張 明， 楊元第， 劉皓然，2

（1.中國計量科學(xué)研究院，北京 100013； 2.中國原子能科學(xué)研究院，北京 102413）

4πγ井型NaI（Tl）晶體探測器
性能研究和初步實(shí)驗(yàn)結(jié)果

張 明1， 楊元第1， 劉皓然1，2

（1.中國計量科學(xué)研究院，北京 100013； 2.中國原子能科學(xué)研究院，北京 102413）

介紹了中國計量科學(xué)研究院用于測量放射性核素活度的4πγ井型NaI（Tl）晶體裝置。通過分析測量得到的60Co放射源發(fā)射的γ射線能譜發(fā)現(xiàn)，采用4πγ井型NaI（Tl）晶體對衰變綱圖較為復(fù)雜的核素進(jìn)行測量時存在相加峰效應(yīng)。當(dāng)放射源從井型NaI（Tl）晶體井口附近逐漸移至井底的過程中，相加峰的計數(shù)率逐漸增加，從而使得對60Co特征γ射線全能峰探測效率逐漸降低；此外，由于在井口附近探測器對放射源所張立體角相對較小，對γ射線的探測效率也較低；放射源在井型晶體內(nèi)的位置發(fā)生變化也會對探測器的能量刻度帶來影響。

計量學(xué)；γ射線能譜；放射性活度；4πγ井型NaI晶體

1 前 言

NaI（Tl）閃爍探測器由于其較高的探測效率，在放射探測方面一直有著廣泛的應(yīng)用［1］。根據(jù)NaI閃爍體可以被加工的形狀，有兩種常用的NaI（Tl）閃爍探測器。一種是常見的圓柱形NaI（Tl）閃爍譜儀，另一種是井型NaI（Tl）晶體。對于后者，在測量時放射源是放在井型晶體內(nèi)部的，因此閃爍體對放射源覆蓋的立體角較大（接近4π）。所以，4πγ井型NaI（Tl）晶體有著更高的探測效率［2］。

過去的國際比對，通常是采用國際參考系統(tǒng)的4πγ電離室進(jìn)行的，通過測量得到的活度-電流比值系數(shù)和標(biāo)準(zhǔn)的226Ra標(biāo)準(zhǔn)源作比較來得到待測源的活度，然而該方法對于短壽命核素活度的測量卻受到了限制；此外，采用4πγ電離室進(jìn)行活度測量，對放射源的活度也有一定的要求，通常放射源的活度范圍應(yīng)在10～104kBq內(nèi)，當(dāng)放射源活度較低時，由于受到4πγ電離室本底電流的影響［3］，得到的活度-電流比值系數(shù)是不可靠的?？紤]到4πγ井型NaI（Tl）晶體可以對射線進(jìn)行高效率的探測，并已被廣泛應(yīng)用在放射性活度計量領(lǐng)域，包括間接測量和直接測量［4，5］。近幾年，為了擴(kuò)展國際參考系統(tǒng)（International Reference System，SIR）的測量范圍，開展低水平、短壽命的放射性活度測量和國際比對，國際計量局（BIPM）提出了采用4πγ井型NaI（Tl）晶體作為國際參考系統(tǒng)SIR的傳遞儀器（Transfer Instrument，TI），用以開展有關(guān)短壽命放射性核素活度的國際比對。

為了更好參與國際比對，同時開展我國有關(guān)短壽命核素活度測量及量值傳遞，中國計量科學(xué)研究院電離輻射計量科學(xué)研究所建立了一套4πγ井型NaI（Tl）晶體測量裝置，并對該裝置做了一系列性能測試。

2 實(shí)驗(yàn)裝置

圖1為4πγ井型NaI（Tl）晶體測量裝置，其核心部分為井型NaI（Tl）晶體探頭和后續(xù)電子學(xué)系統(tǒng)（digiBASE）。本文提到的digiBASE為1套356 mm，集成了微型前置放大器、數(shù)字化高壓裝置（0～1200 V）、多道分析器（MCA）等在內(nèi)的光電倍增管裝置，整個譜儀裝置通過USB接口連接到計算機(jī)上，通過MAESTRO-32多道分析器模擬軟件采集能譜并進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。4πγ井型NaI（Tl）晶體裝置的尺寸參數(shù)為：晶體直徑φ82.1 mm，晶體高度109.8 mm，井口直徑φ14.2 mm，井深51.8 mm。實(shí)驗(yàn)所用的放射源為60Co點(diǎn)源，滴在2片聚酯薄膜中間，并通過有機(jī)玻璃支架置于晶體井內(nèi)，放射源在晶體內(nèi)部的高度可以通過支架改變。

圖1 4πγ井型NaI（Tl）晶體測量裝置

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

3.160Coγ能譜與相加峰計數(shù)

圖2 4πγ井型NaI（Tl）晶體測量得到的60Coγ射線能譜（放射源在井內(nèi)的深度h＝2.0 cm）

圖2為4πγ井型NaI（Tl）晶體測量裝置測量得到的60Coγ射線能譜。測量時探測器高壓固定在800 V，放射源在井內(nèi)的深度h＝2.0 cm。由測量能譜可以看出，60Co發(fā)射的2條特征γ射線1173 keV和1332 keV可以在能譜中清楚地看到，對應(yīng)的道址大概在500左右；此外，在道址為950左右處還有1個明顯的能量峰出現(xiàn)，經(jīng)能量刻度后大致可知其對應(yīng)的能量約為2500 keV。該峰的出現(xiàn)是1173 keV和1332 keV 2條單能γ射線能量相加的結(jié)果。由于實(shí)驗(yàn)中60Co放射源放置在井型晶體內(nèi)部，放射源與晶體的距離非常近，許多衰變產(chǎn)生的γ射線會立刻進(jìn)入晶體內(nèi)部與NaI發(fā)生相互作用產(chǎn)生光子。對于1173 keV和1332 keV這2條有符合關(guān)系的單能γ射線，它們進(jìn)入探測器并和閃爍體發(fā)生相互作用的時間間隔非常短（小于探測器的分辨時間），產(chǎn)生的光電脈沖有很大的幾率不能被電子學(xué)系統(tǒng)分開。因此，2條γ射線僅能引起1次計數(shù)，記錄的能量為2條γ射線的能量之和。在通常應(yīng)用圓柱形狀的NaI（Tl）閃爍譜儀測量γ射線能譜時，相加峰計數(shù)不會經(jīng)常出現(xiàn)，其原因在于應(yīng)用圓柱形NaI（Tl）閃爍探測器進(jìn)行測量時，放射源放置在探測器前面，與NaI晶體存在一定的距離，從而減小了2條γ射線同時進(jìn)入探測器的幾率，同時也增加了產(chǎn)生的光電脈沖時間間隔。為了將這兩種情況的能譜結(jié)果進(jìn)行對比，圖3給出了將60Co放射源移至井外距晶體前端距離d＝3.0 cm處測量得到的γ射線能譜。

圖3 4πγ井型NaI（Tl）晶體測量得到的60Coγ射線能譜（放射源在井外距離晶體d＝3.0cm）

通過對比圖2和圖3的測量結(jié)果可以看出，用4πγ井型NaI（Tl）晶體測量具有級聯(lián)關(guān)系的復(fù)雜衰變核素時，相加峰效應(yīng)是不可避免的，它的出現(xiàn)對于能譜分析是不利的。其原因?yàn)椋菏紫?，相加峰的出現(xiàn)使得能譜變得更加復(fù)雜；其次，由于相加峰的出現(xiàn)，使得原本能量完全損失在探測器內(nèi)的射線沒能進(jìn)入全能峰內(nèi)，而是對相加峰計數(shù)有貢獻(xiàn)，由此會降低全能峰的探測效率；第三，相加峰也會有康普頓坪區(qū)，從而會疊加在原來的全能峰及其康普頓坪上，降低了峰康比。因此，深入研究實(shí)驗(yàn)條件對相加峰效應(yīng)的影響也是很必要的。

圖4給出了當(dāng)60Co放射源在井型晶體內(nèi)部深度h發(fā)生變化時得到的相加峰內(nèi)的計數(shù)率，放射源在井內(nèi)深度的變化從h＝0 cm變化到h＝3.5 cm。由測量的結(jié)果可以很明顯地看出，相加峰內(nèi)的計數(shù)率受放射源在晶體內(nèi)深度的變化影響較大。具體地，當(dāng)放射源在井口附近（h＝0 cm）時，相加峰計數(shù)率較低，因?yàn)榇藭r探測器對放射源所張的立體角變小，所以探測效率有所降低，相加峰計數(shù)率也隨之減小。當(dāng)把放射源逐漸移至井底的過程中，相加峰效應(yīng)越發(fā)明顯，計數(shù)率開始升高。

3.2 峰探測效率

由于相加峰的出現(xiàn)會減小全能峰的計數(shù)，從而對全能峰的探測效率帶來影響。為了進(jìn)一步說明此影響并給出定量的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，圖5給出了當(dāng)放射源在井型晶體內(nèi)不同位置處得到的1173 keV和1332 keV 2條單能γ射線的計數(shù)率。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果不難得到如下結(jié)論：首先，能量較低的1173 keVγ射線計數(shù)率更高，峰探測效率也更高，這與用圓柱形NaI閃爍譜儀測量得到的結(jié)果是一致的。但由于4πγ井

圖4 相加峰計數(shù)率隨60Co放射源在井型晶體內(nèi)部深度h的變化

型NaI（Tl）晶體對放射源的覆蓋立體角更廣，因此探測效率更高。本實(shí)驗(yàn)中放射源在井深h＝2.0 cm處的計數(shù)率約為將放射源放置在晶體外d＝3.0 cm處計數(shù)率的6～7倍（對比圖2和圖3）。此外，圖5中的結(jié)果表明，當(dāng)放射源在井型晶體內(nèi)部位置發(fā)生變化時，會對γ射線的峰探測效率產(chǎn)生比較大的影響。具體的變化趨勢是在井深的中間位置處（h＝2.0 cm左右），井型晶體的探測效率最高；將放射源的位置往井口和井底移動的過程中，全能峰計數(shù)率逐漸下降。下降的原因一方面是由于放射源向井口移動的過程中，探測器對放射源所張立體角減小，導(dǎo)致探測效率下降；另一方面，將放射源向井底靠近，相加峰效應(yīng)增加，從而降低了全能峰的計數(shù)率。

圖5 全能峰計數(shù)率隨60Co放射源在井型晶體內(nèi)部深度的變化

3.3 能量刻度

反映射線探測器性能的另一個關(guān)鍵指標(biāo)是能量刻度，它表征了射線能量和光電脈沖幅度的關(guān)系近似地可以用線性關(guān)系加以描述。為此，通過確定60Co的2條單能γ射線1173 keV和1332 keV全能峰的中心道址，可以大致對4πγ井型NaI（Tl）晶體進(jìn)行能量刻度。通常影響探測器能量刻度的因素有很多，如核電子學(xué)的增益等。本文通過改變放射源在井型晶體內(nèi)部的深度來研究放射源位置對能量刻度的影響。圖6為全能峰的中心道址隨60Co放射源在井型晶體內(nèi)部深度變化的初步實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果，在測量時，其他的實(shí)驗(yàn)條件均固定不變。由實(shí)驗(yàn)的結(jié)果可以明顯地看出，60Co放射源在井型晶體內(nèi)不同位置處，測量得到的γ射線能譜中全能峰1173 keV和1332 keV的中心位置發(fā)生了明顯地改變。定量的結(jié)果表明，放射源每下移0.5 cm，2個全能峰的中心道址均向右偏離10道左右，這一變化還是十分明顯的，在實(shí)際應(yīng)用4πγ井型NaI（Tl）晶體進(jìn)行能譜測量時固定放射源在晶體內(nèi)部的位置是非常必要的。

圖6 全能峰計中心道址隨60Co放射源在井型晶體內(nèi)部深度的變化

4 小 結(jié)

本文對中國計量科學(xué)研究院4πγ井型NaI（Tl）晶體放射性活度測量裝置進(jìn)行了測試和研究，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在應(yīng)用4πγ井型NaI（Tl）晶體進(jìn)行放射性核素γ能譜測量時，相加峰效應(yīng)是不可忽略的，其計數(shù)率會隨著放射源在晶體內(nèi)部深度的增加而升高。同時，由于相加峰計數(shù)的增加，會降低全能峰的探測效率。此外，全能峰中心道址受放射源在晶體內(nèi)部的位置影響較大，從而影響探測器的能量刻度。

［1］ 古當(dāng)長.放射性核素活度測量的方法和技術(shù)［M］.北京：科學(xué)出版社.

［2］ 李琦，常永福，解峰，等.大體積阱式NaI（Tl）探測器的效率計算和測量［J］.原子能科學(xué)技術(shù)，2003，37（3）：230－232.

［3］ 陳寶林，周維妕，譚永康，等.4πγ電離室活度測量標(biāo)準(zhǔn)裝置［J］.原子能科學(xué)技術(shù)，1991，25（1）：25－31.

［4］ 連琦，常永福，李琦，等.4πγ計數(shù)法測量166Hom放射性溶液比活度［J］.原子能科學(xué)技術(shù)，2003，37（4）：306－309.

［5］ 楊元第，梁珺成，陳靖.125I放射性溶液活度測量國際比對［J］.現(xiàn)代測量與實(shí)驗(yàn)室管理，2005，（6）：3－5.

Study and Preliminary Results of the 4πγWell-type NaI（Tl）Crystal Detector

ZHANGMing1， YANG Yuan-di1， LIU Hao-ran1，2
（1.National Institute of Metrology，Beijing 100013，China；2.China Institute of Atomic Energy，Beijing 102413，China）

A 4πγwell-type NaI（Tl）crystal counting device for gamma-ray detection at NIM is introduced.By analyzing the detected gamma spectrum of60Co，it is found that the sum-peak counting effect is inevitable for nucleiwith comp lex decay scheme using 4πγwell-type NaI（Tl）crystal.Further，a series of test experiments are carried out to investigate the performance of detector by changing the depth of60Co source in the well.The results reveal that the sumpeak counting rate increases as the sourcemoved to the bottom of the well，and the efficiency for full-energy peak has a slight reduction for the increasing sum-peak effect.Besides，the efficiency is reasonable lower at themouth of the well-type NaI（Tl）crystal for the smaller solid angle coverage.Moreover，the energy calibration is also effected by the variation of source position.

Metrology；Gamma-ray spectrum；Radio activity；4πγwell-type NaI crystal

TB98

A

1000-1158（2014）03-0296-04

10．3969／j．issn．1000-1158．2014．03．21

2012-11-30；

2013-03-01

國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局能力提升項(xiàng)目（25-AJDYX1112）

張明（1984－），男，吉林遼源人，中國計量科學(xué)研究院博士后，主要研究方向?yàn)殡婋x輻射計量。zhming＠nim.ac.cn