放射性核素的探测概述.ppt

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1、课堂练习 已知一Sr标准源1981年3月18日，标定其强度为0.4uCi。若用一探测效率为40%，本底计数为600cpm的探测器测该标准源，问该标准源衰变到2004年9月18日时，其放射性强度是多少Bq?在某次测量中，5min测得放射源加本底的总计数N=1080，移去放射源，10min测得本底总计数为223，求放射源的静计数率 第二章第二章放射性核素的探放射性核素的探测 第一第一节 气体气体电离探离探测器器 第二第二节 闪烁探探测器器 第三第三节 放射性探放射性探测器中使用的器中使用的电子子仪器器第四第四节 放射性放射性样品的品的测量量第五第五节核核计数的数的统计学学处理理探探测器器测量核射量

2、核射线是基于第一章中我是基于第一章中我们学学过的的什么原理什么原理?射线与物质作用能射线与物质作用能产生各种效应。产生各种效应。电离、激发、光电电离、激发、光电效应效应放大电信号放大电信号记录器记录电脉冲记录器记录电脉冲（光变成电）。（光变成电）。探头电子线路常用的探测器类型常用的探测器类型 测量形式测量形式气体电离探测器固体闪烁探测器液体闪烁探测器半导体探测器激光扫描仪r照相机,PET,SPECT放射自显影放射自显影定量（强度测量）定性（能量测量）定位（相对定量，绝定位（相对定量，绝 对定位）对定位）第一节 气体电离探测器 气体作为吸收射线（带电粒子）的介质。带电粒子穿过气体时，气体被电离产

3、生电子和正离子。在外电场作用下，引起一个瞬间的电离电流随着外电场的增加和降低，电极上收集到的离子对数也随之变化。见下一张图。当带电粒子穿过气体时，气体被电离产生电子和正离子，当带电粒子穿过气体时，气体被电离产生电子和正离子，并做混并做混乱的热运动。乱的热运动。在在没有外没有外电场(E)(E)时时，电离离产生生的的电子和正离子在子和正离子在混乱的混乱的热运运动中，又复合成气体分子。中，又复合成气体分子。在外在外电场作用作用下下,电子向正极子向正极漂漂移移，正离子向，正离子向负极漂移。极漂移。当当EVEV1 1时时，一些正离子和，一些正离子和电子会子会重新重新复合复合成中性分子，成中性分子，电极两

4、极两端端收集收集到的到的离子离子对数小于数小于射射线的的初始初始电离的离子数。离的离子数。V V1 1EVEV2 2，射射线产生的生的电子和离子子和离子完全被收集完全被收集，收集到，收集到.等于等于.V V2 2EVEV3 3，电子在运子在运动过程中可程中可获得足得足够的能量，的能量，产生生次次级电子子。收集的。收集的.大于大于.,.,“气体放气体放大大”。V V3 3EVEV4 4,有限正比有限正比。V V4 4EVEV5 5 ，G-MG-M区区，气体探气体探测器工器工作在作在这个区。个区。放放电区区复合区饱和区正比区有限正比区G-M计数区放电区图图2-9.G-M2-9.G-M计数管结构示意

5、图计数管结构示意图G-M计数器（Geiger-Muller Counters）射线（带电粒子）进入G-M 管，产生电离，气体放大，雪崩现象，假计数，淬灭。G-M 管内充有两种气体：1、惰性气体 2、卤素气体（有机蒸汽）。淬灭原理：、淬灭气体比惰性气体电离电势低。、淬灭气体的正离子在与阴极作用时，打出次级电子和光子的几率很小。3、淬灭气体对光子具有较强的吸收能力。初始电离效应，在高外电场下，气体放大，导致的电子增值过程。工作气体淬灭气体淬灭气体图图2-13.G-M2-13.G-M防护仪防护仪（polon-ekolab的产品）闪烁探测器（Scintillation Detectors）闪烁探测器的

6、组成见右图。闪烁体的种类很多，从化学成份上看分为无机和有机两大类，而从物理形态上又分为固体、固溶体、液体和气体。理想闪烁体的特征。无机和有机闪烁体的发光机制有很大的不同。大家自己看讲义。常用的无机闪烁体（常用的无机闪烁体（NaI(Tl),NaI(Tl),ZnS(Ag),ZnS(Ag),常用的有机闪烁体（塑料常用的有机闪烁体（塑料闪烁体）闪烁体）液体闪烁体（组成、特点）1、闪烁体应有较好的将吸收射线能量转变成光的能力，即有高的发光效率。2、能量响应具有线性关系，即输出脉冲与入射粒子能量之间应有线性关系。3、闪烁体闪烁的持续时间（），即发光衰减时间要短。4、有好的化学和辐射稳定性，及小的温度效应5

7、、易作成大晶体，高密度。透明度和光学均匀 度好。用于射线探测用于射线探测用于射线探测理想闪烁体特性：闪烁体应有较好的将吸收射线能量转变成光的能力，即有高的发光效率。能量响应具有线性关系，即输出脉冲与入射粒子能量之间应有线性关系。闪烁体闪烁的持续时间（），即发光衰减时间要短。有好的化学和辐射稳定性，及小的温度效应。易作成大晶体，高密度。透明度和光学均匀度好。液体闪烁体由溶剂、溶质、添加剂组成闪烁液中99%以上是有机溶剂（甲苯、二氧杂环乙烷和二甲苯等）。溶质：第一溶质（0.3-1%）对联三苯TPNO2,5-二苯基氧氮杂茂PPOONN2-苯基-5（4-二苯基）-1，3，4-氧二氮杂茂PBD第二溶质（

8、0.01-0.05%CH3CH3NONODMPOPOP1,4-双-2-（4-甲基-苯基噁唑基）-苯NONOPOPOP 1,4-双-2-（5-苯基噁唑基）-苯CH3CH3CH=CHCH=CH双-MSB对-双（邻-甲基苯乙烯基）-苯添加剂（也称第二溶剂）萘、乙醇、甲醇等1、溶解样品和溶质。2、接收样品的能量转移给第一溶质。主溶质，作用：接收溶剂传递的能量并发光。作用：接收第一溶质发射的光，发射较长波长的光。波长转移剂波长转移剂。1、改善溶剂的溶解度；2、增加光传递效率；3、分散样品。死死时间”（D D）、“恢复恢复时间”（R R）、“分辨分辨时间”（）一次雪崩后，一次雪崩后，质量相量相对大的阳离大

9、的阳离子，由于迁移速度子，由于迁移速度远小于小于电子，子，故仍滞留在阳极故仍滞留在阳极丝周周围，形成阳，形成阳离子鞘，抵消了一部分外离子鞘，抵消了一部分外电场。此此时不能引起不能引起G-MG-M计数器的再一数器的再一次雪崩，次雪崩，这段段时间称称G-MG-M计数器数器的的“死死时间”（D D）。随着阳离子鞘不断向阴极运随着阳离子鞘不断向阴极运动，阳极阳极丝周周围的的电场逐逐渐恢复，入恢复，入射粒子形成的脉冲幅度逐射粒子形成的脉冲幅度逐渐增大，增大，从有脉冲出从有脉冲出现到脉冲幅度恢复到到脉冲幅度恢复到最大最大值所需要的所需要的时间称称为“恢复恢复时间”（R R）。）。探探测器能器能记录下来的两

10、个相下来的两个相邻脉脉冲的最短冲的最短时间间隔，称隔，称为“分辨分辨时间”（）。光电倍增管光电倍增管将光将光变成成电(阴极阴极)光光电子在倍增子在倍增级中倍中倍增增阳极阳极输出出电脉冲脉冲光耦合光耦合剂和光和光导放射性探放射性探测器中使用的器中使用的电子子仪器器 电脉冲通脉冲通过电子子仪器的器的状况状况.定定标器或器或记录仪是在是在给定的定的时间内，累内，累计、显示，由脉冲高度分析器示，由脉冲高度分析器输出的信号。出的信号。各种探各种探测器器电子子线路部路部分基本相同分基本相同.探测器的调试探测器的调试确定甑别域值确定工作电压调整放大倍数计算探测效率(E)品质因素(F)的计算甑别域计数率有源无

11、源工作阈值放射性样品的测量 探测器的测量方式:定量测量(获得样品量多少的测量)绝对测量:利用测量装置直接测量或经过各种校正后测得样品的活度。相对测量:将样品和标准源在相同条件下进行测量。定性测量：根据放射性核素在衰变时都会发射出自己特征能 量的射线，分析判断出射线种类样品的计数（cps)-本底计数（cps)E（探测效率）测量样品的制备 液闪测量中的淬灭校正方法 样品的衰变数(dps)=测量样品的制备放射性测量对样品制备的要求不高。相比之下液闪测量，多数样品需根据其测量形式进行一定的处理。液闪测量，包括：均相测量和非均相测量。非均相测量，包括：乳浊液测量法、悬浮液测量、固相法。液体体积一样,固体

12、摆放位置一致。Tritonx-甲苯-水乳化剂:凝胶剂(硬脂酸铝等)一定大小微粒固相载体摆放位置液闪测量中的淬灭校正方法 内标准源法：样品计数效率用外加的标准源（对标准源有要求）来确定。具体操作步骤是：先测样品计数率（C1）；加入已知活度（A）的标准源，并计数（C2）；确定计数效率E。样品道比法：原理：1、淬灭时，谱脉冲高度降低，能谱左移（见图（1）2、谱在给定的两个道内计数比值发生变化（见图（2）3、道比值与淬灭程度与仪器探测效率有线性关系（见右下图）。具体方法见后。外标准源道比法 淬灭1淬灭2计数率脉冲高度（1）无淬灭计数率B无淬灭A淬灭1淬灭2C脉冲高度（2）图2-15.淬灭对谱的影响用样

13、品道比法进行淬灭校正的方法是：配制一组（一般配制一组（一般79个）放射性活度个）放射性活度（DPM）已知并相等，但淬灭程度不同）已知并相等，但淬灭程度不同的一系列标准样品。的一系列标准样品。计算道比值：计算道比值：在液闪中测出这些样品在在液闪中测出这些样品在两道中（两道中（A A，B B）的计数（）的计数（CPMCPM），），B/A=?,B/A=?,算出道比值算出道比值。计算探测效率：计算探测效率：E=（样品计数率-本底计数）/放射性活度以样品道比值作为横坐标，探测效率作为纵坐标可作出一条关系曲线（两道选取合理所得到的是一条直线或光滑的曲线）。未知样品测量时，可先测出该未知样品在两道中的计数率

14、，算出道比值，利用道比值在标准曲线上查出探测效率。即可算出该未知样品的放射性活度大小。NaI探测器液体闪烁计数器半半导导体体探探测测器器激光扫描成像仪激光扫描成像仪Gamma照相机和它的发明者H.Anger1958年，H.Anger和他的同事们共同研制成功了Gamma照相机。它既可以单独完成探测显像任务，又是现代所有核医学显像仪如PET、SPECT实现探测的重要组成部分。Cassen发明发明AngerAnger发明发明发明发明SPECTSPECT和和和和PETPET技术技术技术技术Gamma计数器计数器Gamma照相机照相机ECT技术技术二维投影三维显像正电子发射计算机断层正电子发射计算机断层

15、扫描扫描（Positron Emission Tomography）简称简称 PET核医学显像核医学显像技术的双引擎技术的双引擎单光子发射计算机断层单光子发射计算机断层扫描扫描（Single Photon Emission ComputedTomography）简称简称SPECT探头围绕患者旋转探头围绕患者旋转采集放射性核素空间分布投影采集放射性核素空间分布投影采用滤波反投影等方法采用滤波反投影等方法获得放射性核素空间分布的断层图像获得放射性核素空间分布的断层图像The picture shows one-head SPECT照相机探头围绕着病人旋转运动照相机探头围绕着病人旋转运动The pi

16、cture shows two-head SPECTSiemens tri-head SPECT1964年环状头部PET，图为第一台的PET扫描仪，从图中我们可以看到其纷繁的线路裸漏在外面。PET发展史商品化PET 通用公司 课堂堂练习在在32P标记寡核苷酸的实验中所购买的标记寡核苷酸的实验中所购买的r-32P生产生产标定时的放射性比活度为标定时的放射性比活度为20106 Bq/ml，在使，在使用时用时r-32P的放射性比活度需的放射性比活度需5106 Bq/ml。32P半衰期为半衰期为14天，问实验需要在距校定日多少时天，问实验需要在距校定日多少时间内完成实验？间内完成实验？,三种射线分别用

17、什么类型探测器进行探测三种射线分别用什么类型探测器进行探测？其中液体闪烁探测器主要用于什么射线的测量？其中液体闪烁探测器主要用于什么射线的测量？表2-8 一个长寿命核素样品重复测量数据测 量序 号计数(2min)Ni测 量序 号计数(2min)Ni11880-1832411197678608421887-11121121876-2248431915172891319013941815-47220914197981656151874-24576151836-62384461853-452025161832-6643537193133108917193032102481866-3210241819

18、17193619198082672419189911101893-525201890-864注：数据来源于核化学及核技术应用平均值放射性统计误差放射性统计误差 第五第五节核核计数的数的统计学学处理理 误差来源：系差来源：系统误差、偶然差、偶然误差、差、过失失误差差。放射性放射性统计误差是一种差是一种特殊的偶然特殊的偶然误差差，它是由核事件的，它是由核事件的微微观过程本身的随机性所造成的程本身的随机性所造成的。本本节重点介重点介绍涉及在核涉及在核辐射射计数数测量量应用中的用中的统计（偶然）（偶然）误差。差。核衰核衰变的的统计性性，可通，可通过实验观察到。平均察到。平均计数数N N1010时，它服

19、，它服从泊松分布。当从泊松分布。当N N1616时，它，它过渡到高斯分布。在放射性渡到高斯分布。在放射性测量中量中N N一般都一般都远远大于大于1616。统计误差的差的表示表示及及运算运算。测量量结果表示：果表示：N NN N ，（，（）核衰核衰变的的标准准误差差可表示可表示为：N N=N=N1/21/2（中科院原子能所（中科院原子能所编“放放射性同位素知射性同位素知识应用用”第第156156页），所以），所以测量量结果又能写成：果又能写成：N N N N1/21/2相相对误差差F=F=N N/N=/N=NN1/21/2/N=1/N/N=1/N1/21/2（相相对误差反映差反映测量的量的精确度

20、精确度）误差的运算差的运算（见书6767页）图图2-312-31。m=3.5时的泊松分布图时的泊松分布图m=10时的高斯分布图时的高斯分布图相加时为：相减时为：相乘时为：相除时为：设设两个独立两个独立测测量量值值和和 统计分析的分析的应用用 平均计数率的标准误差为：1 1、计数率、平均数率、平均计数和平均数和平均计数率数率标准准误差和相差和相对误差的表示差的表示 计数率的标准误差为：相对误差为：平均计数的标准误差为：相对误差为：相对误差为:注意：在此时间（t）和测量次数（m）看作无误差的确定值。例一：在2分钟里测得计数是4900，测量次数为次，求平均计数率 (n)和相对误差(Fn)。解：=49

21、00/2=2450 CPM测量结果表达为：2450 352 2、样品品净计数率的数率的计算算 所有的核探测器都有本底计数。所以探测器测量样品所得到的计数包括放射性样品（Nc）和仪器本底（Nb）计数两部分，样品的净计数（Ns）为：Ns=Nc-Nb 根据误差运算公式，净计数率的标准误差为：相对误差为：如果tc 和tb 分别为放射性样品和本底的测量时间，则样品的净计数率为：例二：在样品和本底测量时间各4分钟里，测得总的样品的计数是 6000，本底是计数4000。问：其净计数率和标准误差各是少？所以，ns=500 25 cpm 3 3、测量量时间的合理分配的合理分配 在给定总测量时间T内（T=tc+t

22、b），tc 和tb如何分配可使测量误差最小？因为所以，欲使ns最小，应令上式的一阶导数为零，即 因为上式中故整理后例例，一个放射性测量实验，根据实验情况要求，样品，一个放射性测量实验，根据实验情况要求，样品 和本底的总测量时间为和本底的总测量时间为2min，样品的计数率为，样品的计数率为3840cpm，本底的计数率为，本底的计数率为60cpm。问，样品和本。问，样品和本底的测量时间各为多少时，测量的标准误差最小？底的测量时间各为多少时，测量的标准误差最小？答：已知成立时标准误差最小。4 4、估算所需的、估算所需的测量量时间 给定测量时相对误差，计算满足不大于这个相对误差时所需要的最短测量时间。

23、将代入得整理可得5 5、最小可、最小可测量量的量量的计算算 给定测量时间和误差，计算至少需要多少放射性量。才能满足实验要求。，两式相加得：例三：如果某仪器的探测效率为60%，本底不超过40cpm，实验给定 的总测量时间T=2min，Fns5%，要达到上述要求，所需样品最小的放射量是多少？解：则所需最小强度为：cpmnc425=()()nc401205.022-=()nnTFbcn122-=在在32P标记寡核苷酸的实验中所购买的标记寡核苷酸的实验中所购买的r-32P生生产标定时的放射性比活度为产标定时的放射性比活度为20106 Bq/ml，在使用时在使用时r-32P的放射性比活度需的放射性比活度需5106 Bq/ml。32P半衰期为半衰期为14天，问实验需要在距天，问实验需要在距校定日多少时间内完成实验？校定日多少时间内完成实验？,三种射线分别用什么类型探测器进行探三种射线分别用什么类型探测器进行探测？其中液体闪烁探测器主要用于什么射线测？其中液体闪烁探测器主要用于什么射线的测量？的测量？在某次在某次测量中，量中，5min5min测得放射源加本底的得放射源加本底的总计数数N=1080N=1080，移去放射源，移去放射源，10min10min测得本底得本底总计数数为223223，求放射源的，求放射源的净计数率及其数率及其标准准误差、相差、相对误差。差。课堂练习课堂练习