数字化谱仪的计数加权稳谱法的研究和设计(3)
γ射线的产生
核衰变这种现象是指，在自然界中，有些核素的原子核能自发地发生变化，从一个核素的原子核转变成另一种核素的原子核，并伴随着放出射线的过程。放射性核素的原子核通过自发地释放出α粒子(α粒子是指：高速运动的氦原子核4He)从而变成另一种核素的原子核的这一过程称为α衰变。放射性核素的原子核自发地放出β粒子或俘获一个轨道电子而变成另一个核素的原子核的这一过程称β衰变。α衰变或β衰变形成的原子核往往处于激发态，但是激发态是不稳定的，它会通过直接退激或者级联退激到基态。原子核由激发态跃迁到较低能态(能量较低的激发态或基态)时，常常放出γ光子，这个过程称为γ衰变[3]。
天然的γ射线
天然的伽马射线的来源主要有两个，一个来源是外层空间的宇宙伽马射线，另一个是地球上的天然放射性元素所发射出的，所以说天然伽马射线在大自然中是无处不在的。根据有关研究资料表明[4]，由铀系、锕铀系、钍系和40K产生了自然界中85%以上的伽马射线。
(1)铀系
铀系的起始核素为238U，它的半衰期为4.47×109年，经过α衰变、β衰变以及γ跃迁最终形成稳定核素206Pb。衰变规律如图2-1所示。在整个铀系中，主要γ辐射体是214Pb和214Bi。期中214Pb衰变放出的伽玛射线主要有四种，其能量分别为352keV、295keV、285keV以及240keV。其中能量为352keV的γ射线辐射的概率最大，其辐射能量的总和在整个铀系γ射线能量的总和中占12.4％。在铀衰变系列中，辐射能量总和最大的是214Bi放出的伽玛射线，能量分别为2.204MeV，1.76MeV，1.403MeV，1.378MeV，1.12MeV，0.769MeV以及0.609MeV，占能量总和的85%。其中，铀系中能量大于1MeV的伽玛射线都是214Bi产生的[5-7]。
(2)钍系
自然界存在的钍系的母体核素是232Th，半衰期为1.41×1010年，经10次衰变后形成稳定的核素208Pb。其放射性衰变规律如图2-3所示。钍系子体核素的半衰期都相对较短。228Ac和208Tl是钍系主要的γ辐射体，212Pb和212Bi次之。期中208Tl放出的γ射线主要有三种能量，分别为0.583MeV、0.511MeV和2.62MeV，三种能量的γ射线辐射能量总和在钍系γ射线辐射能量总和中占61%[5-7]。
(3)40K
40K衰变行驶可以分为两种，一种为发生β+衰变，另一种为发生K成轨道电子俘获，如图2-1所示。其中发生轨道电子俘获的几率为11%，同时放出的γ射线能量为1.46MeV[5-7]。
图2-140K的衰变规律
γ射线的探测
γ射线、韧致辐射、湮没辐射和特征X射线等，虽然它们的起源不一、能量大小不同，但都属于电磁辐射。电磁辐射与物质相互作用的机制，与这些电磁辐射的起源是无关的，只与它们的能量有关。当γ射线能量在30MeV以下时，在所有的相互作用方式中，最主要的有三种，分别是光电效应、康普顿散射和电子对产生效用。
(1)光电效应
光子通过物质时和物质原子相互作用，光子被原子吸收后发射轨道电子的现象，称为光电效应，也称光电吸收。光电效应放出来的电子叫做光电子。这一过程的示意图如图2-2所示。
图2-2 光电效应示意图
如图所示，原子吸收了光子的全部能量，其中一部分消耗于光电子脱离原子束缚所需要的电离能(电子在原子中的结合能)，另一部分作为光电子的动能。所以，要发生光电效应，γ光子能量必须大于电子的结合能，释放出来的光电子的能量等于入射光子能量和该束缚电子所处的电子壳层的结合能之差[8]。光电子可以从原子的K、L、M等各壳层中发射出来。在光电效应过程中，因为动量守恒的要求，除入射光子和光电子外，还必需有第三者参加，即原子核，严格的讲是发射光电子之后余下的整个原子。所以自由电子不能产生光电效应，而且原子的内层电子由于受到原子核的强束缚更容易满足动量守恒更容易发射光电子。一般的说，如果入射光子的能量超过K层电子结合能，那么，大约80%的光电吸收发生在K层电子上。