放射性测量实验室和检测器-环境监测

2023-11-23 理论教育版权反馈

【摘要】：由于放射性监测的对象是放射性物质，为保证操作人员的安全，防止污染环境，对实验室有特殊的设计要求，并需要制定严格的操作规程。测量放射性需要使用专门的检测器。对放射源要有严格的管理制度，实验室工作人员要定期进行体检。（二）放射性检测器放射性检测器种类多，需根据监测目的、样品形态、射线类型、射线强度及能量等因素进行选择。盖革计数管是目前应用最广泛的放射性检测器，它被普遍用于检测β射线和γ射线强度。

由于放射性监测的对象是放射性物质，为保证操作人员的安全，防止污染环境，对实验室有特殊的设计要求，并需要制定严格的操作规程。测量放射性需要使用专门的检测器。本节对以上两方面内容作简单介绍。

（一）放射性测量实验室

放射性测量实验室分为两部分，一是放射化学实验室，二是放射性计测实验室。

1.放射化学实验室

放射性样品的处理一般应在放射化学实验室内进行。为得到准确的测量结果和考虑操作安全问题，该实验室内应符合以下要求：①墙壁、门窗、天花板等要涂刷耐酸油漆，电灯和电线应装在墙壁内；②有良好的通风设施，大多数处理样品操作应在通风柜内进行，通风电机应装在管道外；③地面及各种家具面要用光平材料制作，操作台面上应铺塑料布；④洗涤池最好不要有尖角，放水用足踏式水龙头，下水管道尽量少用弯头和接头等。此外，实验室工作人员应养成整洁、小心的优良工作习惯，工作时穿戴防护服、手套、口罩，佩戴个体剂量计等；操作放射性物质时用夹子、镊子、盘子、铅玻璃防护屏等器具，工作完毕后立即清洗所用器具并放在固定地点，还需洗手和淋浴；实验室必须经常打扫和整理，配置专用放射性废物桶和废液缸。对放射源要有严格的管理制度，实验室工作人员要定期进行体检。

上述要求的严格程度也随实际操作中放射性的水平而异。对操作具有微量放射性的环境样品的实验室，上述各项措施中有些可以省略或修改。

2.放射性计测实验室

放射性计测实验室装备有灵敏度高、选择性和稳定性好的放射性计量仪器和装置。设计实验室时，特别要考虑放射性本底问题。实验室内放射性本底来源于宇宙射线、地面和建筑材料，甚至测量用的屏蔽材料中所含的微量放射性物质，以及邻近放射化学实验室的放射性沾污等。对于消除或降低本底的影响，常采用两种措施，一是根据其来源采取相应措施，使之降到最小程度，二是通过数据处理，对测量结果进行修正。此外，要求实验室供电电压和频率稳定，各种电子仪器应有良好的接地和进行有效的电磁屏蔽；室内最好保持恒温。

（二）放射性检测器

放射性检测器种类多，需根据监测目的、样品形态、射线类型、射线强度及能量等因素进行选择。表7-26列举了各种常用放射性检测器。

表7-26 各种常用放射性检测器

放射性检测器检测放射性的基本原理基于射线与物质间相互作用所产生的各种效应，包括电离、发光、热效应、化学效应和能产生次级粒子的核反应等。最常用的检测器有三类，即电离型检测器、闪烁检测器和半导体检测器。

1.电离型检测器

电离型检测器是利用射线通过气体介质时，使气体发生电离的原理制成的检测器。电离型检测器有电流电离室、正比计数管和盖革计数管（GM计数管）三种。电流电离室是测量由于电离作用而产生的电离电流，适用于测量强放射性；正比计数管和盖革计数管则是测量由每个入射粒子引起电离作用而产生的脉冲式电压变化，从而对入射粒子逐个计数，适用于测量弱放射性。以上三种检测器之所以有不同的工作状态和不同的功能，主要是因为对它们施加的工作电压不同，从而引起电离过程的不同。

（1）电流电离室。

这种检测器用来研究由带电荷粒子所引起的总电离效应，也就是测量辐射强度及其随时间的变化。由于这种检测器对任何电离都有响应，所以不能用于甄别射线类型。

图7-11是电流电离室工作原理示意图。A、B是两块平行的金属板，加于两板间的电压为UAB（可变），室内充空气或其他气体。当有射线进入电流电离室时，则气体电离产生的阳离子和电子在外加电场作用下，分别向异极移动，电阻（R）上即有电流通过。电流与电压的关系：开始时，随电压增大电流不断增加，待电离产生的离子全部被收集后，相应的电流达饱和，如进一步有限地增加电压，则电流不再增加，电流达饱和时对应的电压称为饱和电压，饱和电压范围称为电流电离室的工作区。

由于电离电流很微小（通常在10﹣12A左右或更小），所以需要用高倍数的电流放大器放大后才能测量。

图7-11 电流电离室工作原理示意图

（2）正比计数管。

这种检测器在图7-12所示曲线中的正比区（CD段）工作。在此，电离电流突破饱和值，随电压增加继续增大。这是由于在这样的工作电压下，能使初级电离产生的电子在收集极附近高度加速，并在前进中与气体碰撞，使之发生次级电离，而次级电子又可能再发生三级电离，如此形成“电子雪崩”，使电流放大倍数达104左右。由于输出脉冲大小正比于入射粒子的初始电离能，故定名为正比计数管。

正比计数管内充甲烷（或氩气）和碳氢化合物气体，充气压力同大气压；两极间电压根据充气的性质选定。这种计数管普遍用于α、β粒子计数，具有性能稳定、本底响应低等优点。因为给出的脉冲幅度正比于初级致电离粒子在管中所消耗的能量，所以还可用于能谱测定，但要求的条件是初级致电离粒子必须将它的全部能量消耗在计数管的气体中。由于这个原因，它大多用于低能γ射线的能谱测定和鉴定放射性核素用的α射线的能谱测定。(www.chuimin.cn)

（3）盖革计数管。

盖革计数管是目前应用最广泛的放射性检测器，它被普遍用于检测β射线和γ射线强度。这种检测器对进入灵敏区域的粒子有效计数率接近100％；它的另一个特点是，对不同射线都给出大小相同的脉冲（见图7-12中盖革计数管工作区段EF线的形状），因此不能用于区别不同的射线。

常见的盖革计数管如图7-13所示。在一密闭玻璃管中间固定一条细丝作为阳极，管内壁涂一层导电物质或另放进一金属圆筒作为阴极，管内充约1/5大气压的惰性气体和少量猝灭气体（如乙醇、乙醚、溴等），猝灭气体的作用是防止计数管在一次放电后发生连续放电。

图7-12 α、β粒子的电离电流（离子数）与外加电压的关系曲线

图7-13 盖革计数管

图7-14是用盖革计数管测量射线强度的装置示意图。为减小本底计数和达到防护目的，一般将盖革计数管放在铅或生铁制成的屏蔽室中，其他部件装配在一个仪器外壳内，合称定标器。

图7-14 用盖革计数管测量射线强度的装置示意图

2.闪烁检测器

闪烁检测器是利用射线与物质作用发生闪光的仪器。它具有一个受带电荷粒子作用后其内部原子或分子被激发而发射光子的闪烁体。当射线照在闪烁体上时，便发射出荧光光子，并且利用光导和反光材料等将大部分光子收集在光电倍增管的光阴极上。光子在灵敏阴极上打出光电子，经过倍增放大后在阳极上产生电压脉冲，此脉冲还是很小的，需再经电子线路放大和处理后记录下来。图7-15是这种检测器测量装置的工作原理。

图7-15 闪烁检测器测量装置的工作原理

1.闪烁体；2.光电倍增管；3.前置放大器；4.主放大器；5.脉冲幅度分析器；6.定标器；7.高压电源；8.光导材料；9.暗盒；10.反光材料

闪烁体的材料可用ZnS、NaI、蒽、芪等无机和有机物质，其性能列于表7-27中。探测α粒子时，通常用ZnS（Ag）粉末；探测γ射线时，可选用密度大、能量转化率高、可制成体积较大并且透明的NaI（Tl）晶体；蒽等有机材料闪光持续时间短，可用于高速计数和测量短寿命核素的半衰期。

表7-27 闪烁体的材料性能

注：①Ag、Tl是激活剂。

闪烁检测器以其高灵敏度和高计数率的优点而被用于测量α、β、γ辐射强度。由于它对不同能量的射线具有很高的分辨率，所以可用测量能谱的方法鉴别放射性核素。这种仪器还可以测量照射量和吸收剂量。

3.半导体检测器

半导体检测器的工作原理与电离型检测器相似，但其检测元件是固态半导体。当放射性粒子射入这种元件后，产生电子-空穴，电子和空穴受外加电场的作用，分别向两极运动，并被电极所收集，从而产生脉冲电流，再经放大后，由多道分析器或计数器记录。如图7-16所示。

图7-16 半导体检测器

半导体检测器可用于测量α、β和γ辐射。与前两类检测器相比，在半导体元件中产生电子-空穴所需能量要小得多，例如：对硅半导体是3.6eV，对锗半导体是2.8eV，而对Na I闪烁检测器来说，从其中发出一个光电子平均需能量3 000eV，也就是说，在同样外加能量下，半导体中生成电子-空穴对数比闪烁检测器中生成的光电子数多近1 000倍。因此，前者输出脉冲电流大小的统计涨落比较小，对外来射线有很好的分辨率，适于作能谱分析。其缺点是由于制造工艺等方面的原因，检测灵敏区范围较小。但因为元件体积很小，较容易实现对组织中某点进行吸收剂量测定。

硅半导体检测器可用于α计数和测定α能谱及β能谱。对γ射线一般采用锗半导体作检测元件，因为锗的原子序数较大，对γ射线吸收效果更好。在锗半导体单晶中渗入锂制成锂漂移型锗半导体元件，具有更优良的检测性能。因渗入的锂不取代晶格中的锗原子，而是夹杂其间，从而大大增大了锗的电阻率，使其在探测γ射线时有较大的灵敏区域。应用锂漂移型锗半导体元件时，因为锂在室温下容易逃逸，所以要在液氮制冷（﹣196℃）条件下工作。

放射性测量实验室和检测器-环境监测

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