核輻射傳感器

核輻射傳感器第1頁，共19頁，2023年，2月20日，星期五9.1核輻射傳感器

9.1.1核輻射檢測的物理基礎

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，產生這些射線的物質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,原子質量不同的元素。這些同位素在沒有外力作用下，能自動發(fā)生衰變，衰變中釋放出上述射線。其衰減規(guī)律為：第2頁，共19頁，2023年，2月20日，星期五

核輻射檢測要采用半衰期比較長的同位素。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間，這個時間又稱為放射性同位素的壽命。核輻射檢測除了要求使用半衰期比較長的同位意外，還要求放射出來的射線要有一定的輻射能量。9.1核輻射傳感器第3頁，共19頁，2023年，2月20日，星期五9.1核輻射傳感器2、核輻射核輻射是放射性同位素衰變時，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、負電荷的高速粒子流；γ射線不帶電，是以光速運動的光子流，從原子核內放射出來；X射線是原子核外的內層電子被激發(fā)射出來的電磁波能量。表示了某種放射性同位素的核輻射強度。由該式可知，核輻射強度是以指數(shù)規(guī)律隨時間而減弱。通常以單位時間內發(fā)生衰變的次數(shù)表示放射性的強弱。輻射強度單位用1Ci(居里)表示：1Ci的輻射強度就是輻射源1s內有3.7×1010次核衰變。1Ci(居里)＝103mCi(毫居里)＝106μCi(微居里)。在檢測儀表中常用mCi或μCi作為計量單位。

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2．核輻射與物質間的相互作用

(1)電離作用當具有一定能量的帶電粒子穿透物質時，在它們經過的路程上就會產生電離作用，形成許多離子對，電離作用是帶電粒子和物質相互作用的主要形式。

α粒子（射線）由于能量、質量和帶電量大，故電離作用最強，但射程(帶電粒子在物質中穿行時、能量耗盡前所經過的直線距離)較短。

β粒子質量小，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粒子幾乎沒有直接的電離作用。

9.1核輻射傳感器第5頁，共19頁，2023年，2月20日，星期五在輻射線的電離作用下，每秒鐘產生的離子對的總數(shù)，即離子對形成的頻率可出下式表示：

式中：E—帶電粒子的能量；

Ed—離子對的能量；

I—輻射源的強度；

C—輻射源強度為1Ci時，每秒放射出的粒子數(shù)。9.1核輻射傳感器第6頁，共19頁，2023年，2月20日，星期五

(2)核輻射線的吸收、散射和反射

α、β、γ射線穿透過物質程中，一部分粒子能量被物質吸收，一部分粒子被散射掉，能量將按下述關系式衰減：

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

9.1核輻射傳感器第7頁，共19頁，2023年，2月20日，星期五

三種射線中，γ射線穿透能力最強，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射線穿透物質時，容易改變其運動方向而產生散射現(xiàn)象。當產生相反方向散射時，即出現(xiàn)了反射現(xiàn)象。反射的大小取決于散射物質的性質和厚度。β射線的散射隨物質的原子序數(shù)增大而加大。當原子序數(shù)增大到極限情況時，投射到反射物質上的粒子幾乎全部反射回來。9.1核輻射傳感器第8頁，共19頁，2023年，2月20日，星期五反射的大小與反射物質的厚度有如下關系：

式中：Ih—反射物質厚度為h(mm)時，放射線被反射的強度；

Im—當h趨向無窮大時的反射強度，Im與原子序數(shù)有關；

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

9.1核輻射傳感器第9頁，共19頁，2023年，2月20日，星期五9.1.2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。電離室兩側設有二塊平行極板，對其加上極化電壓E使二極板間形成電場。當有粒子或射線射向二極板間空氣時，空氣分子被電離成正、負離子。帶電離子在電場作用下形成電離電流，并在外接電阻R上形成壓降。測量此壓降值即可得核輻射的強度。電離室主要用于探測α、β粒子，它具有堅固、穩(wěn)定、成本低、壽命長等優(yōu)點，但輸出電流很小。電離室示意圖9.1核輻射傳感器第10頁，共19頁，2023年，2月20日，星期五2.氣體放電計數(shù)管(蓋格計數(shù)管)體放電計數(shù)管示意圖

正離子鞘到達陰極時得到一定的動能，能從陰極打出次級電子。由于此時陽極附近的電場已恢復，次級電子又能再一次產生正離子鞘和電壓脈沖，從而形成連續(xù)放電。若在計數(shù)管內加入少量有機分子蒸汽或鹵族氣體，可以避免正離子鞘在陰極產生次級電子，而使放電自動停止。9.1核輻射傳感器第11頁，共19頁，2023年，2月20日，星期五氣體放電計數(shù)管的特性曲線如圖所示。圖中I1、I2代表入射的核輻射強度，I1＞I2。由圖可見，在相同外電壓U時不同輻射強度將得到不同的脈沖數(shù)N。氣體放電計數(shù)管常用于探測β粒子和γ射線。氣體放電計數(shù)管特性曲線9.1核輻射傳感器第12頁，共19頁，2023年，2月20日，星期五3.閃爍計數(shù)器

當核輻射進入閃爍晶體時，晶體原子受激發(fā)光，透過晶體射到光電倍增管的光陰極上，根據光電效應在光陰極上產生的光電子在光電倍增管中倍增，在陽極上形成電流脈沖，即可用儀器指示或記錄。閃爍計數(shù)器示意圖9.1核輻射傳感器第13頁，共19頁，2023年，2月20日，星期五9.1.3核輻射檢測技術的應用1.核輻射在線測厚儀2.核輻射物位計3.核輻射流量計4.核輻射探傷9.1核輻射傳感器第14頁，共19頁，2023年，2月20日，星期五9.1核輻射傳感器1、核輻射在線測厚儀第15頁，共19頁，2023年，2月20日，星期五2、核輻射物位計9.1核輻射傳感器

不同介質對γ射線的吸收能力不同，一般固體最強，液體次之，氣體最差。當射線射入厚度為H的介質時，會有一部分被介質吸收掉。透過介質的射線強度I與入射強度I0之間有如下關系： 式中—吸收系數(shù)，條件固定時為常數(shù)。變形為：

因此測液位可通過測量射線在穿過液體時強度的變化量來實現(xiàn)。第16頁，共19頁，2023年，2月20日，星期五9.1核輻射傳感器

g射線物位計的特點是：1、可以實現(xiàn)非接觸測量；2、不受被測介質溫度、壓力、流速等狀態(tài)的限制；