12.3.1 γ能谱解析在线视频

我们来看最后一个问题

γ能谱的解析

要想正确的理解γ能谱

应该想清楚下面4个问题

第一个 探测器的分辨率是怎样的

通过八 九 十章的学习

我们知道了分辨率的本质

是载流子数目的离散性

如果知道了平均电离能是多大

也知道了法诺因子是怎么样

我们就可以知道每一个探测器

所能实线的终极分辨率

是怎样的

这个问题在八 九 十章

已经做了充分的讨论

因此在这

我们就不再去追究它了

不再去讨论了

我们来看一看

影响γ能谱的第二个问题

γ射线在探测器中的

沉积能量的分布是怎么样的

然后再看一看

射线的来源是怎样的

再看一看堆积问题

第一步 γ射线不带电

要想被探测器测量到

必须转换成带电粒子

也就是γ要变成次级电子

γ射线怎么样才能

变成次级电子呢

有三种效应

第一种 光电效应

光电效应的后果是什么

是光电子以及一个内层电子

被电离掉的电离原子

光电子如果把能量

全部交给探测器

就会在能谱中形成一个光电峰

光电峰不是全能峰

如果发生的是康普顿散射

后果是两个

反冲电子和康普顿散射光子

反冲电子获得的能量

不会是全部光子能量

它是一个分布

从康普顿边沿到零这一个区间

如果发生的是电子对效应

正负电子携带的动能

是入射光子能量

扣掉1.02那个数

这个称之为双逃逸峰

这就是第一次反应之后

我们在探测器内

所能观察到的情况

可是我们知道反应之后

还有一些东西还得继续工作

比如光电效应之后

这个被电离的原子

它可能会退击产生X线

这个X线很快就会产生

它也能发生光电效应

也能发生康普顿散射

如果这个光子通过光电效应

把能量全部交给了探测器

这个探测器获得的X线能量

将会和上一次光电子

所形成的能量沉积

加在一块儿形成全能峰

康普顿散射的散射光子

也是这样的

它也可以发生光电效应

也可以发生康普顿散射

因此也有可能

把康普顿反冲电子

没有完全从入射光子

那拿到的能量再补偿回来

形成全能峰

当然这个散射光子

如果发生的是康普顿反射

这就是所谓的多次康普顿散射

它将会在全能峰

和康普顿边沿之间

形成一些能谱填充

这里边的多次康普散射

对于电子对效应的正电子而言

它的湮没会造出两个γ射线

两个γ射线都是511keV的伽马光子

它们两个也会按照光电效应

或者康普顿散射来进行反应

如果说有一个光子

如果有两

这两个光子都跑掉了

仍然是双逃逸峰

如果这两个光子跑掉了一个

我们就称之为单逃逸峰

如果它们两个都被抓住了

那就叫全能峰

当然它们也可以在

全能 单逃 双逃之间形成

康普顿的贡献

这里面我们讲到了第一次反应

然后很快又提到了第二次反应

第一次反应和第二次反应的

时间差很小

因为这里面都是光在工作

光永远是光速

时间差总在纳秒的尺度上

探测器通常难以区分

第一次反应和第二次反应的

纳秒时间差

因此会把第一次反应的能量沉积

和第二次反应的能量沉积

叠加起来形成一个总的

刚才我们提到了γ射线

是如何在探测器内

把自己的能量交给次级电子的

次级电子是不是必然的

就能够把能量交给探测器

这也得看

光电效应是把它的能量

交给了光电子

康普顿效应是把它的能量

交给了反冲电子

电子对效应是把它的能量

把光能量交给了正负电子

这些电子将会在探测器内发生

如下的反应

主要的就是电离与激发

在这些过程中产生了载流子

在气体里边就是电子离子对

闪烁体里面首先是电子空穴对

或者激发了原子与分子

然后产生退机的荧光光子

再经过光电转换产生光电子

最后形成了第一打拿极

收集到的电子 载流子

半导体则是电子空穴对

这是我们想看到的

电离激发的后果

就是产生载流子

还有可能是产生轫致辐射

因为电子它在几百keV

或者兆电子伏的动能上

运动的时候被减速

有可能发生轫致辐射产生X线

X线通常能量不是很高

它有可能被抓住

这里面光电效应又是主体

除此之外还有表面效应

所谓表面效应就是如果X线

我们刚才所提到的

轫致辐射的X线

是在浅表被制造的

这个X线很有可能就逃掉了

或者说这个电子

自身是在浅表被制造的

它还没有来得及在探测器内

沉积能量也就跑掉了

这个表面效应就导致了

我们能量沉积的不完全

这是一个我们常见的能量沉积谱

我们能看到最右边的Full-energy peak

这是全能峰

这是我们希望看到的

全部能量沉积下来的峰

我们会看到这是康普顿边沿

这是康普顿的贡献 散射的贡献

这是电子对效应的双逃贡献

电子对效应单逃贡献

中间是多次康普顿散射

这是很常见的一个能谱

我们来看影响能谱的第三个因素

射线来源

在这个图里面虚线指的是

射线从源直接进入了探测器

所形成的效果

我们这里的重点并不它

而是实线部分

实线部分就是我们所谓的

干扰射线 干扰幅射

这里边 1是X射线

X射线怎么来呢

是γ射线打到了周围环境中

发生了光电效应

光电效应后续的X线

射入探测器形成的计数

这是X线的贡献

如果放射源的γ射线

是在环境中发生了康普顿散射

而且是大角度的

康普顿散射的时候

它就会形成一个反散射峰

这里面的2

除此之外还有湮没辐射

那就是如果光子在环境中

发生了电子对效应

并且电子对效应的

正电子在环境中湮没了

其中的511

一个511keV进入探测器

形成的就是湮没辐射

另外如果放射源

是一个β放射源

β放射源在源自身那

会发生轫致辐射

会制造X线

然后被探测器测量

将会在低能区形成一个分布

这就是射线来源

最后我们要看到的是

计数率问题

我们首先来看一看

这是一个能谱

这是24Na这个源

它放出的γ射线

被碘化钠探测器测量之后

形成的能谱

我们看到了一个

1.38Mev的γ射线

看到了2.76MeV的γ射线

这分别对应于

这个衰变纲图里边的

1.368和2.754

我们同时在这个能谱中

还能看到一个

4.14MeV的γ射线

虽然这个γ射线的强度

不是很强

但是它已经相当可观了

而这个γ射线

在右边这个衰变纲图里边

对应的是4122.87这个能级

我们看到在衰变纲图里边

并没有明显的提出

4122.87向基态的衰变

这意味着

这个4122.87向基态的衰变

是一个低概率事件

由这个γ射线的产生是强度很低的

可是为什么我们会在能谱中

看到这样一个γ射线

4.14γ射线呢

根本原因就在于这是一个堆积

这是一个符合事件

是2.76MeV符合1.38MeV

这两个全能峰符合之后

所形成的

在γ能谱的测量过程中

堆积是必然出现的

只不过堆积是跟计数率很相关的

当计数率比较低的时候

堆积是一个低概率事件

而当计数率比较高的时候

堆积就成为一个大概率事件

因此我们可以归纳为一句

堆积是必然 概率有大小

当一个源的计数率比较低的时候

我们看到的能谱

将会和衰变纲图所提供的

γ能谱是一致的

可是当这个放射源的活度

或者说探测器的计数率

比较高的时候

探测器所得到的能谱

将会由于堆积的原因

偏离衰变纲图所提供的γ能谱

最后我们再来看一下能量特征峰

在测量γ射线的时候

我们希望测量到的是全能峰

就是Ef等于光子的能量hv

在全能峰的左边我们会看到

有可能会看到另外一个峰

这叫做逃逸峰

什么逃逸峰呢

它的限定词是I逃逸峰

或者Ge逃逸峰或者Si逃逸峰

这取决于你用哪个探测器

如果是碘化钠探测器

你就可能看到碘逃逸峰

如果是高砷锗探测器

你就有可能看到锗逃逸峰

如果是硅铝探测器呢

你就有可能硅逃逸峰

逃逸峰的构成来源是什么

是入射的光子

在这些探测器里边

发生光电效应

使得碘原子或者锗原子

或者硅原子的K层电子

被电离出去了

然后被电离的该原子

退激后放出的X线

如果这X线没有被抓住

就形成了一个逃逸

这个逃逸会形成一个峰

叫逃逸峰

逃逸峰的位置在全能峰

左边的某一个位置

这个往左去多少呢

往逃逸峰在

全能峰左边的那个位置

取决于逃掉的X线能量是多少

如果是碘逃逸峰

那就是碘的X线的能量是多少

这个位置就有多少

如果是锗逃逸峰

就是锗的X线能量是多少

那就能从全能峰往左去多少

硅以此类推也是这样的

再往左看就是康普顿边沿

康普顿边沿是由入射光子

与探测器中的原子

发生了180度的

康普顿散射之后形成的

180度散射的康普顿散射光子

具有最低的能量

对应的就是

反冲电子具有最高的能量

无论如何这个最高能量

也不可能是入射光子能量

最大的反冲电子能量

是和入射光子能量差多少呢

差的就是这个公式里边的

负号 减号右边这个部分

hv比上1加上hv

除上511keV

再乘上1减去cos180度

再往左看是单逃逸峰

是电子对效应之后

正负电子能量

被探测器完全沉积

正电子湮没产生

两个511的γ光子

其中一个被捕获

另外一个跑掉

这个时候探测器

所获得的总能量是单逃逸峰

它的位置在全能峰

左边511keV处

再往左看是双逃逸峰

那就是电子对效应之后

正负电子能量全部沉积

但是正电子淹没

所产生的两个光子都跑掉了

这个时候是双逃逸峰

此外还有湮没峰

是光子在环境中

产生的电子对效应

环境中电子对效应的正电子

湮没产生了两个511keVγ射线

这两个只有一个有机会

进入探测器

它们这个511keVγ光子进入探测器

形成的全能峰就是湮没峰

另外如果γ射线在环境中

发生了一个大角度的散射之后

进入了探测器

能量全部被捕获

这形成的那个峰

称之为反散射峰

另外 如果γ射线

如果光子在环境中

发生了光电效应

环境中的光电效应后续的X射线

进入探测器

能量全部沉积

这称之为特征X射线峰

这些峰我们说从下往上

能量是递增的

全能峰最高

通常而言 逃逸峰次之

然后康普顿再次之

康普顿边沿再次之

单逃 双逃等等

在全能峰上边还会有一个合峰

也就是我们所谓的堆积效应

它是由能谱中最可几的峰

叠加而得到的

因此特征X射线峰

反散射峰 湮没峰

双逃峰 单逃峰 康普顿边沿

I或者Ge或者Si逃逸峰

全能峰以及合峰

这是我们在一个γ能谱里边

能看到的若干特征

其中黄色的这部分

是由源探关系决定的

就是全能峰

I 或者Ge或者Si逃逸峰

康普顿边沿 单逃 双逃

这是由源和探测器共同决定的

下边绿色的这快

就是湮没峰 反散射峰

和特征X射线峰

则是源和环境来共同决定的

而最上面的合峰

则是由计数率来决定的

这就是第十二章的所有内容