核輻射傳感及檢測

1、2021/3/141 射線分為兩類射線分為兩類:電磁輻射和粒子輻射。電磁輻射和粒子輻射。 x 射線、射線、射線屬于電磁輻射射線屬于電磁輻射,電磁輻射電磁輻射沒有靜止質量。沒有靜止質量。電磁輻射與物質的作用是光電磁輻射與物質的作用是光(量量)子與物質的子與物質的相互作用。相互作用。光子的能量光子的能量 h光子不帶電荷光子不帶電荷,靜止質量為靜止質量為0 ,在真空中沿直在真空中沿直線以光速（線以光速（c = 2.998*108m.s-1）傳播。）傳播。 粒子、粒子、粒子、質子、中子、電子等都粒子、質子、中子、電子等都屬于粒子輻射屬于粒子輻射,粒子輻射都有靜止質量。粒子輻射都有靜止質量。2021/3

2、/142 射線的波長短、頻率高射線的波長短、頻率高,具有許多與可見光不具有許多與可見光不同的性質同的性質: A 不可見不可見,依直線傳播依直線傳播 B 不帶電荷不帶電荷,因此不受電場和磁場影響因此不受電場和磁場影響 C 能透過可見光不能透過的物質能透過可見光不能透過的物質 D 與可見光同樣有反射、干涉、繞射、折射等與可見光同樣有反射、干涉、繞射、折射等現(xiàn)象現(xiàn)象,但這些現(xiàn)象又與可見光有區(qū)別但這些現(xiàn)象又與可見光有區(qū)別,如如x射線只射線只有漫反射有漫反射,不能產(chǎn)生如鏡面反射。不能產(chǎn)生如鏡面反射。2021/3/143 E 使物質產(chǎn)生光電子及返跳電子、以及引起使物質產(chǎn)生光電子及返跳電子、以及引起散射現(xiàn)象

3、散射現(xiàn)象 F 被物質吸收產(chǎn)生熱量被物質吸收產(chǎn)生熱量 G 使氣體電離使氣體電離 H 使某些物質起光化學作用使某些物質起光化學作用,使照相膠片感光使照相膠片感光,又能使某些物質發(fā)生熒光又能使某些物質發(fā)生熒光 I 產(chǎn)生生物效應、傷害及殺死有生命的細胞產(chǎn)生生物效應、傷害及殺死有生命的細胞2021/3/14410-2 射線的種類射線的種類 1) X射線與射線與射線射線 這是射線檢測中最常用的兩種射線這是射線檢測中最常用的兩種射線,X射線是射線是由人為的高速電子流撞擊金屬靶產(chǎn)生的。由人為的高速電子流撞擊金屬靶產(chǎn)生的。 射線是放射性物質自發(fā)產(chǎn)生的射線是放射性物質自發(fā)產(chǎn)生的,如鈷、鈾、如鈷、鈾、鐳等鐳等,兩者

4、產(chǎn)生的機理不同兩者產(chǎn)生的機理不同,但都是電磁波。但都是電磁波。 2021/3/145(2) 射線與射線與射線射線 放射性同位素產(chǎn)生放射性同位素產(chǎn)生衰變和衰變和衰變衰變,放射放射射射線和線和射線射線,射線貫穿能力弱射線貫穿能力弱,但有很強的電但有很強的電離作用。離作用。射線雖然穿透力強射線雖然穿透力強,但能量很小。但能量很小。 一般并不直接用一般并不直接用射線和射線和射線進行檢測射線進行檢測,它們適用于特種場合。它們適用于特種場合。 與與X射線和射線和射線不同射線不同,射線和射線和射線不是射線不是電磁波電磁波,而是粒子輻射。而是粒子輻射。2021/3/146(3) 中子射線中子射線 中子是呈電中

5、性的微粒子流中子是呈電中性的微粒子流,不是電磁波不是電磁波,這種粒子流具有巨大的速度和貫穿能力。這種粒子流具有巨大的速度和貫穿能力。 中子與中子與X和和射線有很大不同射線有很大不同,在被穿透材在被穿透材料中的衰減主要取決于材料對中子的俘獲能料中的衰減主要取決于材料對中子的俘獲能力。力。 對鉛來說對鉛來說,X和和射線穿透能量衰減很大射線穿透能量衰減很大,但俘獲中子的能力很小。對氫來說正好相反。但俘獲中子的能力很小。對氫來說正好相反。2021/3/1475 射線的獲得射線的獲得 (1) X射線的獲得射線的獲得 X射線是由一種特制的射線是由一種特制的X射線管產(chǎn)生的射線管產(chǎn)生的,由陰極、由陰極、陽極和

6、高真空的玻璃或陶瓷外殼組成陽極和高真空的玻璃或陶瓷外殼組成,陰極是一陰極是一加熱燈絲加熱燈絲,用于發(fā)射電子用于發(fā)射電子,陽極靶是由耐高溫的鎢陽極靶是由耐高溫的鎢制成。制成。2021/3/148 工作時在兩極之間加有高電壓工作時在兩極之間加有高電壓,從陰極燈絲從陰極燈絲發(fā)射的高速電子撞擊到陽極靶上發(fā)射的高速電子撞擊到陽極靶上,其動能消耗于其動能消耗于陽極材料原子的電離和激發(fā)陽極材料原子的電離和激發(fā),然后轉變?yōu)闊崮苋缓筠D變?yōu)闊崮?部部分電子在原子核場中受到急劇阻止分電子在原子核場中受到急劇阻止,產(chǎn)生所謂韌產(chǎn)生所謂韌致致X射線射線,即連續(xù)即連續(xù)X射線。射線。 為減少電子在飛往陽極過程中與氣體粒子為減

7、少電子在飛往陽極過程中與氣體粒子相碰撞損失動能相碰撞損失動能,射線管需抽成射線管需抽成10-410-5Pa真真空。電子流動能的絕大部分空。電子流動能的絕大部分(97%)轉化為熱能轉化為熱能,因此陽極材料一般應選用耐高溫材料并通以介因此陽極材料一般應選用耐高溫材料并通以介質加冷卻。動能中僅一小部分質加冷卻。動能中僅一小部分(3%)轉變?yōu)檗D變?yōu)閄射線。射線。2021/3/149陰極發(fā)射電子的數(shù)量陰極發(fā)射電子的數(shù)量,決定了從陰極飛往陽極電決定了從陰極飛往陽極電子流大小子流大小(管電流管電流),而而X射線的穿透能力則決定于射線的穿透能力則決定于電子從陰極飛往陽極的運動速度電子從陰極飛往陽極的運動速度,

8、與兩極之間電與兩極之間電壓壓(管電壓管電壓)有關。管電壓愈高有關。管電壓愈高,所產(chǎn)生所產(chǎn)生X射線的穿射線的穿透能力愈大透能力愈大,波長愈短。波長愈短。2021/3/1410圖中可見圖中可見,只改變管電流時只改變管電流時,X射線輻射強度只是射線輻射強度只是在原有各波長下相應增加。只改變管電壓時、則在原有各波長下相應增加。只改變管電壓時、則除原來各波長相應增加輻射強度外除原來各波長相應增加輻射強度外,還出現(xiàn)了更還出現(xiàn)了更短波長的短波長的X射線。射線。2021/3/1411 X射線管單位時間內所發(fā)出的連續(xù)射線管單位時間內所發(fā)出的連續(xù)X射線的全射線的全部能量的近似公式為部能量的近似公式為式中式中 0-

9、常數(shù)常數(shù)(10-9),I-管電流管電流(A),Z-陽極靶原子陽極靶原子序數(shù)序數(shù)(鎢鎢Z=74),U-管電壓管電壓(V)。 X射線管的轉換效率為射線管的轉換效率為其它轉變?yōu)闊崮芷渌D變?yōu)闊崮?0IZUEZUIUE02021/3/1412當當U=100kV時時 =0.7% 200kV 1.5% 300kV 2.2% 400kV 3% 1 MV 7% 5MV 37%由此可見由此可見,提高管電壓可顯著提高轉換效率提高管電壓可顯著提高轉換效率2021/3/1413 (2) 射線的獲得射線的獲得 放射性同位素是一種不穩(wěn)定的同位素放射性同位素是一種不穩(wěn)定的同位素,處于激處于激發(fā)態(tài)發(fā)態(tài),原子核能級高于基級原子

10、核能級高于基級,向基緩轉變同時釋向基緩轉變同時釋放出放出射線射線,其其能量等于兩個能級間差。能量等于兩個能級間差。 射線檢測中所用的射線檢測中所用的射線源射線源,是由核反應制成是由核反應制成的人工放射源的人工放射源,應用較廣的應用較廣的射線源有鉆射線源有鉆60、銥、銥192、銫、銫137、銩、銩170等。等。2021/3/1414 銫銫137因其放射性比活度低因其放射性比活度低,又易造成環(huán)境污又易造成環(huán)境污染染,能量單一、不宜檢測厚薄不均勻工件等原因能量單一、不宜檢測厚薄不均勻工件等原因而日趨淘汰。而日趨淘汰。 鈷鈷60的獲得的獲得,是將同位素鉆是將同位素鉆59,在原子反應堆在原子反應堆里的中

11、子流沖擊下里的中子流沖擊下,激發(fā)形成不穩(wěn)定的同位素既激發(fā)形成不穩(wěn)定的同位素既鉆鉆60,釋放釋放射線以及少量射線以及少量射線和射線和射線。射線。2021/3/1415 放射性同位素的原子核放射性同位素的原子核,在自發(fā)地放射出在自發(fā)地放射出射線射線后能量逐漸減弱后能量逐漸減弱,這種現(xiàn)象叫做衰變。這種現(xiàn)象叫做衰變。 各種放射性同位素都有自己特定衰變速度各種放射性同位素都有自己特定衰變速度,稱稱為衰變常數(shù)為衰變常數(shù)(),它表示單位時間內衰變核的數(shù)量它表示單位時間內衰變核的數(shù)量與尚未衰變核的數(shù)量之比與尚未衰變核的數(shù)量之比式中式中 N-物質在物質在t時尚未衰變的原子數(shù)時尚未衰變的原子數(shù),N0-原有物原有物

12、質原子數(shù)質原子數(shù),e-自然對數(shù)底自然對數(shù)底,-物質衰變常數(shù)。物質衰變常數(shù)。 teNN02021/3/1416 放射同位素原子數(shù)隨時間呈指數(shù)減少放射同位素原子數(shù)隨時間呈指數(shù)減少,放射性放射性同位素以原有同位素以原有N0個原子因衰變而減少到個原子因衰變而減少到N0/2個原個原子所需的時間子所需的時間,稱為半衰期稱為半衰期(T)。 以使用最廣的鈷以使用最廣的鈷60為例為例,其半衰期為其半衰期為5.3年年TeNN000693. 0T2021/3/1417 在單位時間內衰變的原子核數(shù)量在單位時間內衰變的原子核數(shù)量,稱為放射性稱為放射性活度活度,以以表示表示,單位為居里單位為居里(Ci) 某種物質每秒鐘有

13、某種物質每秒鐘有3.71010個原子衰變個原子衰變,則該則該物質的放射性活度為物質的放射性活度為1Ci(居里居里) 單位質量放射性物質的活度稱為比活度單位質量放射性物質的活度稱為比活度,單位單位為為Ci/g(居里居里/克克) 2021/3/1418 射線的強度可由測量儀器引起的電離程度射線的強度可由測量儀器引起的電離程度來決定來決定,單位是單位是R(倫琴倫琴) 1R輻射強度輻射強度,等于在等于在0及及105Pa壓力下壓力下,在在1cm3空氣中電離引起離子絕對值總和為一個絕對靜空氣中電離引起離子絕對值總和為一個絕對靜電單位。電單位。2021/3/1419(3) 高能高能X射線的獲得射線的獲得 普

14、通普通X射線和射線和射線檢測射線檢測,由于其能量低、穿透由于其能量低、穿透能力差能力差,檢測能力受到限制。檢測能力受到限制。 超過超過100mm厚鋼板不能用一般厚鋼板不能用一般X射線檢測射線檢測,超過超過300mm厚鋼板很難用厚鋼板很難用射線進行檢測。射線進行檢測。 此時可采用加速器產(chǎn)生的高能此時可采用加速器產(chǎn)生的高能X射線檢測射線檢測,例如例如對厚度達對厚度達300500mm的鋼板的鋼板,采用高能采用高能X射線檢射線檢測可獲得滿意結果。測可獲得滿意結果。 2021/3/1420 高能高能X射線是指能量超過射線是指能量超過1000kV的射線的射線,這種高這種高能能X射線都由加速器產(chǎn)生。射線都由

15、加速器產(chǎn)生。 被加速粒子的能量在被加速粒子的能量在1000MeV以上是高能加速以上是高能加速器器,能量在能量在100MeV以下是低能加速器以下是低能加速器,能量在能量在1001000MeV之間是中能加速器。之間是中能加速器。 按加速器種類可以分為電子加速器、質子加速按加速器種類可以分為電子加速器、質子加速器、重離手加速器以及全離子加速器等。器、重離手加速器以及全離子加速器等。2021/3/1421 射線檢測中應用的加速器都是電子加速器射線檢測中應用的加速器都是電子加速器,能能量數(shù)兆電子伏到數(shù)十兆電子伏范圍內量數(shù)兆電子伏到數(shù)十兆電子伏范圍內,一般都在一般都在45MeV以下以下,即用低能電子加速器

16、產(chǎn)生。即用低能電子加速器產(chǎn)生。 檢測對加速器的要求是束流強度大、焦點尺寸檢測對加速器的要求是束流強度大、焦點尺寸小、體積小、重量輕、成本低、操作容易、維護小、體積小、重量輕、成本低、操作容易、維護簡單等。簡單等。 適合工業(yè)無損檢測用加速器適合工業(yè)無損檢測用加速器,主要有電子感應主要有電子感應加速器、電子直線加速器和電子回旋加速器。加速器、電子直線加速器和電子回旋加速器。2021/3/1422(4) 中子射線的獲得中子射線的獲得 中子射線檢測時常根據(jù)不同用途選用不同能中子射線檢測時常根據(jù)不同用途選用不同能量的中子量的中子,如冷中子、熱中子和快中子等。如冷中子、熱中子和快中子等。 中子照相主要是用

17、熱中子中子照相主要是用熱中子,中子源放射出來的中子源放射出來的快中子由于能量高快中子由于能量高,不適合照相不適合照相,需經(jīng)慢化后變成需經(jīng)慢化后變成低能熱中子低能熱中子,由準直器引出。由準直器引出。 目前可供照相用的中子源有核反應堆、加速目前可供照相用的中子源有核反應堆、加速器和放射性同位索器和放射性同位索,常用的為常用的為(锎锎Cf252) 2021/3/1423 (锎锎)Cf252中子源的半衰期中子源的半衰期2.65年年,產(chǎn)額產(chǎn)額2.31012中子中子/s/g,目前價各還很貴。利用目前價各還很貴。利用Cf252可做成可移可做成可移動式中子照相裝置。動式中子照相裝置。 另一種可移動中子裝置另一

18、種可移動中子裝置,核心是與密封管中子核心是與密封管中子發(fā)生器組合在一起的慢化器發(fā)生器組合在一起的慢化器,與與Cf252中子源不同中子源不同之處是可以關閉之處是可以關閉,不運行時無需屏蔽。不運行時無需屏蔽。 國外中子管的中子產(chǎn)額已達國外中子管的中子產(chǎn)額已達1012中子中子/s,完全可完全可以滿足照相的要求。以滿足照相的要求。 2021/3/1424 從中子照相來說從中子照相來說,要求中子射線強度大、射線要求中子射線強度大、射線束質量高、便宜、方便、操作靈活等。束質量高、便宜、方便、操作靈活等。 目前目前,強度大的源是核反應堆強度大的源是核反應堆,但它投資大、笨但它投資大、笨重、無法用于生產(chǎn)現(xiàn)場。

19、重、無法用于生產(chǎn)現(xiàn)場。 而小型加速器、中子管、同位素中子源等雖然而小型加速器、中子管、同位素中子源等雖然靈巧、方便靈巧、方便,但強度總的來說還不夠高。但強度總的來說還不夠高。2021/3/142510-3 射線的衰減特性射線的衰減特性 射線對物質的作用理論上有射線對物質的作用理論上有12種效應種效應,其中其中主要的有主要的有4種種:光電效應、瑞利散射、康普頓效光電效應、瑞利散射、康普頓效應以及電子對生成。應以及電子對生成。 能量較小時、前兩種效應比較重要能量較小時、前兩種效應比較重要,電子對生電子對生成效應僅當能量大于成效應僅當能量大于1MeV時才開始顯著。時才開始顯著。 2021/3/142

20、6 各種效應隨物質原子序數(shù)的不同而改變各種效應隨物質原子序數(shù)的不同而改變,原子原子序數(shù)低效應弱序數(shù)低效應弱,原子序數(shù)高效應強。原子序數(shù)高效應強。 上述幾種效應造成射線能量減弱上述幾種效應造成射線能量減弱,其原因是物其原因是物質對射線的吸收與散射。質對射線的吸收與散射。 射線被吸收時其能量轉變?yōu)槠渌问缴渚€被吸收時其能量轉變?yōu)槠渌问?如熱能如熱能,散射則使射線的傳播方向改變。散射則使射線的傳播方向改變。2021/3/1427(1) 射線的吸收射線的吸收 A 光電效應光電效應 射線通過物質時射線通過物質時,光子與原子相互作用光子與原子相互作用,光子被光子被吸收吸收,原子中的電子被釋放出來原子中的

21、電子被釋放出來,稱為光電子稱為光電子,即光即光電效應。電效應。 當光子的能量處在當光子的能量處在射線的能量范圍時射線的能量范圍時,光電光電效應與原子序數(shù)的關系密切效應與原子序數(shù)的關系密切,原子序數(shù)愈高原子序數(shù)愈高,光電光電效應愈顯著效應愈顯著,光電效應與光子能量的光電效應與光子能量的3次方成反比次方成反比,能量愈高能量愈高,光電效應愈弱。光電效應愈弱。 2021/3/1428 例如能量為例如能量為0.5MeV的的射線通過鉛板時射線通過鉛板時,因光因光電效應的吸收十分顯著電效應的吸收十分顯著,當為當為2MeV時則光電效應時則光電效應很小。很小。 光電效應可產(chǎn)生的特征光電效應可產(chǎn)生的特征X射線射線

22、,稱為熒光稱為熒光X射線射線,產(chǎn)生熒光產(chǎn)生熒光X 射線的最佳條件是光子能量稍大于原射線的最佳條件是光子能量稍大于原手核外電子、如手核外電子、如K層電子的結合能層電子的結合能,能量太大就難能量太大就難以產(chǎn)生熒光以產(chǎn)生熒光X射線。射線。 2021/3/1429B 電子對生成電子對生成 射線通過物質時除產(chǎn)生光電效應外射線通過物質時除產(chǎn)生光電效應外,還有電子還有電子對生成。對生成。 當光子能量大于當光子能量大于1.02MeV時產(chǎn)生電子對時產(chǎn)生電子對,產(chǎn)生產(chǎn)生電子對導致能量減弱的吸收系數(shù)與原子序數(shù)的平電子對導致能量減弱的吸收系數(shù)與原子序數(shù)的平方成正比。方成正比。 光子能量小于光子能量小于1.02MeV時

23、不產(chǎn)生電子對時不產(chǎn)生電子對,因此因此電子對效應主要發(fā)生在高能射線。電子對效應主要發(fā)生在高能射線。2021/3/1430(2) 射線的散射射線的散射 A 康普頓散射康普頓散射 又稱非彈性散射和非干涉散射又稱非彈性散射和非干涉散射,一個光子和一個光子和物質中一個自由電子或束縛較弱的電子發(fā)生碰物質中一個自由電子或束縛較弱的電子發(fā)生碰撞后撞后,光子將一部分能量傳給電子光子將一部分能量傳給電子,波長變長。波長變長。 電子即從原子空間中以與光子初始運動方向電子即從原子空間中以與光子初始運動方向成成角的方向射出。光子則朝著與自己初始方角的方向射出。光子則朝著與自己初始方向成向成角的方向散射角的方向散射,這就

24、稱為康普頓散射。這就稱為康普頓散射。 輕原子中的電子一般束縛較弱輕原子中的電子一般束縛較弱,重原子中的電子重原子中的電子只有外層電子束縛較弱。只有外層電子束縛較弱。 因此因此,原子序數(shù)小的物質原子序數(shù)小的物質,其康普頓散射較強其康普頓散射較強,而原子序數(shù)大的物質則相對較弱。而原子序數(shù)大的物質則相對較弱。 2021/3/1431B 湯姆遜散射湯姆遜散射 湯姆遜散射即彈性散射、干涉散射湯姆遜散射即彈性散射、干涉散射,在美國又在美國又稱為瑞利散射。稱為瑞利散射。 當光子與原子中束縛很緊的電子碰撞時當光子與原子中束縛很緊的電子碰撞時,光子光子將與整個原子之間交換能量將與整個原子之間交換能量,但原子的質

25、量比光但原子的質量比光子大得多。子大得多。 按照彈性力學理論按照彈性力學理論,散射光的頻率不會顯著改散射光的頻率不會顯著改變變,其波長與入射線相同其波長與入射線相同,稱為彈性散射。稱為彈性散射。 湯姆遜散射幾率與原子序數(shù)成正比湯姆遜散射幾率與原子序數(shù)成正比,與入射能與入射能量成反比。量成反比。 湯姆遜散射對原子序數(shù)高的物質和能量低的湯姆遜散射對原子序數(shù)高的物質和能量低的光子來說是最重要的光子來說是最重要的,但它絕不會超過總衰減的但它絕不會超過總衰減的20%,一般不大于一般不大于1%2021/3/1432上述效應隨光子能量的變化如圖所示上述效應隨光子能量的變化如圖所示,被作用物被作用物質為鐵質為

26、鐵,能量能量0.01MeV時光電效應占優(yōu)勢時光電效應占優(yōu)勢,隨光子隨光子能量增加能量增加,光電效應逐步減少光電效應逐步減少,而康普頓效應逐漸而康普頓效應逐漸加大。加大。2021/3/1433光子能量光子能量0.1MeV左右時湯姆遜效應最大左右時湯姆遜效應最大,但其發(fā)但其發(fā)生率不滿生率不滿10%。1MeV左右、左右、X射線衰減基本由射線衰減基本由康普頓效應造成康普頓效應造成,此后電子對效應逐步變大。此后電子對效應逐步變大。2021/3/1434 10MeV左右、電子對效應與康普頓效應作用左右、電子對效應與康普頓效應作用程度相同。大于程度相同。大于10MeV時、電子對效應為主。時、電子對效應為主。

27、2021/3/1435圖中可知圖中可知,在射線能量較低范圍內在射線能量較低范圍內,散亂射線主要散亂射線主要是由湯姆遜效應產(chǎn)生是由湯姆遜效應產(chǎn)生,而在射線能量較高范圍內而在射線能量較高范圍內,散亂射線主要由康普頓效應產(chǎn)生。故對一般射線散亂射線主要由康普頓效應產(chǎn)生。故對一般射線檢測檢測,康普頓效應是主要的?？灯疹D效應是主要的。2021/3/1436 康普頓散射系數(shù)與湯姆遜散射系數(shù)之和稱為散康普頓散射系數(shù)與湯姆遜散射系數(shù)之和稱為散射系數(shù)射系數(shù),總的衰減系數(shù)總的衰減系數(shù)為散射系數(shù)與吸收系為散射系數(shù)與吸收系數(shù)數(shù)()之和。之和。 線衰減系數(shù)不是常數(shù)線衰減系數(shù)不是常數(shù),與射線能量有關。同時與射線能量有關。同

28、時也與物質質量成正比也與物質質量成正比,質量衰減系數(shù)為質量衰減系數(shù)為m2021/3/1437 當一束平行的強度為當一束平行的強度為I0的單色射線的單色射線,透過厚度為透過厚度為d的一層均勻物質時的一層均勻物質時,射線強度的衰減將遵循以下射線強度的衰減將遵循以下規(guī)律規(guī)律由于散射線的存在由于散射線的存在,透過厚度為透過厚度為d物質時物質時,除透射線除透射線外外,還要加上物體內部散射線強度。還要加上物體內部散射線強度。ddeII02021/3/1438因此因此,其衰減規(guī)律如下式所示其衰減規(guī)律如下式所示 式中式中n為散射比為散射比,它是射線透過工件后散射線它是射線透過工件后散射線劑量與透射線劑量之比。

29、劑量與透射線劑量之比。 影響散射比的因素有焦距、照射場大小、射影響散射比的因素有焦距、照射場大小、射線性質和工件厚度等。線性質和工件厚度等。ddenII102021/3/1439例如例如,X射線照相時射線照相時 對鋼對鋼n0.09T (T25mm) 對鋁對鋁n0.035T (T50mm) Irl92-射線照相時射線照相時 對鋼對鋼n0.075T (T70mm) Co60-射線照相時射線照相時 對鋼對鋼n0.047T (T160mm) 2021/3/1440 有時需要直觀地表示射線的穿透力有時需要直觀地表示射線的穿透力,通常用半通常用半值厚度值厚度d1/2 (或半衰減層或半衰減層)來表示射線強度

30、衰減一來表示射線強度衰減一半的物質厚度。半的物質厚度。 因此因此2/10021deII693. 02/1d2021/3/1441 一定波長的射線一定波長的射線,對一定物質具有恒定的半值層對一定物質具有恒定的半值層,如如Co60-射線在鐵中的半值層為射線在鐵中的半值層為17.5mm 因此一次射線通過因此一次射線通過17.5mm層后強度減一半層后強度減一半 第第2個個17.5mm層后即余下最初強度的層后即余下最初強度的25%2021/3/1442光子能量光子能量100400keV的的X射線射線,在鋁、鐵、銅中在鋁、鐵、銅中的半值層如表的半值層如表3-2所示。所示。2021/3/1443 不同波長的

31、射線具有不同的衰減系數(shù)不同波長的射線具有不同的衰減系數(shù),這對檢這對檢測來說使問題復雜化測來說使問題復雜化,因此需使連續(xù)因此需使連續(xù)X射線的波長射線的波長均勻化。均勻化。 就是使就是使X射線經(jīng)過一定厚度的物質、把波長較射線經(jīng)過一定厚度的物質、把波長較長的部分吸收掉長的部分吸收掉,剩下的就是波長較短且很接近剩下的就是波長較短且很接近的的X射線射線,可以認為具有相同的吸收系數(shù)?？梢哉J為具有相同的吸收系數(shù)。 另外另外, ,射線差不多都接近于單色射線差不多都接近于單色,即有一恒定即有一恒定的衰減系數(shù)。的衰減系數(shù)。2021/3/1444 當具有一定能量的帶電粒子穿透物質時當具有一定能量的帶電粒子穿透物質時

32、,在在它們經(jīng)過的路程上就會產(chǎn)生電離作用它們經(jīng)過的路程上就會產(chǎn)生電離作用,形成許多離形成許多離子對子對,電離作用是帶電粒子和物質相互作用的主要電離作用是帶電粒子和物質相互作用的主要形式。形式。 粒子（射線）由于能量、質量和帶電量大粒子（射線）由于能量、質量和帶電量大,故電離作用最強故電離作用最強,但射程但射程( (帶電粒子在物質中穿行帶電粒子在物質中穿行時、能量耗盡前所經(jīng)過的直線距離時、能量耗盡前所經(jīng)過的直線距離) )較短。較短。 粒子質量小粒子質量小,電離能力比同樣能量的電離能力比同樣能量的粒子要粒子要弱弱,由于由于粒子易于散射粒子易于散射,所以其行程是彎曲的。所以其行程是彎曲的。 2)電離作

33、用電離作用粒子幾乎沒有直接的電離作用。粒子幾乎沒有直接的電離作用。2021/3/1445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; J 輻射源的強度輻射源的強度; C 輻射源強度為輻射源強度為1Ci時時,每秒放射出的粒子每秒放射出的粒子數(shù)。數(shù)。 在輻射線的電離作用下在輻射線的電離作用下,每秒鐘產(chǎn)生的離子每秒鐘產(chǎn)生的離子對的總數(shù)對的總數(shù),即離子對形成的頻率可出下式表示即離子對形成的頻率可出下式表示:JCEEfde 212021/3/1446 核輻射與物質的相互作用是核輻射傳感器檢核輻射與物質的相互作用是核輻射傳感器檢測物理量的基礎。利用電離、吸收和反射作用以測

34、物理量的基礎。利用電離、吸收和反射作用以及及、和和X射線的特性可以檢測多種物理量。射線的特性可以檢測多種物理量。常用電離室、氣體放電計數(shù)管、閃爍計數(shù)器和半常用電離室、氣體放電計數(shù)管、閃爍計數(shù)器和半導體檢測核輻射強度導體檢測核輻射強度,分析氣體分析氣體,鑒別各種粒子等。鑒別各種粒子等。 1）電離室）電離室 利用電離室測量核輻射強度的示意圖見下圖。利用電離室測量核輻射強度的示意圖見下圖。在電離空兩側的互相絕緣的電極上在電離空兩側的互相絕緣的電極上,施加極化電壓施加極化電壓,使兩極板間形成電場。在射線作用下使兩極板間形成電場。在射線作用下,兩極板間的兩極板間的氣體被電離氣體被電離,形成正離子和電子形

35、成正離子和電子,帶電粒子在電場作帶電粒子在電場作用下定向運動形成電流用下定向運動形成電流 I,在外接電在外接電 10-4、核輻射傳感器、核輻射傳感器2021/3/1447太一樣太一樣, ,由于由于射線不直接產(chǎn)生電離射線不直接產(chǎn)生電離, ,因而只能利因而只能利用它的反射電子和增加室內氣壓來提高用它的反射電子和增加室內氣壓來提高光子與光子與物質作用的有效性物質作用的有效性, ,因此因此, ,射線的電離室必須密射線的電離室必須密閉。閉。阻上便形成壓降。電流阻上便形成壓降。電流 I 與氣體電離程度成正比與氣體電離程度成正比,電離程度又正比于射線輻射強度電離程度又正比于射線輻射強度,因此因此,測量電阻測

36、量電阻 R 上的電壓值就可得到核輻射強度。上的電壓值就可得到核輻射強度。 電離室主要用于電離室主要用于探測探測、粒子。電粒子。電離室的窗口直徑約離室的窗口直徑約100mm左右左右, ,不必太不必太大。大。射線的電離室射線的電離室同同、的電離室不的電離室不2021/3/1448 2）蓋格計數(shù)管）蓋格計數(shù)管 蓋革計數(shù)器是根據(jù)射線對氣體的電離性質蓋革計數(shù)器是根據(jù)射線對氣體的電離性質設計成的。其探測器（稱設計成的。其探測器（稱“蓋革管蓋革管”）的通常結）的通常結構是在一根兩端用絕緣物質密閉的金屬管內充入構是在一根兩端用絕緣物質密閉的金屬管內充入稀薄氣體（通常是摻加了鹵素的稀有氣體稀薄氣體（通常是摻加了

37、鹵素的稀有氣體,如氦、如氦、氖、氬等）氖、氬等）,在沿管的軸線上安裝有一根金屬絲在沿管的軸線上安裝有一根金屬絲電極電極,并在金屬管壁和金屬絲電極之間加上略低并在金屬管壁和金屬絲電極之間加上略低于管內氣體擊穿電壓于管內氣體擊穿電壓的電壓。的電壓。2021/3/1449 這樣這樣,在通常狀態(tài)下在通常狀態(tài)下,管內氣體不放電管內氣體不放電;而當而當有高速粒子射入管內時有高速粒子射入管內時,粒子的能量使管內氣體粒子的能量使管內氣體電離導電電離導電,在絲極與管壁之間產(chǎn)生迅速的氣體放在絲極與管壁之間產(chǎn)生迅速的氣體放電現(xiàn)象電現(xiàn)象,從而輸出一個脈沖電流信號。從而輸出一個脈沖電流信號。 通過適當?shù)剡x擇加在絲極與管

38、壁之間的電通過適當?shù)剡x擇加在絲極與管壁之間的電壓壓,就可以對被探測粒子的最低能量就可以對被探測粒子的最低能量,從而對其種從而對其種類加以甄選。類加以甄選。 蓋革計數(shù)器也可以用于探測蓋革計數(shù)器也可以用于探測射線射線,但由于但由于蓋革管中的氣體密度通常較小蓋革管中的氣體密度通常較小,高能高能射線往往射線往往在未被探測到時就已經(jīng)射出了蓋革管在未被探測到時就已經(jīng)射出了蓋革管,因此其對因此其對高能高能射線的探測靈敏度較低。在這種情況下射線的探測靈敏度較低。在這種情況下,碘化鈉閃爍計數(shù)器則有更好的表現(xiàn)。碘化鈉閃爍計數(shù)器則有更好的表現(xiàn)。 2021/3/1450歷史歷史 蓋革計數(shù)器最初是在蓋革計數(shù)器最初是在1

39、908年由德國物理年由德國物理學家漢斯學家漢斯蓋革和著名的英國物理學家盧瑟福在蓋革和著名的英國物理學家盧瑟福在粒子散射實驗中粒子散射實驗中,為了探測為了探測粒子而設計的。粒子而設計的。后來在后來在1928年年,蓋革又和他的學生米勒蓋革又和他的學生米勒（Walther Mller）對其進行了改進）對其進行了改進1,使其可使其可以用于探測所有的電離輻射。以用于探測所有的電離輻射。 1947年年,美國人美國人Sidney H. Liebson在其博士學位研究中又對在其博士學位研究中又對蓋革計數(shù)器做了進一步的改進蓋革計數(shù)器做了進一步的改進,使得蓋革管使用使得蓋革管使用較低的工作電壓較低的工作電壓,并且

40、顯著延長了其使用壽命。并且顯著延長了其使用壽命。這種改進也被稱為這種改進也被稱為“鹵素計數(shù)器鹵素計數(shù)器”。 蓋革計數(shù)蓋革計數(shù)器因為其造價低廉、使用方便、探測范圍廣泛器因為其造價低廉、使用方便、探測范圍廣泛,至今仍然被普遍地使用于核物理學、醫(yī)學、粒至今仍然被普遍地使用于核物理學、醫(yī)學、粒子物理學及工業(yè)領域。子物理學及工業(yè)領域。 2021/3/1451 蓋格計數(shù)管的特性曲線如下圖所示。蓋格計數(shù)管的特性曲線如下圖所示。J1、J2代表入射的核輻射強度代表入射的核輻射強度, ,J1J2。由圖可知由圖可知, ,在外在外電壓電壓U相同的情況下相同的情況下, ,入射的核輻射強度越強入射的核輻射強度越強, ,蓋

41、蓋格計數(shù)管內嚴生的脈沖格計數(shù)管內嚴生的脈沖N越多。蓋格計數(shù)管常用越多。蓋格計數(shù)管常用于探測于探測射線和射線和粒子的輻射量粒子的輻射量(強度強度)。 2021/3/1452 閃爍計數(shù)管由閃爍晶體閃爍計數(shù)管由閃爍晶體( (受激發(fā)光物體受激發(fā)光物體, ,常有常有氣體、液體和固體三種氣體、液體和固體三種, ,分為有機和無機兩類分為有機和無機兩類) )和和光電倍增管組成光電倍增管組成, ,如下圖所示。當輻射照射到閃如下圖所示。當輻射照射到閃爍晶體上爍晶體上, ,便激發(fā)出微弱的閃光便激發(fā)出微弱的閃光, ,閃光射到光電倍閃光射到光電倍增管上（由于增管上（由于閃閃光很微弱光很微弱, ,必須使用光電倍增管必須使

42、用光電倍增管才會有光電流輸出）才會有光電流輸出）, ,就會在其陽極形成脈沖電就會在其陽極形成脈沖電流流, ,從而得到與核輻射有關的電信號。從而得到與核輻射有關的電信號。 3）閃爍計數(shù)管）閃爍計數(shù)管2021/3/1453 核輻射傳感器除了用于核輻射的測量外核輻射傳感器除了用于核輻射的測量外,也也能用于氣體分析、流量、物位、重量、溫度、探能用于氣體分析、流量、物位、重量、溫度、探傷以及醫(yī)學等方面。傷以及醫(yī)學等方面。 1核輻射流量計核輻射流量計 核輻射流量計可以檢測氣體和液體在管道中核輻射流量計可以檢測氣體和液體在管道中的流量的流量,其工作原理如下圖所示。若測量氣體的流其工作原理如下圖所示。若測量氣

43、體的流量量,在氣流管壁上裝有如圖所示的兩個活動電極在氣流管壁上裝有如圖所示的兩個活動電極,其一的內側面涂覆有放射性物質構成的電離室。其一的內側面涂覆有放射性物質構成的電離室。當氣體流經(jīng)兩電極間時當氣體流經(jīng)兩電極間時,由于核輻射使被測氣體電由于核輻射使被測氣體電離離,產(chǎn)生電離電流產(chǎn)生電離電流;電離子一部分被流動的氣體帶電離子一部分被流動的氣體帶出電離室出電離室,電離電流減小。電離電流減小。10-5 核輻射傳感的應用舉例核輻射傳感的應用舉例2021/3/1454隨著氣流速度的增加隨著氣流速度的增加,帶出電離室的離子數(shù)增加帶出電離室的離子數(shù)增加,電離電流也隨之減小。當外加電場電離電流也隨之減小。當外

44、加電場定定,輻射強輻射強度恒定時度恒定時,離離子遷移率基本是固子遷移率基本是固定的定的,因此因此,可以可以比較準確地測出氣比較準確地測出氣體流量。體流量。 若在流動的液若在流動的液體中體中, ,摻入少量放摻入少量放射性物質射性物質, ,也可以也可以運用放射性同位素運用放射性同位素跟蹤法求取液體流跟蹤法求取液體流量。量。 2021/3/1455 核輻射測核輻射測厚儀是利用射厚儀是利用射線的散射與物線的散射與物體厚度的關系體厚度的關系來測量物體厚來測量物體厚度的。度的。 圖是利用圖是利用差動和平衡變差動和平衡變換原理測量鍍換原理測量鍍錫鋼帶鍍錫層錫鋼帶鍍錫層的厚度測量儀。的厚度測量儀。1-錫層 2

45、放射源 3、4-電離室 5-擋板 6-電機 7-滾子 8-輔助放射源 9-鋼帶 2核輻射測厚儀核輻射測厚儀2021/3/1456 圖中圖中3、4為兩個電離室、電離室外殼加上極為兩個電離室、電離室外殼加上極性相反的電壓性相反的電壓, ,形成相反的柵極電流使電阻形成相反的柵極電流使電阻R上上的壓降正比于兩電離室輻射強度的差值。電離的壓降正比于兩電離室輻射強度的差值。電離室室3的輻射強度取決于輻射源的輻射強度取決于輻射源2的放射線經(jīng)鍍錫鋼帶的放射線經(jīng)鍍錫鋼帶鍍錫層后的反向散射鍍錫層后的反向散射,電離室電離室4的輻射強度取決于的輻射強度取決于8的輻射線經(jīng)擋板的輻射線經(jīng)擋板5位置的調制程度。利用位置的調

46、制程度。利用R上的上的電壓電壓, ,經(jīng)過放大后經(jīng)過放大后, ,控制電機轉動、以此帶動擋板控制電機轉動、以此帶動擋板5位移位移, ,使電極電流相等。用檢測儀表測出擋板的使電極電流相等。用檢測儀表測出擋板的位移量位移量, ,即可測量鍍錫層的厚度。即可測量鍍錫層的厚度。 2021/3/14574,多相流檢測多相流檢測2021/3/14582021/3/1459準直孔銀片透射窗Am241托盤2021/3/1460光源頭部截面第一組掃描第二組掃描第三組掃描檢測器圖光層析成像的結構示意 X 5, x 射線層析成像（射線層析成像（CT）原理原理 CT的完整拼寫是的完整拼寫是:Computerized Tom

47、ography。依據(jù)的是雷當依據(jù)的是雷當( (Radon) )變換變換 ABdYyxfXp直線),(),( 吸收率分布吸收率分布2021/3/14616 射線實時檢測技術射線實時檢測技術 當前工業(yè)用當前工業(yè)用X射線檢測主要是照相法射線檢測主要是照相法,照相法照相法比較成熟比較成熟,但費時、費錢。但費時、費錢。 為了進一步提高檢測效率為了進一步提高檢測效率,滿足工業(yè)生產(chǎn)中大滿足工業(yè)生產(chǎn)中大批量產(chǎn)品的質量檢測批量產(chǎn)品的質量檢測,實現(xiàn)自動化流水作業(yè)實現(xiàn)自動化流水作業(yè),有必有必要發(fā)展要發(fā)展X射線實時檢測技術。射線實時檢測技術。 工業(yè)工業(yè)X射線實時檢測技術射線實時檢測技術,是通過熒光屏把它是通過熒光屏把

48、它轉換成可見光圖象轉換成可見光圖象,但熒光屏上可見光圖象亮度但熒光屏上可見光圖象亮度很低很低,必須經(jīng)過圖象增強器后進行攝象。必須經(jīng)過圖象增強器后進行攝象。 2021/3/1462工業(yè)工業(yè)X射線實時檢測技術裝置主要由射線實時檢測技術裝置主要由4部分部分,X射射線源、圖象增強器、電視攝象機和接收機線源、圖象增強器、電視攝象機和接收機2021/3/1463 圖象增強器將輸入的圖象增強器將輸入的X射線圖象轉換為可見射線圖象轉換為可見光熒光圖象光熒光圖象,并使其亮度增強并使其亮度增強1萬倍以上。萬倍以上。 圖象經(jīng)適當?shù)墓鈱W系統(tǒng)圖象經(jīng)適當?shù)墓鈱W系統(tǒng),被攝象機錄影后顯示被攝象機錄影后顯示在顯象監(jiān)視器上。在顯

49、象監(jiān)視器上。2021/3/1464 配用配用X射線實時檢測射線實時檢測X射線機要求焦點小、軟射線機要求焦點小、軟X射線少射線少(設鈹窗口設鈹窗口),以便大大提高圖象的清晰以便大大提高圖象的清晰度和分辨能力。度和分辨能力。 另一個提高檢測靈敏度的措施是提高圖象的另一個提高檢測靈敏度的措施是提高圖象的放大率放大率,當然前提是射線源的焦點要小。當然前提是射線源的焦點要小。2021/3/1465中子射線檢測中子射線檢測 中子射線檢測是國外中子射線檢測是國外70年代發(fā)展起來的一項年代發(fā)展起來的一項新技術新技術,是是X射線檢測和射線檢測和射線檢測的一種補充射線檢測的一種補充,具有下列特點具有下列特點 A)

50、 對于高原子序數(shù)的材料比對于高原子序數(shù)的材料比X射線和射線和射線的射線的穿透能力大穿透能力大 B) 對于相鄰原子序數(shù)的材料比對于相鄰原子序數(shù)的材料比X射線和射線和射線射線的分辨能力強的分辨能力強 2021/3/1466 C) 一些輕材料和某些特定材料對中子的吸收能一些輕材料和某些特定材料對中子的吸收能力比重元素大力比重元素大 D) 對某些元素的同位素敏感對某些元素的同位素敏感 E) 可以在強的輻射場可以在強的輻射場(X射線射線,射線射線)中工作中工作2021/3/1467 X射線和射線和射線的質量吸收系數(shù)隨原子序數(shù)射線的質量吸收系數(shù)隨原子序數(shù)增加而增加增加而增加,而中子質量吸收系數(shù)則復雜而中子

51、質量吸收系數(shù)則復雜,通常是通常是隨原子序數(shù)增加而減少。隨原子序數(shù)增加而減少。 可以利用中子照相來解決可以利用中子照相來解決X射線和射線和射線難以射線難以解決的一些問題解決的一些問題,互相配合使用互相配合使用,取長補短。取長補短。 2021/3/1468中子照相有以下兩種方法中子照相有以下兩種方法 A) 直接曝光法直接曝光法 轉換屏材料可為鋰、硼、鎘、釓等轉換屏材料可為鋰、硼、鎘、釓等,最常用的是最常用的是釓。在中子射線的照射下釓。在中子射線的照射下,放出瞬間低能粒子使放出瞬間低能粒子使膠片感光。這種方法速度快、分辨力好。膠片感光。這種方法速度快、分辨力好。2021/3/1469B) 間接曝光法

52、間接曝光法轉換材料采用銦、鏑、銀等轉換材料采用銦、鏑、銀等,應用最多的是銦和應用最多的是銦和鏑。在中子照射下鏑。在中子照射下,屏上形成有一定壽命的放射屏上形成有一定壽命的放射核存在潛像核存在潛像,被照后屏的兩邊夾上膠片被照后屏的兩邊夾上膠片,在暗盒里在暗盒里使膠片感光。該方法使膠片感光。該方法,當被照物有強的放射性或當被照物有強的放射性或中子束中有很強的中子束中有很強的射線時很適用。射線時很適用。2021/3/1470 中子射線檢測的局限性主要在于射線源。從中子射線檢測的局限性主要在于射線源。從中子照相來說中子照相來說,要求中子射線強度大、射線束質要求中子射線強度大、射線束質量高、便宜量高、便宜,方便、操作靈活等。方便、操作靈活等。 但從目前的射線源來