放射性探测The detection and measurement ofradioactivity

用特定仪器对样品放射性进行定性和定量的技术。主要探测放射性活度、射线能量与种类和半衰期等。在农化研究中的样品通常放射性核素是已知的，即射线的种类、能量、半衰期都已知。这种情况下主要测定样品中放射性活度。但也有放射性核素是未知的样品。如要测定某种矿物肥料、土壤等样品中存在的天然放射性核素，则要测定射线的种类、能量或半衰期来确定其放射性核素，并测定放射性活度。
原理 根据射线与物质有电离、激发和感光等作用制成各种探测器。它把射线能转变成信号，信号与射线多少成正比。并用测量仪测定信号数目。再作适当校正就可确定样品中的放射性活度。若探测器输出脉冲信号的高度与射线能量成正比；再配有脉冲信号高度分析器的测量仪就可测定射线的能量。放射性探测的仪器由探测器和测量仪组成。
探测器把射线能转变成电信号或非电信号。它有气体电离探测器(电离室、正比计数管、G-M计数管)；液体、固体闪烁探测器；半导体探测器等。按输出电信号分有脉冲型和非脉冲型的探测器。脉冲型探测器输出一个脉冲，相当于一个粒子与探测器中的物质相互作用结果。它主要应用于活度的测定。非脉冲型探测器输出是电流，它正比于单位时间内入射的粒子数，但不能区分单个粒子。这种探测器主要应用于野外放射性测量、剂量测量和放射性污染检测。另外还可利用射线对照相乳胶的感光作用，使乳胶片上溴化银还原成银颗粒，根据银颗粒或发黑的位置和多少对样品中的放射性进行定位和半定量测定。
测量仪用于计数和记录探测器输出的电信号。它具有各种功能。最常用的功能是对电信号的计数、定时和定数。这类仪器主要有定标器、计数率仪、静电计、放射性污染检测仪等。定标器可与各种脉冲型探测器相连接来测定某一时间间隔内的脉冲数称计数率。一般用CPM或CPS表示，即每分钟的脉冲数或每秒钟的脉冲数，再用标准源对探测仪测定计数效率，即可测定样品中相对放射性活度。若对计数率作各种影响因素直接校正，即可测定样品中绝对放射性活度。有的测量仪具有脉冲高度分析器，再连接具有输出的脉冲高度与入射粒子的能量成正比的脉冲型探测器可组成能谱仪。这类仪器既可测放射性活度又可测射线的能量。它有固体、液体闪烁计数仪、γ-能谱仪等。另外还有其他专用放射性测量仪。如放射性薄层层析扫描仪、γ免疫仪、高压液相放射性检测仪等。
放射性测量内容 它有放射性活度，射线能量、种类和半衰期等测量。不同测量内容有不同测量方法，即使同一测量内容由于样品的状态、射线种类与能量和测量仪不同，其测量方法也不同。
放射性活度测量 即测定放射性样品在单位时间内的核衰变数。常用的方法有2π测量法、4π测量法、液体闪烁测量法、切伦科夫测量法和双标测量法等。2π测量法 测量立体角为2π的一种放射性活度的相对测量方法。连接的探测器有气体电离型、半导体型和固体闪烁探测器等。被测样品置于探测器窗口的一端，使其尽量接近探测器的窗口，以提高探测效率。但又不可接触探测器，否则会被放射性物质所污染，影响下个样品的测量。测同一批样品，其几何位置、厚度、面积、测量器皿和测量条件等都必须相同。在这样条件下测定各个样品、标准源和本底的计数率。因为标准源的放射性活度是已知，其放射性核素与样品中的放射性核素相同，用其测定该测量装置的探测效率，按下式校正计数率，求出各样品的放射性活度：

式中A为样品的相对放射性活度；NT为样品和本底计数率之和；Nb为本底计数率；E为探测效率。它可测α、β、γ射线。测量方法简单，样品可直接测量。
4π测量法 测量立体角为4π的一种放射性活度测量方法。它是用球形探测器或两个2π探测器，把样品放入球体中间或两个2π探测器之间，进行放射性活度测量。混合气体流入探测器，射线作用于混合气体产生电子—离子对。在高压电源作用下收集电离电荷，并在电路上形成电脉冲；然后由定标器测定脉冲数。这种测量立体角为4π或接近4π，样品中的射线全部或几乎全部在探测器内，因此探测效率很高，测量结果也很准确，其误差可少于1%。计数率校正与2π测量法相同。可测量α、β、γ射线。但不适合探测固体样品。液体样品要吸附在纤维薄膜托片上才能探测。也可测纸层析样品的放射性活度。
液体闪烁测量法 被测样品溶解或均匀混合于闪烁液中的一种放射性测量方法。闪烁液由第一、第二闪烁体和溶剂组成。它有脂溶性和水溶性闪烁液。分别用于脂溶性和水溶性样品。生物样品很复杂，有的能溶解，而有的只能少量溶解和不能溶解；对后两种样品需进行样品预处理，使其溶于闪烁液；对难以预处理样品可用测量方法解决。
液体闪烁测量法依样品种类有均相法和非均相法（见液闪样品制备）。其特点是放射性样品与闪烁液密切接触，并被闪烁液包围形成4π测量。样品对射线的自吸收，散射等都可忽略。探测效率很高，特别适合低能β测量，如³H、¹⁴C、³⁵S等的样品。³H可达60%以上，¹⁴C、³⁵S可达90%以上的探测效率。由于液体闪烁所产生荧光衰减时间短，这样即使高计数的样品也不会产生漏计。也可测量α射线、中子、γ射线等。但也存在淬灭问题，一切使闪烁液输出光子减少的现象统称为淬灭。它有化学淬灭、颜色淬灭等。各种样品的化学组成和色素种类含量不同，造成淬灭程度不同。即使放射性活度相同的样品，计数率也会不相同。淬灭程度不同的样品所测得的计数率是不可比较的，因此，除了测定每个样品的计数率外，必须测定每个样品的淬灭程度，进行淬灭校正，才能得出每个样品的放射性活度。
淬灭校正的方法有内标准源法、样品道比法和外标准源法等。❶内标准源法是用一种标准源，其放射性活度已知，放射性核素与样品中的放射性核素相同；把它加入含有样品的闪烁液内，测定该标准源在这个闪烁系统中的计数效率。然后用这 一标准源的计数效率来代表该样品的计数效率。
❷样品道比法是根据β能谱随淬灭程度增加而向低能方向迁移原理的校正方法。如图1A为无淬灭样品的能谱，B为有淬灭样品的能谱。若按图1设1道和2道来测量样品，则两道分别有个计数率。这两个计数率之比值称为样品道比值。而且A样品和B样品的道比值是不同。它是由样品淬灭程度不同而引起。因此用一组淬灭程度不同，放射性活度已知和相同的标准样品，按图1设置1道和2道，分别测定这 一组标准样品的道比值和计数率，再求出它们的计数效率。然后以道比值为横坐标，计数效率为纵坐标制成 一条样品道比淬灭校正曲线，如图2所示，依然按上述设置的两个道来测量样品，测定样品的道比值。再从图2查得相应道比值的计数效率。
❸外标准源法是用一个外标准γ源移近样品时会产生康谱顿电子谱的原理。当样品存在淬灭，康谱顿电子谱也会与样品的β谱一样向低能方向迁移。因此可根据康谱顿电子谱移动程度来确定样品的淬灭程度，从而得出各个被测样品的计数效率。该方法有外标准源道比法、H#数法、外标准谱指数法等。外标准源道比法的淬灭校正与样品道比法相类似，需要制作 一条外标准源道比淬灭校正曲线。用外标准源法测定样品的外标准源的道比值，然后从淬灭校正曲线中找出对应于此道比值的计数效率。而H#数法，外标准谱指数法都必须用计算机对康谱顿电子谱进行计算而建立的淬灭校正方法。

图 1 β能谱随淬灭程度增加向低能方向移迁

B

图2 样品道比淬灭校正曲线

切伦科夫(Cherenkov)测量法 一种用于高能带电粒子的放射性活度测量方法。当高能带电粒子通过某一介质时的速度大于光在该介质中的速度情况下，沿着它的径迹会产生局部极化，被极化的分子要恢复原来状态时发射的电磁辐射称为“切伦科夫福射”。它是一种从可见到紫外的连续光谱。由于其光的强度与放射性活度成正比，因此可用液体闪烁计数仪把切伦科夫辐射转换成电子，并形成电脉冲来测定样品中的放射性活度。此法不需要昂贵的闪烁液，可容纳样品量大。如可测量含³²P的水样品，样品量可达15毫升，仪器工作条件与测³H样品的均相法相同。该法化学淬灭很小，主要是颜色淬灭，可用外标准源法进行校正。
双标记测量法 样品中含有两种不同放射性核素的活度测量方法。研究某一种物质在生物体内的代谢降解作用，需要对这一物质标记两种放射性核素；或研究两种物质在生物体内相互作用，需对这两种物质分别标记不同放射性核素来进行研究。从这两种试验中获得的样品都含有两种标记的放射性核素用下述两种方法测量。❶分离测量法。根据样品中的不同化合物的理化性质的差异把二种放射性核素的化合物分离。常用的有离子交换、层析、电泳、萃取等方法；也可用燃烧法分离。如¹⁴C^-3H或³⁵S-¹⁴C的双标记样品，燃烧后¹⁴C生成¹⁴CO₂³H生成³H₂O,³⁵S生成³⁵SO₂。然后分别用不同的吸收剂吸收，分别测量两种放射性核素的放射性活度。
❷直接测量法。利用两种放射性核素存在核性质差异，不分离就直接进行放射性活度测量的方法。
射线种类测量 测定α、β、γ射线种类的方法。常用有吸收法和不同探测器法等。
吸收法 利用物质对α、β、γ射线的吸收能力不同来鉴别。α射线不能穿过一张纸。β射线虽可穿过较薄的金属片，但强度要大大地减弱了。γ射线的穿透力很强可穿过较厚的金属片。
探测器鉴别法 利用不同探测器对不同射线探测灵敏度的差异来鉴别。无窗或4π气流正比计数器对α射线探测灵敏度要比对β、γ射线高得多。碘化钠闪烁探测器或半导体探测器对γ射线的探测灵敏度要比对α、β射线高得多。液体闪烁探测器或薄窗盖革计数器对β射线的探测灵敏度比对其他射线的探测灵敏度要高得多。
射线能量测量 测定射线能量的方法。每一种放射性核素所发射的射线都有特定能量。α射线有单一或不单一能量，β为连续能谱。其平均能量和最大能量都一定。γ射线为单一能量。其测量方法有射程法、磁谱仪法、吸收法和能谱仪法等。
射程法 α粒子在通过温度为15℃、压力为760毫米水银柱的干燥空气时所走的平均距离为射程，射程与α粒子的能量有关。
R=M·Eα3/2式中 R为射程；Eα为α粒子的能量； M是常数。所以只要测定α粒子的射程就可测定α粒子的能量。
磁谱仪法 带电α或β粒子通过磁场时要受到洛沦兹力作用而偏转。不同能量的α、β粒子在通过相同强度的磁场时，会沿着不同半径的轨道运动。若要使不同能量α、β粒子沿着相同半径轨道运动，则必须提供不同强度的磁场。根据磁场强度大小就可测定α、β粒子的能量。
吸收法 β、γ射线通过某物质后放射性活度会减弱，减弱程度符合指数吸收规律，即N=N₀e-^ud，式中N₀为无吸收前的放射性活度；N为吸收后的放射性活度；d为吸收物质的厚度；u为吸收物质对射线的吸收系数。当物质一定时，u是射线能量的函数。因此只要测定N和N₀的放射性活度就可测定射线能量。
能谱仪法 利用闪烁探测器、正比计数器和半导体探测器的输出脉冲高度与入射线的能量成正比的原理，配备具有脉冲高度分析器的脉冲计数仪组成能谱仪就可测定α、β、γ射线的能量。
半衰期测定 测定放射性活度衰变一半所需时间。测定方法一般用时间跟踪法。对半衰期短的核素（几分钟至几小时）可在一次连续测量，把所需数据测齐；半衰期长核素（几天至几年）则须用间断多次测量才能把所需数据测齐；对半衰期甚长则要化学分析方法；半衰期甚短则要用电子学方法。测定半衰期时每次测量条件，样品几何位置，计数时间等都必须相同，然后把测得数据描绘在半对数坐标纸上，计数率为纵坐标，时间为横坐标，并作出一条直线，从直线斜度可算出计数率减少一半时所需时间，即得出该放射性核素的半衰期。