CN108267775B - 一种基于核共振荧光的脉冲γ射线能谱测量系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于核共振荧光的脉冲γ射线能谱测量系统及方法。该装置包括铅准直器、HPGe探测器以及特定靶片；所述铅准直器、特定靶片依次设置在待测脉冲γ射线的束流方向上；所述HPGe探测器位于待测脉冲γ射线的一侧且HPGe探测器与束流方向之间的夹角为90°‑120°；特定靶片包括多种靶材料叠加而成，且每一种靶材料的能级均位于待测脉冲γ射线的能量范围内。该方法包括：1)利用HPGe探测器探测待测脉冲γ射线核共振荧光过程中出射的光子数R；2)计算光子数密度；3)将光子数密度通过高斯拟合得到待测脉冲γ射线的能谱分布图。本发明的应用不仅使得脉冲γ射线能谱测量实验设置简单，后期计算简单并且测量精度高。

Description

一种基于核共振荧光的脉冲γ射线能谱测量系统及方法

技术领域

本发明属于核辐射射线能谱测量技术，具体涉及一种基于核共振荧光的脉冲γ射线能谱测量系统及方法。

背景技术

当入射γ光子能量与原子核激发态与基态间的能级差相等时，原子核会产生强烈的共振吸收，之后处于激发态，被激发的原子核在退激到基态或能量较低激发态的过程中会释放特定能量的γ光子，这一过程即为核共振荧光(Nuclear Resonance Fluorescence,NRF)。由于核能级带宽很窄，所以释放的γ光子带宽很窄(ΔE/E＝10^-6)。核共振荧光的反应截面可以表示为：

其中，E为入射γ射线能量；λ为其相应波长；E_r为共振能量；Γ为退激到不同能级的带宽之和；Γ₀为对应退激到基态的带宽；g为与总角动量相关的统计因子其中J_i为激发态的总角动量；J₀为基态的总角动量。由于核的热运动，核能级存在多普勒展宽。当多普勒展宽远大于固有带宽时，此时核共振荧光过程的反应截面可近似表示为：

其中，Δ代表多普勒展宽，其与原子核共振能量、质量及温度间有关系：

由于核能级与核素的对应关系，故核共振荧光可以应用于同位素的识别和检测，据此有很多相关的应用方向和前景，包括核废料检测、核武器核查、爆炸物检测、集装箱安检及医学诊断成像等等，近些年得到了大家的广泛关注和研究。

对于射线能谱的测量，目前主要依靠常用的射线探测器，如气体探测器、闪烁体探测器、半导体探测器等连接多道谱仪这种计数方式实现。但是对于高强度的脉冲射线，由于一个脉冲中包含大量粒子，依靠这种计数方式会由于信号堆积而很难实现对能谱的测量。测量脉冲射线能谱，目前常用的方法有衰减法和磁分析法，衰减法通过测量通过不同厚度衰减片后的脉冲强度，分析计算得到脉冲射线能谱；磁分析法利用磁铁将射线与转换靶康普顿作用产生的电子进行偏转，通过电子的空间分布得到射线能谱分布。

衰减法需要复杂的解谱方法进行后期的计算，而磁分析法通常需要大块磁铁，实验设置较为复杂。

发明内容

为了解决背景技术中的问题，本发明提供了一种实验设置简单，后期计算简单且测量精度高的基于核共振荧光的脉冲γ射线能谱测量系统及方法。

本发明的基本原理是：

本发明基于核共振荧光，测量脉冲γ射线能谱，根据被测γ射线能量范围，选择截面合适且NRF谱线在所测伽马射线最大能量以内近似均匀分布的一些核素材料作为靶材料，使用HPGe探测器测量NRF谱线强度，进而计算得到多个能点的射线强度数值，可以将各点平滑相联，即可得到待测脉冲γ射线的能谱图。

本发明采用的技术方案是：

本发明提供了一种基于核共振荧光的脉冲γ射线能谱测量系统，包括铅准直器、HPGe探测器以及特定靶片；

所述铅准直器、特定靶片依次设置在待测脉冲γ射线的束流方向上；所述HPGe探测器位于待测脉冲γ射线的一侧且HPGe探测器与束流方向之间的夹角为90°-120°

所述特定靶片包括多种靶材料叠加而成，且每一种靶材料的能级均位于待测脉冲γ射线的能量范围内。

进一步地，为了阻挡低能的康普顿γ光子等本底信号带来的干扰，所述HPGe探测器的前端贴合放置有铅屏蔽体，铅屏蔽体厚度根据要求可进行适当调整。

进一步地，为了使得测量的精准度更高，所述HPGe探测器数量为2，且以待测脉冲γ射线的束流方向为轴对称分布；两个HPGe谱仪与束流方向之间的夹角均为90°-120°，两个HPGe探测器与特定靶片之间的距离均为10-50cm。

进一步地，每一种靶材料的厚度均为0.2-0.5mm。

进一步地，靶材料的能级范围是1-5MeV。

基于上述能谱测量系统，现对采用该测量系统的测量方法进行阐述：

1)利用HPGe探测器探测待测脉冲γ射线核共振荧光过程中出射的光子数R；

2)根据公式(1)计算出对应能点光子数密度D；

所述理论公式具体是：

R＝D(1-e^-T/λ) (1)

D为待测脉冲γ射线在待测能点的光子数密度；T为特定靶片厚度；λ＝1/[σ·n]，其中，λ为核共振荧光作用长度，n为选取的靶材料中特定同位素的原子密度，σ为其核共振荧光截面数值；

3)将能点光子数密度D通过高斯拟合得到待测脉冲γ射线的能谱分布图。

相对现有技术，本发明的有益效果有：

1、本发明通过选择不同材料靶片和能级的组合，对特定能量范围内的脉冲射线能谱进行测量，相对现有技术来说，测量方法原理可行，实验设置简单，可以满足众多应用需求下能谱测量。

2、本发明由于基于核共振荧光，能点能量值精确，且不同能点间的γ射线强度互相不干扰，能谱中特定能点的测量精度高。

3、该方法通过射线能点与强度一一对应的方式测量能谱，所测的能谱是微分谱，测量精度较高。

附图说明

图1为待测脉冲γ射线能谱图；

图2为本发明测量系统的具体实施结构图；

图3为蒙特卡罗模拟所得待测脉冲γ射线能谱图；

图4为图3中模拟结果扣除本底所得能谱图；

图5为根据模拟结果计算拟合所得待测γ射线能谱图。

附图标记如下：

1-铅准直器，2-HPGe探测器，3-铅屏蔽体，4-特定靶片、5-待测脉冲γ射线。

具体实施例

本发明基于核共振荧光技术，利用不同的核素能级，通过测量几个特定的能量点的射线强度，从而实现γ脉冲射线能谱的测量，测量精度与选取核素能级的个数以及每个能点的测量精度有关。

其原理性的做法是：

在待测脉冲γ射线前端放置特定靶片，特定靶片的材料根据待测脉冲γ射线能量范围进行选择，这里拟采用多种靶材料叠加的方式。通过选择特定同位素的特定能级用来测量所需能量点射线强度，选取核素时注意保证NRF截面合适以及待测能区内没有其他能级的干扰。

探测核共振荧光过程出射的γ光子拟采用背散射探测方法，即将HPGe探测器放置在靶片的背面90°或者120°方向，这样可以尽可能避免康普顿散射等其他背景信号的影响。探测出射γ光子拟采用HPGe探测器。通过HPGe的信号得知出射γ光子的能量和数量，同时在HPGe探测器前放置合适厚度的铅片来减少背景信号，提高信噪比。

利用HPGe探测器所得能谱数据以及NRF截面数据等，通过不同能量共振散射光子的数量计算出不同能量点的光子数密度，对数据进行高斯拟合处理进而得到待测γ射线能谱图。

下面结合一个具体实施例对本发明的测量方法进行进一步地说明：

该例子中，假设待测脉冲γ射线能谱已知，如图1所示，其中，能谱均值为2MeV，能点标准差为0.5MeV的高斯分布，假设光子数为10¹³/pulse。

拟选择表1中所列靶材料的特定能级，对能量范围0.5-4MeV的13个能量点的射线强度进行测量。所选靶片材料为镍、铜、锆、铒、铂、金，不同材料靶片厚度均为0.2mm，靶片材料为较易加工和得到，其能级截面合适且不存在相近能级干扰，计划将靶片叠加使用。

表1拟选取靶材料及其理论NRF产额

根据公式(1)，核共振荧光光子产额为

R＝D(1-e^-T/λ) (1)

其中，D为待测脉冲γ射线在待测能点光子数密度(根据前文所述，多普勒展宽后的作用带宽为eV量级，所以这里的D取为入射射线在待测能点处1eV区间内的光子数密度)；T为靶片厚度；λ＝1/[σ·n]为NRF作用长度，n为选取核素的原子密度，σ为其NRF截面数值。利用n和σ计算出NRF作用长度，进而可以计算出NRF光子产额。由于待测射线不同能量的强度不同，且不同核素原子密度和NRF的截面也不同，故R从2-68622个/pulse不等。

但是该理论计算的R值实际上探测器测量时无法得到的，因为受到靶片自吸收效应、铅片屏蔽效应、核共振荧光的角分布以及探测器几何效率、本征效率和死时间影响。为了证明本发明方法的有效性，本例中采用了通过建立测量系统模型以及蒙特卡罗模拟的方式来模拟实际探测器探测到的结果，模拟的脉冲个数为1000个。

如图2所示，本实施例中测量系统模型包括铅准直器1、两个HPGe探测器2、铅屏蔽体3以及特定靶片4；将特定靶片4放置在射线源前方，两个HPGe探测器2放置在背面约120°的位置，且以待测脉冲γ射线5的束流方向对称分布；距离靶片约10cm，HPGe探测器2灵敏区表面直径为5cm。

两个HPGe探测器2的前端贴合放置有铅屏蔽体3，本例中铅屏蔽体3厚度为4cm；

该模拟实验具体做法是：利用MCNP5进行的蒙特卡罗模拟，模拟实际中HPGe探测器探测待测脉冲γ射线核共振荧光过程中出射的光子数R，并绘制光子数能谱图如图3所示；

图4为图3中测量所得能谱去除本底之后得到的有效的光子数，可以看到，我们之前计算的几个能点，低能区由于本底干扰而无法得到，高能区域由于光子个数太少，也未能测到。从图4中看到，1.454、1.790、2.186、2.824、3.263几个能点的数据很清晰；利用前述理论公式计算出对应的能点光子数密度D；表2为五个能点的R值以及由R计算所得的D值及其标准差。

表2模拟所得光子数R及由此所得D

最后通过高斯拟合，获得的待测脉冲γ射线的能谱分布图如图5所示，拟合所得待测脉冲γ射线的能谱均值为1.95，能谱标准差为0.51，通过图1和图5比较，可以看到模拟实验的结果与初始能谱误差较小，准确性较好，表明该方法和系统的可行性。

Claims (5)

1.一种基于核共振荧光的脉冲γ射线能谱测量系统，其特征在于：

包括铅准直器、HPGe探测器以及特定靶片；

所述铅准直器、特定靶片依次设置在待测脉冲γ射线的束流方向上；所述HPGe探测器位于待测脉冲γ射线的一侧且HPGe探测器与束流方向之间的夹角为90°-120°；

所述特定靶片包括多种靶材料叠加而成，且每一种靶材料的能级均位于待测脉冲γ射线的能量范围内；

每一种靶材料的厚度均为0.2-0.5mm。

2.根据权利要求1所述的基于核共振荧光的脉冲γ射线能谱测量系统，其特征在于：所述HPGe探测器的前端贴合放置有铅屏蔽体。

3.根据权利要求1所述的基于核共振荧光的脉冲γ射线能谱测量系统，其特征在于：所述HPGe探测器数量为2，且以待测脉冲γ射线的束流方向为轴对称分布；两个HPGe谱仪与束流方向之间的夹角均为90°-120°，两个HPGe探测器与特定靶片之间的距离均为10-50cm。

4.根据权利要求1所述的基于核共振荧光的脉冲γ射线能谱测量系统，其特征在于：靶材料的能级范围是1-5MeV。

5.根据权利要求1所述的基于核共振荧光的脉冲γ射线能谱测量系统的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)利用HPGe探测器探测待测脉冲γ射线核共振荧光过程中出射的光子数R；

2)根据公式(1)计算出对应能点光子数密度D；

R＝D(1-e^-T/λ) (1)

D为待测脉冲γ射线在待测能点的光子数密度；T为特定靶片厚度；λ＝1/[σ·n]，其中，λ为核共振荧光作用长度，n为选取的靶材料中特定同位素的原子密度，σ为其核共振荧光截面数值；

3)将能点光子数密度D通过高斯拟合得到待测脉冲γ射线的能谱分布图。