CN111694046B

CN111694046B - 一种单能γ装置

Info

Publication number: CN111694046B
Application number: CN202010720722.XA
Authority: CN
Inventors: 李磊; 蹇源; 陈潇驰; 庞元龙; 李忠宝; 李林波; 杨桂霞; 曾光; 刘许强; 伍晓利; 李宗军
Original assignee: Institute of Nuclear Physics and Chemistry China Academy of Engineering Physics
Current assignee: Institute of Nuclear Physics and Chemistry China Academy of Engineering Physics
Priority date: 2020-07-24
Filing date: 2020-07-24
Publication date: 2022-06-07
Anticipated expiration: 2040-07-24
Also published as: CN111694046A

Abstract

本发明提供了一种可产生系列单能γ的辐照装置，属于核技术应用技术领域；该装置包括贮源井、准直光阑、多个放射源、散射靶、散射陷阱、快门和屏蔽体。本发明提高了辐射场的强度、射线品质(能量单一性好)和装置的经济性，并且实现了探测器的固定，使得精密实验可行。

Description

一种单能γ装置

技术领域

本发明属于核技术应用技术领域，具体涉及一种单能γ装置。

背景技术

γ射线(或X射线)是短波长的电磁波，同时具备粒子特性，有很强的穿透力，工业中可用来探伤或流水线的自动控制，γ射线对细胞有杀伤力，医疗上用来治疗肿瘤。利用探测器监测γ射线强度，能够保证装置的安全性和实验数据的有效性。射线装置通常含有各种能量的γ射线，分布在几十keV～几个MeV范围。对1MeV以下γ射线，探测器的灵敏度具有较为明显的能量依赖性，使用前需刻度能响曲线。常用的能响曲线的获得方法是，利用系列能量点的装置，标定相应能点的灵敏度，然后拟合出能响曲线。现有的单能γ或X光实验条件包括，利用X光机完成几十～200keV范围的实验，利用铯-137源和钴-60源分别完成662keV和1.25MeV的实验，300keV～660MeV范围的单能γ实验条件较为缺乏。目前较为可行的方法是，对强钴-60源(准单能，1.25MeV)进行康普顿散射分光，在不同散射角条件下，获得350keV～660keV范围的系列准单能γ射线。特定散射角度θ条件下，散射γ光子能量E_γ的计算公式为

式中，E为初始γ光子的能量；m_e为电子质量；c为光速。信噪比和能量弥散度，可表征γ束流的品质。对上述康普顿散射装置，信噪比定义为，有、无散射靶片条件下γ光子注量率的比值。能量弥散度定义为，γ能谱图中(横轴：γ光子能量，纵轴：γ光子计数)，半高宽能量与峰值能量的比值。

公开号为CN103091699A的专利提供了一种散射法测量强γ射线能谱的装置及方法”，其利用单枚强钴源，通过转动探测器，调整散射角，获得了350keV～660keV范围内的单能γ射线。然而此类技术方案的不足之处在于：

1)仅使用单枚辐射源，散射γ射线强度较低，最高注量率约为10⁵cm^-2·s^-1，极大的限制了低灵敏度探测器标定实验的开展；

2)实验中，需转动探测来调整散射角度，运动过程中的振动，可能改变探测器的装配状态，如配件移位等，但转动探测器不利于精密探测器的标定实验；

3)为提高散射γ的能量单一性，使用高比活度(几百居里每克)、小尺寸的高比活度源，减小源几何尺寸引入的能量弥散度，这类放射源的价格昂贵，为工业源(几十居里每克)的数十～数百倍，装置经济性不高；

4)为限制屏蔽体的重量，使用小规格源仓，几个厘米，仓壁反散射引入的杂散γ较多，增大了单能γ射线的能量弥散度。

综上，对上述多能点γ射线装置而言，目前的技术方案主要存在以下不足：350keV～660keV范围单能γ的强度不够；原料价格高；γ束流信噪比较低；需转动探测来调整散射角度，不利于精密实验。

发明内容

有鉴于此，本发明旨在提出一种改进的单能γ装置，本装置可产生系列单能γ，提高了辐射场的强度、射线品质(能量单一性好)和装置的经济性，并且实现了探测器的固定，使得精密实验可行。

本发明具体采用如下技术方案：

一种单能γ装置，其特征在于，该装置包括贮源井、准直光阑、多个放射源、散射靶、散射陷阱、快门和屏蔽体；所述的贮源井位于承重地面的下方，贮源井的上边沿与承重地面平齐；所述的散射陷阱和屏蔽体依次安装于贮源井内，所述的屏蔽体的外侧面与贮源井相接触，屏蔽体的顶端面与承重地面平齐；所述的屏蔽体的中部具有竖直通孔，准直光阑位于屏蔽体的通孔内，准直光阑的外侧面与屏蔽体的通孔相接触；所述准直光阑的内部有一竖直通孔，准直光阑的通孔连通散射陷阱和γ装置的外部；所述的准直光阑的竖直中线、屏蔽体的竖直中线及散射陷阱的竖直中线相重合；所述的散射陷阱的顶面与屏蔽体、准直光阑的底面相接触；所述的快门的底面与准直光阑的顶面相接，快门的中部有一竖直通孔，快门通孔与准直光阑通孔的中线重合、半径相同；所述的散射靶位于散射陷阱的竖直中线上、靠近准直光阑通孔的位置。

进一步，所述的散射陷阱上部为锥形结构，下部为圆柱体结构，所述的放射源大致均布于散射陷阱上部与下部的交接处、且靠近外侧面的位置。

进一步，所述的准直光阑的材质为钨合金，其内侧有一组“梳状”的凹槽。

进一步，所述的快门的材质为钨合金，其内侧有一组“梳状”的凹槽；所述的快门可沿准直光阑的顶端面做水平滑动，实现γ束流的开启和关闭。

进一步，所述的散射靶为铜质薄靶；所述的散射靶可沿散射陷阱的中线上下移动，从而改变散射角，获得不同能量的单能γ射线。

进一步，所述的放射源为强钴-60源。

进一步，其特征在于，所述的放射源均布在以沿散射陷阱中线为轴的圆环上。

进一步，其特征在于，所述的散射陷阱的高度为准直光阑厚度的4倍及以上。

本发明的单能γ装置具有如下有益效果：

本发明使用“圆周式”排布的多枚放射源，提高了单能γ束流的强度；使用工业级、低比活度钴-60源，装置经济性好；实验中，通过散射靶直线运动来调节散射角度，获得不同能量的单能γ射线束，实验流程简单，工作效率高；实验中，放射源和探测器固定，实验数据重复性好，使得精密实验可行。本发明设计了大规格的散射陷阱，配合快门和准直光阑，抑制杂散γ，使得γ束流能量弥散度降低，束流品质提高。

附图说明

图1是本发明提供的一种单能γ装置示意图；

图2是本发明提供的放射源的排布示意图；

图3是现有技术方案的单能γ装置示意图；

图1中，1.贮源井 2.承重地面 3.准直光阑 4.放射源 5.散射靶 6.散射陷阱 7.快门 8.屏蔽体 9.探测器。

具体实施方式

下面参照附图及实施例对本发明进行更全面的描述，在附图中相同的标号表示相同或者相似的组件或者元素。以下实施例仅用于说明本发明，而非对本发明的限制。有关技术领域的人员在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可做出各种变化、替换和变形，因此同等的技术方案也属于本发明的范畴。

一种单能γ装置，该装置包括贮源井1、准直光阑3、多个放射源4、散射靶5、散射陷阱6、快门7和屏蔽体8；所述的贮源井1位于承重地面2的下方，贮源井1的上边沿与承重地面2平齐；所述的散射陷阱6和屏蔽体8依次安装于贮源井1内，所述的屏蔽体8的外侧面与贮源井1相接触，屏蔽体8的顶端面与承重地面2平齐；所述的屏蔽体8的中部具有竖直通孔，准直光阑3位于屏蔽体的通孔内，准直光阑3的外侧面与屏蔽体8的通孔相接触；所述准直光阑3的内部有一竖直通孔，准直光阑3的通孔连通散射陷阱6和γ装置外部；所述的准直光阑3的竖直中线、屏蔽体8的竖直中线及散射陷阱6的竖直中线相重合；所述的散射陷阱6的顶面与屏蔽体8、准直光阑3的底面相接触；所述的快门7的底面与准直光阑3的顶面相接，快门7的中部有一竖直通孔，快门7通孔与准直光阑3通孔的中线重合、半径相同；所述的散射靶5位于散射陷阱6的竖直中线上、靠近准直光阑3通孔的位置。

实验过程中，放射源4发出的γ射线经散射靶5散射后(康普顿原理，计算公式背景技术)，产生单能的散射γ光子。散射γ光子的能量与散射角有关，散射角的顶点为散射靶5，散射角的一条角边为散射靶5与多个放射源4的连线，散射角的另一条角边为散射靶5与探测器的连线。散射靶5沿散射陷阱6的竖直中线移动，实现散射角在87度至50度范围内的变化，对应350keV～660keV范围单能γ。装载了多个放射源4，因此散射γ的强度，较原有单源方案，实现倍数至量级的提升。进一步，所述的散射陷阱6上部为锥形结构，即，散射陷阱6与、屏蔽体8及准直光阑3的接触面为锥形面，散射陷阱6的下部为圆柱体结构，所述的放射源4大致均匀分布于散射陷阱6上部与下部的交接处、且靠近外侧面的位置，且放射源4通过金属杆固定在屏蔽体8的底面。

进一步，所述的准直光阑3的材质为钨合金，其内侧有一组“梳状”的凹槽，作为杂散γ射线的陷阱。

进一步，所述的快门7的材质为钨合金，其内侧有一组“梳状”的凹槽，作为杂散γ射线的陷阱；所述的快门7可沿准直光阑3的顶端面做水平滑动，实现γ束流的开启和关闭。

进一步，所述的散射靶5为铜质薄靶；所述的散射靶5可沿散射陷阱6的中线上下移动，从而改变散射角，获得不同能量的单能γ射线。

进一步，所述的放射源4为强钴-60源。

进一步，所述的放射源4均布在以沿散射陷阱6中线为轴的圆环上，使得多个放射源有相同的散射角，实现多源条件下，散射γ能量的单一性，即能量弥散度越小。

进一步，所述的散射陷阱6的规格较大，其高度为准直光阑3厚度的4倍及以上。

本发明使用多枚辐射源，散射γ射线强度较高，最高注量率提升至约10⁶cm^-2·s^-1以上，可适用于低灵敏度探测器标定实验的开展。

实施例1

本实施例中，针对10万居里的钴-60源，说明单能γ装置的实现方式。

所述的屏蔽体8为铅材质，厚度为36cm；所述准直光阑3的厚度为20cm；所述快门7的厚度为10cm；准直光阑3和快门7的通孔的直径为7cm；所述的放射源4的活度为10.4万居里，包括8枚工业级钴源，等间距排布在以60cm为半径的圆上，单枚源的活度均为1.3万居里，外形类似于圆环段，直接约2.5cm，长约5cm，比活度约为40居里每克。散射靶片5的规格为Φ4cm×1cm，探测器与快门7的距离为10cm；散射陷阱6的高度为80cm。散射靶片5的运动速度约0.2cm·s^-1。

经过上述实施后，在散射角为87度、64度和50度条件下，分别获得了370keV、520keV和660keV的单能γ射线。当束流角为64度时，探测器位置γ的注量率约为5×10⁸cm^-2·s^-1、信噪比约为30、能量弥散度约为4.5％，与已有方案相比较，单能γ的束流强度从10⁶cm^-2·s^-1提高到10⁸cm^-2·s^-1，增大2个数量级，信噪比增大约50％，能量弥散度减小约20％。实验中，放射源和散射靶片固定，散射靶片的重复定位精度为±2mm，散射靶片的重复定位偏差导致的束流角的偏差大于0.05度，由于现有方案的0.2度，使得实验精度提升。实验中，靶片的行程约为50cm，标定实验耗时约5分钟，较现有方案提升数倍。与已有方案相比较，单能γ的束流强度从10⁶cm^-2·s^-1提高到10⁸cm^-2·s^-1，增大2个数量级；单能γ的能量弥散度略优于现有方案；杂散γ的含量小于5％，优于现有方案条件。此外，以市价50元每居里计算，本实施例10.4万居里放射源的购置价约500万，较现有方案使用1枚万居级高比活度源，购置费近千万，本专利经济性更好。

Claims

1.一种单能γ装置，其特征在于，该装置包括贮源井（1）、准直光阑（3）、多个放射源（4）、散射靶（5）、散射陷阱（6）、快门（7）和屏蔽体（8）；所述的贮源井（1）位于承重地面（2）的下方，贮源井（1）的上边沿与承重地面（2）平齐；所述的散射陷阱（6）和屏蔽体（8）依次安装于贮源井（1）内，所述的屏蔽体（8）的外侧面与贮源井（1）相接触，屏蔽体（8）的顶端面与承重地面（2）平齐；所述的屏蔽体（8）的中部具有竖直通孔，准直光阑（3）位于屏蔽体的通孔内，准直光阑（3）的外侧面与屏蔽体（8）的通孔相接触；所述准直光阑（3）的内部有一竖直通孔，准直光阑（3）的通孔连通散射陷阱（6）和γ装置的外部；所述的准直光阑（3）的竖直中线、屏蔽体（8）的竖直中线及散射陷阱（6）的竖直中线相重合；所述的散射陷阱（6）的顶面与屏蔽体（8）、准直光阑（3）的底面相接触；所述的快门（7）的底面与准直光阑（3）的顶面相接，快门（7）的中部有一竖直通孔，快门（7）通孔与准直光阑（3）通孔的中线重合、半径相同；所述的散射靶（5）位于散射陷阱（6）的竖直中线上、靠近准直光阑（3）通孔的位置；

所述散射靶（5）为铜质薄靶，所述的散射靶（5）可沿散射陷阱（6）的中线上下移动，从而改变散射角，获得不同能量的单能γ射线；

所述的放射源（4）均布在以沿散射陷阱（6）中线为轴的圆环上。

2.根据权利要求1所述的单能γ装置，其特征在于，所述的散射陷阱（6）上部为锥形结构，下部为圆柱体结构，所述的放射源（4）大致均布于散射陷阱（6）上部与下部的交接处、且靠近外侧面的位置。

3.根据权利要求1所述的单能γ装置，其特征在于，所述的准直光阑（3）的材质为钨合金，其内侧有一组“梳状”的凹槽。

4.根据权利要求1所述的单能γ装置，其特征在于，所述的快门（7）的材质为钨合金，其内侧有一组“梳状”的凹槽；所述的快门7可沿准直光阑3的顶端面做水平滑动，实现γ束流的开启和关闭。

5.根据权利要求1所述的单能γ装置，其特征在于，所述的放射源（4）为强钴-60源。

6.根据权利要求1所述的单能γ装置，其特征在于，所述的散射陷阱（6）的高度为准直光阑（3）厚度的4倍及以上。