CN103605149A - 一种刻度氙气样品HPGe探测效率的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明一种刻度氙气样品HPGe探测效率的装置及方法，包括放射源、多个不同高度的装有空气的聚乙烯盒、探测器；放射源包括¹³³Ba面源和¹³⁷Cs点源；面源铝底衬作为上吸收层；¹³⁷Cs点源位于¹³³Ba面源上面中心位置；¹³³Ba面源位于装空气样品的聚乙烯盒上方，聚乙烯盒上下面作为下吸收层；探测器包括晶体、位于晶体外的铝外壳、位于铝外壳上且位于晶体上方的碳材料窗；聚乙烯盒放置在探测器窗上方。本发明使用的放射源高度等间隔增加，使用¹³³Ba面源来替代¹³³Xe样品进行效率刻度，使用¹³⁷Cs点源峰效率来校正¹³³Ba面源峰效率的符合相加校正因子，其解决了现有探测效率刻度方法对源的活度要求非常高、射线存在自吸收问题、存在较大的不确定度的技术问题。

Description

一种刻度氙气样品HPGe探测效率的装置及方法

技术领域

本发明属于辐射探测技术方法，具体涉及了¹³³Xe气体的探测效率面源效率刻度技术及放射源的级联符合相加效应的校正技术。

背景技术

全面禁止核试验条约主要使用放射性核素监测来履约和监测各种核试验。在一次核爆中，将会大量产生四种放射性氙同位素：^131mXe(t_1/2=11.84d),¹³³Xe(t_1/2=5.243d),^133mXe(t_1/2=2.19d),¹³⁵Xe(t_1/2=9.14h)，这些核素由于其半衰期较长，在核爆几天内还是比较容易被探测到，国际上重点关注的气体核素为¹³³Xe气体，因此对其监测的技术手段成为各国研究的重点内容。一般测量¹³³Xe气体采用β-γ符合法、HPGeγ能谱分析法。β－γ符合法采用了符合技术，有效降低了环境放射性本底影响，系统的探测限较高。测量放射性气体氙时，气体会通过扩散作用附集在探测器内壁，难以清除干净，形成所谓的“记忆效应”，从而极大地影响β－γ符合法测量放射性氙的灵敏度。HPGeγ能谱直接用于氙同位素四种核素的测量，且能量分辨率也比较高，是比较成熟的技术，适合现场测量；相对β-γ符合设备它具有结构简单、操作简单等特点，缺点是探测灵敏度没有β-γ符合高。

放射性氙的全能峰的HPGe效率刻度一般有几种方法：

一、制作放射性氙同位素标准源进行效率刻度，该方法的优点可使其与样品形状相同，但它的缺点是氙同位素半衰期较短，对源的活度要求非常高。

二、使用低密度材料，发射多种能量射线的混合源，被做成样品形状，使用这些源刻度得到的效率曲线可得到未知氙的探测效率。该方法的不足是射线存在自吸收问题，只是一种近似实验模拟技术。

三、使用蒙卡模拟来获得探测效率，这种方法需知道探测器特性的全面知识，尤其锗晶体的灵敏体积。生产厂家一般不能提供晶体死层信息，因此用户需要对晶体死层进评估，存在较大的不确定度。

实际工作中¹³³Xe气体源只有5天左右的半衰期，制作标准气体源对探测器进行效率刻度是比较麻烦的。借助以上方法的优点，本发明使用半衰期为10年左右的¹³³Ba面源来替代¹³³Xe进行氙气刻度。由于¹³³Ba核素存在严重的符合相加效应，不能直接得到其81keV能峰的净计数，需要进行符合相加校正。

在原子核的级联衰变中，发射一个粒子后，立即又发射一个或多个同类型或其他类型的粒子，因原子核激发态的寿命很短（通常在10^-8～10^-21S），可以把两个或多个粒子看成是同时发射的衰变事件，探测器记录的是其能量叠加后的能峰。通常解决这类核素的测量问题一般使用符合方法，最常用的测量装置为4πβ—γ符合测量装置。通常是采用HPGe等单探测器系统进行远距离测量分析。符合相加校正国外一般根据核素的衰变，跟踪所有衰变路径和可能形成的峰几率，建立了转变几率矩阵方程，通过解方程得到了符合校正因子。本发明对于面源的符合相加进行了专门的实验设计安排，¹³³Ba面源上方放置¹³⁷Cs点源，利用¹³⁷Cs/¹³³Ba峰效率比值随高度变化的规律，进行符合相加校正，得到了满意的结果，该技术方法对于其他具有符合相加效应的核素具有通用性。

本发明发明实现了¹³³Ba面源刻度¹³³Xe气体源的面源积分刻度和面源效率转移刻度两种面源刻度技术，两种技术方法可以同时完成刻度工作，也可单独完成刻度工作。刻度完成后即可对样品进行测量分析得到样品的放射性活度浓度值。

发明内容

本发明目的是提供一种采用¹³³Ba面源模拟刻度¹³³Xe样品HPGe探测效率的方法，其解决了现有探测效率刻度方法对源的活度要求非常高、射线存在自吸收问题、存在较大的不确定度的技术问题。

本发明的技术解决方案是：

一种刻度氙气样品HPGe探测效率的装置，其特殊之处在于：包括放射源、多个不同高度的装有空气的聚乙烯盒、探测器；所述放射源包括¹³³Ba面源和¹³⁷Cs点源；所述面源铝底衬作为上吸收层；所述¹³⁷Cs点源位于¹³³Ba面源上面中心位置；所述¹³³Ba面源位于装空气样品的聚乙烯盒上方，聚乙烯盒上下面作为下吸收层；所述探测器包括晶体、位于晶体外的铝外壳、位于铝外壳上且位于晶体上方的碳材料窗；聚乙烯盒放置在探测器碳材料窗上方。

上述多个聚乙烯盒高度范围为0.5-20cm。

上述多个聚乙烯盒较佳高度范围为0.5-2.5、18-20cm。

上述聚乙烯盒高度之一为20cm。

一种刻度氙气样品HPGe探测效率的方法，包括以下步骤：

1】通过LabSOCS模拟计算获得R(h_n)、R(h_f)、R_(n/f)(h)；

1.1】LabSOCS模拟计算¹³⁷Cs点源和¹³³Ba面源在离探测器较近时不同高度的峰探测效率ε_Cs(h_n)、ε_Ba(h_n)，以及较远时不同高度的峰探测效率的ε_Cs(h_f)、ε_Ba(h_f)；

1.2】计算距离探测器较近时不同高度的¹³⁷Cs点源与¹³³Ba面源的峰探测效率比值R(h_n)：

$R\left(h_n\right)=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{Cs}}\left(h_n\right)}{{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{Ba}}\left(h_n\right)}---\left(1\right)$

同时计算距离探测器较远时不同高度的¹³⁷Cs点源与¹³³Ba面源的峰探测效率比值R(h_f)：

$R\left(h_f\right)=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{Cs}}\left(h_f\right)}{{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{Ba}}\left(h_f\right)}---\left(2\right)$

1.3】计算R_(n/f)(h)：

$R_{(n/f)}\left(h\right)=\frac{R\left(h_n\right)}{R\left(h_f\right)}---\left(3\right)$

式中：

R_(n/f)(h)表示离源探测器较近时的R(h_n)与离探测器较远时的R(h_f)比值；

2】通过实验测量计算获得R(h_f)'、ε_Cs(h_n)'；

2.1】在¹³³Ba面源上方中心位置放置一个¹³⁷Cs点源，面源下方放置探测器，测量源（¹³³Ba面源、¹³⁷Cs点源）离探测器较远时多个高度等间隔增加不同位置的探测效率ε_Ba(h_f)'、ε_Cs(h_f)'，以及较近时的探测效率ε_Cs(h_n)'

${\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{Cs}}{\left(h_f\right)}^{\′}=\frac{N}{A\·P_{\mathrm{\γ}}}---\left(4\right)$

${\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{Ba}}{\left(h_f\right)}^{\′}=\frac{N}{A\·P_{\mathrm{\γ}}}---\left(5\right)$

${\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{Ca}}{\left(h_n\right)}^{\′}=\frac{N}{A\·P_{\mathrm{\γ}}}---\left(6\right)$

式中：

N表示峰计数率；

A表示源活度(Bq)；

P_γ表示γ射线发射率；

2.2】同时计算距离探测器较远时的¹³⁷Cs与¹³³Ba峰探测效率比值R(h_f)'：

$R{\left(h_f\right)}^{\′}=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{Cs}}{\left(h_f\right)}^{\′}}{{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{Ba}}{\left(h_f\right)}^{\′}}---\left(7\right)$

3】计算距离探测器较近时的¹³⁷Cs与¹³³Ba峰探测效率比值R(h_n)'：

$R_{(n/f)}\left(h\right)=\frac{R{\left(h_n\right)}^{\′}}{R{\left(h_f\right)}^{\′}}\⇒R{\left(h_n\right)}^{\′}=R_{(n/f)}\left(h\right)\·R{\left(h_f\right)}^{\′}---\left(8\right)$

4】计算距离探测器较近时的¹³³Ba峰探测效率ε_Ba(h_n)'：

$R{\left(h_n\right)}^{\′}=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{Cs}}{\left(h_n\right)}^{\′}}{{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{Ba}}{\left(h_{\mathrm{na}}\right)}^{\′}}\⇒{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{Ba}}{\left(h_n\right)}^{\′}=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{Cs}}{\left(h_n\right)}^{\′}}{R{\left(h_n\right)}^{\′}}---\left(9\right)$

5】积分获得体源效率：通过对探测效率ε_Ba(h_n)'与样品高度h_n最小乘曲线拟合得到关系ε_Ba(h)'，则探测器对于面源效率ε_Ba(h)积分可以获得¹³³Xe气体样品的探测效率，完成面源积分刻度

表示为式(10)：

${\mathrm{\ϵ}}_{V,\mathrm{Xe}}={\mathrm{\ϵ}}_{V,\mathrm{Ba}}=\frac{1}{H}{{\∫}_0^H\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{Ba}}\left(h\right)\mathrm{dh}---\left(10\right).$

另一种刻度氙气样品HPGe探测效率的方法，包括以下步骤：

1】LabSOCS软件模拟或蒙卡程序计算所需¹³³Xe气体体源的探测效率 ${\mathrm{\ϵ}}_{v,\mathrm{Xe}}^s;$

2】利用LabSOCS软件模拟或蒙卡程序计算面源在较远参考位置20cm的ε_Ba(h_f)值；

3】在¹³³Ba面源下方放置探测器，测量源离探测器参考位置20cm的ε_Ba(h_f)'值，

${\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{Ba}}{\left(h_f\right)}^{\′}=\frac{N}{A\·P_{\mathrm{\γ}}}---\left(11\right)$

式中：

N表示峰计数率；

A表示源活度(Bq)；

P_γ表示γ射线发射率；

4】利用实验获得的参考位置20cm的实验效率ε_Ba(h_f)'值，结合步骤1】中值，计算得到面源效率转移刻度如下式所示，完成面源效率转移刻度；

${\mathrm{\ϵ}}_{v,\mathrm{Xe}}^t={\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{Ba}}{\left(h_f\right)}^{\′}[{\mathrm{\ϵ}}_{v,\mathrm{Xe}}^s/{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{Ba}}\left(h_f\right)]---\left(12\right).$

本发明使用的放射源高度等间隔增加，使用¹³³Ba面源来替代¹³³Xe样品进行效率刻度，使用¹³⁷Cs点源峰效率来校正¹³³Ba面源峰效率的符合相加校正因子。因此具有以下优点：

（1）长半衰期的面源代替短半衰期的体源，¹³³Ba核素半衰期为10年左右，¹³³Xe只有几天，使用¹³³Ba面源刻度氙气体源解决了其半衰期较短的问题；

（2）面源相对使用低密度材料制作的体源，能更好的满足气体源均匀性要求；

（3）面源模拟气体源时，下方无任何吸收介质，因此也无自吸收校正问题；

（4）本发明方法借用了无符合相加效应的¹³⁷Cs点源峰效率值，校正了¹³³Ba面源能峰的符合相加效应，可用于其它放射源的符合相加校正，采用点源不存在源的均匀性问题；

（5）³³Ba面源在参考位置20cm的一次实验刻度就可以得到整个气体体源的探测效率，省去了面源模拟刻度体源的积分过程。

附图说明

图1是LabSOCS面源模型几何配置及组成示意图；

图2是LabSOCS圆柱模型几何配置及组成示意图；

图3是Φ46.8mm面源探测效率随离晶体距离变化的关系示意图；

图4是Φ63.5mm面源探测效率随离晶体距离变化的关系示意图；

其中：

图1中：1-面源，2-点源，3-晶体，d1.2-面源直径，4.1-下吸收层厚度，5.1-上吸收层厚度，d6.1-样品距晶体距离；

图2中：3-晶体，4-¹³³Xe样品，d1.1-样品盒侧壁厚，d1.3-样品盒直径，d2.1-样品盒底厚，d3.1-样品高度，d4.1-下吸收层厚度，d5.1-上吸收层厚度，d6.1-样品距晶体距离。

具体实施方式

实际测量的¹³³Xe气体样品为圆柱状，高度H，将其置于探测器上方进行能谱测量。若制作标准¹³³Xe气体进行能谱效率刻度，其半衰期较短无法满足实际需求，因此本发明考虑使用¹³³Ba来替代¹³³Xe进行氙气刻度，¹³³Ba发射γ射线能量为81.0keV（P_γ=0.330,）和79.6keV(P_γ=0.0255),由于两个能量很接近，可等效为一个81keV（P_γ=0.355）来替代¹³³Xe发射的81.0keV射线。

使用¹³³Ba存在一个缺陷就是其整个能谱存在严重的符合相加效应，用其测量实验必须进行符合相加校正，本发明在¹³³Ba面源上面中心位置放置一个¹³⁷Cs点源，利用¹³⁷Cs与¹³³Ba的峰效率比值，及¹³³Ba面源远离探测器时(表示距离探测器较远位置)无符合相加效应，¹³⁷Cs发射的661.6keV（P_γ=0.851）能峰远近都无符合相加效应等，建立一定的关系。先通过LabSOCS模拟计算出¹³⁷Cs与¹³³Ba的峰效率比值，再结合远近实验值确定离探测器较近时(表示距离探测器较近的位置)¹³³Ba面源的峰效率。之所以要确定离探测器较近时¹³³Ba面源的峰效率原因是¹³³Xe气体样品一般在距离晶体较近位置测量，所以要获得离探测器较近时的效率刻度值。

本发明的技术解决方案为：

(1)¹³⁷Cs点源校正了¹³³Ba面源符合相加效应原理

通过LabSOCS模拟计算获得R(h_n)、R(h_f)、R_(n/f)(h)，LabSOCS模拟计算¹³⁷Cs点源和¹³³Ba面源在离探测器较近时不同高度的峰探测效率ε_Cs(h_n)、ε_Ba(h_n)，以及较远时的ε_Cs(h_f)、ε_Ba(h_f)；

计算距离探测器较近时不同高度¹³⁷Cs点源与¹³³Ba面源的峰探测效率比值R(h_n)：

$R\left(h_n\right)=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{Cs}}\left(h_n\right)}{{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{Ba}}\left(h_n\right)}---\left(1\right)$

同时计算距离探测器较远时的¹³⁷Cs与¹³³Ba峰探测效率比值R(h_f)：

$R\left(h_f\right)=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{Cs}}\left(h_f\right)}{{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{Ba}}\left(h_f\right)}---\left(2\right)$

计算R_(n/f)(h)：

$R_{(n/f)}\left(h\right)=\frac{R\left(h_n\right)}{R\left(h_f\right)}---\left(3\right)$

式中：

R_(n/f)(h)表示离源探测器较近时的R(h_n)与离探测器较远时的R(h_f)比值；

通过实验测量计算获得R(h_f)'、ε_Cs(h_n)'；

在¹³³Ba面源上方中心位置放置一个¹³⁷Cs点源，面源下方放置探测器，测量源离探测器较远时多个高度等间隔增加不同位置的探测效率ε_Ba(h_f)'、ε_Cs(h_f)'，以及较近时的探测效率ε_Cs(h_n)'

${\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{Cs}}{\left(h_f\right)}^{\′}=\frac{N}{A\·P_{\mathrm{\γ}}}---\left(4\right)$

${\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{Ba}}{\left(h_f\right)}^{\′}=\frac{N}{A\·P_{\mathrm{\γ}}}---\left(5\right)$

${\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{Ca}}{\left(h_n\right)}^{\′}=\frac{N}{A\·P_{\mathrm{\γ}}}---\left(6\right)$

式中：

N表示峰计数率；

A表示源活度(Bq)；

P_γ表示γ射线发射率；

同时计算距离探测器较远时的¹³⁷Cs与¹³³Ba峰探测效率比值R(h_f)'：

$R{\left(h_f\right)}^{\′}=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{Cs}}{\left(h_f\right)}^{\′}}{{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{Ba}}{\left(h_f\right)}^{\′}}---\left(7\right)$

计算距离探测器较近时的¹³⁷Cs与¹³³Ba峰探测效率比值R(h_n)'：

$R_{(n/f)}\left(h\right)=\frac{R{\left(h_n\right)}^{\′}}{R{\left(h_f\right)}^{\′}}\⇒R{\left(h_n\right)}^{\′}=R_{(n/f)}\left(h\right)\·R{\left(h_f\right)}^{\′}---\left(8\right)$

计算距离探测器较近时的¹³³Ba峰探测效率ε_Ba(h_n)'：

$R{\left(h_n\right)}^{\′}=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{Cs}}{\left(h_n\right)}^{\′}}{{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{Ba}}{\left(h_{\mathrm{na}}\right)}^{\′}}\⇒{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{Ba}}{\left(h_n\right)}^{\′}=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{Cs}}{\left(h_n\right)}^{\′}}{R{\left(h_n\right)}^{\′}}---\left(9\right)$

积分获得体源效率：通过对探测效率ε_Ba(h_n)'与样品高度h_n最小乘曲线拟合得到关系ε_Ba(h)'，则探测器对于面源效率ε_Ba(h)'积分可以获得¹³³Xe气体样品的探测效率，表示为式(10)：

${\mathrm{\ϵ}}_{V,\mathrm{Xe}}={\mathrm{\ϵ}}_{V,\mathrm{Ba}}=\frac{1}{H}{{\∫}_0^H\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{Ba}}\left(h\right)\mathrm{dh}---\left(10\right).$

(2)面源效率转移法获得获得¹³³Xe气体样品的探测效率

LabSOCS软件模拟或蒙卡程序计算所需¹³³Xe气体体源的探测效率

利用(1)中面源在较远参考位置20cm的ε_Ba(h_f)值以及在较远参考位置20cm的效率ε_Ba(h_f)'值，结合

值，可以计算得到

如下式所示

${\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{Ba}}{\left(h_f\right)}^{\′}=\frac{N}{A\·P_{\mathrm{\γ}}}---\left(11\right)$

本发明的核心是提出了使用¹³³Ba面源效率转移法替代¹³³Xe进行氙气气体源刻度，主要使用¹³³Ba发射能量为81.0keV和79.6keV等效替代¹³³Xe发射的81.0keV射线；

(3)

和ε_v,Xe结果进行比对。

下面结合附图1至4以及表1至5对本发明进一步描述：

（1）LabSOCS模拟计算峰效率比值

根据图1所示，φ46.8mm¹³³Ba面源模拟气体实验时只需要输入面源直径参数d1.2=46.8mm，近探测器模拟吸收层（下吸收层）聚乙烯为d4.1=2.0mm，射线能量输入为81.0keV。点源模拟时由于具有一定的斑径，也按小面源处理取d1.2=4.0mm，点源模拟射线能量输入为661.6keV，近探测器模拟吸收层聚乙烯为d4.1=2.0mm，吸收层铝底衬（上吸收层）d5.1=1.7mm。材料都按空气介质输入，密度为0.0012g/cm³。距探测器距离d6.1近距离分别取25mm、20mm、15mm、10mm、5mm，远距离分别取200mm、195mm、190mm、185mm、180mm。远离探测器模拟都增加聚乙烯为8mm即可。

吸收层可根据具体的计算模拟需要确定吸收材料(聚乙烯或铝底衬)。

φ63.5mm¹³³Ba面源模拟气体实验时只需改变面源模拟直径d1.2=63.5mm，吸收层铝底衬d4.1=1.9mm即可，其他参数不变。模拟结果如下表1、2所示。表1、2中R(h)值通过式(1)、(2)计算得到，R_(n/f)(h)通过式(3)计算得到。

表1LabSOCS模拟φ46.8mm¹³³Ba面源不同高度结果

表2LabSOCS模拟φ63.5mm¹³³Ba面源不同高度结果

建立的体源计算模型如图2所示。根据图2所示，输入计算参数，原则是要和实际体源参数一致。模拟¹³³Xe核素标准气体源需要输入的参数为d1.2=46.8mm或63.5mm、d1.1=1.0mm、d3.1=20mm、d2.1=2.0mm、d6.1=6，其中参数分别表示样品直径、样品盒侧壁厚、样品高度、样品盒底厚，距探测器距离。材料按按空气的介质输入即可，密度为0.0012g/cm³。射线能量输入为81keV。计算结果如表5所示。

（2）面源模拟体源实验

测量仪器为CANBERRA公司生产的Ultra-Low Backgroundφ70mm×30mmBE3830P型HPGe探测器，相对效率为35.6%，对⁶⁰Co的1332.5keVγ射线的能量分辨率为1.79keV。铅屏蔽体厚度为16.5cm，20～1500keV的积分本底计数率为0.95cps。使用CANBERRA公司的DSA1000多道谱仪(8192道)和Genie2000能谱获取与分析软件进行能谱获取与处理,该软件能够自动计算峰面积及其统计涨落。

1#¹³³Ba面源直径46.8mm，活度1088Bq,2#¹³³Ba面源直径63.5mm，活度1156Bq,标准点源为¹³⁷Cs(429Bq)，上述源活度的不确定度依次为2%、2.1%和2.1%（k=2），活度参考日期：2012.08.02；均由中国原子能科学研究院制作。将面源置于探测器上方固定位置测量，进行能量和效率刻度。

使用超低本底HPGeγ谱仪系统进行实验。使用¹³³Ba核素的面源，依据上述的面源实验原理，把制备的¹³³Ba核素的面源分别放置在不同高度的5个聚乙烯盒上进行测量，峰计数统计涨落控制在1%左右。实验数据及处理结果见表3、4所示。

表3中的计算过程如下：首先根据式(4)、(5)、(6)计算81keV、661.6keV射线远离探测器时(18～20cm)及离探测器较近时(0.5～2.5cm)661.6keV的峰探测效率ε_Ba(h_f)'、ε_Cs(h_f)'，以及较近时的ε_Cs(h_n)',再根据式(7)求出R(h_f)'，再利用表1中的R_(n/f)(h)值结合公式（8）可求得离探测器较近时不同高度的R(h_n)',再结合ε_Cs(h_n)'，利用式(9)可求得离探测器较近时ε_Ba(h_n)'，从而达到实验计算的目标。表5是φ63.5mm¹³³Ba面源实验处理结果，其处理流程和表4中一致，但要利用表2中的R_(n/f)(h)进行计算。

表3φ46.8mm¹³³Ba面源不同高度实验结果

表4φ63.5mm¹³³Ba面源不同高度实验结果

根据表3、4中的ε_Ba(h_n)'数据，以源到晶体距离(0.5～2.5cm)为自变量，以ε_Ba(h_i)为因变量进行最小二乘拟合，拟合结果如图3、4所示。根据图3、4中的线性关系式，利用式(1)对面源离晶体距离h从5-25mm分别进行积分计算，可得φ46.8mm和φ63.5mm气体体源的探测效率，如表5中数据所示。利用图2的LabSOCS计算模型可以直接计算得到¹³³Xe核素探测效率结果为φ46.8×20mm：

φ63.5×20mm:再利用表1和表2中20cm时的ε_Ba(h_f)，可以计算得到两块面源的

比值，如表5所示。结合表3和表4中20cm时的面源探测效率实测值ε_Ba(h_f)'，通过效率转移法公式(11)计算得到¹³³Xe核素气体体源探测效率结果如表5所示。从表5中偏差数据可以看出，面源实验积分结果和面源效率转移法模拟结果两者偏差在1％以内，说明峰探测效率比值法是成立的，同时使用¹³³Ba面源来替代¹³³Xe进行氙气气体源刻度是有效可行的。

表5面源实验积分与效率转移法探测效率结果比较

注：

本发明由于要对面源积分进行实验验证，所以进行了效率转移法获得气体源效率。以后的日常刻度也可将¹³³Ba面源放置在距离探测器20cm的一个位置进行刻度。

Claims (6)

1.一种刻度氙气样品HPGe探测效率的装置，其特征在于：

包括放射源、多个不同高度的装有空气的聚乙烯盒、探测器；

所述放射源包括¹³³Ba面源和¹³⁷Cs点源；所述面源铝底衬作为上吸收层；所述¹³⁷Cs点源位于¹³³Ba面源上面中心位置；所述¹³³Ba面源位于装空气样品的聚乙烯盒上方，聚乙烯盒上下面作为下吸收层；

所述探测器包括晶体、位于晶体外的铝外壳、位于铝外壳上且位于晶体上方的碳材料窗；聚乙烯盒放置在探测器的碳材料窗上方。

2.根据权利要求1所述的刻度氙气样品HPGe探测效率的装置，其特征在于：所述多个聚乙烯盒高度范围为0.5-20cm。

3.根据权利要求2所述的刻度氙气样品HPGe探测效率的装置，其特征在于：所述多个聚乙烯盒高度范围为0.5-2.5、18-20cm。

4.根据权利要求2所述的刻度氙气样品HPGe探测效率的装置，其特征在于：所述聚乙烯盒高度为20cm。

5.一种刻度氙气样品HPGe探测效率的方法，其特征在于：包括以下步骤：

1】通过LabSOCS模拟计算获得R(h_n)、R(h_f)、R_(n/f)(h)；

1.1】LabSOCS模拟计算¹³⁷Cs点源和¹³³Ba面源在离探测器较近时不同高度的峰探测效率ε_Cs(h_n)、ε_Ba(h_n)，以及较远时不同高度的峰探测效率的ε_Cs(h_f)、ε_Ba(h_f)；

1.2】计算距离探测器较近时不同高度的¹³⁷Cs点源与¹³³Ba面源的峰探测效率比值R(h_n)：

$R\left(h_n\right)=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{Cs}}\left(h_n\right)}{{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{Ba}}\left(h_n\right)}---\left(1\right)$

同时计算距离探测器较远时不同高度的¹³⁷Cs点源与¹³³Ba面源的峰探测效率比值R(h_f)：

$R\left(h_f\right)=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{Cs}}\left(h_f\right)}{{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{Ba}}\left(h_f\right)}---\left(2\right)$

1.3】计算R_(n/f)(h)：

$R_{(n/f)}\left(h\right)=\frac{R\left(h_n\right)}{R\left(h_f\right)}---\left(3\right)$

式中：

R_(n/f)(h)表示离源探测器较近时的R(h_n)与离探测器较远时的R(h_f)比值；

2】通过实验测量计算获得R(h_f)'、ε_Cs(h_n)'；

2.1】在¹³³Ba面源上方中心位置放置一个¹³⁷Cs点源，面源下方放置探测器，测量源（¹³³Ba面源、¹³⁷Cs点源）离探测器较远时多个高度等间隔增加不同位置的探测效率ε_Ba(h_f)'、ε_Cs(h_f)'，以及较近时的探测效率ε_Cs(h_n)'

${\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{Cs}}{\left(h_f\right)}^{\′}=\frac{N}{A\·P_{\mathrm{\γ}}}---\left(4\right)$

${\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{Ba}}{\left(h_f\right)}^{\′}=\frac{N}{A\·P_{\mathrm{\γ}}}---\left(5\right)$

${\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{Ca}}{\left(h_n\right)}^{\′}=\frac{N}{A\·P_{\mathrm{\γ}}}---\left(6\right)$

式中：

N表示峰计数率；

A表示源活度(Bq)；

P_γ表示γ射线发射率；

2.2】同时计算距离探测器较远时的¹³⁷Cs与¹³³Ba峰探测效率比值R(h_f)'：

$R{\left(h_f\right)}^{\′}=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{Cs}}{\left(h_f\right)}^{\′}}{{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{Ba}}{\left(h_f\right)}^{\′}}---\left(7\right)$

3】计算距离探测器较近时的¹³⁷Cs与¹³³Ba峰探测效率比值R(h_n)'：

$R_{(n/f)}\left(h\right)=\frac{R{\left(h_n\right)}^{\′}}{R{\left(h_f\right)}^{\′}}\⇒R{\left(h_n\right)}^{\′}=R_{(n/f)}\left(h\right)\·R{\left(h_f\right)}^{\′}---\left(8\right)$

4】计算距离探测器较近时的¹³³Ba峰探测效率ε_Ba(h_n)'：

$R{\left(h_n\right)}^{\′}=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{Cs}}{\left(h_n\right)}^{\′}}{{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{Ba}}{\left(h_{\mathrm{na}}\right)}^{\′}}\⇒{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{Ba}}{\left(h_n\right)}^{\′}=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{Cs}}{\left(h_n\right)}^{\′}}{R{\left(h_n\right)}^{\′}}---\left(9\right)$

5】积分获得体源效率：通过对探测效率ε_Ba(h_n)'与样品高度h_n最小乘曲线拟合得到关系ε_Ba(h)'，则探测器对于面源效率ε_Ba(h)积分可以获得¹³³Xe气体样品的探测效率ε_v，Ｘｅ，完成面源积分刻度；表示为式(10)：

${\mathrm{\ϵ}}_{v,\mathrm{Xe}}={\mathrm{\ϵ}}_{v,\mathrm{Ba}}=\frac{1}{H}{{\∫}_0^H\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{Ba}}\left(h\right)\mathrm{dh}---\left(10\right).$

6.一种刻度氙气样品HPGe探测效率的方法，其特征在于：包括以下步骤：

1】LabSOCS软件模拟或蒙卡程序计算所需¹³³Xe气体体源的探测效率 ${\mathrm{\ϵ}}_{v,\mathrm{Xe}}^s;$

2】利用LabSOCS软件模拟或蒙卡程序计算面源在较远参考位置20cm的ε_Ba(h_f)值；

3】在¹³³Ba面源下方放置探测器，测量源离探测器参考位置20cm的ε_Ba(h_f)'值，

${\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{Ba}}{\left(h_f\right)}^{\′}=\frac{N}{A\·P_{\mathrm{\γ}}}---\left(11\right)$

式中：

N表示峰计数率；

A表示源活度(Bq)；

P_γ表示γ射线发射率；

4】利用实验获得的参考位置20cm的实验效率ε_Ba(h_f)'值，结合步骤1】中

值，计算得到面源效率转移刻度

如下式所示，完成面源效率转移刻度；

${\mathrm{\ϵ}}_{v,\mathrm{Xe}}^t={\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{Ba}}{\left(h_f\right)}^{\′}[{\mathrm{\ϵ}}_{v,\mathrm{Xe}}^s/{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{Ba}}\left(h_f\right)]---\left(12\right).$

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