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低本底γ谱仪在常规放射性测量和基础科学研究方面有着非常广泛的应用,很多情况下要尽量降低谱仪的本底以使谱仪达到更低的探测下限。以高纯度锗(HPGe)为主探测器的γ谱仪本底成分的主要来源包括:(1)土壤及建筑材料中的天然放射性,主要是238U、232Th衰变系的子体以及40K,也有重核自发裂变和(a,n)反应产生的中子;(2)屏蔽材料和探测元件中的放射性,包括材料本身的放射性同位素和引入的放射性杂质或污染;(3)宇宙射线诱发的本底,包括μ子本身以及μ子在屏蔽材料上产生的中子、高能电子等产生的本底。降低本底的方法主要分为物质屏蔽方法和反符合方法。物质屏蔽方法能降低天然的放射性和屏蔽材料及探测元件带来的放射性本底,距离主探测器较近的屏蔽物质应尽量选择清洁或放射性本底低的材料。反符合方法一般选用塑料闪烁体或NaI(T1)作为反符合探测器,能有效降低宇宙射线μ子诱发的本底。很多实验室均建立了不同的低本底γ谱仪,并对它们的本底成分和降低方法做了分析和研究。
本论文基于一台新建的反宇宙射线低本底HPGeγ谱仪,测量并分析了各种屏蔽条件下的本底谱,对各种物质屏蔽、反符合屏蔽和热中子屏蔽降低环境放射性、μ子和中子产生的本底进行了实验研究。实验结果表明物质屏蔽能有效的阻挡环境中的天然放射性本底,50-3000keV之间的本底降低系数达400倍以上。反符合屏蔽(塑料闪烁探测器)不仅能大幅度降低μ子产生的本底,还能有效抑制快中子与锗晶体和屏蔽材料非弹性散射引起的本底,反符合对100-2000keV能区的积分本底抑制系数可达8.0倍。热中子屏蔽(镉吸收片)的加入可明显降低锗晶体和屏蔽材料热中子俘获产生的本底,同时511keV正电子湮灭峰本底的抑制系数由5.8倍提高到20.7倍,100-2000keV反符合积分本底抑制系数提高到13.2倍。
具备良好物质屏蔽的低本底γ谱仪,再采用反符合和热中子屏蔽联合降低宇宙射线μ子和中子产生的本底,可以进一步使本底降低一个量级以上。本论文的反宇宙射线低本底γ谱仪经上述屏蔽后,50-3000keV之间的积分本底计数率为2.65×10-2/s/100cm3Ge,国际同类装置中达到了最佳的本底水平。