第11章射线式传感器3学时传感器原理64学时北京化工大学信息科学与技术学院测控系2012年12月19日 续第18讲3学时1传感器原理64第一节 核辐射的物理基础一、原子核的基本性质与组成 二、原子核的衰变 2.1、 和衰变2.2、放射性衰变定律 2.3、放射性强度 第二节 射线式传感器1、射线源2、探测器 第三节 核辐射检测的应用1、核辐射测厚度2、灰分测量系统3、放射性辐射对人体的损害4、辐射防护 射线第11章 射线式传感器2射线式传感器射线式传感器也称核辐射监测装置。它是利用放射性同位素，根据被测物质对放射线的吸收、反射、散射或射线对被测物质的电离激发作用而进行工作的。3射线式传感器众所周知，各种物质都是由一些最基本的物质所组成。人们称这些最基本的 物质为元素。 组成每种元素的最基本单元就是原子，每种元素的原子都不是只存在一种。 具有相同的核电荷数Z而有不同的质量数A的原子所构成的元素称同位素。假设某种同位素的原子核在没有外力作用下，自动发生衰变，衰变中释放出 射线、射线、射线、X射线等，这种现象称为核辐射。放出射线的同位素称为放射性同位素，又称放射源。 核辐射探测器又称核辐射接收器，它是核辐射传感器的重要组成部分。 核辐射探测器的作用是将核辐射信号转换成电信号，从而探测出射线的强弱 和变化。 由于射线的强弱和变化与测量参数有关，因此它可以探测出被测参数的大小 及变化。 这种探测器的工作原理或者是根据在核辐射作用下某些物质的发光效应，或 者是根据当核辐射穿过它们时发生的气体电离效应。4第一节 核辐射的物理基础知识一、原子核的基本性质与组成 1.1、原子核的组成与电荷1、原子核的组成与电荷 2、同位素 二、原子核的衰变 2.1、 和衰变1、衰变2、衰变3、衰变2.2、放射性衰变定律 2.3、放射性强度 5一、原子核的基本性质与组成 1.1、原子核的组成与电荷 原子核由质子和中子组成。 质子带有与电子等量的正电荷，它的质量为电子质量的1836.12倍。 中子不带电，质量为电子的1838.65倍。 质子和中子统称为核子。 原子核中质子数目称为原子的原子序数，用 Z 表示。 中性原子中核外电子的数目等于原子序数。 原子核中质子和中子的总数称为该原子核的质量数，用 A 表示。 通常用符号AZX 表示各种元素原子的原子核 例：氢核用 11H 表示氧核用 168O 表示1、原子核的组成与电荷62、同位素例如： 自然界中氢有三种同位素 分别称为 氢核 11H氘核 21H（21D、又称重氢）氚核 31H（31T 、又称超重氢）氘、氚可进行热核反应 人工方法合成的氢的同位素有：氢4、氢5、氢6、氢7 放射性同位素原子如果不是由于外来原因，而自发的产生核结构变化称为核衰变 ，具有核衰变性质的同位素，称为放射性同位素。原子物理中，取碳同位素 126C的原子核质量的1/12作为质量单位， 称为“原子质量单位”，以amu或u表示：1u=1.66056610-27Kg 原子序数相同而质量数不同的原子，称为同位素。7二、原子核的衰变 2.1、和衰变 有些原子核是不稳定的，具有放射性，不稳定核通过释放某些粒子 而趋于稳定，这一过程称为放射性衰变。 粒子 氦核 42 He，它有两个质子，两个中子组成。 当一个氦原子核放出粒子时，它的原子序数 Z 减小2，质量数 A 减小4，该原子核变成另一种原子核，这就是衰变。 例: 一般情况下：1、衰变8衰变产生的粒子来自原子核 粒子在核内受到很强的核力吸引（负势能） 但在核外将受核的库仑场的排斥，这样对粒子而言，在核表面就形成一个势垒。 放射性原子核的衰变过程就是粒子穿过势垒从原子核放射出去的一个隧道效应过程。 伴随着 a 衰变有能量释放，释放的能量以 a 粒子的动能形式带走， 这一过程已被实验观察到。释放的能量为： E=(mx-my-ma)c2=931.48(mx-my-ma)MeV在自然界内大部份的重元素（原子序数为82或以上）都会在衰变时释 放粒子，例如铀和镭。 由于粒子的体积比较大，又带两个正电荷，很容易就可以电离其他物 质。因此，它的能量亦散失得较快，穿透能力在众多电离辐射中是最 弱的，人类的皮肤或一张纸已能阻隔粒子。 然而，它们一旦被吸入或注入，那将是十分危险。它就能直接破坏人 体的内脏细胞。92、衰变 粒子就是电子（正电子流或负电子流） 当一个原子核发出一个 b 粒子后，原子核的原子序数 Z 增加1，而 质量数不变，这就是 b 衰变。实验测定表明，同一种核在 b 衰变过程中放出电子的能量并不等于 衰变前后原子核的能量差，而是从零到一个最大值，有一定的分布 ，不象 a 粒子那样具有确定的能量，如下图所示。只有最大值的能量才恰好与衰变前后原子 核的能量差相当。 另外，因为n，p，e的自旋都是1/2，b 衰 变过程中的自旋角动量将不守恒。 1927年泡利（Wolfgang E.Pauli）为解决这 个问题，提出b 衰变时除放出电子外，还 同时放出一个“不可检测的、很轻的、中 性粒子”，它的自旋为1/2，铋Bi 的 b 能谱 0 0.3 0.6 0.9 1.2电子动能/MeV相对强度费米（E.Feimi）将其称为“中微子”。 衰 变时释放的能量中，除被电子带走的以外 ，剩下的能量被中微子带走。10由于中微子的质量非常小几乎为零，也不带电，它对电磁场 不起作用，所以它的穿透力极强， 能量为1MeV的中微子可以穿透1000光年厚的固体物质 观察它，是非常困难的，直到1956年核反应堆出现以后，才在实验中证实它的存在。衰变是一种弱相互作用过程，它的强度只有电磁相互作用的 10-12倍。 中微子111eV=1.602189210-19 joule（焦耳）=1.602189210-12（尔格）是能量的单位。 一个电子电位改变（增加）一伏特（volt）时，所获得的动能量或所损失的电位能的量。 电子伏特（electron volt，eV）一个电子所带电量为：e = - 1.610-19 coulombs（库伦）123、衰变 当原子核发生、衰变时，往往衰变到核的激发态，处于激发态的原子核是不稳定的，它要向低激发态或基态跃迁，同时放 出光子，产生射线。 由于核的能级间隔为100KeV到1MeV，因此射线的光子能量非 常大，其波长比X射线更短。 医学上常用射线治疗肿瘤，最常用的放射源是钴60Co， 钴60Co以衰变到镍 60Ni 的2.5MeV 激发态，60Ni 的激发态寿命极短，它很快跃迁到基态并放出能量分别为1.17MeV 和1.33MeV 的两种射线。 原子核放出光子的过程称为衰变。132.2、放射性衰变定律实验分析指出，单位时间内因衰变而减少的核数-dN/dt，与衰变前 的核数 N 成正比，即设 t = 0时，原子核的数为N0，对上式积分得（衰变后核数 N 为） N=N0e-t这就是放射性衰变定律，它是按指数衰减的。式中： 衰变常数，是一个原子核在单位时间内发生衰变的概率从衰变定律，可以得到放射性的两个重要参数： 半衰期 平均寿命放射性物质进行衰变并不是立即转变成新的元素，在任何放射性 的样品中，放射性原子核的数目随着一些核的衰变而逐渐减少。 核数减少的速率与核的种类有关。14例: 钙 Ca 发生衰变的半衰期是164d（天） 钋 212Po 发生衰变的半衰期是310-7s（秒） 钍 232Th 衰变的半衰期是1.41 1010y（年） 镭 226Ra 衰变的半衰期是1600y（年） 铅 214Pb 衰变的半衰期是1608s（秒） 碳 14C 衰变的半衰期为5730y（年） 可见不同放射性元素的半衰期相差很大T1/2 = ln2/=0.693/是指放射性同位素的原子核数目由于衰变减少到原有的一半所 经历的时间，用T1/2表示半衰期，即有半衰期 T1/215原子核衰变，对某个原子核是随机的；对于整个样品中的原子 核来说，有的早衰变，有的晚衰变；在这种情况下，原子核寿 命一般用平均寿命 来表征衰变。平均寿命设： 在 t t+dt 时间内衰变了（dN）个核 每个核的寿命为 t 应用统计平均方法，可求得所有核的平均寿命为： 162.3、放射性强度 A 放射性物质在单位时间内发生衰变的原子核数目称为放射性强度A ，即 A的单位是居里（Ci），因纪念居里夫妇而得名。1居里等于 当一秒钟有3.71010次核衰变时，其放射性强度为1Ci，即： 1Ci=3.71010s-1 较小的单位有毫居里和微居里。现在放射性强度单位常用Bq（贝克勒尔），1Bq就是单位时间的 衰变一个核。放射性元素每秒有一个原子发生衰变时，其放射性 活度即为1Bq。因此 1Ci=3.71010Bq17辐辐射源辐辐射形 式放射性强度 Ci20万吨级级原子弹弹的裂变产变产 物，61011核反应应堆，1010工业业用60Co 106医疗疗用60Co 103人体内的天然40K 10-7一些辐射源的放射性强度 我们日常生活中使用的玻璃、玻璃杯、眼镜等含有钾40K 它的半衰期为1.3109s，相应的衰变常数l十分微小， 它的放射性强度A就很弱，不会影响我们的健康。 18第二节 射线式传感器射线式传感器的组成 放射源 探测器射线源是将射线向一定的方向发射射线的装置探测器是核辐射的接收装置191、射线源利用射线式传感器进行测量时 都要有可发射出、和粒子的辐射源 射线源是将射线向一定的方向发射射线的装置射线源选择原则：同位素有较长的半衰期 合适的放射强度目的是为了 安全 避免经常更换 提高检测灵敏度 减少测量误差 放射性同位素种类很多，能用于测量的有20种左右 最常用的有： 钴-80（80Co）、铯-137（137Cs）、镅-241（241Am）、锶-90（90Sr）20放射线源的结构放射源容器用于成放放射源，其结构要求射线从测量方向射出， 其它方向必须使射线的剂量尽可能小，减少对人体的危害和环境 的污染。辐射源一般为圆盘状射线辐射源一般为丝状、圆柱状、元片状射线出口处装有辐射薄膜 ，以防止灰尘侵入，同时 防止放射源受到意外损伤 而造成污染 铅罩防止辐射源向其它方 向辐射下图为厚度计辐射源容器薄膜容器铅放射源容器结构图放射源212、探测器探测器是核辐射的接收装置常用的有电离室 闪烁计数器 盖革计数管 半导体探测器闪 烁 晶 体输出电路光电倍增管闪烁计数器原理示意图射线极板极板+ + +- - -+-R电离室工作原理图高压电源离子或射线正离子电子电离室-+密封玻璃管阳极 （钨丝）阴极 （金属圆筒）盖革计数管原理射 线-惰性气体或 有机物气体电离 负离子22（1）电离室电离室主要用来探测、粒子 利用电离室测量、粒子时，其效率可以接近100%电离室用来测量射线时，则效率很低。 这是因为 射线没有直接电离的本领，它是靠从电离室的壁上打出 二次电子，而二次电子起电离作用，因此，射线的电离室必须密 闭。一般电离室的效率只有1%2%。 电离室主要用于探测、粒子优点：成本低、寿命长缺点：输出电流小探测、粒子和射线的电离室互不通用电离室是利用射线对气体的电离作用而进行测量的一种辐射探测器23电离室工作原理当有粒子或射线射向两个极板之 间的气体时，其中的气体分子产 生电离。测量电阻压降就能得到核辐射的 强度。电离室的形状有圆柱体和方盒状 电离室空腔中设置一对平行极板（类似电容器极板），加有几百伏 的极化电压，在电离室内的极板间形成强电场 电离室中充满某些惰性气体或空气射线或粒子极板极板+-R电离室工作原理图高压电源电离室电离室的组成正离子+ 电子-在电场的作用下，正离子趋向极板 的负极，电子趋向极板的正极，从 而在外电路中产生电离电流，并在 外接电阻上形成电压。 电阻的电压间接反映核辐射的强度 。当没有射线射时，两个极板间无 导电物质