核輻射傳感器

1、9.1 核輻射傳感器核輻射傳感器9.1 核輻射傳感器核輻射傳感器 9.1.1 核輻射檢測的物理基礎(chǔ)核輻射檢測的物理基礎(chǔ) 1、同位素、同位素 在核輻射傳感器中，常采用在核輻射傳感器中，常采用、 和和x射線的核輻射源，產(chǎn)生這些射線的物射線的核輻射源，產(chǎn)生這些射線的物 質(zhì)通常是放射性同位素。所謂放射性同位素質(zhì)通常是放射性同位素。所謂放射性同位素 就是原子序數(shù)相同就是原子序數(shù)相同,原子質(zhì)量不同的元素。這些原子質(zhì)量不同的元素。這些 同位素在沒有外力作用下，能自動發(fā)生衰變，衰同位素在沒有外力作用下，能自動發(fā)生衰變，衰 變中釋放出上述射線。其衰減規(guī)律為：變中釋放出上述射線。其衰減規(guī)律為：teaa0 核輻射檢

2、測要采用半衰期比較長的同核輻射檢測要采用半衰期比較長的同 位素。半衰期是指放射性同位素的原子位素。半衰期是指放射性同位素的原子 核數(shù)衰變到一半所需要的時間，這個時核數(shù)衰變到一半所需要的時間，這個時 間又稱為放射性同位素的壽命。核輻射檢測間又稱為放射性同位素的壽命。核輻射檢測 除了要求使用半衰期比較長的同位意外，還除了要求使用半衰期比較長的同位意外，還 要求放射出來的射線要有一定的輻射能量。要求放射出來的射線要有一定的輻射能量。9.1 核輻射傳感器核輻射傳感器9.1 核輻射傳感器核輻射傳感器2、 核輻射核輻射 核輻射是放射性同位素衰變時，放射出具有一定核輻射是放射性同位素衰變時，放射出具有一定

3、能量和較高速度的粒子束或射線。主要有四種：能量和較高速度的粒子束或射線。主要有四種： 射線、射線、射線、射線、射線和射線和x射線射線。射線射線。 、射線分別是帶正、負(fù)電荷的高速粒子流；射線分別是帶正、負(fù)電荷的高速粒子流；射線不帶射線不帶 電，是以光速運(yùn)動的光子流，從原子核內(nèi)放射出來；電，是以光速運(yùn)動的光子流，從原子核內(nèi)放射出來； x射線是原子核外的內(nèi)層電子被激發(fā)射出來的電磁波能量。射線是原子核外的內(nèi)層電子被激發(fā)射出來的電磁波能量。 表示了某種放射性同位素的核輻射強(qiáng)度。由該式表示了某種放射性同位素的核輻射強(qiáng)度。由該式可知，可知， 核輻射強(qiáng)度是以指數(shù)規(guī)律隨時間而減弱。通常以單位核輻射強(qiáng)度是以指數(shù)規(guī)

4、律隨時間而減弱。通常以單位時間內(nèi)發(fā)生衰變的次數(shù)表示放射性的強(qiáng)弱。輻射強(qiáng)度單位用時間內(nèi)發(fā)生衰變的次數(shù)表示放射性的強(qiáng)弱。輻射強(qiáng)度單位用1ci(居里居里)表示：表示：1ci的輻射強(qiáng)度就是輻射源的輻射強(qiáng)度就是輻射源1s內(nèi)有內(nèi)有3.71010次次核衰變。核衰變。1ci(居里居里)103mci (毫居里毫居里)106ci(微居里微居里)。在檢。在檢測儀表中常用測儀表中常用mci或或ci作為計量單位。作為計量單位。 tiie0 2核輻射與物質(zhì)間的相互作用核輻射與物質(zhì)間的相互作用 (1) 電離作用電離作用 當(dāng)具有一定能量的帶電粒子穿透物質(zhì)當(dāng)具有一定能量的帶電粒子穿透物質(zhì)時，在它們經(jīng)過的路程上就會產(chǎn)生電離作時，

5、在它們經(jīng)過的路程上就會產(chǎn)生電離作用，形成許多離子對，電離作用是帶電粒子用，形成許多離子對，電離作用是帶電粒子和物質(zhì)相互作用的主要形式。和物質(zhì)相互作用的主要形式。 粒子（射線）由于能量、質(zhì)量和帶電量大，粒子（射線）由于能量、質(zhì)量和帶電量大，故電離作用最強(qiáng)，但射程故電離作用最強(qiáng)，但射程(帶電粒子在物質(zhì)中穿行時、帶電粒子在物質(zhì)中穿行時、能量耗盡前所經(jīng)過的直線距離能量耗盡前所經(jīng)過的直線距離)較短。較短。 粒子質(zhì)量小，電離能力比同樣能量的粒子質(zhì)量小，電離能力比同樣能量的粒子要弱，粒子要弱，由于由于粒子易于散射，所以其行程是彎曲的。粒子易于散射，所以其行程是彎曲的。 粒子幾乎沒有直接的電離作用。粒子幾乎沒

6、有直接的電離作用。 9.1 核輻射傳感器核輻射傳感器 在輻射線的電離作用下，每秒鐘產(chǎn)生的在輻射線的電離作用下，每秒鐘產(chǎn)生的離子對的總數(shù)，即離子對形成的頻率可出下離子對的總數(shù)，即離子對形成的頻率可出下式表示：式表示： 式中：式中：e 帶電粒子的能量；帶電粒子的能量； ed 離子對的能量；離子對的能量； i 輻射源的強(qiáng)度；輻射源的強(qiáng)度； c 輻射源強(qiáng)度為輻射源強(qiáng)度為1ci時，每秒放射出的粒子數(shù)。時，每秒放射出的粒子數(shù)。iceefde219.1 核輻射傳感器核輻射傳感器 (2)核輻射線的吸收、散射和反射核輻射線的吸收、散射和反射 、射線穿透過物質(zhì)程中，一部分射線穿透過物質(zhì)程中，一部分粒子能量被物質(zhì)吸

7、收，一部分粒子被散射掉，粒子能量被物質(zhì)吸收，一部分粒子被散射掉，能量將按下述關(guān)系式衰減：能量將按下述關(guān)系式衰減： 式中式中i、i0分別為射線穿透物質(zhì)前、后的輻射分別為射線穿透物質(zhì)前、后的輻射強(qiáng)度，強(qiáng)度，h為穿透物質(zhì)的厚度，為穿透物質(zhì)的厚度，為物質(zhì)的密度，為物質(zhì)的密度，為物質(zhì)的質(zhì)量吸收系數(shù)。為物質(zhì)的質(zhì)量吸收系數(shù)。 9.1 核輻射傳感器核輻射傳感器heii0 三種射線中，三種射線中，射線穿透能力最強(qiáng)，射線穿透能力最強(qiáng)，射線次之，射線次之，射線最弱，射線最弱，射線的穿透厚射線的穿透厚度比度比、要大得多。要大得多。 射線穿透物質(zhì)時，容易改變其運(yùn)動射線穿透物質(zhì)時，容易改變其運(yùn)動方向而產(chǎn)生散射現(xiàn)象。當(dāng)產(chǎn)生

8、相反方向散射時，方向而產(chǎn)生散射現(xiàn)象。當(dāng)產(chǎn)生相反方向散射時，即出現(xiàn)了反射現(xiàn)象。反射的大小取決于散射物即出現(xiàn)了反射現(xiàn)象。反射的大小取決于散射物質(zhì)的性質(zhì)和厚度。質(zhì)的性質(zhì)和厚度。射線的散射隨物質(zhì)的原子序數(shù)射線的散射隨物質(zhì)的原子序數(shù)增大而加大。當(dāng)原子序數(shù)增大到極限情況時，投射增大而加大。當(dāng)原子序數(shù)增大到極限情況時，投射到反射物質(zhì)上的粒子幾乎全部反射回來。到反射物質(zhì)上的粒子幾乎全部反射回來。9.1 核輻射傳感器核輻射傳感器反射的大小與反射物質(zhì)的厚度有如下關(guān)系：反射的大小與反射物質(zhì)的厚度有如下關(guān)系： 式中：式中：ih 反射物質(zhì)厚度為反射物質(zhì)厚度為h(mm)時，放射時，放射線被反射的強(qiáng)度；線被反射的強(qiáng)度； i

9、m 當(dāng)當(dāng)h趨向無窮大時的反射強(qiáng)度，趨向無窮大時的反射強(qiáng)度，im與原子與原子序數(shù)有關(guān)；序數(shù)有關(guān)； h 輻射能量的常數(shù)。輻射能量的常數(shù)。當(dāng)當(dāng)i0、im、h、等已知后，只要測出等已知后，只要測出i或或ih就可就可求出其穿透厚度求出其穿透厚度h。另一方面，當(dāng)。另一方面，當(dāng)i0、 、h等已知等已知后，只要測出后，只要測出i就可求物質(zhì)的密度就可求物質(zhì)的密度。 9.1 核輻射傳感器核輻射傳感器)1 (hmhheii9.1.2 9.1.2 核輻射傳感器核輻射傳感器 1 1、電離室放射線傳感器、電離室放射線傳感器右圖為電離室示意圖。電離室兩側(cè)設(shè)有右圖為電離室示意圖。電離室兩側(cè)設(shè)有二塊平行極板，對其加上極化電壓二

10、塊平行極板，對其加上極化電壓e e使使二極板間形成電場。當(dāng)有粒子或射線射二極板間形成電場。當(dāng)有粒子或射線射向二極板間空氣時，空氣分子被電離成向二極板間空氣時，空氣分子被電離成正、負(fù)離子。帶電離子在電場作用下形正、負(fù)離子。帶電離子在電場作用下形成電離電流，并在外接電阻成電離電流，并在外接電阻r r上形成壓上形成壓降。測量此壓降值即可得核輻射的強(qiáng)度。降。測量此壓降值即可得核輻射的強(qiáng)度。電離室主要用于探測電離室主要用于探測、粒子，它具粒子，它具有堅固、穩(wěn)定、成本低、壽命長等優(yōu)點，有堅固、穩(wěn)定、成本低、壽命長等優(yōu)點，但輸出電流很小。但輸出電流很小。電離室示意圖9.1 核輻射傳感器核輻射傳感器2.2.氣

11、體放電計數(shù)管氣體放電計數(shù)管( (蓋格計數(shù)管蓋格計數(shù)管) )體放電計數(shù)管示意圖 正離子鞘到達(dá)陰極時得到正離子鞘到達(dá)陰極時得到一定的動能，能從陰極打出次一定的動能，能從陰極打出次級電子。由于此時陽極附近的級電子。由于此時陽極附近的電場已恢復(fù)，次級電子又能再電場已恢復(fù)，次級電子又能再一次產(chǎn)生正離子鞘和電壓脈沖，一次產(chǎn)生正離子鞘和電壓脈沖，從而形成連續(xù)放電。若在計數(shù)從而形成連續(xù)放電。若在計數(shù)管內(nèi)加入少量有機(jī)分子蒸汽或管內(nèi)加入少量有機(jī)分子蒸汽或鹵族氣體，可以避免正離子鞘鹵族氣體，可以避免正離子鞘在陰極產(chǎn)生次級電子，而使放在陰極產(chǎn)生次級電子，而使放電自動停止。電自動停止。9.1 核輻射傳感器核輻射傳感器

12、氣體放電計數(shù)管氣體放電計數(shù)管的特性曲線如圖所示。的特性曲線如圖所示。圖中圖中i i1 1、i i2 2代表入射代表入射的核輻射強(qiáng)度，的核輻射強(qiáng)度，i i1 1i i2 2。由圖可見，在相。由圖可見，在相同外電壓同外電壓u u時不同輻時不同輻射強(qiáng)度將得到不同的射強(qiáng)度將得到不同的脈沖數(shù)脈沖數(shù)n n。氣體放電。氣體放電計數(shù)管常用于探測計數(shù)管常用于探測粒子和粒子和射線。射線。氣體放電計數(shù)管特性曲線9.1 核輻射傳感器核輻射傳感器3.3.閃爍計數(shù)器閃爍計數(shù)器 當(dāng)核輻射進(jìn)入閃爍當(dāng)核輻射進(jìn)入閃爍晶體時，晶體原子受激晶體時，晶體原子受激發(fā)光，透過晶體射到光發(fā)光，透過晶體射到光電倍增管的光陰極上，電倍增管的光陰

13、極上，根據(jù)光電效應(yīng)在光陰極根據(jù)光電效應(yīng)在光陰極上產(chǎn)生的光電子在光電上產(chǎn)生的光電子在光電倍增管中倍增，在陽極倍增管中倍增，在陽極上形成電流脈沖，即可上形成電流脈沖，即可用儀器指示或記錄。用儀器指示或記錄。閃爍計數(shù)器示意圖9.1 核輻射傳感器核輻射傳感器9.1.3 9.1.3 核輻射檢測技術(shù)的應(yīng)用核輻射檢測技術(shù)的應(yīng)用1.核輻射在線測厚儀2.核輻射物位計3.核輻射流量計4.核輻射探傷9.1 核輻射傳感器核輻射傳感器9.1 核輻射傳感器核輻射傳感器1、核輻射在線測厚儀、核輻射在線測厚儀123 4 放大 檢測儀表 5 6 7 9 8 r2、核輻射物位計、核輻射物位計9.1 核輻射傳感器核輻射傳感器 不同介質(zhì)對不同介質(zhì)對射線的吸收能力不射線的吸收能力不 同，一般固體最強(qiáng)，液體次之，氣體最差。同，一般固體最強(qiáng)，液體次之，氣體最差。 當(dāng)射線射入厚度為h的介質(zhì)時，會有一部分被介質(zhì)吸收掉。透過介質(zhì)的射線強(qiáng)度i與入射強(qiáng)度i0之間有如下關(guān)系：式中 吸收系數(shù)，條件固定時為常數(shù)。變形為： 因此測液位可通過測量射線在穿過液體時強(qiáng)度的變化量來實現(xiàn)。 heii0iihlnln109.1 核輻射傳感器核輻射傳感器 g g 射線物位計的特點是：射線物位計的特點是： 1、可以實現(xiàn)非接觸測量；、可以實現(xiàn)非接觸測量；