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    放射性测量方法
    2009-07-03 09:02:20

     

        放射性同位素发出的射线与物质相互作用,会直接或间接地产生电离和激发等效应,利用这些效应,可以探测放射性的存在、放射性同位素的性质和强度。用来记录各种射线的数目,测量射线强度,分析射线能量的仪器统称为探测器(probe)。测量射线有各种不同的仪器和方法,正如麦凯在1953年所说:“每当物理学家观察到一种由原子粒子引起的新效应,他都试图利用这种新效应制成一种探测器”。一般将探测器分为两大类,一是“径迹型”探测器,如照像乳胶、云室、气泡室、火花室、电介质粒子探测器和光色探测器等,它们主要用于高能粒子物理研究领域。二是“信号型”探测器,包括电离计数器,正比计数器,盖革计数管,闪烁计数器,半导体计数器和契伦科夫计数器等,这些信号型探测器在低能核物理、辐射化学、生物学、生物化学和分子生物学以及地质学等领域越来越得到广泛地应用,尤其是闪烁计数器是生物化学和分子生物学研究中的必备仪器之一。

     
    一、闪烁型探测器


    1.探测原理
      闪烁型探测器由闪烁体,光电倍增管,电源和放大器-分析器-定标器系统组成,现代闪烁探测器往往配备有计算机系统来处理测量结果。当射线通过闪烁体时,闪烁体被射线电离、激发,并发出一定波长的光,这些光子射到光电倍增管的光阴极上发生光电效应而释放出电子,电子流经电倍增管多级阴极线路逐级放大后或为电脉冲,输入电子线路部分,而后由定标器记录下来。光阴极产生的电子数量与照射到它上面的光子数量成正比例,即放射性同位素的量越多,在闪烁体上引起闪光次数就越多,从而仪器记录的脉冲次数就越多。测量的结果可用计数率,即射线每分钟的计数次数(简写为cpm)表示,现代计数装置通常可以同时给出衰变率,即射线每分钟的衰变次数(简写dpm)、计数效率(E)、测量误差等数据,闪烁探测器是近几年来发展较快,应用最广泛的核探测器,它的核心结构之一是闪烁体。闪烁体在很大程度上决定了一台计数器的质量。
    2.闪烁体
      闪烁体是一类能吸收能量,并能在大约一微秒或更短的时间内把所吸收的一部分能量以光的形式再发射出来的物质。闪烁体分为无机闪烁体和有机闪烁体两大类,闪烁体必需具备的性能是:对自身发射的光子应是高度透明的。闪烁体吸收它自己发射的一部分光子所占的比例随闪烁材料而变化。无机闪烁体[如Nal(Tl),ZnS(Ag)]几乎是100%透明的,有机闪烁体(如蒽,塑料闪烁体,液体闪烁体)一般来说透明性较差。现在常使用的几种闪烁体是:⑴无机晶体,主要是含杂质或不含杂质的碱金属碘化物;⑵有机晶体,在都是未取代的或取代的芳香碳氢化合物;⑶液态的有机溶液,即液体闪烁体;⑷塑料溶液中的有机溶液,即固溶闪烁体。
    3.光电倍增管
      它是闪烁探测器的最重要部件之一。其组成成份是光阴极和倍增电极,光阴极的作用是将闪烁体的光信号转换成电信号,倍增电极则充当一个放大倍数大于106的放大器,光阴极上产生的电子经加速作用飞到倍增电极上,每个倍增电极上均发生电子的倍增现象,倍增极的培增系数与所加电压成正比例,所以光电倍增管的供电电源必须非常稳定,保证倍增系数的变化最小,在没有入射的射线时,光电倍增管自身由于热发射而产生的电子倍增称为暗电流。用光电倍增管探测低能核辐射时,必须减小暗电流。保持测量空间环境内较低的室温,是减小光电倍培管暗电流的有效方法。


    二、晶体闪烁计数(crystal scintillation counting)
    1.探测原理
      γ射线不同于α和β粒子,它类似于光和其它电磁辐射,在与物质作用时不直接产生电离,而是按下述三种机制之一被吸收:光电效应,康谱顿效应和生成电子对。在光电效应中,每个光子将保持它的全部能量直到与吸收物质内原子的一个轨道电子相互作用为止。在此过程中,光子把全部能量给予电子,电子以高速度射出,光子就不再存在,发射出的电子称为光电子,光电子按β粒子同样的方式,将其能量电离,其它原子则消耗掉。在康普顿效应中,能量为hv的入射γ光子,与吸收物质内原子的一个轨道电子相互作用。在该过程中,光子把它的能量给予轨道电子,使电子射出,随后带有较小能量hv的光子按能量和动量两者都守恒的形式被“散射”。射出的电子称为反冲电子,又叫康普顿电子。康普顿电子象光电效应中的情况一样,按与β粒子相同的方式消散它的能量,散射光子进一步通过光电或康普顿过程被吸收。电子对生成时,某些入射光子能量按照爱因斯坦方程转化为质量:E=mc2 式中E为er(乐格)表示的能量,m为以g表示的质量,c为光速,以cm/s为单位,入射的γ光子在吸收物质的一个原子的核场中以一种未知的方式湮灭,随后产生两个粒子,一个负电子和一个正电子,正电子只存在一个很短的时间,一旦它减慢,它就被吸收物质中的一个电子所中和,这一湮灭过程导致一对γ光子的产生,其每一个光子能量为0.51MeV,最终通过光电效应康普顿效应吸收。γ射线由于没有质量,具有很强的穿透性,而且最易被高电子密度的物质所吸收,如铅。具有高原子序数Z的原子直接与高电子密度有关。就探测器而言,某些无机盐能有效地吸收γ光子,发射出强度正比于所吸收γ射线能量的光子。例如,铊激活的碘化钠,由于碘原子的原子序数Z高,并且有较高的密度(比重3.67),而且每吸收单位能量的光子产额高,晶体的光透性也好,用来探测γ射线,效率较高。


    2.探测装置
      一个供探测γ光子用的固体晶体装置包括一个“密闭的”铊激活碘化钠晶体,安放在光电倍增管的表面上。“密闭的”晶体上是一块固态圆筒状的铊激活碘化钠,其顶部和四周都是用铝层包裹以避免光和湿气,因为碘化钠晶体易吸潮,为改善反射性,碘化钠晶体用一玻璃片密封,并同光电倍增管的表面直接接触,其间加些硅油以达到光学匹配,整个装置是不透光的。γ射线易于穿透晶体外表的铝层,然后被高效的晶体所吸收,晶体发射出其能量与入射γ射线能量成比例的可见光。接着,光电倍增管将可见光能量转换为电脉冲,各种能量转换过程(即从γ光子发射直到产生一个电脉冲)成比例的性质,以及γ光子的吸收性质,保证γ放射性同位素可通过晶体闪烁得以计数,并定量。晶体γ计数器通常设计成既能有效地探测光电效应,又能有效地探测康普顿效应。但探测效应随着光子能量的增大而减小,对于大多数市售γ计数器所用碘化钠晶体的尺寸来说,光电效应在低光子能量,例如在低于400keV时占主要地位,而在1MeV附近即以康普顿效应为主。在这两种能量之间,两种效应几乎以相等的频率发生,由于所用的晶体尺寸较小,难以探测到电子对的生成。另外,在塑料溶剂(如聚乙烯甲苯)中加入闪烁体(如POPOP或TP),做成片状,可用来探测能量较高的β射线,如32P放出的1.71MeV的高能量β射线。最早使用的硫化锌晶体较薄,内含微量的微量的银作为激活剂,可用来探测α射线。


    3.晶体闪烁计数的定性、定量分析
      放射性同位素铬主要按电子俘获方式衰变,其半衰期为27.8天,由于电子俘获,原子的原子序数减少1,因而变成一种钒的同位素,按电子俘获方式衰变至基态钒发生的频率为91%,并导致随后发射-5keV的弱X射线,此X射线一般难以探测,因为从样品中出来的 X射线在其能穿入碘化钠晶体之前已被吸收掉了。51Cr有9%的机会通过电子俘获衰变到钒的一种受激核态,并立刻通过发射-320keV的γ射线衰变至稳定的基态,这种γ射线易于探测。用晶体闪烁计数器来观察51Cr,在320keV处观察到一个尖锐的峰,称为光电峰,这是γ光子能量以光电效应损耗的结果,但并非所有能量都以此过程损耗,所以在较低能量时光子能量由于康普顿效应损耗而出现一连串较宽不明显的峰,从光电峰下到谷的对侧称为康普顿边缘。能量低于康普顿区的扩散峰,是由于γ射线对吸收物质的反散射引起的,散射光子的能量低。各种γ射线放射性同位素都有其特征的光电峰,利用特征光电峰,可对各种γ射线放射性同位素进行定性和鉴别。对各种样品的γ射线计数测量是将测得的计数率与总放射性强度或标准源的计数率进行比较,可以算出样品放射性占总放射性或标准源的百分比,从而获得样品放射性强度。


    4.仪器性能的评价
      晶体闪烁计数器现在基本都做成井型或圆柱型,用碘化钠(铊)作为闪烁体,探测γ射线,所以又把探测γ射线的晶体闪烁计数器称为 γ计数器(γ-counte-r)。γ计数器的性能一般是根据其对137Cs的662keV光电峰的分辩能力而加以比较的,探测系统的分辩率是一光电峰展宽程度的量度,定义为最大峰高的一半处的峰宽度(用keV为单位)除以该光电峰的最大脉冲高度(用keV为单位)再乘以100。如果光电倍增管工作在最佳状态时,分辩率能达到7%。但是,通常的井形晶体计数器由于光学性质较差,其分辩率也较差,其分辩率值约为12%。γ射线能量越高,光电峰的分辩率也会有所改善。


    三、液体闪烁计数(Liquifd scintillation counting)
      液体闪烁计数所用的闪烁体是液态,即将闪烁体溶解在适当的溶液中,配制成为闪烁液,并将待测放射性物质放在闪烁液中进行测量。应用液体闪烁计数可达到4π立体角的优越几何测量条件,而且源的自吸收也可以忽略,对于能量低,射程短、易被空气和其它物质吸收的α射线和低能β射线(如3H和14C),有较高的探测效率,液体闪烁计数器是α射线和低能β射线的首选测量仪器。
    1.探测机理
      闪烁液产生光子的过程是,从放射源发出的射线能理,首先被溶剂分子吸收,使溶剂分子激发。这种激发能量在溶剂内传播时,即传递给闪烁体(溶质),引起闪烁体分子的激发,当闪烁体分子回到基态时就发射出光子,该光子透过透明的闪闪烁液及样品的瓶壁,被光电倍增管的光阴极接收,继而产生光电子并通过光电倍增管的倍增管的位增极放大,然后被阳极接收形成电脉冲,完成了放射能→光能→电能的转换。
    2.闪烁液
      液体闪烁计数系统作用的闪烁溶液,是指闪烁瓶中除放射性被测样品之外的其它组分,主要是有机溶剂和溶质(闪烁体),有时为了样品的制备或提高计数效率的需要,还加入其它添加剂。 ⑴溶剂:从β源放射β射线到发射能被肖阴极接收的光妇的这一系列能量转移环节中,能量转移效率是很低的,只有少部分放射能量被利用来发射光子,其中放射源与溶剂之间,能量转移效率大约为5 ̄10%。对溶剂的选择,主要视其对闪烁体的溶介度和将放射能转移给闪烁体的效率而定。如果以一定浓度的闪烁体在甲苯溶液中产生的脉冲高度为100%,那么,凡能产生80%以上的脉冲高度的都定为溶剂,能使脉冲高度随其浓度上升而逐渐减小的称为稀释液,而在浓度很低时就能引起脉冲高度显著下降的叫淬灭剂。在液体闪烁计数系统中,一个好的溶剂应满足下列条件:①对闪烁体的溶介度高;②对放射源的转移效率高;③对闪烁发射的光子透明度高;④在无论有无助溶剂的帮助下都可以溶介放射性样品;⑤在计数器的工作温度下来结冰;⑥能够形成均相的测量溶液。一般认为,烷基苯是最好的溶剂,如甲苯,二甲苯。此外,苯甲醚也是比较好的溶剂。另外,对于含水量较多的样品,采用1,4-二氧不作为溶剂,因为该有机化合物的极性较大,既能很好地溶介闪烁体又可溶介含水量较多的样品,能改善计数效率,缺点是价格昂贵,冰点高,久放后产生淬灭作用很强的过氧化物,必须经纯化才能使用,并应加入 0.001%的二乙基二硫代氨基甲酸钠或丁基氢氧基甲苯


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