康普顿散射屏蔽改进
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本文作者：孙立杰、徐 静、孟祥鹏、刘超卓 单位： 中国石油大学 （ 华东） 理学院
北京核仪器厂生产的BH1307型康普顿散射谱仪是目前常见的谱仪，该设备采用直接测量散射光子能谱的方法，需使用较强的放射源才能减少环境本底的影响。在使用BH1307型康普顿散射谱仪的过程中，偶然发现在安置放射源的铅屏蔽室处于关闭状态时仍有较强的辐射存在。采用闪烁能谱仪对谱仪进行能谱测量，发现屏蔽室出射孔处可探测到较强的射线，结合铅屏蔽室结构，进行理论分析并设计实验测量了环境辐射的能谱，判断了较强未知射线的来源；认为铅屏蔽室外，特别是出射孔位置，需做进一步辐射防护。
1BH1307型康普顿散射谱仪的结构及工作原理
该仪器主要由散射实验台（如图1）、一体化多道分析器、微机和软件组成。工作台承载内盛放射源的铅屏蔽室、作为散射样品放射源发出的γ射线经铅屏蔽室前方的出射孔出射，与铝棒发生康普顿散射后，被散射到不同角度；探头可在散射角度0°~120°之间移动，记录散射到该方向的光子，发出的电信号经电缆送入多道分析系统，微机软件采集其数据获得能谱。分析不同角度测得的能谱，从全能峰道数可以获知散射光子的能量，从全能峰的净面积可以进一步计算微分散射截面的相对值，进而验证康普顿散射光子能量及微分散射截面随散射角的变化关系。为避免天然本底射线的影响，获得较为精确的散射γ能谱，该设备需用较强的放射源[2]。这里使用的源核素为137Cs，活度为10mCi，即3.7×108Bq，比一般实验教学仪器用源的活度高三个数量级，需放置在专门的铅屏蔽室中。屏蔽室内含不锈钢转筒，小钢柱体形状（φ8mm×10mm）的放射源就镶嵌在转筒前部（见后文图5），转筒后部的转筒把手控制放射源与铅屏蔽室出射孔的相对位置：当转筒把手置于“开”位置时，放射源正好对准铅屏蔽室的出射孔；当转筒把手置于“关”位置时，放射源则被铅屏蔽室挡住。
2辐射环境的剂量测量和能谱测量
当铅屏蔽室处于关闭状态时，利用FJ428G便携式多用辐射仪对谱仪辐射环境进行剂量监测。铅屏蔽室外不同方位测量结果如下：屏蔽室上方为0.39μGy/h，侧面为1.51μGy/h，前方出射孔处为3.25μGy/h，后方转筒开关处为0.68μGy/h，均高于自然本底剂量率（约为0.1μGy/h），铅屏蔽室前方和侧面辐射较强，而前方辐射强度为侧面的2倍多。为进一步研究环境辐射的来源，利用配套的NaI（Tl）闪烁谱仪对屏蔽室周围环境进行了能谱测量。条件如下：能谱单次测量定时600s；光电倍增管的工作高压为473V；探头信号的放大倍数为2.8；137Cs放射源置于关闭状态。首先使用137Cs源和60Co源进行能量校准，137Cs的0.662MeV的γ射线全能峰峰位道数为473道，60Co的1.173MeV和1.332MeV的γ射线全能峰峰位道数分别为843道和955道，经过线性拟合，得出能量E（MeV）与道数之间的定标关系式为：E（MeV）=0.0014×channel+0.0051将探头移至铅屏蔽室侧面，紧靠铅屏蔽室表面，测量得到如图2a）所示的能谱，全能峰的位置在473道，这对应放射源γ射线的初始能量，说明射线来自对铅屏蔽室壁的透射。与常规直接测量γ能谱结果不同，低能区也有较高计数，说明γ射线在铅屏蔽室内与不锈钢转筒存在着相互作用。将探头移至铅屏蔽室前方出射孔位置，测量得到如图2b）所示的能谱，发现存在2个γ射线峰值：0.315MeV（225道）和0.662MeV（473道）。另外在40keV（25道）处有射线峰，考虑典型的137Cs的γ能谱，可知是137Cs衰变成137Ba后，137Ba发出的K层特征X射线，而NaI（Tl）闪烁谱仪在几十keV区域的工作性能比较差的。对比铅屏蔽室前方与侧面测得能谱，可以发现两者显著不同，说明射线出射孔对辐射环境有一定影响，而且出射孔处获得的能谱中在0.315MeV处存在峰值，这一未知射线（0.315MeV）能谱需要进一步判断来源。
3未知射线的深入分析
3.1排除自然本底为减少本底辐射对谱仪NaI（Tl）探头的影响，进行康普顿散射实验时将探头置于铅屏蔽筒内，前面测量的结果是不是环境辐射的影响呢？用铅砖挡住铅屏蔽室，对探头在屏蔽筒内时和在屏蔽筒外时对环境辐射本底的测量结果做了对比，见图3。可见，当探头置于铅屏蔽筒内时，本底能谱只有非常低的计数；探头处于外部环境时，本底辐射也只在能谱的低能区有贡献，能谱计数相比图2要少得多，这说明前文能量为0.315MeV的未知射线并非来自环境本底辐射。
3.2排除高能带电粒子γ射线与物质的相互作用所产生的次级电子能量各不相同，因此对于单能γ射线入射，能谱仪记录的次级电子的脉冲幅度有一个很宽的分布，能谱形状取决于三种相互作用的贡献[3]，这给γ能峰的分析带来困难。但是，全能峰与射线的初始能量相对应这一点是确定的，全能峰形状一般是正态分布，下面对射线的判定主要基于能谱中的全能峰。放射源处于关闭状态，探头置于铅屏蔽筒，探测位置正对屏蔽室出射孔，如图1所示，仍可获得如图4a）所示的γ能谱，该能谱的峰位为225道，对应能量约为0.315MeV，即上文中发现的未知射线，经过一段在空气中的路程后，未见能量衰减。放射源本身的初始射线能量0.662MeV对应的473道处，计数大大降低了，这是由于距离的关系。显然未知射线具有一定的方向性。如果在NaI（T）l探头前挡一厚度为0.5mm的铝箔，可以阻挡最大能量为0.45MeV的β射线，则测量能谱见图4b），和4a）比较发现铝箔对能谱几乎没有影响。根据一般经验[4]，α、β等带电粒子在穿透一定厚度物质后强度减小、粒子能量降低，而γ射线穿透物质后光子数量强度减小但光子能量不降低。可知0.315MeV的射线并非带电粒子的射线，应是γ射线，但该射线并非放射源0.662MeV的γ射线；从图2中也断定该射线与出射孔有关，应仔细研究铅屏蔽室内0.662MeV的γ射线与物质相互作用的过程。
3.3理论分析为散射γ射线γ射线与物质的相互作用主要有光电效应、康普顿效应、电子对效应三种，137Cs的γ射线能量不足1.022MeV，不会发生电子对效应。如果与转筒不锈钢材料发生光电效应，产生光电子的能力不会高于0.662MeV，这些光电子应该被铅屏蔽室完全吸收。因此，未知射线只能是γ射线与铅屏蔽室内部物质发生康普顿散射的结果，这一过程将产生散射γ光子和反冲电子。前文已经证明探测到的射线不是电子，那只可能是散射的γ光子。由于放射源固定于铅室内部转筒的前部，屏蔽室关闭时，放射源实际位于出射孔下方，前向被屏蔽室的壁挡住；使用放射源时，要转筒转过180°，使放射源从下方转至与出射孔对齐位置。因此，放射源关闭时探测到的能量为0.662MeV和0.315MeV的两种γ射线，前者应该源自137Cs源本身的γ射线从出射孔下方位置向外的透射，后者是137Cs源本身的γ射线与不锈钢材料电子发生康普顿散射后的散射γ射线。二次散射或者多次散射的概率要小的多，这里主要还是考虑一次散射。假设入射γ光子能量为Eγ，散射角为θ，根据动量守恒定律、能量守恒定律，可得出散射光子的能量Eγ'：其中，m0c2为电子的静止能量。从出射孔水平出射的散射γ光子，将被水平正对出射孔位置的探头直接记录到，如图5中射线A，散射角应接近直角。将被探测到的能量Eγ'=0.315MeV代入（1）式，得γ射线的散射角在81.4°左右。由于散射角小90°的康普顿散射都有可能通过出射孔水平出射，所以综合效果就表现为在81.4°附近有比较宽的散射能谱分布。
3.4进一步的实验验证将探头沿着导轨移动到散射角度为80°位置，实验条件同前文，在工作台中心放置散射铝棒，打开放射源，进行散射能谱的测量，结果如图6所示（图4a的结果也列入其中）。可以看到对准屏蔽室出射孔位置的环境辐射能谱峰的能量与80°康普顿散射γ射线的全能峰位置相近，但是环境辐射的峰要宽得多，除了有尖锐的低能X射线峰以外，在0~500道之间还有相当的能谱计数。单纯散射的能谱则相对单纯，康普顿坪区在峰的低能一侧。按照图5所示A（水平出射）和B（倾斜30°）方向，将探头对向出射孔，在距离出射孔5cm、10cm、20cm处，分别进行能谱测量，所得能谱见图7。图7a）中，水平方向探测，距离出射孔5cm、10cm、20cm处获得的三个能谱在225道（0.315MeV）附近均存在峰值，强度无明显减少，对应散射后水平出射的γ射线；随着距离的增加，473道（0.662MeV）位置附近的计数逐渐减少，对应从放射源直接透射的γ射线。图7b）中，倾斜30°方向探测，距离出射孔5cm、10cm、20cm处获得的能谱在473道.662MeV）左右均存在峰值，且随着距离的增加，计数逐渐减少，说明在倾斜30°方向主要为0.662MeV的透射γ射线，该射线是以放射源为中心，强度随距离逐渐减小的。综上分析，在水平方向探测到的较强未知射线为γ射线，源于137Cs放射源的0.662MeV的γ射线在屏蔽室内发生了康普顿散射，散射γ射线直接水平出射，主要能量为0.315MeV，有一定的能量宽度，强度随距离无明显变化。同时，在各个角度也能探测到137Cs放射源的0.662MeV的γ射线的直接透射，但是强度相对于前者要弱一些，距离放射源20cm时已衰减很多。
4建议和结论
BH1307型康普顿散射谱仪所处实验室在没有实验时也会有人工作，因此需要保证实验室辐射环境安全。偶然发现采用较强的放射源时，即使铅屏蔽室对放射源处于关闭状态，辐射环境的剂量监测结果也均超过了自然本底剂量，故最好能对内盛放射源的铅屏蔽室做进一步的屏蔽防护。当放射源处于关闭状态，对现有铅屏蔽室周围进行能谱探测，仍可测到较强的能谱，主要源于放射源γ射线的透射。同时在铅屏蔽室出射孔位置，探测到的能量为0.315MeV、强度更大且具有方向性的未知射线，我们考虑γ射线与物质的相互作用，综合分析所测能谱，排除直接透射和环境本底的干扰，认为是137Cs放射源的0.662MeV的γ射线在屏蔽室内发生了康普顿散射所致，散射的γ射线直接从出射孔出射，因此，铅屏蔽室前方的出射孔需做进一步的防护。本实验室在其铅屏蔽室外又加厚度3cm的碉堡式铅屏蔽设施，在出射孔位置特别增加3cm的铅块后，测量结果显示辐射环境处于正常本底水平（0.1μGy/h）。