第九章-輻射式傳感器

衰變規(guī)律：放射源的強(qiáng)度是隨著時(shí)間按指數(shù)定理而減低J0——開始時(shí)的放射源強(qiáng)度；J——經(jīng)過時(shí)間為t以后的放射源強(qiáng)度；λ——放射性衰變常數(shù)。半衰期：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，又稱為放射性同位素的壽命。1.α射線二、核輻射的種類質(zhì)量為4.002775u(原子質(zhì)量單位)；帶有正電荷，即氦原子核；具有40～100MeV的能量；平均壽命為幾微秒到1010年；從核內(nèi)射出速度為20km/s；射程長度在空氣中為幾厘米到十幾厘米。α

衰變12C原子質(zhì)量1.9927×10-26kg,其質(zhì)量的十二分之一1.6606×10-27kg2.β射線質(zhì)量為0.000549u；帶有一個(gè)單位的電荷；能量為100keV～幾兆電子伏特；運(yùn)動速度較α粒子高很多；在氣體中的射程可達(dá)20m。β-

衰變β+

衰變3.γ射線4.X射線原子核外的內(nèi)層電子被激發(fā)射出來的電磁波能量。

原子核從不穩(wěn)定的高能激發(fā)態(tài)躍遷到穩(wěn)定的基態(tài)或較穩(wěn)定的低能態(tài)，并且不改變其組成過程稱為γ衰變（或稱γ躍遷），發(fā)生γ躍遷時(shí)所放射出的射線稱γ射線或γ光子，是以光速運(yùn)動的光子流，不帶電。

衰變1、α、β射線與物質(zhì)的相互作用（1）電離

當(dāng)α、β射線穿過物質(zhì)時(shí)，使其分子或原子的軌道電子產(chǎn)生加速運(yùn)動，如果此軌道電子獲得足夠大的能量，就能脫離原子成為自由電子，從而產(chǎn)生一對自由電子和正離子組成的離子對。這種現(xiàn)象稱為電離。

α粒子質(zhì)量大，電荷量多，電離能力最強(qiáng)，但射程短；

β粒子質(zhì)量小，電離較弱；

γ粒子沒有直接電離作用。三、核輻射與物質(zhì)的相互作用（2）激發(fā)

若在相互作用中，軌道電子獲得的能量還不足以使它脫離原子成為自由電子，僅使自由電子從低能級躍遷到高能級，這種相互作用稱為激發(fā)。2、γ射線與物質(zhì)的相互作用（1）光電效應(yīng)

當(dāng)一個(gè)光子和原子相碰撞時(shí)，將其能量全部交給某一軌道電子，使它脫離原子，光子則被吸收，這種現(xiàn)象稱為光電效應(yīng)。

光電效應(yīng)也伴隨有次級輻射產(chǎn)生。當(dāng)γ射線通過物質(zhì)時(shí)，由于發(fā)生光電等效應(yīng)的結(jié)果，它的強(qiáng)度將減弱，它也遵循指數(shù)衰減規(guī)律。（2）康普頓效應(yīng)入射γ光子原子θφγ光子電子

入射γ光子與介質(zhì)中的電子發(fā)生碰撞，γ光子偏離原來的方向，同時(shí)將一部分能量轉(zhuǎn)移給電子，使電子按φ射出。3、核輻射線的特點(diǎn)α、β、γ射線穿透物質(zhì)時(shí)，由于與物質(zhì)發(fā)生作用損失能量而最終被吸收而造成衰減。

α射線穿透能力最弱，在空氣中運(yùn)行軌跡為直線；

β射線次之，穿行時(shí)由于與物質(zhì)原子發(fā)生能量交換而改變方向產(chǎn)生散射，在空氣中運(yùn)行軌跡為折線；

γ射線穿透能力最強(qiáng)，能穿透幾十厘米厚固體物質(zhì)，在氣體中可穿透數(shù)米，因此γ射線廣泛用于醫(yī)療診斷、金屬探傷等。1、電離室

四、核輻射傳感器

常用的核輻射探測器有：電離室、正比計(jì)數(shù)管、蓋革—彌勒計(jì)數(shù)管、閃爍計(jì)數(shù)器和半導(dǎo)體探測器等。

電離室外加電壓增大，電流趨于飽和，一般工作在飽和區(qū)，使輸出電流與外加電壓無關(guān)，輸出只正比于入射到電離室的輻射強(qiáng)度。α、β、γ電離室不能通用，不同粒子相同條件下效率相差很大。電離室主要用于探測α、β射線。

2.

正比計(jì)數(shù)管

放大作用僅限于芯線近旁，所以可得到與放射線的入射區(qū)域無關(guān)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(jì)數(shù)管可以探測入射放射線的能量。

正比計(jì)數(shù)器正比計(jì)數(shù)器是一種充氣型輻射探測器，工作在氣體電離放電伏安特性曲線的正比區(qū)。計(jì)數(shù)器接收一個(gè)X、γ光子后就輸出一個(gè)電脈沖，幅度與光子能量成正比，輸出脈沖的大小正比于入射產(chǎn)生的電子和正離子對數(shù)目，電子和正離子對數(shù)目正比于氣體吸收的放射線的能量。正比計(jì)數(shù)器工作原理使氣體原子電離＋－＋－＋－＋－＋－＋－＋－－－初級射線高壓3.蓋革-彌勒計(jì)數(shù)管蓋格計(jì)數(shù)管也稱氣體放電計(jì)數(shù)器。一個(gè)密封玻璃管，中間是陽極用鎢絲材料制作，玻璃管內(nèi)壁涂一層導(dǎo)電物質(zhì)或是一個(gè)金屬圓管作陰極，內(nèi)部抽真空充惰性氣體（氖、氦）、鹵族氣體。

計(jì)數(shù)管內(nèi)充有氬、氦等氣體。為了便于密封，計(jì)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(nèi)部或在外殼內(nèi)用金屬筒作陰極。在蓋革-彌勒計(jì)數(shù)管中，陰極和陽極間施加比計(jì)數(shù)管高的電壓。X射線、α射線、β射線入射使產(chǎn)生比正比計(jì)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(gè)計(jì)數(shù)管內(nèi)。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?nèi)?，直到不再能產(chǎn)生離子的增殖，此時(shí)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(gè)與正離子鞘的總電荷有關(guān)，而與原始電離無關(guān)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，計(jì)數(shù)管并不回到原始的狀態(tài)。

由于正離子鞘到達(dá)陰極時(shí)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(shí)由于正離子鞘到達(dá)了陰極，中央陽極電場已恢復(fù)，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?？朔@個(gè)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(jì)數(shù)管中放入少量猝滅性氣體。這種自猝滅型計(jì)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(jī)管；另一種是管內(nèi)充惰性氣體和鹵素氣體，稱為鹵素管。

蓋格計(jì)數(shù)管上電壓U一定時(shí)，入射射線越強(qiáng)，電流I越大，輸出脈沖數(shù)N越大，a、b段稱“坪”；蓋格計(jì)數(shù)管主要用于探測β粒子和γ射線。4.閃爍計(jì)數(shù)器物質(zhì)受放射線的作用而被激發(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(zhì)稱為閃爍體。閃爍計(jì)數(shù)器先將輻射能變?yōu)楣饽?，然后再將光能變?yōu)殡娔芏M(jìn)行探測，它由閃爍體和光電倍增管兩部分組成。負(fù)載電阻產(chǎn)生脈沖幅度一般為零點(diǎn)幾伏到幾伏，較蓋革-彌勒計(jì)數(shù)管的幅度小。輸出脈沖與入射粒子的能量成正比，探測γ射線的效率在20%～30%以上，比蓋革-彌勒計(jì)數(shù)管和離子室高很多；探測α、β射線的效率接近100%。由于閃爍體中一次閃爍的持續(xù)時(shí)間很短,故最大計(jì)數(shù)率一般為106～108數(shù)量級。若輸出采用電流法，則記錄的輻射強(qiáng)度不受限制。

閃爍計(jì)數(shù)器當(dāng)閃爍體受到輻射時(shí)閃爍體的原子受激發(fā)光，光透過閃爍體射到光電倍增管的陰極上激發(fā)出電子，在光電倍增管中倍增，在陽極上形成電流。1200V閃爍探測器測量射線信號的基本特征入射射線E＝hνV輸出端電信號輸出信號幅度：V∝E脈沖信號產(chǎn)生率∝單位時(shí)間進(jìn)入探測器射線數(shù)NaI(Tl)gdB通過分辯信號幅度，可以分辯射線能量；通過測量脈沖信號數(shù)，可以測定射線強(qiáng)弱。5、半導(dǎo)體探測器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(dǎo)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γ射線由于光電效應(yīng)、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?。主要使用的是Si和Ge，對GaAs、CdTe等材料。開發(fā)的半導(dǎo)體傳感器有PN結(jié)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。α射線可實(shí)現(xiàn)氣體分析，如氣體壓力、流量測量；β射線可進(jìn)行帶材厚度、密度檢測；γ射線可探測材料缺陷、位置、密度與厚度測量。

五、核輻射傳感器的應(yīng)用（1）

測厚

透射式測厚透射式測厚常用閃爍探測器，閃爍探測器記錄穿透物體的γ射線的強(qiáng)度，其輸出電流與輻射強(qiáng)度成正比。在輻射穿過物質(zhì)時(shí)，由于物體吸收作用損失部分強(qiáng)度，強(qiáng)度按指數(shù)規(guī)律變化：透射式厚度計(jì)1.核輻射厚度計(jì)

散射式測厚散射測厚時(shí)β放射（或低能X射線）源與探測器在同一側(cè)，利用核輻射被物體后向散射的效應(yīng)。散射強(qiáng)度與被測距離、物質(zhì)成份、密度、厚度表面狀態(tài)等因素有關(guān)：利用這種方法可測量薄板的厚度、覆蓋層厚度、材料的成分、密度等參數(shù)。這種方法的優(yōu)點(diǎn)為非接觸測量，且不損壞被測物質(zhì)。射線強(qiáng)度與散射體厚度之間的關(guān)系式為J散=J飽和（1-e-kρt）式中：t和ρ——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(shí)的后向散射β射線強(qiáng)度；

k——與射線能量有關(guān)的系數(shù)。（2）物位測量

利用介質(zhì)對γ射線的吸收作用，不同介質(zhì)對γ射線的吸收能力不同，固體吸收能力最強(qiáng)，液體居中，氣體最弱。輻射源與被測介質(zhì)一定，被測介質(zhì)高度H與穿過被測介質(zhì)的射線強(qiáng)度I成正比關(guān)系。

圖(b)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(zhì)和介質(zhì)上方的氣體后到達(dá)探測器。顯然，探測器接收到的射線強(qiáng)弱與物位的高度有關(guān)。這種方法可對物位進(jìn)行連續(xù)測量，但是測量范圍比較窄(一般為300~500mm)，測量準(zhǔn)確度較低。輻射式物位計(jì)(γ射線)

圖(a)定點(diǎn)測量: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(yuǎn)比液體或固體弱，因而當(dāng)物位超過和低于此平面時(shí)，探測器接收到的射線強(qiáng)度發(fā)生急劇變化?？梢?，這種方法不能進(jìn)行物位的連續(xù)測量。

（3）流量計(jì)（氣體）

在氣流管中裝兩個(gè)電極（電極電位不同）放射源S的射線使氣體電離，工作狀態(tài)相當(dāng)于一個(gè)電離室。當(dāng)被測氣體被電離時(shí)，離子被帶出電離室，室內(nèi)電流減小，氣體流速增加帶出的離子增多電離室電流進(jìn)一步減小，由電流的變化檢測氣流流速和流量。放射源電極電極氣流EA（4）探傷

探測器與放射源放在管道內(nèi)，沿焊接縫同步移動，當(dāng)焊縫存在問題時(shí)，穿透管道的γ射線會產(chǎn)生突變，正常時(shí)輸出曲線趨于直線。

X熒光射線的能量譜和強(qiáng)度與物質(zhì)的成份、厚度、密度有關(guān)。探測器將光信號轉(zhuǎn)換為電脈沖，脈沖幅度與元素的特征X射線能量成正比，不同元素脈沖幅度不同，能量E大脈沖幅度越高，通過幅度分析器檢測出不同元素，實(shí)現(xiàn)元素的定性分析。而脈沖的多少與樣品的含量成正比，含量越高脈沖計(jì)數(shù)越多，通過每秒的計(jì)數(shù)率檢測樣品的含量，實(shí)現(xiàn)元素的定量分析。

野外現(xiàn)場快速測量井下現(xiàn)場快速測量鋼牌號快速分析（5）X射線熒光分析儀

X射線熒光基于光電效應(yīng)，能量色散的熒光分析方法由同位素源產(chǎn)生γ射線，其它物質(zhì)上的次級輻射稱熒光射線；波長色散熒光分析方法由X光射線管產(chǎn)生X射線。Si(Li)探測器（6）中子活化分析元素能量譜線（7）醫(yī)學(xué)應(yīng)用-CT常規(guī)X射線攝影利用透射原理，把三維的人體投影顯示在一個(gè)二維的平面上。這就使得圖像失去縱深方向的分辨能力，前后結(jié)構(gòu)互相重疊，引起圖像混淆，容易造成誤診和漏診。X線管熒光屏如果把人體分成一系列薄片，單獨(dú)對每一切片（二維圖像）進(jìn)行觀察，就能消除臨近各層的影響，沒有重疊混淆，圖像變清晰，容易辨別細(xì)微的異常結(jié)構(gòu)。本章總結(jié)1、紅外輻射的基本特點(diǎn)2、紅外輻射的基本定律3、熱釋電效應(yīng)4、響應(yīng)率5、噪聲等效功率（NEP）6、探測率：7、紅外探測器的組成8、超聲波波型9、超聲波的反射和折射10、超聲波的衰減11、超聲波