符合法测量放射源活度.docx

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符合法测量放射源活度

符合法测量放射源活度

引言,

符合测量技术在核物理实验各领域中有着广泛的应用，在核反应的研究中，可以用来确定反应物的能量和角分布；在核衰变测量中可以用来研究核衰变机制、级联辐射之间的角关联，短寿命放射性核素的半衰期等；在早期用于宇宙射线的研究，按一定方向放置的几个计数管的符合测量，可以测量宇宙线在各个方向上的强度分布角分布和观察簇射现象。

上世纪六十年以来，由于快电子学、多道分析器和多参数分析系统的发展以及电子计算机在核实验中的应用，符合法已成为实现多参数测量必不可少的实验手段。

通过本实验可以学习符合测量的基本方法并用符合法测定放射源的绝对活度。

一．实验的基本原理

1.瞬时符合延迟符合反符合和符合法

符合法是研究相关事件的一种方法，相关事件是指两个或两个以上同时发生的事件，也叫符合事件。

符合法要利用符合技术即用电子学的方法在不同探测器的输出脉冲中把符合事件选择出来。

选择同一时刻脉冲的符合称为瞬时符合图1a。

选择不同时的，但有一定延迟时间联系的脉冲符合称为延迟符合。

而排斥同一时刻脉冲或时间关联脉冲的技术就是反符合。

图一：

符合测量

2.真符合和偶然符合

符合电路的每个输入端都称为符合道。

对于两个符合道的情形，如一个原子核级联衰变时接连放射β和γ射线，这一对β，γ如果分别进入两个探测器，将两个探测器输出的脉冲引到符合电路输入端时，便可输出一个符合脉冲，这种一个事件与另一个事件具有内在因果关系的符合称为真符合。

另外也存在不相关的符合事件，即两个在时间上没有规律性联系的粒子产生符合的情况。

例如有两个原子核同时衰变，其中的一个原子核放出的β粒子与另一个原子核放出的γ粒子分别被两个探测器所记录，这样的事件就不是真符合事件。

这种没有内在因果关系的事件的符合称为偶然符合。

3.符合分辨时间

探测器的输出脉冲总有一定的宽度，在选择同时事件的脉冲符合时，当两个脉冲的起始时间差别很小以致符合装置不能区分它们的时间差别时，就会被当作同时的事件记录下来。

符合装置具有一定的时间分辨能力。

符合装置所能够区分的最小时间间隔τ，就称为符合装置的分辨时间，它的大小与输入脉冲的形状、持续时间、符合电路的性能有关。

分辨时间是符合装置的基本参量，它决定了符合装置研究不同事件的时间关系时所能达到的精确度。

4.偶然符合的计数率

对于大量的独立事件来说，两个探测器的输出信号同时发生在τ时间内，这时符合电路也输出符合脉冲，但这个事件是不具有时间关联的偶然符合。

假定两道输入的脉冲均为理想的宽度为τ的矩形脉冲，设第I道的平均计数率为n1，第II道的平均计数为n2，对于第I道的每一个脉冲，在其前后共计2τ的时间范围内，若第II道进入脉冲的话，就可以引起符合输出，见图2，其平均符合率是2τn2，现在第I道的平均计数率为n1，则单位时间内偶然符合的计数率平均为2n1n2τ，即：

n偶然符合＝2n1n2τ

假如两个符合道的矩形脉冲宽度不等，分别为τ1和τ2，则偶然符合计数率为：

n偶然符合＝n1n2（τ1+τ2）

显然，减少τ，能够减少偶然符合几率，但是分辨时间τ又不能太小，因为τ的选取与探测器输出脉冲前沿的时间离散有关。

辐射粒子进入探测器的时间与探测器输出脉冲的前沿之间的时距，并不是固定不变的。

该时距变化的大小称之为时间离散。

当符合电路的分辨时间接近于时间离散时，同时性事件的脉冲，可能因脉冲前沿离散而成为时距大于符合分辨时间的非同时性脉冲被漏记。

对于G–M计数管构成的探测器，时间离散一般为10–6~10–7S。

所以它只适合于微秒分辨时间的符合测量，对于NaI（Tl）闪烁探测器，时间离散一般为10–7~10–9S，符合电路脉冲成形时间一般在零点几微秒。

二．测量分辨时间

实验的原理如下图所示：

图2：

实验装置

对于瞬发事件，即发生的时间间隔远小于符合的分布时间τ的事件，测得的延迟符合曲线称为瞬时符合曲线。

利用脉冲发生器产生的脉冲作为两个线性放大器的输入，测得的瞬时符合曲线为对称的矩形分布。

通常把瞬时符合曲线的宽度定义为2τ，τ称为电子学分辨时间，参见下图a。

实际上，由于探头输出脉冲前沿的时间离散，用放射源60Co的β-γ瞬时符合信号做瞬时符合曲线的测量，其结果会如下图b所示。

通常以瞬时符合曲线的半宽度FWHM（FullWidthHalfMaximum）来定义分辨时间τ′。

三．β-γ符合测量放射源的绝对活度

当60Co衰变时，同时放出β及γ射线，称为级联辐射。

利用图2所示的实验装置作β-γ符合。

两个探测器都采用闪烁计数器。

β探测器用塑料闪烁体，用来测量β粒子，它对γ射线虽也灵敏，但是探测效率低。

γ探测器用NaI（Tl）闪烁体，外加铝屏蔽罩，将60Co发出的β射线完全挡住，只能测量γ射线。

待测源放在二闪烁探头之间。

假定放射源60Co的活度为A0，β探头对源所张的立体角Ωβ，β探头效率为εβ，那么β道计数率应为：

nβ=A0⋅（Ωβ/4π）⋅εβ⋅Fβ⋅Dβ

其中Fβ为所有吸收散射修正因子，Dβ为β道甄别器的甄别系数，它定义为甄别阈以上的β计数与整个β谱的面积之比。

同理可得γ道的计数率为：

nγ=A0⋅（Ωγ/4π）⋅εγ⋅Fγ⋅Dγ

对于60Co源的具体情况，每放一只β粒子后相应的放两只γ光子，故计数率应为：

nγ=2⋅A0⋅（Ωγ/4π）⋅εγ⋅Fγ⋅Dγ

因此，当β探头探测到一只β粒子后，由γ探头探测到的γ光子的几率为：

P=2Ωγ/4π）⋅εγ⋅Fγ⋅Dγ⋅

如果β探头有一次计数，γ探头同时也有一次计数，那么符合电路必然给出一个符合计数。

于是β-γ符合计数率为：

nβγ=nβ⋅P=nβ⋅2（Ωγ/4π）⋅εγ⋅Fγ⋅Dγ⋅=nβ⋅nγ/A0

可得到放射源活度的表达式为：

A0=nβ⋅nγ/nβγ

由上式可以看出活度A0只与两个输入道和符合道的计数率有关，与探测器的效率无关，这给测量带来很大的方便。

但是在实验中测准活度A0，要进行一系列的修正，因为实际测到的符合计数中还包含偶然符合计数，本底符合计数及γ-γ符合计数，另外对β道和γ道计数要扣除本底。

在β道的计数中还要扣除γ射线进入β探测器引起的计数。

（1）β道和γ道计数率的测量

β道直接测得的总计数率nβ（β）并不全是β粒子的贡献，而有本底计数nβ（本）和由γ射线引起的计数nβ（γ），所以真正β粒子的计数率为：

nβ=nβ（β）-nβ（本）-nβ（γ）

在放射源和β探头之间加上一定厚度的铝片（朔料片）后，由β道测得的计数率即为nβ（本）+nβ（γ），因为60Co中的β粒子被铝片挡住了。

同理γ道的总计数率nγ（γ）中包含了本底计数nγ（本），真正γ粒子的计数率为：

nγ=nγ（γ）-nγ（本）

拿掉放射源后，由γ道测得的计数率既为nγ（本）。

（2）符合计数率的测量

实验测得的总计数率nβγ（β,γ）中必须减去偶然符合的计数率2τnβnγ，还要扣除60Co两个级联γ射线在β，γ道中引起的真符合计数率nβγ（γ,γ），此外还应减去两个道本底计数产生的偶然符合计数率nβγ（本）。

所以真正的符合计数率nβγ应为：

nβγ=nβγ（β,γ）-2⋅τ⋅nβ⋅nγ-nβγ（γ,γ）-nβγ（本）

在放射源和β探头之间加上一定厚度的铝片（朔料片）后，由符合道测得的计数率即为nβγ（γ,γ）+nβγ（本），因为60Co中的β粒子被铝片（朔料片）挡住了，那么引起符合的就是γ,γ和本底中的β,γ粒子。

（3）源活度A0及其误差

由以上测量可得出活度A0为：

放射源活度A0的相对标准误差除了和nβ,nγ,nβγ,τ,nβγ（γ,γ）+nβγ（本）的相对误差有关外，还与n偶然符合/nβγ和[nβγ（γ,γ）+nβγ（本）]/nβγ的比值有关。

在实验中，当n偶然符合/nβγ<<1时，nβ和nγ的相对误差都很小，可简化得出：

（4）用β-γ符合测活度的限制

真符合计数率与偶然符合计数率的比值，简称真偶符合比，是符合实验的一个重要指标。

为保证真符合计数率大于偶然符合计数率，要求真偶符合比

nβγ/n偶然符合≥1，因此：

nβγ/n偶然符合=nβγ/2τnβnγ=l/2τA0

所以A0≤l/2τ

这表明所测的源的活度不能太强，受符合电路分辨时间的限制。

采用分辨时间小的符合电路，允许使用较强的放射源。

实验仪器

北京核仪器厂的符合测量实验装置包括NIM（NuclearInstrumentModule）插件机箱FH0001型、精密脉冲产生器FH1013A型、3kV高压电源FH1073A型2个、线性放大器BH1218型2个、定时单道分析器FH1007A型2个、符合电路BH1221型、低压电源BH1222等、β-和γ闪烁探头，100MHz示波器，电脑及放射源、铝片（塑料片）等。

实验内容

1.符合装置的熟悉和调式

按图2连接实验装置，用脉冲发生器作为输入信号源和示波器的触发信号，首先在双踪示波器上观察信号源的两个信号，调节触发源、触发电平等使信号稳定。

观察改变输入信号幅度大小的信号和改变频率的信号，记录输出信号的波形。

其次在双踪示波器上观察线性放大器的输出信号，调节放大倍率，使其输出幅度为3V以上（或3~5V）。

注意放大器的微分、积分常数都选择0.5挡，输入阻抗选择“-”，记录输出信号的波形。

第三在双踪示波器上观察定时单道的输出信号，调节阈值，去掉噪声信号，选择积分挡，改变延时，观察信号的变化，记录输出信号的波形。

2.符合装置的延时位置测试

用双踪示波器观察符合电路的I，II监察信号及符合道输出。

调节符合成形时间，使脉冲宽度约为0.2~0.5μs。

固定符合电路任一道“延时”于某一中间位置，改变另一道的“延时”。

用示波器观察YA–YB波形的变化。

粗估两道脉冲信号同时的符合装置的延迟位置。

3.用下面三种方法测量符合装置的分辨时间

用脉冲发生器作为输入信号，用双踪示波器直接观察符合电路两道监测信号输出波形的方法，粗测电子学分辨时间。

测出脉冲发生器输入时的瞬时符合曲线，作图求出电子学分辨时间。

用60Co放射源测量β-γ瞬时符合曲线，作图求出物理分辨时间。

用与内容1中同样的调试步骤，调出β、γ信号源、放大器、定时单道在示波器上的信号并记录波形，最后测出做曲线的数据。

4.用β-γ符合法测量放射源的绝对活度

用60Co放射源，在分辨时间不变的情况下，第一次测出nγ（γ）,nβ（β）和nβγ（β,γ）。

在β探头与放射源之间加铝片（塑料片），第二次测出nβ（γ）+nβ（本）和nβγ（β,γ）+nβγ（本）。

取走60Co放射源，第三次测出nγ（本）。

根据已测得的分辨时间计算出60Co放射源绝对活度A0及估算误差vA。

实验数据

1．连接好实验装置，熟悉基本操作

a）把示波器连接在脉冲信号发生器上：

观察到波形为：

f=8.6780KHz

改变衰减等级，波形随之变化，当到达X10档时，波形不见。

调解延时，信号频率改变，但是每个脉冲信号的形状不变。

调解衰减时间，也能改变信号频率，但是信号被拉伸或压缩。

b）把示波器接在线性放大器之后

波形不变，V=5V

c）把示波器接在单道放大器之后。

得到图像为：

CH1

CH2

调解阈值，可减少杂波。

调解延时，可以改变两个波形的位置。

反复调解延时旋钮，发现当1道延时定为5，2道为8.53时，两波几乎同时。

2．测量分辨时间

a）粗测电子学分辨时间

调出这样的波形，旋钮从1旋到了8.1，t=（8.1-1.0）*0.1/2=0.355us

b）精确测量电子学分辨时间

1圈为0.1uS

档数

7.8

7.85

7.88

7.9

7.92

8.2

8.5

8.8

9.0

9.2

9.3

9.34

9.38

9.5

计数

0

0

226

960

998

1003

962

949

960

989

1003

157

0

0

t=（9.3-7.9）*0.1/2=0.07uS

c）物理分辨时间

1圈为0.1uS

圈数

6

6.1

6.2

6.3

6.4

6.5

6.6

6.7

6.8

6.9

计数

2

4

3

5

39

86

96

81

76

82

圈数

7

7.1

7.2

7.3

7.4

7.5

7.6

7.7

7.8

7.9

计数

99

108

92

81

83

87

87

69

22

8

t=（7.76-6.42）*0.1/2=0.067uS

3.测量A0

1道延迟为5，2道延迟为7

测得：

nβγ（β,γ）=84

nβ（β）=3294

nγ（γ）=41652

加上铝片后：

测得nβ（本）+nβ（γ）=1306

nβγ（γ,γ）+nβγ（本）=3

只剩本底

测得：

nγ（本）=2626

所以，A0=（3294-1306）*（41652-2626）/（84-3）=957823

实验总结

这次实验使用的仪器是一个多级系统。

从信号发生器，到放大器，再到多道分析器，最后进入电脑分析，这里面每一步都有可能出问题。

在实验中，有一段时间符合道计数一直为零，无论如何调解延迟也无法解决。

我就开始逐级排查，直到排查到“小饭盒”的接口已经松了，换了一个“小饭盒”，问题就解决了。

对于这个实验，实验本身是没什么问题的。

这个实验主要就是锻炼我们发现并解决问题的能力。

在多级系统中如何快速找到问题并分析问题是什么。