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1、第1讲放射性测量第1页，共44页，编辑于2022年，星期一第二章第二章 放射性测量放射性测量第2页，共44页，编辑于2022年，星期一第一节射线探测仪器核射线仪器是由射线探测器和后续电子线路组成。一、射线探测器基本构成及工作原理二、后续电子学线路的基本构成及工 作原理 三、仪器最佳工作条件选择四、我国用于体外放射分析的测量仪器3第3页，共44页，编辑于2022年，星期一一、射线探测器基本构成及工作原理1气体电离探测器2半导体探测器3闪烁型探测器（1）闪烁体:1）固体闪烁体2）液体闪烁（2）光导（3）光电倍增管4第4页，共44页，编辑于2022年，星期一1 气体电离探测器 气体电离探测器是利用核
2、射线在气体中电离效应进行测量工作的探测器。5第5页，共44页，编辑于2022年，星期一2 半导体探测器其工作原理类似气体电离探测器，不同之处是探测器的介质采用的是半导体材料如硅、锗。6第6页，共44页，编辑于2022年，星期一3 固体闪烁型探测器（1）固体闪烁体（2）光导（3）光电倍增管7第7页，共44页，编辑于2022年，星期一4 液体闪烁探测器详见第五节8第8页，共44页，编辑于2022年，星期一固体闪烁探测仪结构示意图9第9页，共44页，编辑于2022年，星期一 固体闪烁探测器的工作原理是 当射线作用于闪烁体时，射线的能量被闪烁体吸收，并引起闪烁体中的原子或分子激发，在退激过程中发出光子
3、，光子逸出闪烁体，通过光导打到光电倍增管的光阴极上，光子作用于光阴极产生光电子，这些光电子在光电倍增管中的电场的作用下，经过聚焦和多级倍增放大，最后成为一个可测的电脉冲输出。10第10页，共44页，编辑于2022年，星期一闪烁体：光子进入闪烁体后与闪烁晶体相互作用将能量传给晶体原子的核外电子，通过电离产生高电子，高能电子沿途激发其他原子的电子，被激发的电子在退激时其能量损耗可能有两个方面；第一转化为热运动能或晶格振动能而回到基态，此时不发射光子，这一过程称为淬灭；第二电子从高能态直接跃回到基态而发射光子，纯碘化钠晶体在室温下，绝大部分被激发的电子的能量都损失在上述第一过程而被淬灭，所以发光效率
4、很低，为此在实际应用中常加入少量杂质（Tl）以提高发光效率。纯晶体加入激活剂后出现的孤立能级无疑是提高了发光效率，实验指出，射线授于NaI(Tl)晶体每1Kev的能量，在晶体中可产生约20-30个3eV能量的光子。在晶体中产生光子的平均数，正比于射线授于晶体的能量。11第11页，共44页，编辑于2022年，星期一（2）光导 为使闪烁体中的光子尽量收集到光电倍增管的光阴极，闪烁体的透明度要高，收集效率要大。尽量减少光子射向闪烁体的透光面时，发生全反射，为此须在闪烁体与光电倍增管之间加入光的耦合剂，又称光导，它的主要用途是将闪烁体中的光子引入光电倍增管。12第12页，共44页，编辑于2022年，星
5、期一（3）光电倍增管 光电倍增管简称PM管，PM管是闪烁计数器的另一个主要部件，由光阴极、聚焦电极、次阴极和阳极四种电极组成。13第13页，共44页，编辑于2022年，星期一 a.光阴极光阴极 光阴极是光电转换的关键部件。它是由蒸涂在PM管端窗内面一层光转换敏感材料（Sb-Cs化学物），光阴极吸收了光子的能量后，材料中的电子获得足够的能量可以逸出，这些电子又称光电子。b.聚焦电极和次阴极聚焦电极和次阴极(打拿极打拿极)聚焦电极的作用是使光阴极发射的光子在电场的作用下聚焦射到第一个打拿极上；打拿极起电子倍增作用，通常是用二次电子发射率较高的合金如Sb-Cs制成，它的级数一般是8-12级，工作时各
6、级间加上顺序递增电压，从光阴极打出的光电子，经电场加速和聚焦射到第一个打拿极上时，每个光子能从该打拿极击出3-6个电子，这些电子再经电场加速和聚焦，打到下级打拿极上，平均再倍增3-6倍，如此连续多次，若有a个打拿极，则光电倍增管总的倍增系数（放大倍数）光电倍增管总的倍增系数（放大倍数）M应是：（应是：（c*n）a（c为打拿极的平均电子收集效率；n 为每一打拿极的平均倍增系数；a为打拿极数）。倍增系数除与光电倍管的结构和打拿的多少有关外，还随工作电压的增升高而增加，如电压增加1，引起每个电极的二次电子数同时增加1，有10个打拿极时最后将增加10，为此在测量时保证工作电压的稳定是很重要的，一般要求
7、工作电压的波动范围在0.1-0.05之间。c 阳极阳极 阳极是PM管的最后一个电极，它收集电子并使之流经负载电阻，而形成一个电压脉冲，阳极上收集的总电荷o 等于入射粒子在闪烁体中损耗的能量，即o与成正比。所以闪烁计数器除用于测量射线的相对活度外，还可用于测量射线的活度。即可进行能谱分析。14第14页，共44页，编辑于2022年，星期一光电倍增管的特性曲线示意图15第15页，共44页，编辑于2022年，星期一二、后续电子学线路单元基本构成及工作原理 探测器输出的信号由核电子仪器进行分析和记录，根据不同的测量目的所采用的电路有所不同，相对活度测量常用的核电子仪器一般包括以下内容：1、放大器：前置放
8、大器、主放大器2、脉冲幅度分析器3、计数和数据处理装置：定标器、计数率仪及计算机数据处理系统和电源等。16第16页，共44页，编辑于2022年，星期一1、放大器()前置放大器 主要任务是预放大和阻抗匹配，前置放大一般与探测器同装在一个探头内，两者的连线非常短，可以避免连线上的干扰，前放输出的信号要经过一段较长的电缆才到达主放大器，由于信号已经放大即使在传送过程中受干扰感应，其感应信号的幅度与探测器信号的幅度相比要小得多，易被甄别器剔除。()主放大器 主放大器的任务除把信号作适当的放大外，还起脉冲成形作用，即改造脉冲的波形。改造后的输出脉冲的幅度与输入脉冲幅度保持固定的比例关系。常用的主放大器有
9、线性放大器和对数放大器等。17第17页，共44页，编辑于2022年，星期一2、脉冲幅度分析器脉冲高度分析器是由两个甄别器和一个反符合电路组成。它的作用是有选择性的记录一定范围内的脉冲，而把过大和过小的脉冲排除掉。通过这种功能可有效地排除仪器燥音小脉冲本底和宇宙射线的大脉冲本底并对射线能量不同的核素进行分别测量，排除和减少相互干扰。脉冲分析器的结构及工作原理：单道脉冲分析器包括上、下两个甄别器和反符合电路，它们的甄别阈值上与下（上下）之差称为道宽，也称窗宽。两个甄别器的输出端分别与反符合电路的两个输入端相连。的作用是两个输入端同时有讯号输入时，反符合电路则无讯号输出，只有下甄别器单独有讯号输入时
10、反符合电路才有讯号输出。18第18页，共44页，编辑于2022年，星期一单道脉冲分析器的工作原理图19第19页，共44页，编辑于2022年，星期一3、计数和数据处理装置定标器 定标器是用来记录脉冲累加数并把累加结果直接用数字显示出来的仪器部件。计数率仪 计数率仪可随时读出计数率，即每分钟或每秒钟的计数。计算机数据处理系统 在放射性测量的设备上配上计算机，可作测量自控、数据处理、打印结果，大大提高了测量自动化水平，给使用者带来了极大的方便20第20页，共44页，编辑于2022年，星期一三、仪器最佳工作条件选择 测量仪的工作条件选择 对样品射线的计数测量，目前普遍采用NaI(Ti)闪烁计数器进行微
11、分测量。工作条件的选择与评价包括以下：1 工作电压的选择：2 阈和道的选择：3 品质因素21第21页，共44页，编辑于2022年，星期一1 工作电压的选择选择方法选择方法：固定仪器的阈值和放大器的增益，用积分方式测量一适当活度的放射源，调节高压，从低值开始按固定增值（约50），逐步提高每提高一次记录一次计数率。注意高压不得超过管的最大允许工作电压，一般至坪区出现后计数率又突然增加即停止。将各高压值和对应的计数率描成工作特性曲线，工作电压一般选在坪段的前1/3处。22第22页，共44页，编辑于2022年，星期一 2.阈和道的选择 首先通过调节放大器增益，使待测核素光电峰的阈值位于仪器阈的中值范围
12、，此时的测量结果线性较好。先把仪器阈预置于中值范围的某一刻度，道宽约为道宽全刻度的10，调节放大器增益至计数率达到最大值（增益再增加计数率又下降），此时光电峰落在预置阈的道宽内，亦即位于仪器阈全刻度的中值范围内然后具体确定道宽：目标是使待测样品的全能峰落在测量道之内，以取得最佳品质因素。方法之一是在上述即定的工作电压和增益下预测一条待测样品的能谱曲线，横座标以阈值表示，划25峰向的截线交于光电峰曲线的两点，该两点的相应阈值即为选定的仪器工作上、下阈23第23页，共44页，编辑于2022年，星期一 3.品质因素品质因素品质因素:F=E2/nb通过改变光电倍增管的高压、放大倍数、和道宽三因素，合理
13、的组合这三个因素来选择F值，F值越大品质因素就越高。24第24页，共44页，编辑于2022年，星期一四、我国用于体外放射分析的测量仪器1、普及型:台式单管手动换样2、自动型:多样品自动连续换样3、快捷型:多探头同步测量4、智能型:多程序自动转换25第25页，共44页，编辑于2022年，星期一第二节放射性测量概述 目的与要求：掌握放射测量的基本概念，绝对测量、相对测量和影响放射测量的因素，了解本底的概念及来源，了解核射线探测仪器的结构及探测原理。一、放射性测量的基本概念二、影响放射性测量的因素26第26页，共44页，编辑于2022年，星期一一、放射性测量的基本概念1绝对测量:不需要借助中间手段而
14、直接测得活度的方法;2相对测量:需要借助中间手段间接反映放射性活度的方法.此法简单易行，只要给出一个计数率借助相应的标准就可求得其活度。该法是生物医学中常用的方法。放射性衰变是随机事件，本身有统计涨落，因此即使测量条件完全相同，同一样品重复测量的结果也不完全相同。若要求得样品的活度和测量误差，就需要进行统计处理3衰变率:单位时间内放射性核素的衰变数.4计数率:单位时间内放射性测量仪器所测到的脉冲数.5测量效率：测量效率E=计数率/(cpm)衰变率(dpm)100%6本底:在没有放射源的情况下仪器所测到的计数.27第27页，共44页，编辑于2022年，星期一本底的来源（1）宇宙射线是来自外层空间
15、的高能粒子流；（2）环境中的天然放射性，包括宇生放射核素和原生放射核素所发射的射线；（3）在高电压条件下工作的电器原件发射的热电子和探测仪器元件中的天然放射性；（4）探测仪器和使用器具的放射性污染；（5）测量场所附近的强放射源。28第28页，共44页，编辑于2022年，星期一二、影响放射性测量的因素1几何因子2仪器工作条件的影响3仪器分辨能力的影响4样品对放射性测量的影响5吸收与散射的影响6测量过程中的环境污染7放射性样品的衰变因素29第29页，共44页，编辑于2022年，星期一第三节放射性样品的计数测量放射性测量的目的是求得待测样品的放射性活度，放射性活度是指单位时间内的核衰变数。活度的测量
16、可分为绝对测量和相对测量。放射性活度测量：检验核医学工作中的放射性探测主要是对放射性样品的计数测量,即通过对样品放射性计数测量即相对测量来确定样品中被测物的含量.放射性能谱测量：通过使用单道或多道脉冲幅度分析器来实现对放射性物质的能谱测量。30第30页，共44页，编辑于2022年，星期一第四节放射性测量统计误差及其控制一放射性的统计性二放射性计数测量的统计误差三放射性测量统计误差的控制31第31页，共44页，编辑于2022年，星期一一放射性的统计性放射性核素的衰变总体上服从负指数规律，但在衰变过程中，由于各个核素互不关联，衰变是独立的随机事件，所以不同时刻衰变的核不是一个固定的数值，但总在衰变
17、总体期望值上下波动，属于离散型随机变量，服从一定的概率分布，这就是衰变过程中的统计涨落特性，称为放射性的统计性。32第32页，共44页，编辑于2022年，星期一二放射性计数测量的统计误差1标准误差2相对误差33第33页，共44页，编辑于2022年，星期一三放射性测量统计误差的控制1提高计数N1）延长测量时间；2）适当增加测量次数；3）减少测量系统的影响因素2控制本底对计数的影响1）样品最小可测量的控制2）合理分配样品和本底的测量时间34第34页，共44页，编辑于2022年，星期一第五节 液体闪烁测量目的与要求：掌握液闪测量技术的基本原理主要特点及样品测量方式。了解闪烁液的组成，第一闪烁剂、第二
18、闪烁剂，及样品淬灭校正方法。内容：一、掌握液体闪烁测量技术的主要特点：二、掌握液体闪烁测量基本原理1液体闪烁过程2淬灭效应三、介绍闪烁液:(一)溶剂(二)闪烁剂(三)添加剂四、样品测量方式与制备五、样品淬灭校正35第35页，共44页，编辑于2022年，星期一一、液体闪烁测量技术的主要特点液体闪烁测量是50年代发展起来的一种测量低能射线如3H、14C、35S最简便而有效的方法。它的特点是闪烁体是装在测量杯中或分散吸附在固体支持物上再浸于闪烁液中进行测量，样品与闪烁液紧密接触，具有接近4的几何条件，样品自吸收大大减少，因此对低能的3H，探测效率也可达60%。此外，液闪技术还可应用于射线、低能X射线
19、 或射线、慢中子、俄歇电子、内转换电子等穿透性不很强的射线及契伦科夫辐射、化学发光及生物发光等方面的测量。36第36页，共44页，编辑于2022年，星期一二、液体闪烁测量基本原理液体闪烁测量与固体闪烁测量工作原理基本相同，即射线使有机闪烁体分子激发，退激时产生的光子经PM管转换成电脉冲，再由后续电子学线路加以分析和记录。不同的是，液闪测量中，闪烁光的产生是样品中的射线与闪烁液相互作用的结果，这其中经历了一系列的能量传递和转换过程。1液体闪烁过程2淬灭效应37第37页，共44页，编辑于2022年，星期一1液体闪烁的能量转换能量转换的第一步是在测量杯中进行的，闪烁液由99%溶剂和1%闪烁剂组成，通
20、常是射线能量先被溶剂吸收，溶剂分子从激发态回到基态时又传给另一溶剂分子，直到将能量传递给闪烁剂，闪烁剂受激后退激时以发光的形式释放能量。光子再经闪烁液、测量杯壁、光导、打到PM管的光阴极上。若闪烁剂特定的发射光谱与光阴极吸收光谱相匹配，则可产生较多光子，若不匹配，需要加第二闪烁剂，第二闪烁剂可吸收第一闪烁剂释放的能量，发射波长较长的光子以改善光谱匹配，光电子经PM管各打拿极放大，在阳极端形成足够大的电脉冲，此与固体闪烁测量类似。38第38页，共44页，编辑于2022年，星期一2淬灭及其分类液闪测量过程中，从射线能到光能，从光能到电能转换的任何一步，效率都不是100%，即受种种因素影响，总有一部
21、分能量损失导致有效光子减少，这种现象称为淬灭。淬灭主要有三大类：化学、相、颜色淬灭。前二类发生在光子产生之前，后一类发生在光子产生之后。通常以化学淬灭对测量的影响较大。39第39页，共44页，编辑于2022年，星期一三 闪烁液(一)溶剂1、烷基苯类溶剂甲苯和二甲苯应用最为广泛，因它们具有较高能量传递效率，价廉易得。2、一般溶剂(醚类溶剂)醚类溶剂能量传递效率比烷基苯类差。(二)闪烁剂 闪烁剂的基本作用是从受激溶剂分子中吸收能量，在退激时发射特征光谱的光子。1、第一闪烁剂的浓度与探测效率密切相关 TP是液闪测量技术初期使用的闪烁剂之一，发光效率高，价格便宜，与双碱性光电倍增管的光谱响应相匹配，所
22、以至今仍在使用。PPO是目前普遍使用的闪烁剂，在甲苯中的溶解度比TP高，能在低温下工作，对水时最好通过实验来确定在某一测量条件下的最佳浓度。PBD是很有效的第一闪烁剂。2、第二闪烁剂 在闪烁液中加入第二闪烁剂的主要作用是波长的转移，以达到与光电倍增管光阴极光谱响应相匹配的目的。POPOP是应用最广泛的第二闪烁剂。(三)添加剂40第40页，共44页，编辑于2022年，星期一四、样品制备与测量方式样品制备：生物学和医学等实验样品成份复杂，性质各异，仅有一部分样品可不经预处理，直接溶于闪烁液中进行测量，而大部分需预处理后方可测量。样品预处理方法大致分消化法和燃烧法两种1、酸性消化法 酸性消化法最常用
23、的是HNO3、甲酸和过氯酸等。2、碱性消化法 常用的碱性消化法有无机碱和季铵盐两类，无机碱主要用NaOH或KOH的水溶液或甲醇溶液。3、燃烧法样品测量方式：1、均相方式注意：(1)若样品中含有色杂质，最好不用吸附法脱色。(2)要注意样品在杯壁上吸附，表现在计数率随时间延长而逐渐下降，低能核素尤为明显。2、非均相测量包括乳化测量、悬浮测量和固相法。41第41页，共44页，编辑于2022年，星期一液体闪烁剂测量中的特殊本底有宇宙射线和环境中的射线、玻璃材料中40K、光电倍增管内部的“噪声”、串光、静电、化学发光和光致效应。42第42页，共44页，编辑于2022年，星期一五、样品淬灭校正（一）淬灭的
24、产生及分类1）局部淬灭2）浓度淬灭3）化学淬灭4）颜色淬灭（二）淬灭的校正方法1）内标准源法：内标准源法是指在待测样品系统内加入放射性活度已知的同种标准放射性核素。2）样品道比法：原理、测量程序、对道比淬灭校正法的要求以及道比法的优缺点。3）外标准道比法：4）H数法：H数法淬灭校正的基本原理43第43页，共44页，编辑于2022年，星期一思 考 题 固体闪烁探测器的工作原理？光电倍增管的工作特性曲线是如何形成的？简介脉冲高度分析器的组成及主要作用。影响放射性测量计数效率的因素有那些？放射性探测仪器的探测效率是指什么？放射性测量误差的大小受那几个主要因素控制？44第44页，共44页，编辑于2022年，星期一