九核輻射傳感器

9.1核輻射傳感器

9.1.1核輻射檢測(cè)的物理基礎(chǔ)

1、同位素在核輻射傳感器中，常采用α、β、γ和X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。所謂放射性同位素就是原子序數(shù)相同,原子質(zhì)量不同的元素。這些同位素在沒(méi)有外力作用下，能自動(dòng)發(fā)生衰變，衰變中釋放出上述射線。其衰減規(guī)律為：第1頁(yè)/共18頁(yè)

核輻射檢測(cè)要采用半衰期比較長(zhǎng)的同位素。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(shí)間，這個(gè)時(shí)間又稱為放射性同位素的壽命。核輻射檢測(cè)除了要求使用半衰期比較長(zhǎng)的同位意外，還要求放射出來(lái)的射線要有一定的輻射能量。9.1核輻射傳感器第2頁(yè)/共18頁(yè)9.1核輻射傳感器2、核輻射核輻射是放射性同位素衰變時(shí)，放射出具有一定能量和較高速度的粒子束或射線。主要有四種：α射線、β射線、γ射線和X射線射線。

α、β射線分別是帶正、負(fù)電荷的高速粒子流；γ射線不帶電，是以光速運(yùn)動(dòng)的光子流，從原子核內(nèi)放射出來(lái)；X射線是原子核外的內(nèi)層電子被激發(fā)射出來(lái)的電磁波能量。表示了某種放射性同位素的核輻射強(qiáng)度。由該式可知，核輻射強(qiáng)度是以指數(shù)規(guī)律隨時(shí)間而減弱。通常以單位時(shí)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)表示：1Ci的輻射強(qiáng)度就是輻射源1s內(nèi)有3.7×1010次核衰變。1Ci(居里)＝103mCi(毫居里)＝106μCi(微居里)。在檢測(cè)儀表中常用mCi或μCi作為計(jì)量單位。

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2．核輻射與物質(zhì)間的相互作用

(1)電離作用當(dāng)具有一定能量的帶電粒子穿透物質(zhì)時(shí)，在它們經(jīng)過(guò)的路程上就會(huì)產(chǎn)生電離作用，形成許多離子對(duì)，電離作用是帶電粒子和物質(zhì)相互作用的主要形式。

α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(帶電粒子在物質(zhì)中穿行時(shí)、能量耗盡前所經(jīng)過(guò)的直線距離)較短。

β粒子質(zhì)量小，電離能力比同樣能量的α粒子要弱，由于β粒子易于散射，所以其行程是彎曲的。

γ粒子幾乎沒(méi)有直接的電離作用。

9.1核輻射傳感器第4頁(yè)/共18頁(yè)在輻射線的電離作用下，每秒鐘產(chǎn)生的離子對(duì)的總數(shù)，即離子對(duì)形成的頻率可出下式表示：

式中：E—帶電粒子的能量；

Ed—離子對(duì)的能量；

I—輻射源的強(qiáng)度；

C—輻射源強(qiáng)度為1Ci時(shí)，每秒放射出的粒子數(shù)。9.1核輻射傳感器第5頁(yè)/共18頁(yè)

(2)核輻射線的吸收、散射和反射

α、β、γ射線穿透過(guò)物質(zhì)程中，一部分粒子能量被物質(zhì)吸收，一部分粒子被散射掉，能量將按下述關(guān)系式衰減：

式中I、I0分別為射線穿透物質(zhì)前、后的輻射強(qiáng)度，h為穿透物質(zhì)的厚度，ρ為物質(zhì)的密度，μ為物質(zhì)的質(zhì)量吸收系數(shù)。

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三種射線中，γ射線穿透能力最強(qiáng)，β射線次之，α射線最弱，γ射線的穿透厚度比α、β要大得多。

β射線穿透物質(zhì)時(shí)，容易改變其運(yùn)動(dòng)方向而產(chǎn)生散射現(xiàn)象。當(dāng)產(chǎn)生相反方向散射時(shí)，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。β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(shí)，投射到反射物質(zhì)上的粒子幾乎全部反射回來(lái)。9.1核輻射傳感器第7頁(yè)/共18頁(yè)反射的大小與反射物質(zhì)的厚度有如下關(guān)系：

式中：Ih—反射物質(zhì)厚度為h(mm)時(shí)，放射線被反射的強(qiáng)度；

Im—當(dāng)h趨向無(wú)窮大時(shí)的反射強(qiáng)度，Im與原子序數(shù)有關(guān)；

μh—輻射能量的常數(shù)。當(dāng)I0、μ、Im、μh、ρ等已知后，只要測(cè)出I或Ih就可求出其穿透厚度h。另一方面，當(dāng)I0、μ、h等已知后，只要測(cè)出I就可求物質(zhì)的密度ρ。

9.1核輻射傳感器第8頁(yè)/共18頁(yè)9.1.2核輻射傳感器

1、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)有二塊平行極板，對(duì)其加上極化電壓E使二極板間形成電場(chǎng)。當(dāng)有粒子或射線射向二極板間空氣時(shí)，空氣分子被電離成正、負(fù)離子。帶電離子在電場(chǎng)作用下形成電離電流，并在外接電阻R上形成壓降。測(cè)量此壓降值即可得核輻射的強(qiáng)度。電離室主要用于探測(cè)α、β粒子，它具有堅(jiān)固、穩(wěn)定、成本低、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，但輸出電流很小。電離室示意圖9.1核輻射傳感器第9頁(yè)/共18頁(yè)2.氣體放電計(jì)數(shù)管(蓋格計(jì)數(shù)管)體放電計(jì)數(shù)管示意圖

正離子鞘到達(dá)陰極時(shí)得到一定的動(dòng)能，能從陰極打出次級(jí)電子。由于此時(shí)陽(yáng)極附近的電場(chǎng)已恢復(fù)，次級(jí)電子又能再一次產(chǎn)生正離子鞘和電壓脈沖，從而形成連續(xù)放電。若在計(jì)數(shù)管內(nèi)加入少量有機(jī)分子蒸汽或鹵族氣體，可以避免正離子鞘在陰極產(chǎn)生次級(jí)電子，而使放電自動(dòng)停止。9.1核輻射傳感器第10頁(yè)/共18頁(yè)氣體放電計(jì)數(shù)管的特性曲線如圖所示。圖中I1、I2代表入射的核輻射強(qiáng)度，I1＞I2。由圖可見(jiàn)，在相同外電壓U時(shí)不同輻射強(qiáng)度將得到不同的脈沖數(shù)N。氣體放電計(jì)數(shù)管常用于探測(cè)β粒子和γ射線。氣體放電計(jì)數(shù)管特性曲線9.1核輻射傳感器第11頁(yè)/共18頁(yè)3.閃爍計(jì)數(shù)器

當(dāng)核輻射進(jìn)入閃爍晶體時(shí)，晶體原子受激發(fā)光，透過(guò)晶體射到光電倍增管的光陰極上，根據(jù)光電效應(yīng)在光陰極上產(chǎn)生的光電子在光電倍增管中倍增，在陽(yáng)極上形成電流脈沖，即可用儀器指示或記錄。閃爍計(jì)數(shù)器示意圖9.1核輻射傳感器第12頁(yè)/共18頁(yè)9.1.3核輻射檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用1.核輻射在線測(cè)厚儀2.核輻射物位計(jì)3.核輻射流量計(jì)4.核輻射探傷9.1核輻射傳感器第13頁(yè)/共18頁(yè)9.1核輻射傳感器1、核輻射在線測(cè)厚儀第14頁(yè)/共18頁(yè)2、核輻射物位計(jì)9.1核輻射傳感器

不同介質(zhì)對(duì)γ射線的吸收能力不同，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(shí)，會(huì)有一部分被介質(zhì)吸收掉。透過(guò)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(shí)為常數(shù)。變形為：

因此測(cè)液位可通過(guò)測(cè)量射線在穿過(guò)液體時(shí)強(qiáng)度的變化量來(lái)實(shí)現(xiàn)。第15頁(yè)/共18頁(yè)9.1核輻射傳感器

g射線物位計(jì)的特點(diǎn)是：1、可以實(shí)現(xiàn)非接觸測(cè)量；2、不受被