伽马射线是核技术及应用研究的理想探针之一，能穿透较厚物质并产生电离和激发作用，广泛应用于核反应、核结构、核能和核医学等领域。活化方法包括质子活化、中子活化和伽马活化等。活化测量广泛应用在核反应截面测量、核能源开发及核废料处理、核素成分分析、束流标定、医学和考古等领域^[1−2]。我国建设有多类型的中子源和质子源，例如反应堆热中子源、DD/DT快中子源^[3]，基于加速器的钍基熔盐堆白光中子源^[4]、中国散裂中子源(CSNS)^[5]等，以及广泛使用的静电加速器、串列加速器质子源，这些源装置大大促进了中子活化和质子活化技术在核分析、材料检测、医学应用等方面的发展。伽马活化是除质子活化方法和中子活化方法之外的一种重要的活化技术。在伽马活化方法中，原子核吸收高能γ射线，导致靶核被激发至短寿命的激发态。随后，靶核通过发射次级射线或粒子(如γ、中子、质子、α粒子或裂变产物)而生成具有放射性的剩余核。通过测量剩余核在退激发时发射的特征γ射线，能够确定剩余核的性质。这一方法为深入研究核反应和核结构提供了有力的手段，为深入理解原子核的性质和衰变提供了重要的信息。早期基于加速器产生的轫致辐射γ射线和核反应γ射线对伽马活化技术进行了探索研究，利用轫致辐射γ射线对碳、氮、氧、钪、铜等核素含量进行测定^[6-7]，并对轫致辐射伽马源的伽马活化方法可行性进行了分析^[8]。中国原子能科学研究院利用质子俘获反应的9.17 MeV单能γ射线对¹⁹⁷Au(γ, n)反应截面进行了活化测量^[9]。由于伽马源装置数量稀少，影响了伽马活化方法在国内的应用发展。

2021年12月上海激光电子伽马源(SLEGS)成功验收^[10−11]，给我国伽马活化方法的研究提供了新的平台。上海激光电子伽马源是基于上海光源同步辐射储存环3.5 GeV电子与10.64 µm $\rm{CO} _{2}$激光碰撞产生兆电子伏的γ射线。SLEGS有斜入射和背散射两种工作模式，分别对应20~160°和180°碰撞角度，通过调整激光与电子束的碰撞角度可产生能量连续可调的准单能伽马束流^[12−15]，伽马能量范围为0.25~21.7 MeV，积分通量为2.1×10⁴~1.2×10⁷ photons/s。SLEGS可开展核物理、核天体物理等基础研究和伽马辐照、伽马成像等应用基础研究。SLEGS 的伽马能区覆盖了光核反应的核荧光共振、矮共振和巨共振能区，有利于开展伽马活化方法的研究，基于SLEGS 的伽马活化方法可对伽马束流通量标定、医用同位素光核反应截面^[16−18]、核天体物理关键核素的光核反应截面测量等开展研究[^[19]，为我国光核反应截面数据库和医学应用等方面作出重要贡献。本文第一节介绍了伽马活化的基本原理；第二节介绍了SLEGS的活化平台；第三节介绍了低本底装置的能量和探测效率刻度; 第四节是总结和展望。

在光核反应$A(\gamma,\;b)C$中，束流通量为$\phi_{{\rm{b}}}$(1/s)的伽马束流轰击面密度为$ n_{A} $($({\rm{atoms/cm}}^2)$的靶核A，反应的粒子个数为$N_{{\rm{reac}}}$(1/s)，可得反应截面为

如果剩余核$ C $具有放射性就可以通过退激γ射线来测量反应截面。剩余核的产额为

其中：$t_{{\rm{irrad}}}$为辐照时间；$ \lambda $(1/s)是衰变常数，半衰期$T_{1/2} = \frac{{\rm{ln}}2}{\lambda}$(s)；靶的丰度为$A_{{\rm{b}}}$；$C_{i\gamma}={\rm{e}}^{- {(\mu/\rho)}_{o}x}$为入射伽马衰减因子，$ x $$({\rm{g/cm}}^2)$为面密度，质量衰减系数μ/ρ由美国国家标准与技术研究院(National Institute of Standards and Technology, NIST)数据库可得。剩余核衰变的个数为

$ t_{w} $为辐照结束到离线HPGe测量计数开始所经过的冷却时间；$t_{{\rm{m}}}$为离线测量时间；探测器测到的有效计数为

其中$ I_{\gamma} $为伽马相对强度，由美国国家核数据中心(National Nuclear Data Center, NNDC)数据可得；$ \eta $为探测效率；$C_{{\rm{o}}\gamma}={\rm{e}}^{- {(\mu/\rho)}_{o}x}$为衰变特征伽马的衰减因子^[20]。辐照时长通常由所研究的反应产物来确定，产生放射性核素的产额随时间的增加逐渐达到饱和。超过三个半衰期的辐照时长并不能提供额外的产额，停止辐照后，产生的放射性核素随指数衰变。活化、冷却及测量过程如图1所示。

图  1  伽马活化测量的产额与时间关系图(在线彩图)

伽马反应截面一般在mb量级，对于重核来说通常在500 mb以下，轻核在100 mb以下，因此，伽马活化可以不用较长的冷却时间，活化后即可开始离线测量，对一些短寿命核素的测量更有利。作为一类重要的活化技术，伽马活化的研究领域有：

1) 伽马活化流强监测研究：在轫致辐射伽马源，激光电子伽马源装置中用来标定和监测束流强度；

2) 伽马活化无损检测研究：通过伽马活化分析(Gamma Activation Analyses, GAA)测量古金币、青铜器等材料中的核素成分，分析其产地、来源和年代等；

3) 伽马活化核素截面研究：在核天体物理p过程，医用同位素的产生等领域，可以用来测量关键核素的共振截面数据。

束流通量是伽马束流的一项关键指标，伽马束流通量的精确测量是核反应截面测量必不可少的物理量。通过在线活化和离线衰变测量可以很好地标定伽马束流通量。图2为可用于伽马束流监控的一些短寿命核素的反应截面。利用现有的这些核素的反应截面，可以对伽马束流通量进行监控。基于SLEGS活化分析技术同样可以开展医用同位素的光核反应截面测量，以及开展一些放射性核的截面测量。例如，核天体物理p过程低丰度核素截面的测量，其光核反应截面的测量对了解核素核合成具有重要意义^[21]。

图  2  束流通量监测核素的光核反应截面(在线彩图)

SLEGS的伽马活化实验平台位于上海光源实验大厅BL03SSID光束线实验棚屋的束流出口前端，如图3所示，设计有多个可方便插拔靶架，可同时活化多种靶材，对伽马束流进行充分利用，伽马束斑可利用粗准直器选择Φ2 mm或者Φ3 mm，采用Φ10 mm活化靶片。实验棚屋末端为可变厚度铜衰减装置(临时设置)和放置于束流垃圾桶内的大尺寸$ \rm LaBr_3 $(Ce)探测器用于在线监控衰减后的束流通量。$ \rm LaBr_3 $(Ce)探测器的信号由CAEN DT5730B波形采样器采集，CAEN CoMPASS进行数据获取并在线分析。束斑定位采用硅像素探测器(MiniPIX)，信号读出采用欧洲核子中心(CERN)研发的Timepix芯片(256×256，像素大小55 µm)，可以实现X射线位置和能量的测量。机械控制平台调节靶架位置位于束流中心，配合使用具有特殊形状的定位靶片及MiniPIX成像探头可以精准定位准直。束斑测量如图4所示。

图  3  SLEGS活化平台

图  4  MiniPIX测量束斑及位置定位(在线彩图)

SLEGS计划建设两台离线低本底活化测量装置，由ORTEC的P型高纯锗(HPGe)探测器和低本底铅砖屏蔽组成，可满足交替离线测量的需求。HPGe的参数如表1所列，同时设计离线测量靶架如图3插图所示，准确约束活化靶与HPGe的相对位置，可用来离线测量活化靶的退激γ射线和HPGe的探测效率刻度。

γ射线入射到HPGe探测器灵敏区中发生光电效应、康普顿效应、正负电子对产生等。使用ORTEC 659高压模块对HPGe探测器施加偏压，通过外加偏压使电子在外加电场的作用下被收集，在输出电路中形成脉冲电信号被CAEN V1730s波形采样器记录。同时进行梯形滤波等转换分析处理，从而得到入射γ射线的能量，并在CoMPASS数据获取软件中实时获取。如图5所示，可以实时查看活化靶的衰变特征γ射线。

图  5  伽马活化离线低本底测量

天然本底主要是由环境中的天然放射性核素、宇宙射线和屏蔽材料中的放射性核素产生的。铅砖对γ射线有很好的屏蔽效果，采用低本底铅砖能够有效地屏蔽环境天然γ射线本底。在无屏蔽、50 mm普通铅砖屏蔽、50 mm低本底铅砖、100 mm低本底铅砖四种情况下进行本底测量，结果如图6所示。低本底铅砖对500 keV以下的γ射线很好的屏蔽作用；50 mm厚的低本底铅砖获得60 keV~3 MeV能区的本底计数约为12 cps；100 mm厚低本底铅砖获得60 keV~3 MeV能区的本底计数约为5.2 cps。可以看到，简单的低本底铅砖即对天然γ射线本底具有较好的屏蔽效果。

图  6  HPGe探测器测量的环境本底及屏蔽后本底计数降低情况(在线彩图)

离线测量活化反应靶衰变特征γ射线前，需要对HPGe探测器进行能量刻度和效率刻度。使用^{57, 60}Co、¹³⁷Cs、²⁴¹Am、¹⁵²Eu标准刻度源，源参数如表2所列，以及利用硅酸钇镥闪烁晶体 (LYSO)中的¹⁷⁶Lu和氯化钾中⁴⁰K对HPGe进行能量刻度和效率刻度。HPGe探测器全能峰的效率$ \epsilon $可由以下公式表示：

其中：$ N $是全能峰内γ射线计数；$ A_0 $是放射源出厂时标定的活度；$ T $是测量前与放射源出厂的时间差；$ t $是测量时间；$ B_{r} $是特征$ \gamma $射线的比活度；$ F_{{\rm{tsc}}} $为加和修正系数，利用蒙特卡罗程序GEANT4模拟进行加和效应修正^[22]。HPGe探测器的探测效率$ \epsilon $可由多参数指数式(6)进行拟合：

其中：E为γ射线的能量，单位为keV；测量的探测效率如图7(b)所示，其中拟合参数a = 51.770 8，b = −35.058 67, c = 0.124 3，d = −1.916 7，e = −0.325 7，f = −29.868 8。

图  7  HPGe探测器的能量刻度和效率刻度(在线彩图)

SLEGS伽马活化平台已经完成了第一台HPGe(ORTEC GEM-70200-P)低本底屏蔽及离线测试测量，通过金靶的活化测量，获得了较好的伽马束流强度数据，与安装在束线末端的$\rm{LaBr} _{3}$(Ce)探测器在线测量的伽马通量数据在误差范围内符合一致，检验了SLEGS活化测量技术的可靠，目前已经完成了一批短寿命放射性核素的活化测量，第二台HPGe(ORTEC GEM-50195-P)低本底屏蔽也正在组建中。SLEGS伽马活化平台和伽马活化方法学已经逐步建立，基于这个平台，我们正在开展多种伽马活化研究：

1) SLEGS伽马活化实验方法学研究和平台改进；

2) 利用¹⁹⁷Au，⁶⁴Zn、⁶³Cu等伽马活化材料，完成了对SLEGS束流强度的校准，可以利用短寿命核素实现伽马流强的快速测量；

3) 基于伽马活化法开展了系列医用同位素核的光核巨共振(GDR)的截面测量；

4) 基于伽马活化法开展了核天体物理相关的p核(例如⁹⁸Ru、⁹⁶Ru等)的稀有同位素光核反应截面测量与研究。