γ谱仪

γ谱仪是主要用于测量γ线能量特征的仪器，也可用于测量放射性活度，是核医学中应用最广泛的设备之一。每种发射γ线的放射性核素都有一种或几种特征性的单能γ光子，它们与探测器中的物质相互作用时就形成该核素的特征性脉冲高度谱，也称γ谱。所以，在核医学中测定γ谱有以下几方面的用途： 可以识别样品中存在何种放射性核素并进行定量； 可以检定某一放射性试剂或药品中有无发射γ线的杂质核素； 可以检查放射性污染的种类和程度；在活化分析和X线荧光分析中，可以识别射线的性质和强度，借以对被测物进行定性和定量。
早期用于测定γ线能量的仪器是弯晶谱仪及β磁谱仪。现在则主要是用NaI(Tl)闪烁谱仪及半导体谱仪。后者具有特别好的能量分辨本领，通常也称高分辨率γ谱仪。
闪烁γ谱仪 一般的闪烁γ谱仪由闪烁探头、单道脉冲分析器和记录显示装置等三个部分组成。有的闪烁γ谱仪用多道脉冲分析器代替单道脉冲分析器。
闪烁探头与一般γ闪烁计数器的探头无本质差别，包括闪烁体、光电倍增管、前置放大器及屏蔽装置等(见“固体闪烁测量”条)。测量γ谱的闪烁体以NaI (Tl)单晶为最好，它对γ线的吸收效率高，产生的光子数与入射γ线的能量在相当宽的范围内有较好的线性关系，加工成圆柱形者其能量分辨率比井型晶体为好。能量分辨率是指光电峰半高全宽度与光电峰能量之比，通常以点状¹³⁷Cs源的数据作比较(参见“固体闪烁测量”条)。

图1 单道γ谱仪方框1. NaI(Tl) 2. 光电倍
增管 3. 前置放大器 4.
放大器 5. 单道分析器
6. 定标器 7. 描图仪
8. 高压电源

用于γ谱测量的单道脉冲分析器也由两个甄别器与一个反符合器组成(见“核射线的探测”条)。但对甄别器刻度的精确性要求较高，而且需要经常检验。通常用两种方式进行谱的测量。一种是微分法，即固定窗宽（狭窗），将下甄别阈值逐渐从小调到大，使不同大小的脉冲在不同时间内进入记录系统。另一种是积分法，即固定下甄别阈值（最小），将窗宽逐渐由小调到大，使小脉冲始终能进入记录系统，大脉冲则随窗宽调大而逐渐进入记录系统。要知道不同大小的脉冲各有多少，需将每次增加窗宽后的计数率减去前一次计数率。记录系统可以是简单的定标器，也可以是记录仪 （描记器）。专用的单道γ谱仪大多采用微分测量法，把下甄别器做成自动连续可调式，调节的速度与描记器同步。
单道γ谱仪的技术指标包括分析范围、分辨时间、能量分辨率、能量转换线性及系统的稳定性。对目前常用的NaIγ谱仪来说，分析范围可通过改变高压或放大器增益进行调节，通常都可满足要求。分辨时间主要取决于放大器，一般是数微秒，故需要注意限制源的活度。能量分辨率主要取决于晶体质量，对¹³⁷Cs的661keVγ线，最好的能达到6～7%。能量转换线性(即输入γ光子的能量与输出脉冲幅度的正比关系) 与晶体和光电倍增管的质量有关，以¹³⁷Cs的661keV峰为基准，100～2,000ke V间的变化约为±5%。系统的不稳定性通常以¹³⁷Cs光电峰位置的漂移来衡量，若不采取特殊措施，一般为1～2%/8小时。
多道分析器 多道分析器随时都能接纳各种大小的脉冲，将它们按不同高度分类，分别记录下来。因此，只要源的活度足够高，可以在很短时间内作全谱测量，而且还可以同时测量几个脉冲高度范围不同的γ谱。
多道分析器的基本结构包括两大部分。一部分是模拟数字转换器(ADC)。其作用是把不同高度的脉冲信号变成不同的数码，输入存贮器。目前比较普遍采用的是线性放电法。另一部分是存贮器。从ADC来的不同数码信号贮存在存贮器的不同部位，累积起来，并可随时取出，重新以不同大小的脉冲数目在示波器的荧光屏上显示出来。如果和计算机联用，则还可用电传打印机给出精确的计算结果，或以穿孔纸带或磁盘等永久性地保存数据。目前的趋势是直接利用计算机的存贮器作为多道分析器的存贮器，使仪器更加小型化，工作也更为可靠。多道分析器的功能特点使它特别适合于测量短半衰期核素的γ谱，以及配合半导体探测器作高分辨率γ谱分析。在混合谱的分析方面，如活化分析等，更为有用。
多道分析器的技术指标除和单道分析器相似，包括分析范围、分析时间、线性和稳定性等外，特别重要的是道数。道数越多，每一道包括的脉冲高度范围越窄，对不同高度的脉冲分辨也就越细。一般闪烁γ谱仪的探头限制了分辨率，所以只需几百道的多道分析器已可满足需要。对半导体探测器，则必须配合4,096道以上的多道分析器，才能真正完成高分辨γ谱的测量工作。每道容量，即每道允许存放的数也是一个指标，一般都可达到2¹⁶～2²⁰个/道，对测定γ谱已可满足要求，与计算机联用者在需要时还可通过软件加以扩充。
高分辨率半导体能谱仪 六十年代中期发展起来的半导体能谱仪具有很高的能量分辨率，所以也称高分辨率能谱仪。使用不同类型的半导体探测器可分别探测α、β、γ、X线和其他带电粒子的能谱。主要用于探测γ线的是Ge(Li)谱仪。

图2 高分辨率能谱仪方框
1.探测器 2.成形 3.甄别 4. 堆积排斥器 5.
基线恢复器 6. 分析器(ADC) 7.计算机 8.显
示 9. 结果输出

Ge(Li)探测器与NaI(Tl)晶体相比，虽然探测效率低一些，但能量分辨率提高了几十倍。它还具有极好的能量转换线性。从0～2,600keV线性好于0.3%，在经常使用的能区(100～1300keV)可以达到0.02%。因此使用Ge(Li)谱仪不仅能精密地测定γ线能量，而且还能对多种核素混合的样品一次作定性和定量测定。Ge(Li)探测器的主要缺点是要求低温和真空条件保存。
伴随半导体探测器的发展，同时发展了低噪声电子学和信号处理技术，如低噪声前置放大器、各种脉冲成形技术、基线恢复器、极-零补偿、堆积排除器和高分辨率分析器等。它们的联接方式见图2。

图3 用NaI(T1)谱仪(上曲
线)和Ge(Li)谱仪下曲线
测得的¹³¹Ⅰ谱
图3是用NaI(T1)和Ge(Li)谱仪测量同一个放射源¹³¹Ⅰ得到的谱图。显然，用Ge(Li)测得的谱比用NaI(T1)测得的谱要精密得多。
γ谱仪的刻度 为了作定性和定量测定，就须对γ谱仪作出能量刻度和探测效率刻度。刻度的主要内容是把实验测出的γ能谱的全能峰同被测放射源的γ线能量和活度联系起来。全能峰所在的位置（道数）代表γ线的能量，峰面积代表活度。
多道γ谱仪的能量刻度可用高精密的脉冲发生器，更普遍的方法是用一组放射源来做。已有几十种核素被推荐作能量刻度的标准，它们的能量已精确地知道，分布的范围从几十keV到几个MeV。
探测效率的刻度有理论计算和实验测定两种方法。对NaI(T1)晶体的总效率ε(E)和全能峰效率P(E)的计算采用著名的蒙特-卡罗(Monte-Carlo)法。现在已用此法对各种尺寸的晶体及源在不同位置的情况作出了精确的计算（列成数据表供查阅）。
更常用的方法是用实验来刻度效率。尤其是Ge(Li)探测器，因它的几何形状、位置、灵敏区域的尺寸都很难确定，用蒙特-卡罗法计算出的效率P(E)误差较大。
实验刻度首先要有一组已知活度的标准源。实验测出的全能峰面积，按照公式可以得到全能峰效率P(E)。用若干放射源得到一组实验数据，可作出P(E)随E变化的函数曲线。于是可以根据射线的能量E求出P(E)，再从测量样品的某一γ线全能峰的面积来计算源的活度。国际原子能机构(IAEA)已提供一套单能γ源作效率刻度的标准，它们的活度误差都<1%，可以保证刻度的精确度。
Ge(Li)探测器还可以采用“相对效率刻度”的方法，即用一种能够辐射多条强γ线的核素，测量它们的相对辐射强度。此法的优点是只须作一次测量，可以避免多次换源和在不同时间测量带来的误差。但目前尚未找到一种能覆盖全部能区的核素。
测定峰面积 实验效率刻度和测量未知样品都要依据全能峰的面积来计算。因此，测量误差主要取决于对峰面积测量的好坏。γ线谱的全能峰常常或多或少叠加在康普顿连续底线上。峰面积测定的精确度与这种叠加的程度及本底的高低和峰的形状有很大关系。良好的谱必须考虑对周围环境的屏蔽，必要时还可以用符合或反符合的方法来减少本底的影响。对一些衰变纲图复杂的核素，还需考虑相加峰。
计算峰面积的方法有许多种，常用的是全峰面积法。更精确的计算方法是用高斯函数作曲线拟合，当然数学运算也更复杂。现在比较精确的工作大多用计算机进行γ线谱在线处理的方法。从谱获取、传送、平滑，到能量刻度，效率刻度，自动找峰，对峰作曲线拟合计算，建立核素库和核素检索都可用计算机控制，故能快速而精确地得到最后的测量结果。