核輻射探測技術

1、第一題：推導1R=2.58×10-4 C/Kg倫琴的定義：射線通過0.001293 g空氣，因電離產生正負離子各一個靜電單位的電量，那么這些空氣的吸收劑量為1R。一個靜電單位的電量=3.3364×10-10 C所以1R= 3.3364×10-100.001293C/Kg第二題：論述照射量X與吸收劑量D之間的關系與表達式照射量為單位質量的空氣中產生的電荷量，即：X=dQdm吸收劑量為單位質量介質中的平均授予能，即：D= ddm照射量只能作為X或射線輻射場的量度，描述電離輻射在空氣中的電離本領；吸收劑量則可以用于任何類型的電離輻射，反映被照介質吸收輻射能量的程度。對于

2、同種類，同能量的射線和同一種被照物質來說，吸收劑量和照射量成正比。吸收劑量和照射量如果在介質中某點m處引入小空腔，在m點中的照射量為X，吸收劑量和照射量的關系為：D=fx·X fx為由照射量到吸收劑量的轉換因子為33.85Gy·kg/c第三題:如何測量出1倫琴的X射線氣體探測器包括電離室，正比計數(shù)器和G-M計數(shù)器等。他們雖是比較早期的核輻射探測器，但由于它具有其它類型探測器不能取代的結構簡單、性能穩(wěn)定、價格低廉、適應較寬的溫度范圍等特點，至今仍有廣泛應用。由于電離室，正比計數(shù)器和G-M計數(shù)器把核輻射轉變?yōu)殡娦盘柕奈锢磉^程都是探測器內充特定氣體的特定體積中進行的，所以它們統(tǒng)稱

3、氣體探測器。氣體探測器是利用收集輻射射線與氣體相互作用產生的電離電荷來探測輻射的探測器。通常是由高壓電極和收集電極組成，電離電荷在收集極積累，在輸出回路中形成電離電流，以電流的大小反應輻射射線的能量和強度。電離：入射帶電粒子通過氣體時，由于與氣體分子的電離碰撞而逐次損失能量，最后被阻止下來，碰撞使氣體分子電離或激發(fā)，并在粒子通過的路徑上生成大量的離子對（電子和正離子）。電離過程包括入射粒子直接與氣體分子碰撞引起的電離（初電離）以及由碰撞打出的高速電子所引起的電離（次電離）。一、氣體原子的電離和激發(fā)帶電粒子使氣體原子電離而形成電子和正離子對的現(xiàn)象稱為氣體的電離。電離出來的電子稱為次級電子，它們具

4、有不同的動能，其中一些能量較大的電子還可以使氣體分子電離。大量的實驗表明：在相當大的能量范圍內，入射粒子在氣體中產生的總電離粒子對數(shù)目N與它在氣體中損失的能量E成正比，即： N=E/WW為平均電離能，它表示入射粒子在氣體中產生一對離子對所平均消耗的能量。二、離子對的漂移：外電場中，電子和正離子從電場中獲得了定向的加速度，它們分別向兩電極運動。（電子的漂移速度一般比離子的大1000倍，因為電子的平均自由程（相鄰兩次碰撞之間的平均距離）比離子的大數(shù)倍，而質量又比離子的小很多。電子的漂移速度對組成氣體的成分非常敏感。）雖然它們運動時與氣體分子碰撞而減速，但在電場中獲得能量而加速，所以這種定向的漂移運

5、動才能形成電流。外部的直流電壓源在氣體探測器內部產生電場，電場強度的數(shù)值隨著直流電壓的增大而增大。被收集到氣體探測器內的電子數(shù)目是否與工作氣體中產生的N對離子對的數(shù)目相同呢？時間證明，并不正好等于N，而是隨著外加直流電壓V數(shù)值而變化，如下圖所示。 收集的電荷數(shù)與外加電壓的關系三、氣體電離室原理介紹：氣體電離室是最早出現(xiàn)的氣體探測器。它的工作特點是：收集入射粒子在電離室中形成的全部離子對，外加電場使其既不產生復合也不發(fā)生氣體放大。按照工作方式分為兩類：脈沖電離室：記錄單個入射粒子引起的電脈沖信號，脈沖工作方式。電流電離室：記錄大量入射粒子在單位時間內產生的平均電離電流。還有一種是記錄一定時間內大

6、量入射粒子產生的總累計電荷量，稱為累計電離室。脈沖電離室是電離室的本征電流信號通過電離室的外部負載電路產生一個電脈沖信號，再送到電信號處理一起進行處理。而電流電離室是把一段時間內大量的本征電流信號累加起來得到一個慢變化的電流信號，再由儀器處理。 平行板電離室 圓柱型電離室上圖為平行板電離室和圓柱型電離室。對圓柱型電離室而言，其金屬外殼本身即為一電極，兩電極之間用絕緣體隔開。而平行板電離室則需密封在一固定的容器內。保護極接地，使其點位與收集電極相同，以保證高壓電極和收集電極之間不產生漏電流，同時也保持了收集電極邊緣處電場的均勻性，限定了電離室的有效體積。實際使用時，在兩電極上加工作電壓，當射線射

7、入電離室內，使其工作氣體電離，于是電子和正離子在外電場作用下分別向兩極漂移，從而產生本征電流信號。四、與X射線的劑量測量1.自由空氣電離室z離開薄層造成的電離損失正好被進入層內的電子所得到的增益電離所補償。當具有固定截面的平行X射線束沿Z方向穿過空氣時，離開輻射源足夠遠的距離處，X射線和次級電子之間將沿Z軸達到平衡，即有多少電子產生在Z層內，就有同樣多少數(shù)量的電子終止于該層內。借助于收集和測量在已知厚度的空氣層內所產生的電離，就能計算出在單位體積空氣內由于射線和空氣的相互作用而產生的電離。因此就可以計算以倫琴為單位的照射劑量。自由空氣電離室是一種與大氣相通的電離室，主要用于照射量和空氣比釋動能

8、的絕對測量，用作標準電離室。自由空氣電離室由高壓極、收集極、保護極、保護環(huán)、光闌和屏蔽外殼組成，其中有效測量體積和收集區(qū)如圖。e1為電子損失修正，p2為散射光子，e2為散射光子修正。電離室的電極板與測量體積邊緣的垂直距離大于次級電子的最大量程，保證測量體積內產生的次級電子，在電荷收集體積內損失其全部能量，以便將X射線限制在遠離電離室電極的區(qū)域，使得在靈敏體積內產生的次級電子不能到達高壓極和收集-保護極。光闌（由重金屬鎢或金做成）準確的確定了X射線束的截面。射線在充空氣的容器內的一對平行板之間通過。上板比下板電壓高。下板由三部分組成中心部位的收集電極和兩邊的保護板。上下板的電勢差所產生的電場使得

9、產生在圖中虛線區(qū)域內的一種符號的全部離子移向收集電極。這種方法收集到的電量可借助于一個靈敏測量系統(tǒng)測定出來。 R=Q/AL*（0.001293/） 倫琴Q是電離室內收集到的電量，單位為靜電單位；A是光闌的面積，cm²；L是收集電極的寬度，cm。大多數(shù)自由空氣電離室金屬板的距離約為1030cm，適用于一般的X射線（50-300kv）范圍內。五、測量照射量和吸收劑量的小空腔電離室自由空氣標準電離室是國家基準計量裝置。但隨著X或射線能量增大，次級電子射程將很長，為滿足電子平衡條件，將要求這種標準電離室尺寸做得很大，這在技術上有很多困難。因此，采用小空腔電離室來做測量照射量的刻度標準儀器。布

10、拉格-戈瑞公式： mEw=Jg·Wg·mSw/mSg其中mEw為單位質量介質所吸收的能量； Jg為介質中空腔內單位質量氣體所形成的離子對數(shù)； Wg為空腔內氣體中形成每個離子對所消耗的平均能量； mSw/mSg為介質對氣體的電子的質量碰撞阻止本領比值。上式成立的條件是：在空腔氣體中產生電離的全部電子都是在包圍空腔的介質內產生的，因而空腔的存在不會扭歪電子的注量。以布拉格-戈瑞理論為依據(jù)的空腔電離室目前廣泛用于測量射線和X射線的照射量和吸收劑量。這種空腔電離室如下圖所示： 球形空腔 圓柱型空腔空腔電離理論指出，為了測量照射量，可以使用任何壁材料和任何氣體，只需要知道它們的阻止本

11、領比值和在該氣體中形成每個離子對所需要的平均能量。如果電離室的壁材料是碳，那么單位質量空氣所吸收的能量為：mEa= mEc·(men)a/ (men)c其中men為質量能量吸收系數(shù)，并有 mEw=Jg·Wg·（mSw/mSg）·(men)a/ (men)c）如果在空腔內的氣體為空氣，角標g就代表空氣。推導出的照射量計算公式為：X（R）=1/2.58×10-4·QaV·（mSw/mSg）·(men)a/ (men)c）·Ki其中1/2.58×10-4為由一個倫琴在千克空氣中所產生的庫侖數(shù)；Qa為測

12、得的電荷（C）；V為電離室的體積（m3）;為測量時的空氣密度（kg/m2）Ki為需要對實驗條件下測得的電荷量加以校正的全部因子的乘積。第四題:論述137CS0.661Mev射線源在NaI（TI）閃爍探測器譜儀上形成的射線譜射線光子是不帶電的，它通過物質時不能直接使物質產生電離或激發(fā)。射線的探測主要依賴于使射線光子進行一次相互作用，將全部或部分光子能量傳遞給吸收物質中的一個電子。該電子的最大能量等于入射光子的能量。一、閃爍探測器測量能譜的原理 閃爍探測器是由閃爍體、光的收集部件和光電轉換器件組成的輻射探測器。當粒子進入閃爍體，閃爍體的原子或分子受激，受激原子退激而發(fā)出波長在可見波段的熒

13、光。光的收集部件使熒光盡量多地射到光電轉換器件的光敏層上并打出光電子。這些光電子可直接或經過倍增后，由輸出級收集而形成電脈沖?，F(xiàn)代的閃爍探測器由光電倍增管和閃爍體結合起來。  NaI（Tl）閃爍探測器1、 閃爍體的發(fā)光機制 閃爍體的種類很多，按其化學性質不同可分為無機晶體閃爍體和有機閃爍體。有機閃爍體包括晶體閃爍體、液體閃爍體和塑料閃爍體等。 最常用的無機晶體是NaI（Tl）閃爍體。碘化鈉晶體在價帶和導帶之間有比較寬的禁帶，如有帶電粒子進人到閃爍體中，將引起電離或激發(fā)，可能有電子從價帶激發(fā)到導帶或激發(fā)到激帶，然后這些電子再退激到價帶。退激的過程中可能發(fā)射光子，這種

14、光子可能被晶體吸收而不能被探測到，為此要在晶體中摻入少量的雜質原子（激活原子），碘化鈉晶體中摻入鉈原子，其作用是可以在低于導帶和激帶的禁帶中形成一些雜質能級。這些雜質原子會捕獲一些自由電子或激子到達雜質能級上，然后以發(fā)光的形式退激到價帶，這就形成了閃爍過程的發(fā)光，而這種光因能量小于禁帶寬度而不再被晶體吸收，不再會產生激發(fā)或電離。這說明只有加入少量激活雜質的晶體，才能成為實用的閃爍體。  2、 射線與物質的相互作用 測量射線的強度和能量。前提條件：假定光子進入探測器是一個一個的，兩個光子之間的時間間隔足夠長，至少應大于探測器的分辨時間或射線測量儀的分辨時間。射線光子

15、與物質原子相互作用的機制主要有以下三種方式：光電效應、康普頓效應與電子對效應。根據(jù)射線與物質相互作用的過程推出由每一種效應得到的次級電子的能量及數(shù)目。探測器的輸出脈沖幅度與次級電子的能量成正比。對于低能射線與重物質（原子序數(shù)大），主要發(fā)生光電效應。對于高能射線與重物質，主要發(fā)生電子對效應。對中等能量的射線，在各種介質中，主要發(fā)生康普頓效應。I.光電效應hv E dNdE入射光子與物質中原子的束縛電子相互作用時，光子可以把全部能量轉移給某個束縛電子，使電子脫離原子束縛而發(fā)射出去，光子本身消失。發(fā)射出去的電子稱為光電子，這種過程稱為光電效應。原子內層電子脫離原子后形成空穴，外部殼層的電子會填補空穴

16、并發(fā)出特征X射線。這種X射線在閃爍體內很容易再發(fā)生光電效應。發(fā)生光電效應的幾率隨原子序數(shù)的增加而增大，隨入射射線能量的增大而減小。 只有光電效應產生的能譜II.康普頓效應康普頓效應發(fā)生在束縛得最松的外層電子上，是g光子與原子的核外電子發(fā)生非彈性碰撞，光子把部分能量轉移給電子使其從原子內部反沖出來（成為反沖電子），而能量降低了的光子沿著與原來運動方向不同的角度散射出去。散射光子和反沖電子的能量分配依賴于散射角：反沖電子(次級電子)動能為： ECE1+12E（1-cos）散射角=0時，反沖電子的能量很小，而散射光子的能量最大，與入射射線的能量幾乎相等。散射角=時。入射射線朝它的原方向反散射，而反沖

17、電子卻沿著入射方向反沖，反沖電子獲最大能量。一般情況下，所有散射角在探測器中都會出現(xiàn)，入射光子傳遞給反沖電子的能量連續(xù)，能量分布介于0到最大能量之間。E 入射光子能量與最大反沖電子能量差：III.電子對效應 當大于等于1.02Mev的光子有可能在原子核的庫侖場作用下轉化成為一個正電子和一個負電子，光子本身消失，這個過程為電子對效應。當正電子的速度接近于零時，與附近原子中的電子發(fā)生相互作用，轉化成兩個光子，這種現(xiàn)象稱之為電子對的湮滅。湮滅時放出的光子叫湮滅輻射。由于湮滅時，正負電子的動能為零，所以總動量為零。從而湮滅時產生的兩個0.51Mev光子的動量相同，且飛向相反的方向。根據(jù)能量守恒定律，產

18、生電子對效應的光子能量必須要大于1.02Mev。若入射射線能量超過了這個值，則過剩的能量將以正負電子對均分的動能形式出現(xiàn)。射線響應過程當射線能量低于1.02Mev時，能譜中只有康普頓效應產生的康普頓連續(xù)譜和光電效應產生的光電峰。光電吸收和單次康普頓散射產生的能譜當入射射線能量足夠高(幾個MeV)，那么電子對生成的效果在電子能譜中也是明顯的。只有負電子和正電子的動能被積存下來，而湮沒輻射逃逸掉了，其在低于光電峰 1.02MeV的能譜位置上疊加一個雙逃逸峰。若只湮滅輻射產生的光子逃逸掉一個，則在能譜上比全能峰低0.51Mev能量處產生單逃逸峰。光電峰不都是由光電效應的次級電子產生的，還有康普頓效應

19、和電子對效應的貢獻。所以稱之為“全能峰”。NaI閃爍體的脈沖形成時間是s量級，因此全能峰中心位置與光電峰中心位置一致，對應于入射粒子的全部能量。入射射線能量較高時電子對效應產生的雙逃逸峰低、中能的射線能譜仍是由康普頓連續(xù)譜和全能峰組成。在中能區(qū)域，多次康普頓散射后產生散射光子，導致多次反沖電子的總能量在探測器中沉淀有可能大于單次散射的最大值。這些多次散射事件可能部分地填充在康普頓邊緣和全能峰之間的空隙。 低、中能的射線能譜3.探測器尺寸的影響：有些次級電子不能把所有能量都損耗在探測器內部，而攜帶部分能量逸出探測器。次級電子雖然全部被阻滯在探測器內，但它的動能通過軔致輻射丟失。這兩種效應對高能射線更為嚴重，結果是使全能峰事件減少，康普頓連續(xù)譜中的事件增加。有一部分光電效應發(fā)生在閃爍體表面附近，發(fā)生光電效應的原子在退激是產生的Kx射線逸出探測器。在能譜上，比能量hv少Kx射線能量的位置出現(xiàn)一個峰。如，NaI探測器，產生與碘的Kx射線能量有關的峰，稱為碘逸出峰。這種峰在測量低能能譜時較為顯著，因為低能射線不能進入探測器很深。碘逸出峰光電峰 dNdE E4.影響譜形的其它因素dNdEhv E 射線與射線往往同時發(fā)射，射線可被源的包封物質所吸收，但卻能產生軔致輻射。軔致輻射的能量是連續(xù)的，它們射入探測器產生本底脈沖。另外，放射源在發(fā)射射線的同時有一定幾率發(fā)生內轉換現(xiàn)象。