键步骤。

典型的能量刻度曲线近似为一条直线（在100—1300kev间）由一阶方程表示（E=GX+Eo），但精确能量刻度必须考虑其非线性问题（特别在低能和高能时）。

此时能量刻度曲线要采用二阶方程表示（E=ao+a1x+a2x2）

更精确的能量刻度可采用分段曲线拟合法。

放射源的选择是能量刻度最重要的事。

国际原子能机构（IAEA）推荐的一组标准源241Am、57Co、203Hg、22Na、137Cs、54Mn、88Y和60Co可满足60kev—1800kev能区的刻度。

能量刻度需在一定的测量条件下进行（如温度等环境条件），条件有较大变化时，应重新刻度。

2、效率刻度

效率刻度是开展定量分析必须进行的工作，可采用理论计算办法（如蒙特—卡罗方法）和实验的方法，已有许多现成的软件可帮助这一工作。

在实验室普遍使用的还是相对刻度的办法。

该方法必须在实验室制备一套核素组成、形状等相同的标准源。

计数率还不能太大，防止累计效应等。

3、解谱方法

NaI探测器，由于分辨率较差，因此正确解谱是一个十分重要的问题。

近二十多年来，已产生了许许多多的解谱方法，也编制过许多计算机软件进行γ能谱的定量分析，这些方法归纳起来有：

1峰面积法（一般适用于单峰等简单的谱）

又可分曲线拟合法和计数求和法。

它们有全峰面积法、Covell法、Wasson法、Sterlinski法、Quittner法等。

2剥谱法，从混合谱中逐个剥去各个核素的谱。

3逆矩阵法（适于解复杂谱）。

4逐道最小二乘法（适于解复杂谱）。

5函数拟合法（适于解复杂谱）

6反卷积法，适于高斯形状峰的一次迭代（适用于解重峰等复杂谱）。

七、辐射剂量学常用的物理量和单位

1、照射量率х与伦琴（R）

照射量率是表示χ与γ射线在空气中产生电离大小的物理量。

它是一个描述辐射场性质的量，由射线在空气中实际电离能力来判断辐射潜在的电离能力。

长期以来沿用单位为伦琴（国际单位制为每千克库仑数）

1伦琴（R）=103毫伦（mR）=106微伦（μR）

单位时间的照射量为照射量率，其最常用单位为μR/h

照射量与照射量率仅适用于χ、γ辐射和空气介质。

2、吸收剂量D与戈瑞（Gy）

吸收剂量为电离辐射与物质相互作用时，表示单位质量受照射物质吸收电离辐射能量大小的物理量。

吸收剂量大小与介质有关，吸收剂量的国际单位制单位为戈瑞（Gy），原沿用的专门单位为拉德（rad），1rad=10-2Gy。

当介质为空气时，1伦琴相当于0.873拉德。

单位时间内的吸收剂量为吸收剂量率，常用的有Gy/h、mGy/h、μGy/h、nGy/h等。

3、剂量当量H与西弗（Sv）

吸收剂量产生的生物效应与射线的种类、能量及照射条件有关，即使受相同数量的吸收剂量照射，因射线种类和辐射条件不同，所致的生物效应的严重程度和发生的几率也不相同。

为了统一表示各种射线对机体的危害程度并对不同辐射剂量得到生物学上有意义的总剂量，辐射防护中产生了剂量当量概念。

剂量当量H是用适当的修正系数与吸收剂量相乘，使修正后的吸收剂量能更好地和辐射损伤效应相联系，其公式为：

H=D×Q×N

D—组织内所关心点之吸收剂量（Gy）

Q—品质因数，对χ、γ和电子，该值为1﹔对N、P和静止质量大于1a.m.u的单电荷粒子，该值为10﹔对于d和多电荷粒子（如α）该值为20。

N—为所有其它修正系数乘积，它反映空间和时间上不均匀的照射，由ICRP26号报告，该值暂定为1。

剂量当量的国际制单位为西弗（Sv），原沿用单位为雷姆（rem）。

1Sv=102rem

单位时间内的剂量当量为剂量当量率，单位有μSv/h、Sv/a等

4、有效剂量当量

对于随机效应，在全身非均匀受照射情况下，引进有效剂量当量的概念HE=ΣTWTHT

WT为各器管相对危险度权重因子，等于器官T的随机性危险度与全身受到均匀照射时的总危险度之比。