核物理实验基础知识 核能的开发应用，是二十世纪人类取得的最伟大的科学成就之一。核武器的出现和核能的应用大大地改变了世界的面貌。原子核物理学的发展始终和核物理实验技术的发展紧密联系在一起。这种实验技术的一个重要方面是对于微观粒子性质的探测和研究，它包括探测器的原理和使用, 实验方法和数据处理等内容。在核能工程，同位素应用，医疗卫生，环境保护等领域。也经常需要对核辐射粒子，放射性元素进行测量分析，因此，核物理实验技术已日益普及。下面简单介绍有关的基本知识。 一. 射线和物质的互相作用 各种类型的快速微观粒子，例如，α、β、γ射线和中子等都称之为核辐射或射线，射线有三类： 带电粒子：α粒子、正负电子（β射线）、±π、 ±μ介子等。 中性粒子：中子、中微子等。 电磁辐射：ⅹ、γ光子。 这里只讲述带电粒子、电磁辐射和物质的相互作用。中子和物质的相互作用要复杂的多，有弹性散射、非弹性散射、吸收及核反应等，可参阅有关书籍。 1. 带电粒子 带电粒子对它所穿过的物质主要作用是使之电离和激发。放射性同位素辐射的α、β等射线不可能深入到原子核的核力场范围之内，因此它们同物质中原子核和核外电子的作用主要是电磁作用，其效果是使原子的电子受到激发或电离，而带电粒子本身能量逐渐损失。我们把由于电离和激发作用而在单位路程上损失的能量叫做能量损失率，它与粒子电荷、速度及通过物质的原子序数等有关。α粒子的能量损失率较大，它在物质中射程很小，对于的能量为5.1Mev的α粒子, 它在空气中射程只有3.5cm，在固体中的射程只有几十微米。β射线的射程较α粒子大得多，在空气中可达数米，对金属如铝为若干毫米。 2. γ射线与物质的互相作用 γ射线光子与物质的互相作用有三种方式，即光电效应、康普顿散射和电子偶效应。通过这三种作用，γ射线被物质吸收，ⅹ射线与γ射线相同，只是光子能量较低，来源不同，故以下所讨论的γ射线的性质同样适用于ⅹ射线。 γ射线和ⅹ射线同物质发生上述三种效应，将其能量转化为次级电子（光电子、康普顿电子、电子偶）的能量，这些次级电子在物质中运动，其效果同带电粒子的作用一样，产生激发和电离作用，从而导致物质的受激发光和电离，而射线本身则由于上述效应而被物质吸收，强度随吸收层的厚度逐渐减弱。令I为穿过厚度为x cm的物质层后，窄束准直的γ射线束的强度，为原来的强度，则有关系式：  这里μ 称为γ射线的吸收系数，由上式可知γ射线通过物质时呈指数减弱。它不象带电粒子那样有固定的射程，吸收系数μ是三种效应共同作用的结果，它与γ射线所穿过物质的原子序数Z、密度ρ有关，和γ射线能量有关，一般地说，Z越大，则越μ大，故最好用Pb作为γ射线屏蔽物。 二. 探测器的原理和性能 微观粒子不是人们的感官所能感知的，必须借助于特殊的探测器。随着物理学的发展，探测器已经发展为各种各样的复杂装置，最初的探测器不过是照相底片，如今可以根据不同的探测对象选用不同的探测器，和现代电子仪器相结合，实现了对各种粒子的探测。 一般说来，探测各种射线，主要的都是利用它们穿过物质的电离和激发作用，或者探测由电离产生的信号，或者探测电子退激时发射的光信号，对于带电粒子，是直接产生的电离和激发，对于γ射线和中子，则是由次级粒子产生的电离和激发。 G—M探测器 G—M探测器即盖革—米勒探测器（又称计数管），它是以被封闭在容器中的气体作为探测物质的，射线在物质中产生电离，并加以放大，由电极收集，电子仪器记录。这种探测器曾在核物理技术上起过很大的作用，目前仍在使用。 常用的G—M探测器有圆柱形和钟罩形两种，它们都是以中心钨丝作阳极，玻璃壳内表面涂以导电物质作阴极，管内充有惰性气体，主要是Ar、Ne等，还加一点酒精、Br2（溴）等，充气压100—300mmHg，圆柱形计数管主要用于测γ射线，钟罩形计数管设有云母窗口用于测α和β射线。G—M探测器设备简单，信号幅度大，应用方便，但只能记录粒子的个数，难以鉴别粒子的性质和能量。 图2 闪烁探测器结构示意图 闪烁探测器 闪烁探测器是目前核物理测量中使用最广的探测器。它主要由闪烁体、光电倍增管和前置放大器构成。具体结构如图2所示。 （1）. 闪烁体 闪烁体是将辐射粒子能量变化为光能从而探测粒子的物质。它每接收一个粒子产生一次光脉冲信号，此信号再由光电倍增管转化为电脉冲，即可由电子仪器记录。 ⅰ. 闪烁体的性能 发光效率η：即发出的光能与闪烁体所吸收的粒子能量之比。当然，希望η要大。 发光时间：闪烁体中被粒子激发的原子亦非同时退激，而是和放射性衰变一样呈指数衰减。发射全部光子数的63%（即受激原子退激63%）所需的时间叫做发光衰减时间，越小，发光时间越短，闪烁体时间分辩本领越强，一般闪烁体在秒范围内。 发射光谱：同一闪烁体发出的光有一个确定的光谱，对于每种闪烁体，总可找到一两种波长的光，它所占比例较大，是光谱中主要成分，如NaI(Tl)为4100埃,蒽为4120埃和4720埃，ZnS（Ag）为4500埃等等。 ⅱ. 闪烁体的种类 a. 无机闪烁体：ZnS（Ag）晶体，白色多晶粉末，发光效率高，但时间分辨本领较差，主要用于探测α粒子。NaI(Tl)，透明单晶。η较高(~10%), 密度大，主要用于测量γ射线，秒，光脉冲和粒子能量正比性较好，故其能量分辨和时间分辨本领都较好。无机闪烁分子式后括号中的符号如Tl、Ag等，是晶体中的掺杂，称为激活剂。 b. 有机闪烁体：蒽晶体，塑体闪烁体等都是有机化合物，大多用于测量电子。主要优点是秒，可用于需要高时间分辨本领的实验中。 （2） 光电倍增管：光电倍增管是利用光电效应的原理把光信号转变成电信号，并使之放大的一种光电器件。 ⅰ. 构造：主要由真空玻璃管中的光阴极，十多个次阴极和阳极构成。光阴极，大多由Sb-Cs合金构成，也有用其它合金，这些合金的电子逸出功较低，因而容易由光子打出电子来，次阴极表面也敷有Sb-Cs合金，当电子在电场加速下打在次阴极上时，可以打出数个次级电子，从而实现电子倍增作用。阳极收集倍增后的电子，形成电流脉冲。 ⅱ. 性能 光阴极的微分灵敏度ε和光谱响应： 不同波长的光在阴极上打出电子的几率是不同的，一个光子在阴极上打出电子的几率ε称为光阴极的微分灵敏度。显然，(和波长(有关，是随波长变化的函数。((()称为光阴极的光谱响应，它表示阴极发射电子的效率随入射光波长变化的关系，如对透明的Sb-Cs光阴极，400nm~600nm波长范围内响应能力强，其他波长较差。很显然，在组成一个闪烁探测器时，闪烁体的发光光谱响应和光阴极的光谱响应相配合。 放大倍数 光阴极发射一个电子，倍增之后在阳极得到的电子平均数M，叫做光电倍增管的放大倍数。通常M在~的范围内。放大倍数M和管子所加电压关系极大，实验表明M∝，取微分。两式相除得  或  这就是说，当电压相对变化时，则M的相对变化等于电压相对变化的7倍。所以要使闪烁探测器的M稳定，则需要高稳定的电源。 ⅲ. 闪烁探测器的能量与时间分辨能力 将闪烁体和光电倍增管密封在暗盒中，就组成了闪烁探测器。闪烁体和管子之间要涂有折射系数和闪烁体接近的硅油，以实现两者之间的光耦合。因为空气隙使光由闪烁体射出时易发生全反射而使能量损失掉。 设进入闪烁体内的粒子能量为E，其能量全部交给闪烁体，那么转变成光能的部分就是ηE，这里(是闪烁体的发光效率。这些光能只有一部分被光阴极收集，因而光阴极得到的光能只有A(E，这里A是收集系数。在光阴极，这些光能打出电子，这些电子的总电荷∝（A(E(），经光电倍增管放大M倍，最后阳极收集到的电荷Q∝（A(E( M）。对于给定的探测系统，A、ε、η、M等都可以认为是常数，所以Q∝E，这就是说，阳极的电流脉冲和粒子能量成正比。因而测定粒子引起的脉冲大小，就可以测量粒子能量。 图3 能量分辨率示意图 如果能量完全相同的粒子射入闪烁体，能量全部损失在内部，那么似乎所得脉冲幅度应当完全相同，其实不然，由于每个相同能量的粒子入射后，闪烁光在光阴极上打出的电子数的涨落（它是由于光阴极不均匀等因素造成的），以及外加电压涨落造成的放大倍数M的涨落等因素，最后得到的脉冲幅度不完全相同，而是有一定的涨落。若以脉冲高度h为横坐标，计数率（单位时间计数）为纵坐标，画出脉冲的幅度分布，则看到脉冲幅度围绕一平均值H有一宽度分布如图3所示，图中N/2为分布曲线高度的一半，Δh是N/2直线在分布曲线所截的幅度涨落宽度，称为分布曲线的半高宽度，那么比例式Δh/H=W即表示整个闪烁探测器能量分辨本领，称为能量分辨率。这个比数越小，表示脉冲幅度分布的峰越窄，也就是相同能量的粒子，形成的脉冲幅度越接近，因而不同能量的粒子分辨越容易，即能量分辨本领越强。一般NaI(Tl)闪烁探测器的能量分辨率在6~10%。高纯锗探测器的能量分辨率在1%以下。 所谓时间分辨能力，是指仪器对时间相隔很短的核事件（例如两个粒子相继射入）能否分辨得开而言。很显然，时间分辨本领与脉冲宽度和电子线路的反应时间有关。一般电子线路总能跟的上，故主要取决于脉宽，而脉宽主要决定于闪烁体的发光时间，同其他探测器比较，闪烁探测器的分辨时间是比较短的，因而适于快速计数。 3. 半导体探测器 半导体探测器是近年来发展起来的新型探测元件，它很象是一种特殊的二极管，只是面积较大，耗尽层较厚，在探测器的P—N结上加反向电压，当带电粒子使P—N结的耗尽层内产生电离时，电路导通，输出—个电脉冲。半导体探测器元件效率较高，输出信号和能量成正比，但信号较弱，需用特殊的放大器进行放大才能由仪器记录和分析。 4. 核物理探测器的探测效率 应用一套测量仪器对一个放射源进行活度测量，单位时间内的计数（称为计数率）一般地不等于源的放射性活度或源强。由于测量的种种条件所限，计数率一般小于源强，其比例系数可以称为整个测量系统的效率。它和仪器本身的性能，射线的种类和能量，探测器和源的相对位置等因素有关。其中特别值得提到的是探测器对所测量的射线的探测效率，它定义为被记录到粒子数和进入探测器灵敏部分的粒子数之比。数值一般要由实验测定。 带电粒子（如α、β粒子）只要进入探测器的灵敏部分，大多数都能被记录。由于受到粒子射程的限制，G—M计数管要有一薄窗（云母窗）粒子才能进入而被记录。对于γ光子，探测器只能记录它的次级电子（由光电效应，康普顿效应，电子偶效应产生）。因而其探测效率与次级电子的产生几率和次级电子进入探测器的多少有关。G—M管内充气体，密度小，主要能够记录管壁产生的次级电子，因而效率较低，只有1%左右，NaI闪烁体密度大，次级电子在闪烁体内产生，对γ光子探测效率较高。 三. 核辐射安全与防护 核辐射通过对生物体的直接和间接的电离作用，会对人体的有机物质和细胞造成损伤，从事核物理实验要同种种射线打交道，由于放射性的知识很不普及，再加上一些违反科学的偏见，使得人们对于核辐射存在一些不必要的恐惧心理，所以学习必要的安全与防护知识非常必要。 1. 放射性活度及其单位 放射性活度，即单位时间内所发生的核衰变次数。其单位是贝可勒尔（Bq）和居里（Ci），每秒钟内发生一次核衰变称为1Bq。 单位换算如下：  1 Ci =  Bq =37GBq 1Ci= 1Bq= 放射性活度，不是某种放射性元素所包含的原子核数目，而是这种元素的原子核在单位时间内所发生核衰变的个数，虽然这两者之间有联系，但概念是不同的。当然，某种放射性物质越多，放射性活度就越大。 2. 辐射剂量及其单位 任何物理量只有达到某种数量才会产生某种作用。辐射量的多少通常用“剂量”来表示。这里首先介绍辐射剂量的概念。 吸收剂量：用以量度核辐射与任何物质相互作用时在单位质量物质中吸收辐射能量多少的一种物理量。专用单位是拉德(rad)：即每克物质吸收100尔格的辐射能为1拉德。 SI单位是：焦耳/千克（），专用名称是戈瑞（Gy）。 1 Gy = 1  1 rad = 0.01= 0.01 Gy 线质因数Q：又称品质因数和相对生物效应，它表示相同吸收剂量的不同种辐射粒子所引起的生物体损伤的程度不同，各种辐射粒子的线质因数如下： ⅹ、γ、正负电子 1 快中子（普通中子源、裂变中子） 10 α粒子、裂变碎片段 20 剂量当量：吸收剂量和线质因数的乘积反映辐射对机体的损伤程度，这个乘积称为剂量当量。专用单位叫雷姆（rem）。SI单位是，专用名称为希沃特（Sv）。 1 Sv = 1  1 rem = 0.01 Sv 1 Sv = 100 rem 如某人受到快中子照射，吸收剂量D = 5 rad 。则剂量当量H = 105 = 50 rem 。 又如某人受到Χ射线照射，吸收剂量D = 1.5 rad , 则剂量当量H = 11.5 = 1.5 rem 。 ⅹ、γ射线的照射量及其单位：由于历史原因，目前对于ⅹ、γ射线的照射量仍在应用“伦琴”做为单位来表示物体在辐射场中受ⅹ、γ射线照射量的多少，定义为1cm3标准状空气中产生1静电系单位的正负离子的辐射量称为1伦琴。1伦琴ⅹ、γ射线的照射量对人体造成的剂量大约等于1雷姆。 ⅹ、γ射线的照射量率：即单位时间的照射量，单位用伦琴/小时（R/h）或微伦/秒表示。1雷姆剂量当量有多少？人们普通胸透一次，约0.1~2雷姆。本底辐射，由宇宙射线，人体内放射性物质，空气里的放射性物质，以及大地辐射对每个人所造成的本底辐射剂量，总共为0.13雷姆/年。 3．最大允许剂量 毫无疑问，大剂量的射线照射，对人体会造成危害。比如一次照射600雷姆，80%的人死亡。1000雷姆以上，全部死亡。然而，本底剂量世世代代作用于人体，并未造成什么危害，说明对于微小剂量，人体能够通过自身新陈代谢对机体损伤给以修复，而对人体不致造成什么危害。剂量限值是针对个人在各种不同的照射情况下接受的当量剂量的限值。国际防护委员会规定，人体接受到某一数量的剂量当量，不会产生为现代医学所能发现的任何危害。这一剂量称为最大允许剂量。国际防护委员会规定职业性工作人员的最大允许剂量（所列数值均不包括医疗及天然本底照射）如下： 全身照射、性腺、眼睛、骨髓 5雷姆/年 手、足 75雷姆/年 4．射线防护措施与放射源的安全操作 在操作放射源前应做好充分准备工作，应配带口罩，手套等防护用品。对γ和β源要利用铅板，铁块进行屏蔽。减少接触放射源的时间，尽量远离放射源（辐射剂量和距离的平方成反比），防止γ射线照射人体造成体内深部损伤，以及β射线对皮肤和眼睛的伤害，更要防止放射性物质通过吸入，吃入或伤口渗入等途经进入体内，造成放射性物质发出的射线及其化学毒性对人体器官的双重危害。在实际工作中，应该按科学规律办事，把人身所受辐射剂量减至最低。 放射源应置于固定存放地点，并加铅室屏蔽，实验结束后立即归还原处。任何形式封装的放射源，均不得直接用手接触，取放放射源必需使用专用镊子或托盘等专用工具，用毕应立即归还原处。操作γ、β放射源时，应配带防护眼镜，切忌用眼睛直视活性区。若遇有放射源跌落，封装破裂等意外事故发生，应及时报告实验室管理人员妥善处理，并检查出事地点及附近污染情况。