γ能谱仪

定义

γ能谱仪是测量γ射线能量分布的核辐射测量仪器。按照测量对象划分，能谱仪包括α能谱仪、β能谱仪、γ能谱仪和中子能谱仪等，γ能谱仪对应其中的γ射线部分。这类仪器的基本构成包括把γ射线转换为电信号的探头，以及用于分析脉冲高度的单道或多道脉冲幅度分析器^[1]。

通常把整套系统统称为γ谱仪系统。它给出的测量结果是计数率随能量或道址变化的谱图，横轴为能量或道址，纵轴为一定时间内记录的事例数^[3]。衡量γ能谱仪性能的主要指标是能量分辨率和探测效率，此外还常用峰康比等参数描述谱线质量^[4]。

原理

γ射线不带电，与物质作用主要通过光电效应、康普顿散射和电子对效应三种方式把能量交给探测器中的电子^[5]。在光电效应中光子把全部能量交给束缚电子，形成的全能峰对应入射光子的完整能量；在康普顿散射中光子只交出部分能量并逃逸，因此形成能量连续分布的康普顿平台；当光子能量超过1.022 MeV 时可能产生电子对，正电子湮没后放出0.511 MeV 的光子^[5]。

在闪烁探测器中，上述过程产生的带电粒子使晶体激发发光，光信号经光电倍增管转换为电信号并倍增，输出脉冲幅度与沉积能量成正比^[5]。半导体探测器则直接在晶体中产生电子—空穴对，在电场作用下形成电荷脉冲；由于产生一对电子—空穴对所需的能量只有数电子伏，同样能量下产生的载流子数目远多于闪烁体，统计涨落更小，因而能量分辨率更好^[6]。

信号链的后级是放大与分道。前置放大器输出的电压脉冲经主放大器成形放大，再由模数转换器按幅度转换为数字道址，多道分析器对大量脉冲按道址累计计数，形成能谱。能量刻度通常利用已知能量的标准源完成，例如¹³⁷Cs 的 662 keV 峰和⁶⁰Co 的 1173 keV、1332 keV 峰，道址与能量在正常范围内呈线性关系^[7]。能量分辨率用全能峰的半高宽与峰能量之比表示：$\eta=\Delta E/E$，该比值越小，分辨能力越好^[7]。

发展历程

γ射线的发现可追溯到1900年，法国化学家维拉德在观察镭的辐射时发现了这种射线；1914年卢瑟福与安德拉德用岩盐晶体衍射完成了对γ辐射的早期定量分析，但晶体衍射法效率极低，难以用于核素识别^[8]。1948年碘化钠闪烁体的出现使γ能谱测量变得实用，光子探测器与多道脉冲高度分析器从此成为获取脉冲高度谱的主要工具^[8]。

多道分析器在20世纪50年代取得关键进展。加拿大乔克里弗实验室的古尔丁研制出称为 Kicksorter 的多道分析器，具有良好线性和100个道址；到后来，16K 道的分析器已属常见^[8]。20世纪60年代起，锗探测器发展起来，能量分辨率显著优于闪烁体；早期使用锂漂移锗，1978年前后高纯锗探测器实现商品化并逐步取代前者^[9]。

此后技术演进集中在电子学与数据处理。个人计算机在20世纪80年代进入谱仪系统，把探测器控制、谱显示与存储、元素浓度计算等环节整合起来；2000年以来，对前置放大器信号直接数字化的数字谱仪提高了可靠性和处理速度。便携式核素识别设备随室温探测器和高分辨率闪烁体的进步而发展，用于现场快速识别放射性核素^[8]。

应用

环境与建材监测是常见用途。γ能谱仪可测定土壤、建材、生物和地质样品中的放射性核素，并测量空气和土壤中的氡浓度；相关测量方法对应土壤放射性核素γ能谱分析、建筑材料放射性核素限量等标准的要求^[10]。在辐射环境评价中，一次能谱测量可同时给出核素含量与空气吸收剂量率等信息^[11]。

地质与资源勘查是另一类主要用途。地面野外测量利用30～3000 keV 能段的γ射线全谱获取铀、钍、钾等天然放射性核素信息；航空γ能谱测量把谱仪装在飞行器上，在飞行中测量地表与大气中的放射性物质，用于地质找矿、辐射环境调查和核应急^[12][13]。实验室中的高纯锗谱仪则用于岩石样品中铀、钍、钾含量分析与粘土矿物类型判别，能量范围可覆盖3 keV 至10 MeV^[14]。

核素识别与分析方面，便携式谱仪用于现场剂量监测、放射源搜寻、核素识别和放射性强度分析^[15]。在元素分析中，中子活化分析依靠γ能谱测定被中子辐照后样品所生成核素的特征γ线；锗探测器因分辨率比碘化钠高约30倍，在20世纪70年代取代后者成为该领域的主力。此外，瞬发γ射线中子活化分析利用辐射俘获反应放出的瞬发γ射线识别元素并确定含量，可对大块样品作无损多元素定量，被用于煤质在线分析、矿物勘探与医学元素测定等场合^[16]。

低本底测量是谱仪的一个专门分支。超低本底井型高纯锗谱仪用于沉积物定年，通过测量²¹⁰Pb 与¹³⁷Cs 确定沉积年代；反宇宙射线谱仪系统则针对放射性核素样品活度低的特点降低本底，用于核试验监测相关的稀有核素测量^[17][2]。

局限

能量分辨率与探测效率难以同时最优。晶体衍射谱仪分辨率极高但效率极低，气体探测器密度低、分辨率差，闪烁体可做大体积、效率高，但分辨率一般只有百分之几；半导体的分辨率好，受晶体尺寸和载流子寿命限制，效率与可用体积又不及大块闪烁体^[6]。选择探测器实际上是在效率与分辨率之间折中^[6]。

康普顿散射会造成固有干扰。锗的原子序数为32，对能量高于约180 keV 的γ射线，康普顿效应是占主导的作用方式，即使最大的锗晶体也只有约25%的事例落入全能峰，其余约75%成为康普顿连续谱中的本底，压制了弱峰的识别^[6]。碘化钠这类低分辨率闪烁体的困难更为明显：能量相近的谱峰相互重叠导致寻峰困难，康普顿散射叠加的低能成分使低能区峰边界模糊，高本底条件下核素识别率下降甚至错判^[18]。

高分辨率探测器的使用条件苛刻。高纯锗探测器须冷却到液氮温度以抑制噪声，这限制了它在实验室和特定现场场合的使用，也推动了室温半导体探测器与便携设备的发展^[8]。碲锌镉等室温材料可以做成小型化设备，代价是能量分辨率有所下降，且可生长的晶体尺寸仍有限^[19][6]。

计数率与定量精度还受电子学因素制约。脉冲堆积和死时间会使高计数率下记录的事例数低于实际入射事例，需要进行修正；电子学噪声、极零调节不当等也会展宽全能峰^[20][21]。在野外定量测量中，刻度长期被视为限制因素，天然核素含量、几何条件与大气氡子体等都需校正，否则难以得到准确的绝对浓度^[22][12]。

参见

• γ射线 —— 本词条所测量对象的物理本质

• 闪烁探测器 —— 一类把γ射线能量转换为光信号的探测器件

• 高纯锗探测器 —— 能量分辨率最高的常用γ射线探测器件

• 多道脉冲幅度分析器 —— 按脉冲幅度分道累计、生成能谱的核心电子学部件

• 中子活化分析 —— 以γ能谱为测量手段的元素分析方法

• 康普顿散射 —— 造成能谱连续本底的主要物理过程