IAEA根据核安全的需求发布了一系列的手册,对与核安全有关的辐射监测仪器性能、打击非法贩运等工作进行了规范化的指示,并根据放射源的辐射特性与活度大小、材料形态、辐射实践与使用条件、照射情景和源寿命等综合分析密封放射源的潜在危险并对其进行了分类[5]。IAEA ITDB数据库中近十几年内全球核实的涉及放射源的非法项目按源的同位素分类为:60Co 8%、137Cs 38%、90Sr 7.5%、192Ir 7.5%、226Ra 6%、241Am 15%、239Pu 5%、其他14%[6]。据IAEA统计,每年工业和医学放射源被遗弃、丢失或偷盗事件在全世界存在数百起,且这些源的总数及其用途都不明确[7]。针对这种情况,IAEA与IEC相关国际标准与导则[8-10]等要求:用于涉及核材料与其他放射性物质非法活动探查的γ能谱测量分析仪器必须满足能识别30KeV~3MeV范围内的放射源, 在所有的放射性核素中,至少能识别以下四类核素:
(1) 特种核材料:U (一般指233U,235U),237 Np,239Pu
(2) 医用放射性核素:18F,67Ga,51Cr,75Se,89Sr,99Mo,99mTc,103Pd,111In,I( 123I,125I,131I) ,153Sm,201Tl,133Xe
(3) 天然放射性核素(NORM):40K,226Ra,232Th(及其子体),238U(及其子体)
(4) 工业放射性核素:57Co,60Co,133Ba,137Cs,192Ir,204Tl,226Ra,241Am
γ谱仪经过几十年的发展,已经产生了多种类型的产品,各具特点,可以满足绝大多数的探测要求,其不同之处主要体现在探测器的类型。γ谱仪探测器的性能主要包括能量分辨率、探测效率和环境特性等。全能峰半高宽 (FWHM)与峰位能量的比值既是能量分辨率:
η=FWHM/E×100%
它表示了探测器对具有不同能量射线的分辨能力,是探测器最重要的性能指标之一[11]。能量分辨率与探测器输出信号有关。有用的信号越强,电子干扰越弱,则能量分辨率就越好。探测器得到的谱峰内脉冲净计数与放射源发射的粒子数的比值就是谱仪探测器的探测效率。影响探测效率的最大因素是核素测量中能谱测量时间的长短。环境特性一般是指谱仪探测器受周围环境的影响特性,包括湿度、温度、振动、电磁干扰等。对于手持式测量仪器,环境特性尤为重要。工作温度范围越宽,受湿度影响越小,抗振动能力和电磁干扰能力越强,则环境特性越好。
探测器类型不同,性能特点也不同。探测器中应用最早也是最广的NaI 探测器使用方便,价格便宜,性价比高但能量分辨率较差,占探测器市场的主体地位。 NaI平均原子序数很高,体积也可以做得很大,所以探测效率也很高。另外,NaI晶体极易潮解,抗机械振动与热冲击的性能较差。在目前常用的几种谱仪探测器中,HPGe探测器的能量分辨率是最好的。HPGe平均原子序数高,物质密度大,同样可以制成较大体积,探测效率也比较高。可以说它是现在唯一一 种同时具备高探测效率和高能量分辨率的谱仪探测器。但是它的应用范围受低温 90~100K 的使用要求限制,需要用液氮或者电制冷来制造低温条件才能工作。因此对放射性核素识别工作来说,HPGe探测器是实验室最佳的选择。近年来兴起的半导体CdZnTe探测器,它的能量分辨率处于NaI 和HPGe之间,同时又具有常温使用、湿度要求低、本征探测效率高、小型化潜力大等特点,因此有广泛应用于多项领域的潜质。CdZnTe属于化合物半导体,它是从CdTe上发展起来的,拥有禁带宽度大,高电阻率,极化现象小等优点。它的出现倍受关注,因为解决了高性能手持式核素分析应用的难题。与NaI和HPGe不同的是,CdZnTe探测器的探测效率很低,这限制了其在实际中的应用。21世纪又出现了一种新型闪烁体探测器——LaBr3(Ce)探测器。LaBr3(Ce)晶体光输出较大、能量分辨率高,与CdZnTe探测器相近。现在的技术已经可以把这种晶体做成几个英寸,并且在同重的情况下,NaI的测量时间比它约慢2~3倍。但LaBr3(Ce)晶体有两个明显的缺点:一是晶体中存在放射性核素La和Ac,这两种核素的存在使得它在1468 keV干扰峰对40K的识别比NaI要差;二是低能段(<100 keV)能量分辨性能与NaI晶体并没有差别。同时LaBr3(Ce)晶体的价格比NaI晶体要高很多,但未来存在下降的趋势,应用的前景可期。
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