4πγ井型NaI（Tl）晶体探测器性能研究和初步实验结果

张 明， 杨元第， 刘皓然，2

（1.中国计量科学研究院，北京 100013； 2.中国原子能科学研究院，北京 102413）

4πγ井型NaI（Tl）晶体探测器
性能研究和初步实验结果

张 明1， 杨元第1， 刘皓然1，2

（1.中国计量科学研究院，北京 100013； 2.中国原子能科学研究院，北京 102413）

介绍了中国计量科学研究院用于测量放射性核素活度的4πγ井型NaI（Tl）晶体装置。通过分析测量得到的60Co放射源发射的γ射线能谱发现，采用4πγ井型NaI（Tl）晶体对衰变纲图较为复杂的核素进行测量时存在相加峰效应。当放射源从井型NaI（Tl）晶体井口附近逐渐移至井底的过程中，相加峰的计数率逐渐增加，从而使得对60Co特征γ射线全能峰探测效率逐渐降低；此外，由于在井口附近探测器对放射源所张立体角相对较小，对γ射线的探测效率也较低；放射源在井型晶体内的位置发生变化也会对探测器的能量刻度带来影响。

计量学；γ射线能谱；放射性活度；4πγ井型NaI晶体

1 前 言

NaI（Tl）闪烁探测器由于其较高的探测效率，在放射探测方面一直有着广泛的应用［1］。根据NaI闪烁体可以被加工的形状，有两种常用的NaI（Tl）闪烁探测器。一种是常见的圆柱形NaI（Tl）闪烁谱仪，另一种是井型NaI（Tl）晶体。对于后者，在测量时放射源是放在井型晶体内部的，因此闪烁体对放射源覆盖的立体角较大（接近4π）。所以，4πγ井型NaI（Tl）晶体有着更高的探测效率［2］。

过去的国际比对，通常是采用国际参考系统的4πγ电离室进行的，通过测量得到的活度-电流比值系数和标准的226Ra标准源作比较来得到待测源的活度，然而该方法对于短寿命核素活度的测量却受到了限制；此外，采用4πγ电离室进行活度测量，对放射源的活度也有一定的要求，通常放射源的活度范围应在10～104kBq内，当放射源活度较低时，由于受到4πγ电离室本底电流的影响［3］，得到的活度-电流比值系数是不可靠的。考虑到4πγ井型NaI（Tl）晶体可以对射线进行高效率的探测，并已被广泛应用在放射性活度计量领域，包括间接测量和直接测量［4，5］。近几年，为了扩展国际参考系统（International Reference System，SIR）的测量范围，开展低水平、短寿命的放射性活度测量和国际比对，国际计量局（BIPM）提出了采用4πγ井型NaI（Tl）晶体作为国际参考系统SIR的传递仪器（Transfer Instrument，TI），用以开展有关短寿命放射性核素活度的国际比对。

为了更好参与国际比对，同时开展我国有关短寿命核素活度测量及量值传递，中国计量科学研究院电离辐射计量科学研究所建立了一套4πγ井型NaI（Tl）晶体测量装置，并对该装置做了一系列性能测试。

2 实验装置

图1为4πγ井型NaI（Tl）晶体测量装置，其核心部分为井型NaI（Tl）晶体探头和后续电子学系统（digiBASE）。本文提到的digiBASE为1套356 mm，集成了微型前置放大器、数字化高压装置（0～1200 V）、多道分析器（MCA）等在内的光电倍增管装置，整个谱仪装置通过USB接口连接到计算机上，通过MAESTRO-32多道分析器模拟软件采集能谱并进行数据分析。4πγ井型NaI（Tl）晶体装置的尺寸参数为：晶体直径φ82.1 mm，晶体高度109.8 mm，井口直径φ14.2 mm，井深51.8 mm。实验所用的放射源为60Co点源，滴在2片聚酯薄膜中间，并通过有机玻璃支架置于晶体井内，放射源在晶体内部的高度可以通过支架改变。

图1 4πγ井型NaI（Tl）晶体测量装置

3 实验结果与讨论

3.160Coγ能谱与相加峰计数

图2 4πγ井型NaI（Tl）晶体测量得到的60Coγ射线能谱（放射源在井内的深度h＝2.0 cm）

图2为4πγ井型NaI（Tl）晶体测量装置测量得到的60Coγ射线能谱。测量时探测器高压固定在800 V，放射源在井内的深度h＝2.0 cm。由测量能谱可以看出，60Co发射的2条特征γ射线1173 keV和1332 keV可以在能谱中清楚地看到，对应的道址大概在500左右；此外，在道址为950左右处还有1个明显的能量峰出现，经能量刻度后大致可知其对应的能量约为2500 keV。该峰的出现是1173 keV和1332 keV 2条单能γ射线能量相加的结果。由于实验中60Co放射源放置在井型晶体内部，放射源与晶体的距离非常近，许多衰变产生的γ射线会立刻进入晶体内部与NaI发生相互作用产生光子。对于1173 keV和1332 keV这2条有符合关系的单能γ射线，它们进入探测器并和闪烁体发生相互作用的时间间隔非常短（小于探测器的分辨时间），产生的光电脉冲有很大的几率不能被电子学系统分开。因此，2条γ射线仅能引起1次计数，记录的能量为2条γ射线的能量之和。在通常应用圆柱形状的NaI（Tl）闪烁谱仪测量γ射线能谱时，相加峰计数不会经常出现，其原因在于应用圆柱形NaI（Tl）闪烁探测器进行测量时，放射源放置在探测器前面，与NaI晶体存在一定的距离，从而减小了2条γ射线同时进入探测器的几率，同时也增加了产生的光电脉冲时间间隔。为了将这两种情况的能谱结果进行对比，图3给出了将60Co放射源移至井外距晶体前端距离d＝3.0 cm处测量得到的γ射线能谱。

图3 4πγ井型NaI（Tl）晶体测量得到的60Coγ射线能谱（放射源在井外距离晶体d＝3.0cm）

通过对比图2和图3的测量结果可以看出，用4πγ井型NaI（Tl）晶体测量具有级联关系的复杂衰变核素时，相加峰效应是不可避免的，它的出现对于能谱分析是不利的。其原因为：首先，相加峰的出现使得能谱变得更加复杂；其次，由于相加峰的出现，使得原本能量完全损失在探测器内的射线没能进入全能峰内，而是对相加峰计数有贡献，由此会降低全能峰的探测效率；第三，相加峰也会有康普顿坪区，从而会叠加在原来的全能峰及其康普顿坪上，降低了峰康比。因此，深入研究实验条件对相加峰效应的影响也是很必要的。

图4给出了当60Co放射源在井型晶体内部深度h发生变化时得到的相加峰内的计数率，放射源在井内深度的变化从h＝0 cm变化到h＝3.5 cm。由测量的结果可以很明显地看出，相加峰内的计数率受放射源在晶体内深度的变化影响较大。具体地，当放射源在井口附近（h＝0 cm）时，相加峰计数率较低，因为此时探测器对放射源所张的立体角变小，所以探测效率有所降低，相加峰计数率也随之减小。当把放射源逐渐移至井底的过程中，相加峰效应越发明显，计数率开始升高。

3.2 峰探测效率

由于相加峰的出现会减小全能峰的计数，从而对全能峰的探测效率带来影响。为了进一步说明此影响并给出定量的实验结果，图5给出了当放射源在井型晶体内不同位置处得到的1173 keV和1332 keV 2条单能γ射线的计数率。由实验结果不难得到如下结论：首先，能量较低的1173 keVγ射线计数率更高，峰探测效率也更高，这与用圆柱形NaI闪烁谱仪测量得到的结果是一致的。但由于4πγ井

图4 相加峰计数率随60Co放射源在井型晶体内部深度h的变化

型NaI（Tl）晶体对放射源的覆盖立体角更广，因此探测效率更高。本实验中放射源在井深h＝2.0 cm处的计数率约为将放射源放置在晶体外d＝3.0 cm处计数率的6～7倍（对比图2和图3）。此外，图5中的结果表明，当放射源在井型晶体内部位置发生变化时，会对γ射线的峰探测效率产生比较大的影响。具体的变化趋势是在井深的中间位置处（h＝2.0 cm左右），井型晶体的探测效率最高；将放射源的位置往井口和井底移动的过程中，全能峰计数率逐渐下降。下降的原因一方面是由于放射源向井口移动的过程中，探测器对放射源所张立体角减小，导致探测效率下降；另一方面，将放射源向井底靠近，相加峰效应增加，从而降低了全能峰的计数率。

图5 全能峰计数率随60Co放射源在井型晶体内部深度的变化

3.3 能量刻度

反映射线探测器性能的另一个关键指标是能量刻度，它表征了射线能量和光电脉冲幅度的关系近似地可以用线性关系加以描述。为此，通过确定60Co的2条单能γ射线1173 keV和1332 keV全能峰的中心道址，可以大致对4πγ井型NaI（Tl）晶体进行能量刻度。通常影响探测器能量刻度的因素有很多，如核电子学的增益等。本文通过改变放射源在井型晶体内部的深度来研究放射源位置对能量刻度的影响。图6为全能峰的中心道址随60Co放射源在井型晶体内部深度变化的初步实验研究结果，在测量时，其他的实验条件均固定不变。由实验的结果可以明显地看出，60Co放射源在井型晶体内不同位置处，测量得到的γ射线能谱中全能峰1173 keV和1332 keV的中心位置发生了明显地改变。定量的结果表明，放射源每下移0.5 cm，2个全能峰的中心道址均向右偏离10道左右，这一变化还是十分明显的，在实际应用4πγ井型NaI（Tl）晶体进行能谱测量时固定放射源在晶体内部的位置是非常必要的。

图6 全能峰计中心道址随60Co放射源在井型晶体内部深度的变化

4 小 结

本文对中国计量科学研究院4πγ井型NaI（Tl）晶体放射性活度测量装置进行了测试和研究，实验结果表明，在应用4πγ井型NaI（Tl）晶体进行放射性核素γ能谱测量时，相加峰效应是不可忽略的，其计数率会随着放射源在晶体内部深度的增加而升高。同时，由于相加峰计数的增加，会降低全能峰的探测效率。此外，全能峰中心道址受放射源在晶体内部的位置影响较大，从而影响探测器的能量刻度。

［1］ 古当长.放射性核素活度测量的方法和技术［M］.北京：科学出版社.

［2］ 李琦，常永福，解峰，等.大体积阱式NaI（Tl）探测器的效率计算和测量［J］.原子能科学技术，2003，37（3）：230－232.

［3］ 陈宝林，周维妕，谭永康，等.4πγ电离室活度测量标准装置［J］.原子能科学技术，1991，25（1）：25－31.

［4］ 连琦，常永福，李琦，等.4πγ计数法测量166Hom放射性溶液比活度［J］.原子能科学技术，2003，37（4）：306－309.

［5］ 杨元第，梁珺成，陈靖.125I放射性溶液活度测量国际比对［J］.现代测量与实验室管理，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

国家质量监督检验检疫总局能力提升项目（25-AJDYX1112）

张明（1984－），男，吉林辽源人，中国计量科学研究院博士后，主要研究方向为电离辐射计量。zhming＠nim.ac.cn