KC761袖珍能谱分析仪（放射多用表）

  能谱仪是一种功能强大的辐射测试仪器，通常用于测试射线的能量和大小（剂量率）。

  常见的盖格计数器是一种古老而简洁的仪器，它通常只能测定辐射的大小，提供非常有限的信息。为了明确辐射的性质，必须同时测定辐射的能量和大小，这就需要能谱仪。

  KC761就是为了满足能谱测量的需要而诞生的。

  本文是KC761的介绍页。KC761是早期产品，现已停产。后续产品是KC761x。

什么是能谱

  对于红外线、可见光、紫外线，以它的波长为横轴，大小为纵轴绘制的图叫光谱图。射线的能量与波长可以相互换算，波长越短（频率越高），能量越大。就X射线或γ射线而言，再用波长作为横轴不够直观，改用能量作为横轴，大小作为纵轴，绘制的谱图就是能谱图。

  下图是铯137的伽马能谱图。如果发现能量为0.6612MeV的射线峰，基本可以肯定是铯137发出的。

  以可见光为例，大小（幅度）是指光有多亮；能量是指光的颜色，颜色和亮度是相互独立的概念。紫光的能量一定比红光高，但红光可以比紫光亮。

  能谱是识别核素、明确辐射性质的重要技术手段。不同的放射性元素，它和它的衰变产物发出的射线，具有特定的能量分布。测定射线的能谱，就能知道是什么东西发出的射线。

  盖格计数器很难在早期预警核事故或核尘埃。因为即便在同一地点，正常的本底辐射也会有较大波动，如果盖格计数器读数发生稍微的变化，并不能区分是正常的波动还是出现了核泄漏。换句话说，当能够用盖格计数器发现核泄漏时，情况已经比较严重了。能谱仪却可以提供更准确的信息——即使辐射的大小没有明显变化，只要发现了核反应堆里面才有的人工放射性核素，就能立即预警核事故或核爆炸。切尔诺贝利核事故时，欧洲国家起初就是因为发现了空气中存在131碘而警觉的。

电视剧《切尔诺贝利》中的能谱分析仪

能谱仪的原理

能谱仪常见的原理有两种：

  （1）用闪烁体将辐射转变为闪光，通过测量闪光的亮度和多少来间接测量，称为闪烁探测器。

  （2）用半导体将辐射转变为可移动的电荷，通过测量转移的电荷量来相对直接的测量，称为半导体探测器。

  本仪器对于丙种射线和中子（选件）采用第一种方法，对于甲、乙种射线采用第二种方法。

a、闪烁探测器

  丙种射线闪烁体的成分是铊活化的碘化铯晶体（标配）。接受射线的照射之后，闪烁体会发出荧光，通常在可见光范围内。由于高能射线的光量子特点，每份射线照到晶体上都会产生一次闪光。闪光的颜色由晶体成分决定，闪光的亮度由射线的能量决定，闪光的多少（频繁程度）由射线的大小决定。由于闪光的颜色基本不变，仪器只需要关心闪光的亮度和多少。现在的任务就变成了用某种设备把闪光转变为便于测量的电信号。

  但是闪光非常微弱，人眼必须完全适应黑暗后才可能看见。闪光的持续时间也很短，单次闪光只有几十纳秒到数微秒的宽度。为了探测它，必须用到高灵敏度的光电传感器。本仪器使用硅光电倍增管（SiPM）来解决这个问题。它的灵敏度足够高，甚至可以探测到单个光子，但是输出电荷的随机波动较大。为了减少波动，可以使用多个SiPM组合成阵列。

  SiPM是以电荷量的形式输出的，它的输出波形是上升沿陡峭的脉冲，顶部只有纳秒级别的宽度。为了省电，本仪器采用模拟电路进行脉冲处理，电子线路会进行电荷-电压转换（Q-V转换）、脉冲成形（极零相消、S-K滤波）、峰值保持等工作，然后送进ADC采样。ADC完成一次采样后，CPU立即复位模拟电路，等待下一个脉冲的到来。极限情况下，每秒钟可以采集三万个脉冲，大约对应于0.3mGy/h的剂量率。超过此剂量率时，仪器就无法进行能谱分析了，只能粗略测量辐射强度。

b、半导体探测器

  半导体探测器的电路原理和数据处理方法与闪烁探测器几乎相同，不同的是，半导体探测器的转化过程可简写为“射线→电脉冲”，而闪烁探测器是“射线→闪光→电脉冲”。

  本仪器采用PIN管作为敏感元件，它基本没有电增益，因此需要配合极灵敏的静电放大器使用。PIN对能量较高的丙种射线不太灵敏，可用于测量较强的辐射，实现较大量程；它对甲、乙种射线要敏感一些，因此主要用它测量甲、乙种射线。不过由于PIN的有效面积较小，主要用于判断较强的甲、乙种辐射源，一般不适用于表面沾染的评估。

  甲、乙种射线都很容易被遮挡，尤其是甲种射线，几乎不可能穿透仪器的外壳，因此外壳上开有窗口。

  PIN对可见光敏感，窗口必须遮光，同时还需要防尘或防水。在窗口的内部，有最大5μm厚度的镀铝Mylar膜。在窗口的外面，采用不透光的硅胶塞密封（过去的产品采用薄的塑料片密封）。出厂状态下，窗口可以透过能量较高的乙种射线，但无法透过常见的甲种射线。如果需要测量甲种射线或者能量较低的乙种射线，就要将硅胶塞掀开。此时，PIN管前方仅剩下窗口内部的Mylar膜，能量较高的甲种射线可以穿透，不过会损失能量和数量。

c、多道分析仪

  脉冲电压被ADC采集后，首先由CPU或特制的数字电路进行统计。以8位ADC为例，它的分辨率是256级（28）。统计的目地，是把每一级对应的脉冲数“数”出来，再在横坐标从0递增至255，纵坐标代表每一级脉冲数量的直方图上显示，即对电脉冲按其幅度进行分类。

  很久以前物理学界就存在对特定电压脉冲的数量进行计数的需求，以便检测特定事件。人们制作出一种计数装置，当特定电压范围的脉冲输入时，输出一个计数脉冲驱动累加器（早期存在多种办法，例如电磁铁带动机械装置、转换为积分电压后驱动刻度为数量的电压表头等）。对于其它电压则不响应。在研究中，一台这种计数器被称为一个通道，对应的产品叫做“单道分析仪”（SCA）。当需要更加全面的幅度分类时，要么使用几十上百台单道分析仪，要么有规律的调整单道分析仪响应的电压范围。前者十分笨拙，后者需要很长时间且不适于需要同步观察多种电压的场合。1952年，原子仪器公司（Atomic Instrument Company,USA）推出一种集成了二十个通道的产品，使用了多道分析仪（MCA）作为名称。在这种仪器上，每个通道对应的电压范围称为道宽，一个电压所对应的通道则称为道址（CH）。

  多道分析仪只是名称沿用至今，其原理在近一个世纪的历史中发生了多次变化。当今的多道分析仪几乎全部基于商品模数转换器（ADC），区别主要在于用什么手段来捕捉极窄的脉冲。在ADC之前对脉冲进行展宽或峰值保持，以便低速ADC能加以采集，称为“模拟多道”；用高速ADC（通常采样率≥50M）“硬扛”，再用高速数字芯片结合算法进行处理，称为“数字多道”。如果需要省电，目前还只能使用模拟多道。KC761内有三部多道分析仪。

  脉冲的道址，也即脉冲电压代表了射线的能量。但是这种对应关系受晶体、光电器件以及采集电路的影响，存在一些非线性，通常需要函数拟合。不同的传感器有不同的拟合曲线，需要在生产时进行标定，求解函数的系数。有了这些系数，就能把道址换算为能量，并重新按线性或对数能量排列横坐标，得到能谱图。

  例如某仪器采到了1万个脉冲，其中1000道有9998个，333道有2个，于是就可以知道1000道对应的能量，例如1MeV的射线有9998份，而333道对应的382keV的射线有2份。如果能谱图按能量刻度，如上所述，每个刻度对应的道址不是严格均匀的。

d、中子传感器

  中子传感器（选件）也是闪烁探测器，采用富含6Li2O的玻璃作为闪烁体，尺寸为10mm×10mm×3mm，呈小方片状。这种闪烁体对能量在0.02eV～1keV的低能中子较为敏感，对1keV～100keV的中能中子也有可观的响应。虽然6Li的中子反应截面较小，但固体的原子数毕竟比气体多，灵敏度往往优于同体积的3He正比计数管。

  中子进入6Li玻璃之后，发生核反应释放甲种射线和氚核射线，激发掺铈（Ce）的玻璃发出闪光，再由硅光电倍增管接收。闪光的亮度反映了中子核反应释放的能量和中子自身能量的组合。由于该中子核反应释放的能量为定值，从理论上讲，比定值多出来的部分就是中子的能量，看起来可以得到中子谱。但是，由于热中子的能量太低，相比核反应可以忽略不计，实际上并不能被仪器区别开来。综上，仪器显示的并不是中子的能谱，而是对核反应释放能量的一种表示。并且，具体的能量读数也不是核反应的能量，而是表示该能量的丙种射线能够引起的闪光，与核反应产物激发的闪光具有相同亮度。

  故中子探测器读出的能谱仅用于判断测到的射线是不是中子。如果能量跟中子核反应的读数不吻合，就不是中子；如果吻合，则有可能是中子。锂玻璃还对丙种射线敏感，会受到丙种射线的干扰。仪器必须对能量进行筛选，去掉丙种射线引起的响应。中子与6Li核反应引起的能谱峰，大约相当于1.6MeV丙种射线引起的峰。在统计中子剂量率时，只选取1.6MeV附近的信号，就能排除常见丙种射线的干扰。这种工作叫做能量甄别，也可以称为“能域选通”。

  但甄别很难彻底。能量分辨率（见下一节）不可能无限高，锂玻璃的分辨率通常只有20%左右。加之为了容许漂移，大约需要25%相对宽度的通带，例如将1.4～1.9MeV的事件都视为中子。但有很多丙种射线在此范围内，特别是232钍的子体产生的辐射。恰巧232钍又是自然界中随处可见的核素。锂玻璃无法结合功率谱密度等其它甄别手段提高甄别率，容易受到钍射线的干扰，这是它的缺点。

  高能丙种射线有很强的穿透能力，若从薄的方向透过锂玻璃，则发生作用的概率很小。厚的锂玻璃（例如10mm以上）能够响应快中子并用于快中子谱测量，但抗干扰能力很差。3mm厚度对慢化不良的中子有响应，丙种射线的影响也较小，是较为折中的选择。

  在测量中子时，仪器会后台开启丙种射线传感器，对可能引起干扰的丙种射线进行监视。如果发现干扰射线，则会以星号提示量值可能有误。条件允许时，应当使用厚铜板尽可能仔细的屏蔽丙种射线。

  放射源或宇宙射线引起的中子通常具有MeV的能量，需要经过慢化才能被测到。氢是最好的慢化物质，含氢丰富的物体是较好的慢化体。在测量中子时，应采用聚乙烯塑料、水或人体组织慢化中子。仪器内部有约15mm厚度的聚乙烯作为慢化体，但依然远远不够。通常建议外加至少8cm厚度的聚乙烯塑料，或者将仪器紧贴大腿。慢化体对中子有少许吸收作用，因此不是越厚越好。

  如果慢化后中子剂量率明显比不慢化大，一般说明确有中子。

仪器的特点和功能

仪器的各部分如下图所示：

（1）功能丰富

  标配2.54cm3碘化铯（铊）闪烁探测器和9mm2PIN探测器，可以对甲、乙、丙三种射线进行测定。

  每个传感器都有独立的多道分析仪，都可以进行谱分析和计数。

（2）省电，电源易得

  使用3节五号（AA）电池，电池可更换，且易于买到。

  本底辐射下，整机电流仅3mA，可连续工作十天左右。省电状态还能进一步延长时间。

（3）完整、便携

  整备质量大约300克，无需连接电脑或手机APP即可实现大部分功能。

（4）接口齐全

  具有蓝牙和RJ45网络接口，可连接手机、电脑，并能通过云平台远程观测（选配）。RJ45接口支持POE供电（选配），无需另设电源线，方便布设施工。可使用TF卡存储谱图和计数值。

（5）防水设计

  具备IP65防护等级，可在雨中短期正常使用。

仪器的性能

（1）丙种射线的能量刻度

  出厂时，在100～10kcps范围内，23±5℃时，不确定度≤±（5%+20keV），或典型不确定度±（2%+10keV）

（2）丙种射线的能量分辨率

  以传感器公布的技术参数为准。仪器附加的分辨率劣化（95%可信度）： ，其中E是峰中心能量，单位keV。

（3）丙种射线的吸收剂量率（不予保证）

  本底～500μGy/h，不确定度±15%@662keV

  500μGy/h～1mGy/h，不确定度（-20%，+10%）@662keV

  补偿后的能响：±20%（80keV～1.5MeV），-23%～+43%（50keV～2MeV）

  强辐射告警：500μGy/h～10mGy/h，-50%～+100%@662keV。由于此时无法进行能量补偿，在其它能量误差可能更大。

（4）丙种射线的剂量当量率（不予保证）

  ≤500μSv/h时，典型不确定度±15%

  ＞500μSv/h时，-50%～+100%

  剂量当量(≤500μSv/h时典型值)：

  HP(3)：±30%，HP(10)：±20%

  剂量当量累积上限：～10Sv

（5）甲、乙种射线测量

  幅度刻度：提供计数率，供相对测量，不保证绝对精度，用户可自行标定。

  计数率非线性≤10%（敏感的能量范围内，10cps～5kcps时）

  23±5℃时，乙种射线的能量刻度：（50keV～2MeV）典型不确定度±20%（室温，真空，参考值，不予保证）

  23±5℃时，甲种射线的能量刻度：（1.5MeV～6MeV）典型不确定度±20%（室温，真空，参考值，不予保证）

仪器并不能完全甄别甲、乙、丙种射线或中子，计数率是所有射线引起的总效应。PIN探测器极易受到电磁场干扰而产生误计数。

（6）中子测量（选配）

  以传感器公布的技术参数为准。仪器附加不确定度（计数率＜10kcps时，按等脉冲周期考虑）：

  能量的附加不确定度： ,其中E是峰中心道址

  计数率的附加不确定度：±（5%+2cps）

（7）测量时间

  能谱累积时间：1s～86400s可设定（闪烁探测器最高通过率80kcps，PIN探测器最高通过率10kcps）

  剂量累积时间：任意时间，自用户上次清除累积剂量起始，至查看累积剂量为止，非易失存储周期≤1h,关机保存。

（8）稳定度

  温度稳定度：在-20～45℃范围内，幅度漂移≤±10%，能量漂移≤±5%（暂不予保证）。

  长期稳定度：幅度漂移典型值±10%/a，能量漂移典型值±5%/a（暂不予保证）。

（9）功耗和电池续航时间

  在自然本底辐射环境下，使用碱性干电池时，预期续航时间如下表：

 注：背光、震动、蓝牙、wifi、RJ45接口关闭，音量小。

（10）环境参数

  温度范围：-10～50℃（正常使用）；-30～65℃（不保证性能，其中，-10℃以下液晶显示失效）

  湿度范围：0%～100%（短期，机内无凝结时）

  海拔高度：-2000m～15000m（气压变化率＜10hPa/min）

  防水等级：IP65（短期，须盖好接口上的橡胶盖）

  抗    震：1g,20Hz,30min（暂不予保证）

  抗    摔：任意方向，1.5m（1次），不发生功能故障，但可能出现性能下降、显示屏背光不亮或外壳损坏。

本仪器在绝大多数场合可用于替代盖革计数器进行辐射告警；可以作为日常本底和辐射物质监测使用；可以用于核素识别。

本仪器具有一定的专业性，为了保证测量具有最高的准确度，使用前请务必详细阅读用户手册。

生产状态

停产（2024-09-30），尚提供技术支持。

替代产品：KC761A、KC761B、KC761C、KC761CN。