核輻射傳感器

1、延安大學西安創(chuàng)新學院 傳感器技術作業(yè)題 目: 核輻射傳感器 專業(yè)名稱： 電子信息工程 學生姓名： 胡海瑞 學生學號： 0903024118 指導教師： 馬惠鋮核輻射傳感器核輻射傳感器摘要:近年來，核輻射傳感器由于具有眾多優(yōu)良特性，得到了廣泛的關注。本文從核輻射的基本性質開始闡述，系統(tǒng)的介紹了核輻射傳感器的組成、原理以及幾種常見的核輻射傳感器的工作原理。關鍵詞: 核輻射 傳感器 核輻射傳感器 探測器 電離室Summary:In recent years, because of the nuclear radiation sensors many goodqualities, received e

2、xtensive attention. This article from the nuclear radiation basicproperties to formulate, system introduced the nuclear radiation sensors component,the principle and several common gamma radiation sensor principle of work.Keywords: radiation transducer nuclear radiation transducer detector ionizatio

3、n chamber目錄- 1 -核輻射傳感器摘要1.核輻射. - 3 -1.1核輻射的定義. - 3 -1.2 輻射單位 . - 3 -1.3 核輻射的種類及性質 . - 3 -2.核輻射傳感器. - 4 -2.1 核輻射放射源 . - 4 -2.1.1核輻射強度J. - 4 -2.1.2 核輻射線與物質的相互作用. - 5 -2.2 核輻射探測器 . - 6 -2.2.1 電離室. - 6 -2.2.2氣體放電計數(shù)管(蓋格計數(shù)管) . - 8 -2.2.3 閃爍計數(shù)器. - 9 -2.2.4 正比計數(shù)管. - 9 -2.3半導體探測器. - 10 -3.核輻射傳感器的應用. - 10 -3.

4、1 核輻射厚度計 . - 10 -3.2 核輻射液位計 . - 12 -3.3核輻射物位計. - 13 -3.4 X熒光材料成分分析儀. - 14 -4.核輻射傳感器的發(fā)展前景. - 15 -5.放射性輻射的防護. - 15 - 參考文獻. - 17 -正文- 2 -核輻射傳感器1.核輻射核輻射,或通常稱之為放射性，它存在于所有的物質之中，既包括我們所喝的水和呼吸的空氣之中。核輻射是原子核從一種結構或一種能量狀態(tài)轉變?yōu)榱硪环N結構或另一種能量狀態(tài)過程中所釋放出來的微觀粒子流。1.1核輻射的定義各種物質都是由一些最簡單的物質所組成的，人們把這些最簡單的物質稱為元素，如碳、氫和氧等,組成每種元素的最

5、基本單元就是原子。凡是在元素周期表中占同一位置，原子序相同而原子質量不同的元素，這種元素稱為同位素。原子如果不是由于外來的原因，而是自發(fā)地發(fā)生原子核結構的變化，則稱為核衰變，具有這種核衰變性質的同位素叫做放射性同位素。在衰變中釋放出一種特殊的，帶有一定能量的粒子或射線，這種現(xiàn)象稱為核輻射或放射性。放射性同位素的核衰變是原子核的“本征”特性,實驗表明，放射源的強度是隨著時間按指數(shù)定理而遞減的，放射源強度衰變的速度取決于放射放射性衰變常數(shù)，值越大則衰變越快，即：I=I0e-lt··········&

6、#183;···············(1-1)式中：I0 -開始時(t=0)的放射源強度；I -經(jīng)過時間t后的放射源強度； -放射性衰變常數(shù)；t -放射時間。1.2 輻射單位1.3 核輻射的種類及性質根據(jù)核輻射性質的不同，放射出的粒子或射線有射線、射線、射線、 - 3 -核輻射傳感器X射線等。1) 粒子一般具有410MeV能量。用粒子電離氣體比其他輻射強得多，因此在檢測中，輻射主要用于氣體分析，用來測量氣體壓力和流量等參數(shù)。2) 粒子實際上是

7、高速運動的電子，它在氣體中的射程可達20m。在自動檢測儀表中，主要是根據(jù)粒子的輻射和吸收來測量材料的厚度，密度或重量；根據(jù)輻射的反應和散射來測量覆蓋的厚度，利用粒子很大的電力能力來測量氣體流量。3) 射線是一種從原子核內發(fā)射出來的電磁輻射，它在物質中的穿透能力比較強,在其氣體中的射程為數(shù)百納米,能穿過幾千米厚的固體物質。 射線被廣泛應用在各種檢測儀表中，特別是需要輻射和穿透力前的情況，如金屬探傷，側厚以及測量物體的密度等。4) X射線是由原子核外的內層電子被激發(fā)而放出的電磁波能量。1.4 核輻射的危害當人們暴露于核輻射環(huán)境下，可能會得輻射病。這種病是有癥狀的。幾小時內你就會感到惡心嘔吐，隨后會

8、出現(xiàn)腹瀉、頭痛或發(fā)燒等癥狀。在最初的癥狀過去之后，可能會出現(xiàn)一個短暫的無癥狀期，但數(shù)周后就會出現(xiàn)新的、更嚴重的癥狀。在更高的輻射劑量下，這些癥狀可能出現(xiàn)的更快，也更明顯。同時，核輻射會對人體內臟造成廣泛的，很多時候甚至是致命的傷害。暴露在核輻射中，一半的健康成年人無法承受4戈雷的輻射劑量。2.核輻射傳感器核輻射傳感器利用放射性同位素來進行測量的傳感器，又稱放射性同位素傳感器。核輻射傳感器是基于被測物質對射線的吸收、反散射或射線對被測物質的電離激發(fā)作用而進行工作的。核輻射傳感器一般由放射源，探測器以及電信號轉換電路組成，可以檢測厚度和物位等參數(shù)。放射源和探測器是核輻射傳感器的重要組成部分，放射源

9、由放射性同位素物質組成。探測器即核輻射檢測器，它可以探測出射線的強弱及變化。隨著核輻射技術的發(fā)展,核輻射傳感器的應用越來越廣泛。2.1 核輻射放射源檢測技術常用四種核輻射源：, , 射線源和X射線管。2.1.1核輻射強度J單位時間內在垂直于射線前進方向的單位截面積上穿過的能量的大小，稱 - 4 -核輻射傳感器為核輻射強度J0。一個點源照射在面積為S的檢測器上，其輻射強度J0為KSJ0=A×C4pr0(2-1)r0-輻射源到檢測器之間的距離；A -源強度；C -在源強度為1居里時,每秒放射出粒子數(shù)；K -次裂變放射出的射線數(shù)；S -檢測器的工作面積。如果知道粒子的能量,則輻射強度的計算

10、公式為 -13WM2J0=A×C×E´1.6´10 (2-2)E -粒子的能量MeV ()2.1.2 核輻射線與物質的相互作用1) 電離作用: 帶電粒子和物質相互作用的主要形式。射程: 帶電粒子在物質中穿行時其能量逐漸耗盡而停止運動,其穿行的一段距離(起點和終點的距離)叫離子的射程。射程是表示帶電粒子在物質中被吸收的一個重要參數(shù)。1EfN=×C×A(2-3) 2DEE -帶電粒子的能量；E -離子對的能量；A -源強度；C -在源強度為1居里時,每秒放射出的粒子數(shù)。2) 核輻射的吸收和散射一個細的平行的射線束穿過物質層后其強度衰減經(jīng)驗

11、公式：J=J0e-mmrx(2-4) J -穿過厚度為x mm 的物質后輻射強度；J0-射入物質前的輻射強度；x -吸收物質的厚度；m-物質的質量吸收系數(shù)； -物質密度。射線的質量吸收系數(shù)近似公示：- 5 -核輻射傳感器2.2m=3m EbmaxEmax -粒子的最大能量。 (2-5)3) 散射問題射線在物質中穿行是容易改變運動方向而產(chǎn)生散射現(xiàn)象。尤其是向反方向的散射即反射。反射的大小取決于散射物質的厚度和性質的原子序數(shù)Z越大,則粒子的散射百分比也越大。發(fā)射的大小與反射板的厚度有關：JS=JSmax(1-e-mSX)(2-6)JS -反射板為x mm 時,放射線被反射的強度；JSmax=f(Z

12、) -當x趨于無窮大時的反射強度；(s)-取決于輻射能量的常屬。2.2 核輻射探測器探測器就是核輻射的接收器,它是核輻射傳感器的重要組成部分，是指能夠指示、記錄和測量核輻射的材料或裝置。其用途就是將核輻射信號轉化成電信號,從而探測出射線的強弱和變化。目前用于檢測儀表上的主要有電離室，閃爍計數(shù)器和蓋格計數(shù)等。2.2.1 電離室電離室是氣體探測器中原理最簡單的。電離室的正常工作是利用電場收集在氣體中直接電離所產(chǎn)生的全部電荷。電離室由兩個基本電極組成，一個是高壓電極，另一個是收集電極，室內充有高壓氣體氬氣，外面是一個密封外殼。氣體探測器的原理是，當探測器受到射線照射時，射線與氣體中的分子作用，產(chǎn)生由

13、一個電子和一個正離子組成的離子對。這些離子向周圍區(qū)域自由擴散。擴散過程中，電子和正離子可以復合重新形成中性分子。但是，若在構成氣體探測器的收集極和高壓極上加直流的極化電壓V，形成電場，那么電子和正離子就會分別被拉向正負兩極，并被收集。隨著極化電壓V逐漸增加，氣體探測器的工作狀態(tài)就會從復合區(qū)、飽和區(qū)、正比區(qū)、有限正比區(qū)、蓋革區(qū)(G - M區(qū))一直變化到連續(xù)放電區(qū)。- 6 -核輻射傳感器圖2.2 電離室示意圖圖2.2為電離室示意圖。電離室兩側設有二塊平行極板，對其加上極化電壓E使二極板間形成電場。當有粒子或射線射向二極板間空氣時，空氣分子被電離成正、負離子。帶電離子在電場作用下形成電離電流，并在外

14、接電阻R上形成壓降。測量此壓降值即可得核輻射的強度。電離室主要用于探測、粒子，它具有堅固、穩(wěn)定、成本低、壽命長等優(yōu)點，但輸出電流很小。電離室的結構有各種類型,現(xiàn)已圓筒形電離室為例來說明其結果,如圖2.3所示.收集極4絕緣必須好,如果絕緣不良,極微小的電離電流也會漏掉,就可能測不到信號.在收集極4和高壓極5之間配有保護環(huán)2,保護環(huán)與收集極和高壓極之間是絕緣的,且保護環(huán)要接地,這是為了使高壓不致漏到收集極去干擾有用信號。- 7 -核輻射傳感器電離室除了空氣式外，還有密封充氣的,一般充氬等惰性氣體，氣壓可稍大與大氣壓，這有助于增大電流，同時密封可以維護內部氣壓的恒定，減少受外界氣壓波動而帶來的影響.

15、電離室的入射窗口通常用鋁箱或其他塑料薄膜，它的密度要盡可能小，以減少射線入射時在上面造成的能量損失，同時又要有足夠的強度，以承受內部的氣壓。電離室的結構必須非常牢固，尤其是電極結構更要牢固,否則會由于周圍的振動引起信號的波動而無法測量。由于粒子、粒子和射線性質各不相同,能量也不一樣，所以用來探測的電離室也互不相同,不能互相通用。2.2.2氣體放電計數(shù)管(蓋格計數(shù)管)蓋格計數(shù)管也是根據(jù)射線對氣體的電離作用而設計的輻射探測器.它與電離室不同的地方主要在于工作在氣體放電區(qū)域， 具有放大作用。其結構如右圖所示.計數(shù)管以金屬圓筒為陰極，以筒中心的一根鎢絲或鉬絲為陽極， 筒和絲之間用絕緣體隔開。計數(shù)管內充

16、有氬、氦等氣體。為了便于密封， 計數(shù)管常用玻璃作外殼， 而陰極用金屬或石墨涂覆于玻璃表面內部或在外殼內用金屬筒作陰極。在蓋格計數(shù)管中，陰極和陽極間施加比計數(shù)管高的電壓.X射線、射線、射線入射使產(chǎn)生比正比計數(shù)管激烈的氣體放大，原離子所在區(qū)域沿中央絲極傳播到整個計數(shù)管內。由于電子漂移速度很快，很快地被收集， 于是在中央絲極周圍形成一層正離子，稱為正離子鞘。正離子鞘的形成使陽極附近的電場變弱，直到不再能產(chǎn)生離子的增殖，此時原始電離的放大過程就停止了。放大過程停止后，在電場作用下，正離子鞘向陰極移動，給出一個與正離子鞘的總電荷有關，而與原始電離無關的脈沖輸出.在第一次放大過程停止以及電壓脈沖出現(xiàn)后，

17、計數(shù)管并不回到原始的狀態(tài)。由于正離子鞘到達陰極時得到一定的動能，所以正離子也能從陰極中打出次級電子。同時由于正離子鞘到達了陰極，中央陽極電場已恢復，因此這些次級電子又能引起新的離子增殖，像原先一樣再產(chǎn)生離子鞘，再產(chǎn)生電壓脈沖，造成所謂連續(xù)放電現(xiàn)象。 為了克服這個問題，必須采取特殊的方法使放電猝滅。 猝滅放電的方法有兩種：一種是采用猝滅電路，用來降低中央絲極的電壓，使其降低到發(fā)生碰撞電離所需電壓以下；另一種方法是在計數(shù)管中放入少量猝滅性氣體。這種自猝滅型計數(shù)管又可分為兩種：一種是充惰性氣體和少量酒精、乙醚或石油醚的蒸氣，稱為有機管；另一種是管內- 8 -核輻射傳感器充惰性氣體和鹵素氣體， 稱為鹵

18、素管。蓋格計數(shù)管由于有氣體放大作用，所產(chǎn)生的電流比電離室的離子流大好幾千倍， 因此它不需要高電阻，其負載電阻一般不超過1，輸出的脈沖一般為幾伏到幾十伏.圖2.5為計數(shù)管的特性曲線，在一定的核輻射照射下， 當增加二極間的電壓時，在一定范圍內只能增加脈沖的幅度U，而計數(shù)率N只有微弱的增加。圖中ab段對應的曲線稱為計數(shù)管的坪。J1、J2代表入射的核輻射強度，且J1>J2。由圖可知，在外電壓U相同的情況下，入射的核輻射強度越強， 蓋革-彌勒計數(shù)管內產(chǎn)生的脈沖數(shù)N越多。計數(shù)管所加電壓由所加氣體決定，鹵素計數(shù)管為280400 V，有機計數(shù)管為8001000 V。2.2.3 閃爍計數(shù)器物質受放射線的作

19、用而被激發(fā),在由激發(fā)態(tài)躍遷到基態(tài)的過程中,發(fā)射出脈沖狀的光的現(xiàn)象稱為閃爍現(xiàn)象。能產(chǎn)生這樣發(fā)光現(xiàn)象的物質稱為閃爍體。閃爍計數(shù)器先將輻射能變?yōu)楣饽?然后再將光能變?yōu)殡娔芏M行探測,它由閃爍體,光電倍增管和輸出電器兩組成,如圖2.6所示。當核輻射進入閃爍晶體時，晶體原子受激發(fā)光，透過晶體射到光電倍增管的光陰極上，根據(jù)光電效應在光陰極上產(chǎn)生的光電子在光電倍增管中倍增，在陽極上形成電流脈沖，即可用儀器指示或記錄。由于發(fā)射的電子通過閃爍體時,會有一部分被吸收和散射,因此要求閃爍體的發(fā)射光譜和吸收光譜的重合部分要盡量的小,裝置也要有利于光子的吸收。光陰極上射出電子的效率與入射光子的波長有關,所以必須選擇閃爍

20、體發(fā)光的光譜范圍,使其能夠很好地配合光陰極的光譜響應。要是閃爍體發(fā)出的熒光盡可能地被收集到光陰極上,除對閃爍體本身的要求外,還要求個方向的光子通過有效的漫反射把光子集中到光陰極上,碘化鈉晶體除一面與光陰極接觸外,周圍全部用氧化鎂粉敷上一層。為了減少晶體和光陰極之間產(chǎn)生全反射,常用折射率較大的透明媒質作為晶體與光電倍增管的接觸媒質。為了更有效地將光導入光陰極,常在閃爍體和光陰極,常在閃爍體和光陰極之間接入一定形狀的光導.常用的光導材料為有機玻璃等。2.2.4 正比計數(shù)管正比計數(shù)管的結構如圖2.7所示.它是由圓筒形的陰極和作為陽極的中央芯線組成的， 內封有稀有氣體、氮氣、二氧化碳、 氫氣、甲烷、丙

21、烷等氣體。當放射線射入使氣體產(chǎn)生電離時,由于在芯線近旁電場密度高， 電子碰撞被加速， 在氣體中獲得足夠的能量，碰撞其它氣體分子和原子而產(chǎn)生新的離子對； 此過程反復進行而被放大，人們將此過程稱為氣體放大。放大作用僅限于芯線近旁， - 9 -核輻射傳感器所以可得到與放射線的入射區(qū)域無關的一定的放大倍數(shù),由于放大而產(chǎn)生的陽離子迅速離開氣體放大區(qū)域而產(chǎn)生輸出脈沖。輸出脈沖的大小正比于因放射線入射而產(chǎn)生電子、正離子對的數(shù)目，而電子、正離子對數(shù)正比于氣體吸收的放射線的能量,因此，正比計數(shù)管可以探測入射放射線的能量。正比計數(shù)管大多數(shù)是圓柱形或者球形、半球形。其陽極很細，陰極直徑較大，這主要是為了在外加電壓較

22、小的情況下， 使陽極附近仍能有很強的電場，以便有足夠大的氣體放大倍數(shù)。正比計數(shù)管可以在很寬的能量范圍內測定入射粒子的能量， 能量分辨率相當高，分辨時間很短，并且可作快速計數(shù)。2.3半導體探測器半導體探測器是近年來迅速發(fā)展起來的一種射線探測器。我們知道荷電粒子一入射到固體中就與固體中的電子產(chǎn)生相互作用并失去能量而停止。入射到半導體中的荷電粒子在此過程產(chǎn)生電子和空穴對。而X射線或射線由于光電效應、 康普頓散射、 電子對生成等而產(chǎn)生二次電子，此高速的二次電子經(jīng)過與荷電粒子的情況相同的過程而產(chǎn)生電子和空穴。若取出這些生成的電荷，可以將放射線變?yōu)殡娦盘?。就半導體而言，主要使用的是Si和Ge，對GaAs、

23、CdTe等材料也進行了研究。目前, 開發(fā)的半導體傳感器有PN結型傳感器、 表面勢壘型傳感器、鋰漂移型傳感器、非晶硅傳感器等。3.核輻射傳感器的應用核輻射傳感器是基于被測物質對射線的吸收、反散射或射線對被測物質的電離激發(fā)作用而進行工作的。3.1 核輻射厚度計透射式厚度計如圖所示，它是利用射線穿透物質的能力來制成的檢測儀表。它的特點是放射源和核輻射探測器分別置于被測物體的兩側，射線穿過被測物體后射入核輻射探測器。由于物質的吸收，使得射入核輻射探測器的射線強度降低，降低的程度和物體的厚度等參數(shù)有關。如前所述，射到探測器的透射射線強度J和物體厚度t的關系為- 10 -核輻射傳感器J=J0et(3-1)

24、或 -mrJ0t=ln mrJ1(3-2)式中：-被測材料的密度；-被測材料對所用射線的質量吸收系數(shù)；J0-沒有被測物體時射到探測器處的射線強度。對于一定的放射源和一定的材料就有一定的和，則測出J和J0即可計算確定該材料的厚度t。圖3.1所示為零位法的透射式厚度計。放射源的射線穿過被測物體射入測量電離室1，射線也穿過補償楔射入補償電離室2。這兩個電離室接成差式電路，流過電阻上的電流為兩個電離室的輸出電流之差。該電流差在電阻上產(chǎn)生的電壓降，使振蕩器振蕩，變?yōu)榻涣鬏敵?，在?jīng)放大后加在平衡電動機上，使電動機正轉或反轉，帶動補償楔移動，直到兩個電離室接受的射線強度相等，使電阻上電壓降等于零為止；根據(jù)補

25、償楔的移動量可測知厚度。- 11 -核輻射傳感器還可以用散射法測量厚度。散射法指利用核輻射被物體后向散射的效應制成的檢測儀器。其特點是放射源和核輻射探測器可置于被測物質的同一側，射入的被測物質中的射線，由于和被測物質的相互作用，而使得其中的一部分射線反向折回，并進入位于與放射源同側的核輻射探測器而被測量。后向散射測量厚度的示意圖如圖3.2所示。射線強度與散射體厚度之間的關系式J散=J飽和(1-e-krt)(3-3)式中：t和 -散射體的厚度和密度；J散和J飽和-厚度為t和厚度為“無限大”時的后向散射射線強度；K -與射線能量有關的系數(shù)。3.2 核輻射液位計液位信號器是對幾個固定位置的液位進行測

26、量，用于液位的上、下限報警等。連續(xù)液位測量是對液位連續(xù)地進行測量，它廣泛地應用于石油、化工等諸多領域，具有非常重要的意義。輻射法測液位的原理：射線的穿透力強，射程遠，故在核輻射液位測量中廣泛采用.實驗證明，穿過物質前后射線強度會發(fā)生變化。核輻射液位儀采用非接觸式安裝，如圖3.3所示。圖a采用點式放射源、探 - 12 -核輻射傳感器測器，測量范圍較??；圖b采用點式放射源、線狀探測器，測量范圍較大；圖c采用線狀放射源、探測器，測量范圍最大。除射線外，中子射線也可用來測量液位。中子射線的穿透能力極強，比射線強10倍以上，可穿透壁厚達9英寸的鋼質容器。射線液位儀安裝方便，測量精度能滿足大罐測量的需要，

27、有一定的應用場合。圖3.3 核輻射液位儀的測量原理框圖3.3核輻射物位計以應用射線檢測物位。測量物位的方法有很多，圖中給出了其中一些典型的應用實例。如圖3.4是定點測量的方法。將射線源I0與探測器安裝在同一平面上，由于氣體對射線的吸收能力遠比液體或固體弱，因而當物位超過和低于此平面時，探測器接收到的射線強度發(fā)生急劇變化?？梢姡@種方法不能進行物位的連續(xù)測量。圖b是將射線源和探測器分別安裝在容器的下部和上部，射線穿過容器中的被測介質和介質上方的氣體后到達探測器。顯然，探測器接收到的射線強弱與物位的高度有關。這種方法可對物位進行連續(xù)測量，但是測量范圍比較窄(一般為300500 mm)，測量準確度較

28、低。為了克服圖b存在的上述缺點，可采用線狀的射線源；如圖c；或采用線狀的探測器，如圖d雖然對射線源或探測器的要求提高了，但這兩種方法既可以適應寬量程的需要，又可以改善線性特性。圖3.4 輻射式物位計的測量原理框圖- 13 -核輻射傳感器3.4 X熒光材料成分分析儀射到物質上的核輻射所產(chǎn)生的次級輻射稱為次級熒光射線（如特征X射線），熒光射線的能譜和強度與物質的成分、厚度及密度等有關。利用熒光效應可以檢測覆蓋層厚度、物質成分、 密度和固體顆粒的粒度等參數(shù)。 熒光式材料成分分析儀具有分析速度快，精度高，靈敏度高，應用范圍廣，成本低，易于操作等優(yōu)點，已經(jīng)得到廣泛應用。能量色散X射線熒光成分分析儀是根據(jù)初級射線從樣品中激發(fā)出來的特征X射線熒光對材料成分進行定性分析和定量分析的。即初級射線從樣品中激發(fā)出來的多種能量的各組成元素的特征X射線射入探測器，該探測器輸出一個和射入其中的X射線能量成正比