放射性测量与稳定性核素分析课件.ppt
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1、第二章 放射性测量与稳定性核素分析,复习上一次课内容,核素与核衰变核衰变类型带电粒子与物质的相互作用:激发与电离、散射、韧致辐射射线与物质相互作用:光电效应、康普顿效应、电子对生成核辐射卫生防护基本知识,放射性测量概述:包括放射性测量发展的历史以及几个基本概念;放射性探测仪概述固体闪烁仪液体闪烁仪影响放射测量的因素放射性测量统计学相关内容,放射性测量概述,包括射线探测仪发展的历史、几个基本概念、放射性测量的目的等,射线探测器发展的历史,早期用于射线探测的系统并非真正的设备,而是人;1928年,盖革发明了一种电子射线探测器。现代科技飞速发展带动了射线探测器的快速发展。,当带电微粒穿过计数管时,计
2、数管就发出一个电讯号,将这个电讯号连到报警器上,仪器就会发出“咔嚓”一响,指示灯也会亮一下。看不见摸不着的射线就可以用非常简单的仪器记录测量了。人们把这个仪器称为盖革计数管。藉助于盖革计数管,卢瑟福所领导的曼彻斯特实验室对粒子性质的研究得到了迅速的发展。,德国科学家盖革和他发明的电子计数管,放射性测量的目的:,求待测样品的放射性活度。,常用放射性核素:射线源 125I-射线源 3H、14C、35S、45Ca、32P、33P,放射性测量仪器概述,一.原理 在繁多的核医学仪器中其探测的原理都是建立在核射线与物质相互作用的基础上。电离辐射和物质相互作用会丢失能量,而丢失的能量是以各种物理、化学和生物
3、的现象表现出来,这些是进行放射性测量的依据。具体作用过程有以下几种情况:,1.电离作用:带点粒子进入计数管或电离室时,计数管产生的电压脉冲数以及电离室产生的电离电流和带点粒子数成正比。2.荧光现象:带点粒子和物质相互作用,使物质的原子激发,激发态的原子回复到基态时,放出能量,产生荧光。荧光将被转化成电压脉冲,其幅度和带电粒子的能量消耗成正比,和入射粒子数成正比。闪烁探头就是根据荧光现象进行探测的。3.感光作用:带电粒子能使照相乳胶感光的现象,在照相的X线胶片上形成潜影。经显影和定影后的胶片上仅显示感光所形成的黑色颗粒,黑度的强弱与入射粒子数成正比。,4、化学变化:某些物质经电离辐射作用后,会发
4、生化学变化,出现氧化或者还原反应,而形成的反应物的量和该物质吸收辐射能量成正比。5、生物效应:生物体经电离辐射后,均会引起一定的生物效应,从染色体分析评估生物体吸收剂量已经得到应用。,二、仪器分类,按工作原理分:1.收集电离电荷的探测器:如GM计数管,正比计数管,放射性活度仪、电流电离室 2.收集荧光的探测器:如固体闪烁测量仪及液体闪烁测量仪3.半导体探测器:如石垒型、扩散型及锂飘移PIN结型半导体探测器。,某些物质在射线的作用下能发光,这些物质称为闪烁体,用它们制作的放射器叫做闪烁探测器。,气体电离探测器:,原理:如果核辐射被电离室中的气体吸收,该气体将发生电离。电离探测器即是通过收集射线在
5、气体中产生的电离电荷进行测量的。仪器:常用的有电离室、正比计数管、盖革弥勒计数管(G-M管)。用法:电离室是测量由电离作用而产生的电离电流,适用于测量强放射性;正比计数管和盖革弥勒计数管则是测量由每一入射粒子引起电离作用而产生的脉冲式电压变化,从而对入射粒子逐个计数,这适合于测量弱放射性。,采用的介质是半导体材料,硅、锗,半导体探测器也有两个电极,并加有一定的偏压。当入射粒子进入半导体探测器的灵敏区时,即产生电子-空穴对。然后,电子与空穴在电场作用下分别向两极运动,并被电极收集而给出电脉冲。在半导体探测器中,入射粒子产生一个电子空穴对所需消耗的平均能量为气体电离室产生一个离子对所需消耗的十分之
6、一左右。这就是半导体探测器具有很高能量分辨率的主要原因。,半导体探测器:,结型,高纯锗型,锂漂移型 面垒型,金硅面垒型,金硅面垒探测器主要用来探测粒子和质子,锗或硅-锂漂移探测器原理,在低温真空条件下对射线的能量有较好分辨率,2023/3/25,优点:1)适于带电或不带电粒子,分辨力是最高的 2)结构简单、坚固耐用、受外界影响小 3)可制成微型、空间分辨力高 4)脉冲上升时间较短可快速测量缺点:1)抗辐射性能差 2)输出信号小使电子线路复杂化,闪烁探测器:,原理:是利用射线照射在某些闪烁体上而使它发生闪光的原理进行测量的仪器。它具有一个闪烁体,当射线进入其中时产生闪光,然后用光电倍增管将闪光讯
7、号放大、记录下来。用法:该探测器以其高灵敏度和高计数率的优点而被用作测量、辐射强度。在适当的条件下,能够定量的分析几种放射性核素的混合物。此外,这种仪器还能测量照射量和吸收剂量。,样品中射线与闪烁体作用产生光子,光子由光电倍增管转换成电脉冲并加以放大,此电脉冲的数目和高度分别与射线活度和能量成正比,再经后续电子学仪器加工、分析和记录。,固体闪烁探测仪包括测量原理、基本构造。,固体闪烁测量的基本原理,闪烁测量的具体机制:两步能量转换 射线能 光能(光子)电能(电子)倍增形成脉冲(放大,分析,计数),(闪烁体),(光电转换器),光电倍增管,探头,后续电路,射线引起的闪烁光属多光子事件脉冲高度与射线
8、能量正相关,脉冲高度 光子数,次级电子数,线的能量,固体闪烁仪(以测 射线的固体闪烁仪为例),图,特点:射线穿透力强,测量中干扰因素少,样品制备简单,操作方便 常用探测仪为闪烁计数器,构成介绍,(一)探头 1、闪烁体(scintillator)2、光导(light guide)3、光电倍增管(photomultiplier,PM)(二)后续辅助电子仪器 1.前置放大器(preamplifier)和主放大器(mainamp lifier)2.甄别器(discriminator)和脉冲高度分析器(pulse hight analyzer,PHA)3.定标器(scaler)和计数率仪(rate me
9、ter)4.数据处理系统,NaI探头,光电倍增管,脉冲放大器,脉冲分析器,记录装置,计数器的基本构成:,射线变成光电子,光子变成电脉冲,电脉冲放大,只让一定高度的脉冲通过,记录一定时间内的脉冲数,对闪烁体的要求,对射线阻止本领大,这样才能使射线能量更多的被闪烁体吸收;发光效率高:指闪烁体将吸收的放射能转化为光能的效率;闪烁体的发射光谱应与光电倍增管光阴极的吸收光谱有良好的匹配。发光衰减时间短:即在单位时间内产生的光子数目多。自身透明度好有利于光电倍增管的光阴极对发射光子的吸收。,固体闪烁体的种类,无机晶体 银激活的硫化锌ZnS(Ag)测量射线 铊激活的碘化铯CsI(T1)测量射线 铊激活的碘化
10、钠NaI(T1)测量射线 常用的碘化钠的优点:密度大,发光效率高;荧光衰减时间短,制备方便等优点;缺点:易潮解,晶体发黄透明度降低而影响测量。有机晶体和塑料闪烁体:有机晶体是苯环结构碳氢化合物制成的单晶,如蒽、芪晶体。测射线。荧光效率高,但制备困难,价格昂贵。塑料闪烁体是有机闪烁物质中的固溶体,主要用于测射线。易于制成各种形状,且不易潮解,性能稳定。但其软化温度低,不适宜在高温环境中使用;能量分辨率差,只能用于强度测量,而不宜做能谱测量。,NaI(Tl)探测器小结:,闪烁测量的机制:两步能量转换,引起的闪烁光属多光子事件,最后形成的脉冲高度与射线能量正相关 NaI(Tl)探测器的几个实际问题分
11、析器选择道宽的原则是覆盖核素形成的大多数脉冲,达到高效率,低本底探测效率不是100%,关键是保持效率稳定样品通常不需特殊制备,但体积大小应一致,或者适当调整测量位置,液体闪烁探测仪,包括其测量原理、基本构造、测量方式、样品制备、特殊本底、淬灭的产生和消除,发展史1953年Packard公司生产全世界第一台商用液闪1963年:使用增加技术,大大提高大大效率1976年以后:CRT显示:人机对话,自动稳谱,自动诊断、单光子监测、相分离监测、静电消除、多标记测量。90年代以后:1、先进技术(可不再考虑淬灭)2、不再叫液闪可能改叫闪测我国发展史:58年开始研究 70年首台FJ-353双道 90年代接进国
12、际水平,一.基本原理:,测量原理与闪烁测量大致相同:仍是二步能量转换,多光子发射,只是以闪烁杯代替NaI(Tl)探头射线使有机闪烁分子激发,退激时产生光子,经PM管转换成电脉冲,后续电子线路加以分析记录,优于固体探测器,主要因为样品和液体晶体完全混合,有很高的几何效率。,S,样品射线,溶剂分子激活,闪烁剂分子激活,退激时发出光子,S,闪烁杯,光电倍增管,脉冲放大器,脉冲分析器,记录装置,二、液体闪烁计数器的基本构成:,射线变成光子,光子变成电脉冲(双管符合),电脉冲放大,只让一定高度的脉冲通过,记录一定时间内的脉冲数,(多个道分别记录不同高度脉冲),光电倍增管的灵敏度很高,但只能感受一定波长的
13、光子,闪烁液的作用是将射线的能量转换为光电倍增管能感受的光子。,闪烁液,射线,光,第一闪烁剂,被激发的溶剂,溶剂,被激发的第一闪烁剂,第二闪烁剂,被激发的第二闪烁剂,闪烁液=99%溶剂+1%闪烁剂,闪烁液:由闪烁剂、溶剂及某些添加剂组成,溶剂 主要作用:吸收射线能量,传递给闪烁剂 理想的溶剂应具备下列特性:1.能量传递效率高;2.不吸收闪烁剂发射的光子;3.冰点低;4.对样品的溶解度高(均相法适宜,泸膜法不适宜);5.对闪烁体的溶解度高;6.蒸气压低;7.价格便宜。常用的溶剂有甲苯、二甲苯(混合)、对二甲苯、苯甲醚,1.4二氧六环、苯腈等。,第一闪烁剂,理想的闪烁剂应具备下列特性:1.发光效率
14、高;2.发光光谱与光电倍增管光阴极的光谱匹配良好;3.有一定溶解度;4.发射荧光的衰减时间短;5.对淬灭的耐受性高;6.化学性质稳定;7.价格便宜。常用的第一闪烁剂有TP、PPO、PPD、b-PBD、BBOT等。,第二闪烁剂:可改变第一闪烁剂的发射光谱,起波长转换作用,以达到与PM管光阴极的接收波长相匹配等。提高闪烁液对化学淬灭剂的耐受性,目前已很少用,减少闪烁体和光电倍增管之间的空气对荧光的全反射,提高光子进入光电倍增管的几率。光导材料有甲基硅油、聚四氟乙烯、氧化镁,差的有:甘油、真空泵油。,2、光导(light guide):,3、光电倍增管(photomultiplier,PM):,由光
15、阴极、聚焦电极、次阴极和阳极四种电极组成。,光阴极:光电转移聚焦电极:使光阴极产生的光电子在电均的作用下聚射到第一个次阴极上。打拿级:电子倍增阳极:电子收集,后续电子线路单元基本构成及工作原理1、放大器:就是对脉冲起放大和成形作用。放大器分前置放大器和主放大器两部分。2、脉冲幅度分析器:起甄别脉冲作用和脉冲整形作用。因此它有选择性记录一定幅度范围的脉冲而排除,过大和过小脉冲的作用,这就可剔除过小的本底脉冲和过大的的宇宙脉冲,还可对射线能量不同的核素进行分别测量。,3、计数和数据处理装置计数装置是记录脉冲数目的装置,可分为定标器和计数率仪两类。(1)定标器:定标器是记录并显示脉冲累加数目的仪器。
16、(2)计数率仪:计数率仪可直接读出单位时间内的平均脉冲数。4、电源5、微机数据处理系统,仪器最佳工作条件选择探测仪器可供选择的工作条件通常有高压电源的高压值、放大器的放大倍数和甄别器的阈值三个因素。选择此三个因素的方法有坪曲线测定或品质测定。,光电倍增管坪曲线测定,品质因素测定 F=E2/Nb,我国用于体外放射分析的测量仪器普及型、自动型、快捷型、智能型,FJ-2021手动免疫计数器,gc-2012型放射免疫计数器,双探头免疫计数器,化学发光免疫分析仪,雅培I2000化学发光免疫分析仪,放射性测量的基本概念1.绝对测量(absolute counting)指不需借助中间手段而直接测得放射性活度
17、的方法。2.相对测量(relative counting)是指需要中间手段(即以常用测量仪器说测的脉冲计数多少来反映放射活度大小的方法)。3.核衰变率:单位时间内放射性核素的衰变数(dps、dpm)。4.计数率:指核射线探测仪器在单位时间内测量得到的脉冲信号数,用每秒计数(cps)或每分计数(cpm)表示。5.仪器的探测效率:仪器单位时间内所测量的脉冲数与实际衰变数之比,衡量仪器质量的重要指标。E%=(计数率(N))/衰变率(A)100%6.本底(Background):在没有放射性样品的情况下,仪器所测的计数,称为本底。,影响放射性测量的因素,几何位置仪器工作条件的影响:保证最佳工作条件,否
18、则将降低测量效率;仪器分辨率的影响样品的影响:体积、样品内放射性分布与样品的放射性污染。吸收:放射性样品有一定的厚度,其自身发射的光线,在样品内部有时也会被吸收或者部分吸收,这种现象称为自吸收。自吸收的存在给低能射线的测量造成一定困难;散射:正向散射会使向探测器发射的射线产生偏离,导致计数减少;反向散射则使不能进入探测器的射线经散射后进入探测器导致计数增加。测量过程中的环境污染:将影响本底,严格防止污染放射性样品的衰变因素:短半衰期或多种衰变共存的核素,探测器的入射面积S与立体角的关系,体积不宜太大 大小保持一致,确定PM管工作电压 根据射线能量越低,预置的下甄别阈值应偏低、放大器增益较高的原
19、则,先固定仪器的阈值和放大增益,绘制HV-cpm曲线,称为PM管道“坪”曲线,通常电压应确定在“坪”区的前1/3处。,放射性样品的计数测量一、单能射线的计数测量,在上述选定的工作条件下,用不同的放大器增益测定被测样品的计数率。以计数率最大时的放大器增益值为选定的条件。,确定放大器增益,分析器选择道宽,分析器:只让一定高度脉冲通过并被记录,分析器,选择道宽的目的:保证效率,减少本底,高能射线的液闪测量,高能粒子产生的契仑柯夫光谱,主要分布在紫外和兰光区域,可直接用端窗式GM计数管,或选液闪仪器可直接测量淡蓝色光,而不需闪烁液体,只要将高能-核素加到透明介质中即可,如加到水中。使用液闪探测器很容易
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