β能谱测定实验方法及盖革-弥勒探测器对β射线与γ射线探测效率的比较

《Applied Radiation and Isotopes》：Experimental Method for Beta Spectrum Determination and Comparison of the Efficiency of a Geiger–Müller Detector for Beta and Gamma Radiation

　　

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  采用实验方法，利用盖革-缪勒探测器估算β能谱。
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  利用β能谱确定探测器的内禀效率随能量的变化关系。
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  随后根据能量对盖革-缪勒探测器对β辐射和γ辐射的效率进行比较。

引言

放射性源发射的辐射可分为两大类：电磁辐射和粒子辐射。电磁辐射（如γ射线光子和X射线）不含质量和电荷，通常使用半导体探测器[1]进行探测，其具有优异的能量分辨率和可接受的探测效率[2]，或使用闪烁探测器[3]，后者具有可接受的能量分辨率以及良好的探测效率[4]。这两类探测器均具有能量鉴别能力，可以测量入射光子的能量。这一特性对于准确建立探测器效率随能量变化的曲线至关重要[5]，该曲线用于未知放射性样本的鉴别和定量分析[6]、[7]。上述所有方法构成了γ能谱技术[8]。

相比之下，对于β粒子和α粒子等粒子辐射的探测，通常使用气体探测器，其中盖革-缪勒（GM）探测器应用最为广泛。该探测器在核医学服务中常被用作辐射监测仪和探测设备[9]。与γ能谱技术中使用的探测器不同，盖革-缪勒探测器的工作原理无法鉴别入射粒子的能量[10]。因此，GM探测器提供的测量结果仅对应于探测到的粒子总数，而不包含能量信息。此外，盖革-缪勒探测器的死时间相对较长，约为200 μs[11]，当暴露于高活度源时会迅速饱和。另外，该类型探测器无法鉴别入射辐射的类型（γ射线、β射线或α射线）。而且，其对于γ辐射的探测效率与对带电粒子的探测效率相比相对较低[12]。然而，与上述两类探测器相比，这种探测器具有相对低廉的成本[13]，这也是其在全球许多实验室中广泛存在的原因。其体积小巧，使用方便，维护需求有限，不像半导体探测器（如HPGe探测器）需要低温制冷系统[14]。

盖革-缪勒探测器尽管在辐射探测领域应用广泛[15]，但既不能直接测量辐射能量，也无法进行能量鉴别。因此，已有大量科学和实验研究致力于开发间接估算这些物理量的替代方法，尽管精度有限。其中一种方法是利用插入源与探测器之间的薄层，结合经验公式来确定β粒子的最大能量。

在此背景下，本文提出了一项完整的实验研究，介绍了确定有效β能谱的方法。此外，本研究还重点评估了探测器的效率，并将其对β辐射的效率与具有明确能量特征的γ辐射的探测效率进行比较。

章节摘要

实验系统

本实验系统使用的装置包括：一方面，一个铊-204（Tl-204）β辐射源，其制造日期（2018年1月）时的活度为10 μCi；另一方面，一个铯-137（Cs-137）γ辐射源，发射能量为661.7 keV的γ光子，其制造日期（2017年2月）时的活度为0.25 μCi（见图1）。β辐射源用于研究β粒子穿过吸收层后的探测情况，而γ辐射源则用于

实验方法

尽管在大多数情况下，探测器的特性在购置时即已确定，但在经过多年使用后，由于管内气体老化、填充气体耗竭以及反复运行条件的变化，这些特性可能会发生改变。因此，本研究的第一步是对盖革-缪勒探测器进行实验性重新表征，以确保后续测量的可靠性和准确性。在此背景下，对探测器的基本参数进行了测定，包括最佳

盖革-缪勒探测器的重新表征

将铊-204辐射源放置在盖革-缪勒探测器前方，使用ST360软件，以5 V为步长将施加电压从0变化到1200 V，同时将计数时间设置为20 s。通过对探测到的粒子数随施加电压变化曲线的分析，确定了平台区域，并将最佳工作高压设定为900 V（见图5）。

尽管计数率曲线看起来

结论

首先通过实验确定了探测器的工作特性，包括计数平台、饱和起始点、死时间以及β粒子的内禀效率。随后采用基于薄铝箔和ESTAR程序的方法确定了铊-204的β能谱。获得的能谱随后与由BetaShape软件生成的理论β能谱一起用于评估探测器的

CRediT作者贡献声明

Abdelmajid El Badraoui：可视化、验证。Brahim Elmokhtari：可视化、验证。Chaymae Yahyaoui：可视化、验证。Oumayma Qassimi：可视化、验证。Omar El Bounagui：可视化、验证、监督。LAHCEN EL AMRI：写作—审阅与编辑、写作—初稿撰写、可视化、验证、监督、方法论、形式化分析、概念化

利益冲突声明

? 作者声明，不存在已知的可能影响本文所报告工作的竞争性经济利益或个人关系。

致谢

所有作者感谢直接或间接为本工作的完成提供实践或精神支持的所有人员。

Lahcen El Amri|Omar El Bounagui|Oumayma Qassimi|Chaymae Yahyaoui|Brahim Elmokhtari|Abdelmajid El Badraoui