輻射探測儀器設備及

輻射探測儀器設備及第一頁，共二十四頁，編輯于2023年，星期一第三章輻射探測儀器、設備及原理1.射線及其與物質相互作用知識要點：常用的核輻射類型及特征射線與物質相互作用輻射探測的原理和主要的輻射探測器第二頁，共二十四頁，編輯于2023年，星期一第三章輻射探測儀器、設備及原理常用的核輻射類型及特征（1）知識要點：α、β、γ射線及中子輻射的定義是指以波或粒子的形式向周圍空間或物質發(fā)射并在其中傳播的能量（如聲輻射、熱輻射、電磁輻射、粒子輻射等）的統(tǒng)稱。物體受熱向周圍介質發(fā)射熱量叫做熱輻射；受激原子退激時發(fā)射的紫外線或X射線叫做原子輻射；不穩(wěn)定的原子核發(fā)生衰變時發(fā)射出的微觀粒子叫做原子核輻射，簡稱核輻射。通常論及的“輻射”概念是狹義的，僅指高能電磁輻射和粒子輻射。這種狹義的“輻射”又稱“射線”。核輻射粒子就其荷電性質可以分為帶電粒子和非帶電粒子；就其質量而言，可以分為輕粒子和重粒子；以及處于不同能區(qū)的電磁輻射。主要的有輻射、輻射、輻射和中子輻射等。第三頁，共二十四頁，編輯于2023年，星期一第三章輻射探測儀器、設備及原理常用的核輻射類型及特征（2）α射線通常也稱α粒子，它是氦的原子核，由兩個質子和兩個中子組成；核電荷數為+2，質量為4。α粒子以符號42He表示。天然的α粒子來源于較重原子核的自發(fā)衰變，叫做α衰變。α衰變過程：AZX→A-4Z-2Y+42He；X、Y分別為母核和子核。原子核發(fā)射出的β射線有兩類：β-和β+射線。β-射線就是通常的電子，帶有一個單位的負電荷，以符號e或e-表示，負電子是穩(wěn)定的。β+射線就是正電子，帶有一個單位的正電荷，以符號e+表示。兩種電子靜止質量相同，其質量約為質子質量的1/1846。第四頁，共二十四頁，編輯于2023年，星期一第三章輻射探測儀器、設備及原理常用的核輻射類型及特征（3）β粒子來源于原子核的β衰變，衰變有三種類型：β-衰變、β+衰變和軌道電子俘獲EC。β-衰變、β+衰變中發(fā)射的電子或正電子的能量是連續(xù)的，從0到極大值Eβ,max都有，圖1-7表示了β-衰變中發(fā)射電子能量分布，對某核素的電子的最大動能Eβ,max是確定的。X射線和γ射線都是一定能量范圍的電磁輻射，又稱光子輻射。光子靜止質量為0，不帶任何電荷。單個光子的能量與輻射的頻率成正比，即,E=h，h為普朗克常數，它的數值等于6.626×10-34J·s。每一個光子的能量都是確定的，任何光子在真空中的速度都是相同的，即為光速C(3×108m/s)。X射線和γ射線的唯一區(qū)別是起源不同。從原子來說X射線來源于核外電子的躍遷,而γ射線來源于原子核本身高激發(fā)態(tài)向低激發(fā)態(tài)（或基態(tài)）的躍遷或粒子的湮滅輻射。第五頁，共二十四頁，編輯于2023年，星期一第三章輻射探測儀器、設備及原理常用的核輻射類型及特征（4）中子是原子核組成成份之一，它不帶電荷，質量數為1，比質子略重。自由中子是不穩(wěn)定的，它可以自發(fā)地發(fā)生衰變，生成質子、電子和反中微子，其半衰期為10.6分。中子的產生主要是通過核反應或原子核自發(fā)裂變，基本上有三種方法：（1）同位素中子源；（2）加速器中子源；（3）反應堆中子源。在用中子源產生中子時往往伴有射線或X射線產生，有的可能比較強。因此，在應用和防護上不僅要考慮中子，而且也要考慮射線或X射線。中子在核科學的發(fā)展中起過極其重要的作用。由于中子的發(fā)現，提出了原子核是由質子和中子組成的假說；中子不帶電，當用它轟擊原子核時容易進入原子核內部引起核反應。人們用核反應制造出了許多新的核素。隨著中子活化分析、中子測水分、中子測井探礦、中子照相、中子輻射育種和中子治癌等技術廣泛的應用，對中子的需求越來越多。第六頁，共二十四頁，編輯于2023年，星期一第三章輻射探測儀器、設備及原理常用的核輻射類型及特征（5）單選題例：受激原子退激時發(fā)射的紫外線或X射線叫做（A）。A原子輻射，B原子核輻射，C核輻射，D熱輻射電子的靜止質量約為質子質量的（A）。A1/1846，B4倍，C12倍，D1846倍β-射線是帶有一個單位(A)電子。A負電荷的負，B正電荷的負，C正電荷的正，D負電荷的正多選題例：常見核輻射包括（ABCD）。Aα輻射，Bβ輻射，Cγ輻射，D中子輻射，E受激原子退激時發(fā)射的X射線β衰變包括（BCE）。A韌致輻射，Bβ+衰變，Cβ-衰變，D光電效應，E軌道電子俘獲產生中子的基本方法有（ABC）A同位素中子源，B加速器中子源，C反應堆中子源，D核磁共振，E電加熱第七頁，共二十四頁，編輯于2023年，星期一第三章輻射探測儀器、設備及原理射線與物質相互作用（1）知識要點：帶電粒子、γ射線、中子與物質相互作用帶電粒子通過物質時，同物質原子中的電子和原子核發(fā)生碰撞進行能量的傳遞和交換：其中一種主要的作用是帶電粒子直接使原子電離或激發(fā)。非帶電粒子則通過次級效應產生次帶電粒子使原子電離或激發(fā)。能夠直接或間接引起介質原子電離或激發(fā)的核輻射通常叫做電離輻射。帶電粒子能量損失方式之一是電離損失，包括直接電離和原子激發(fā)。帶電粒子與物質原子中核外電子的非彈性碰撞，導致原子的電離或激發(fā)，是帶電粒子通過物質時動能損失的主要方式。我們把這種相互作用引起的能量損失稱為電離損失。入射帶電粒子在物質中穿過單位長度路程時由于電離、激發(fā)過程所損失的能量叫做電離能量損失率。從物質角度來說，電離能量損失率也可叫做物質對帶電粒子的阻止本領，由于這種阻止主要是電子引起的，所以又叫做電子阻止本領。第八頁，共二十四頁，編輯于2023年，星期一第三章輻射探測儀器、設備及原理射線與物質相互作用（2）由于帶電入射粒子和靶原子核外電子之間庫侖力作用，使電子受到吸引或排斥，使入射粒子損失部分能量，而電子獲得一部分能量。如果傳遞給電子的能量足以使電子克服原子的束縛，那么這個電子就脫離原子成為自由電子；而靶原子由于失去電子而變成帶正電荷的正離子，這一過程稱為電離。如果入射帶電粒子傳遞給電子的能量較小，不足以使電子擺脫原子核的束縛成為自由電子，只是使電子從低能級狀態(tài)躍遷到高能級狀態(tài)（原子處于激發(fā)態(tài)），這種過程叫原子的激發(fā)。處于激發(fā)態(tài)的原子是不穩(wěn)定的，原子從激發(fā)態(tài)躍遷回到基態(tài)，這種過程叫做原子退激，釋放出來的能量以光子形式發(fā)射出來，這就是受激原子的發(fā)光現象。電離能量損失率隨入射粒子速度增加而減小,呈平方反比關系；電離能量損失率與入射粒子電荷數平方成正比，入射粒子電荷數越多，能量損失率就越大；電離能量損失率與介質的原子序數和原子密度的乘積成正比，高原子序數和高密度物質具有較大的阻止本領。第九頁，共二十四頁，編輯于2023年，星期一第三章輻射探測儀器、設備及原理射線與物質相互作用（3）每產生一個離子對所需的平均能量叫做平均電離能，以W表示。不同物質中的平均電離能是不同的，但不同能量的粒子在同一物質中的平均電離能近似為一常數。帶電粒子能量損失方式之二是輻射損失。由經典電磁理論可知，高速運動的帶電粒子受到突然加速或減速會發(fā)射出具有連續(xù)能量的電磁輻射，通常稱做軔致輻射，能量最小值為0，最大值為電子的最大動能。X射線管和X光機產生的X射線就是軔致輻射。電子的軔致輻射能量損失率比質子、粒子等大得多。例如在速度相同的條件下，質子的軔致輻射比電子要小18402=3.4×106倍。所以對重帶電粒子的軔致輻射能量損失一般忽略不計。由于軔致輻射損失與成正比，因此，在原子序數大的物質(如鉛,Z=82)中，其軔致輻射能量損失比原子序數小(如鋁Z=13)的物質中大得多。一定能量的帶電粒子在它入射方向所能穿透的最大距離叫做帶電粒子在該物質中的射程（Range）；入射粒子在物質中行經的實際軌跡的長度稱作路程（Path）。對重帶電粒子（如粒子）由于其質量大，與物質原子的核外電子作用時，運動方向幾乎不變，因此，其射程與路程相近。第十頁，共二十四頁，編輯于2023年，星期一第三章輻射探測儀器、設備及原理射線與物質相互作用（4）5.3MeV的粒子在標準狀態(tài)空氣中的平均射程3.84cm，同樣能量的粒子在生物肌肉組織中的射程僅為30-40m，人體皮膚的角質層就可把它擋住。因而絕大多數輻射源不存在外照射危害問題。但是當它進入體內時，由于它的射程短和高的電離本領，會造成集中在輻射源附近的損傷，所以要特別注意防止粒子進入體內。對粒子，其射程要大得多。當粒子通過物質時，由于電離碰撞、軔致輻射和散射等因素的影響，其徑跡十分曲折，經歷的路程遠遠大于通過物質層的厚度。加上粒子具有從零到某一最高值的連續(xù)能量。所以，對應于粒子的最大能量僅存在相應于粒子在該物質中的最大射程原子核+衰變會有正電子產生，快速運動的正電子通過物質時，與負電子一樣，同核外電子和原子核相互作用，產生電離損失、軔致輻射損失和彈性散射。原子核+衰變會有正電子產生，快速運動的正電子通過物質時，與負電子一樣，同核外電子和原子核相互作用，產生電離損失、軔致輻射損失和彈性散射。能量相同的正電子和負電子在物質中的能量損失和射程大體相同，但自由正電子是不穩(wěn)定的。正電子與介質中的電子碰撞會發(fā)生湮滅過程：e-+e+→γ(0.511MeV)+γ(0.511MeV)因此，快速運動的正電子通過物質除了發(fā)生與電子相同的效應外，還會產生0.511Me的湮滅輻射，在防護上還要注意對射線的防護。第十一頁，共二十四頁，編輯于2023年，星期一第三章輻射探測儀器、設備及原理射線與物質相互作用（5）能量在幾十keV和幾十MeV的射線通過物質時主要有光電效應、康普頓效應和電子對效應等三種作用過程。這三種效應的發(fā)生都具有一定的概率。通常以截面表示作用概率的大小。若以ph表示光電效應截面，c表示康普頓效應截面，p表示電子對效應截面，則射線與物質作用的總截面=ph+c+

p

。當光子通過物質時，與物質原子中束縛電子發(fā)生作用，光子把全部能量轉移給某個束縛電子，使之發(fā)射出去，而光子本身消失了，這種過程叫光電效應，光電效應中發(fā)射出來的電子叫光電子

。在光電效應中，入射光子能量的一部分用來克服被擊中電子的結合能，另一部分轉化為光電子動能；原子核反沖能量很小，可忽略不計。原子中束縛得越緊的電子參與光電效應的概率也越大。因此，K殼層上打出光電子的概率最大，L層次之，M、N層更次之。如果入射光子能量超過K層電子結合能，大約80%的光電效應發(fā)生在K層電子上。發(fā)生光電效應時，若從原子內殼層上打出電子，在此殼層上就留下空位，原子處于激發(fā)態(tài)。這種激發(fā)態(tài)是不穩(wěn)定的，有兩種退激方式；一種是外殼層電子向內層躍遷填充空位，發(fā)射特征X射線，使原子恢復到較低能量狀態(tài)；另一過程是原子的退激直接將能量傳遞給外殼層中某一電子，使它從原子中發(fā)射出來，這個電子叫做俄歇電子。因此，發(fā)射光電子的同時，還伴隨有特征X射線或俄歇電子產生，這些粒子將繼續(xù)與物質作用，轉移它們的能量

。

第十二頁，共二十四頁，編輯于2023年，星期一第三章輻射探測儀器、設備及原理射線與物質相互作用（6）入射光子同原子中外層電子發(fā)生碰撞，入射光子僅有一部分能量轉移給電子，使它脫離原子成為反沖電子；而光子能量減小，變成新光子，叫做散射光子，運動方向發(fā)生變化，這一過程叫康普頓散射或效應。hν和hν’分別為入射光子和散射光子的能量；θ為散射光子和入射光子間的夾角，Φ稱做散射角；為反沖電子的反沖角

。反沖電子具有一定動能，等于入射光子和散射子光子能量之差。反沖電子在物質中會繼續(xù)產生電離和激發(fā)等過程，對物質發(fā)生作用和影響；散射光子有的可能從物質中逃走，有的留在物質中再發(fā)生光電效應或康普頓效應等等，最終一部分被物質吸收，一部分逃逸出去

當一定能量的光子進入物質時，光子在原子核庫侖場作用下會轉化為一對正負電子，這一現象稱做電子對效應。電子對效應發(fā)生是有條件的。在原子核庫侖場中，只有當入射光子的能量≥1.02MeV時才有可能。入射光子的能量首先用于轉化為正負電子對的靜止能量(0.51MeV+0.51MeV=1.02MeV)，剩下部分賦予正負電子的動能。

第十三頁，共二十四頁，編輯于2023年，星期一第三章輻射探測儀器、設備及原理射線與物質相互作用（7）射線進入物質主要通過光電效應、康普頓效應和電子對效應損失其能量。這些效應的發(fā)生使原來的光子或者不復存在，或者改變了能量成為新的光子，偏離了原來的入射方向。因此，我們可以說，入射的光子一旦同介質發(fā)生作用就從入射束中移去；只有沒有同介質發(fā)生任何作用的光子才沿著原來的方向繼續(xù)前進。從入射的光子束中由于同介質作用而被移去的光子稱做介質對光子的吸收。只有理想的準直束才能滿足這種要求，稱為“窄束”。射線穿物質時其注量率隨著穿過的厚度的增加而指數衰減。稱做線性吸收系數，其單位為cm-1，它表示射線穿過單位厚度物質時發(fā)生相互作用的概率（或被吸收的概率），它包含了光電效應、康普頓效應和電子對效應總的貢獻。由于三種效應的作用概率都與入射光子的能量和作用物質的原子序數有關，所以值也隨光子能量和介質原子序數Z而變化。光子能量增高，吸收系數值減小；介質原子序數高密度大的物質，線性吸收系數也高。第十四頁，共二十四頁，編輯于2023年，星期一第三章輻射探測儀器、設備及原理射線與物質相互作用（8）中子不帶電，不能直接引起物質原子的電離或激發(fā)。但由于不受原子核庫侖場的作用，即使很低能量的中子也可深入到原子核內部，同原子核作用發(fā)生彈性散射、非彈性散射或引起其它核反應。這些過程的發(fā)生導致中子在物質中被慢化和被吸收，并產生一些次級粒子，例如，反沖質子、射線、粒子以及其它帶電粒子等。這些粒子都具有一定的能量。它們繼續(xù)同物質發(fā)生各自相應的作用，最終使物質原子發(fā)生電離和激發(fā)。因此，中子也是一種電離輻射。中子與原子核的作用分為兩類：中子的散射，中子與原子核發(fā)生彈性散射與非彈性散射并產生反沖核；中子的俘獲，中子被原子核俘獲而形成復合核，再蛻變而產生其它次級粒子。中子進入原子核形成“復合核”后，可能發(fā)射一個或多個光子，也可能發(fā)射一個或多個粒子而回到基態(tài)。前者就稱為“輻射俘獲”，而后者則相應于各種中子核反應。有幾種重原子核（如235U），俘獲一個中子后會分裂為兩個或三個較輕的原子核，同時發(fā)出2-3個中子以及很大的能量（約200MeV），這就是裂變反應。第十五頁，共二十四頁，編輯于2023年，星期一第三章輻射探測儀器、設備及原理射線與物質相互作用（9）單選題例：帶電粒子通過物質時，與物質的主要的作用是（A）。A直接電離，B化合反應，C間接電離，D光合作用高速運動的帶電粒子受到突然加速或減速會發(fā)射出具有連續(xù)能量的電磁輻射稱為（B）A電離輻射，B軔致輻射，Cγ射線,D激光。即使很低能量也易深入到原子核內部被俘獲而形成復合核并引起其他核反應的粒子是（C）。Aγ光子，B

β粒子，C中子，Dα粒子

多選題例：帶電粒子通過物質時，與物質的主要直接作用是（ABC）。A直接電離，B原子激發(fā)，C軔致輻射，D光合作用，E光電效應。γ射線通過物質時，能夠探測到的物理現象有（ABC）。

A光電效應，B電子對效應，C康普頓效應，D特征X射線，E俄歇電子。第十六頁，共二十四頁，編輯于2023年，星期一第三章輻射探測儀器、設備及原理2.輻射探測的原理和主要的輻射探測器（1）利用輻射在氣體、液體或固體中引起的電離、激發(fā)效應及或其它物理、化學變化進行核輻射探測的器件稱為輻射探測器。輻射探測的基本過程：1)輻射粒子射入探測器的靈敏體積；2)入射粒子通過電離、激發(fā)或核反應等過程而在探測器中沉積能量；3)探測器通過各種機制將沉積能量轉換成某種形式的輸出信號。探測器按其探測介質類型及作用機制主要分為氣體探測器、閃爍探測器和半導體探測器三種。第十七頁，共二十四頁，編輯于2023年，星期一第三章輻射探測儀器、設備及原理輻射探測的原理和主要的輻射探測器（2）氣體探測器：以氣體為工作介質，由入射粒子在氣體介質中產生的電離效應或核反應引起輸出信號的探測器。入射帶電粒子通過氣體時，由于與氣體分子中軌道電子的庫侖作用而逐次損失能量，最后被阻止下來。同時使氣體分子電離或激發(fā)，并在粒子通過的徑跡上生成大量的由電子和正離子組成的離子對和激發(fā)分子。入射粒子直接產生的離子對稱為初電離。初電離產生的高速電子（稱電子）足以使氣體產生的電離稱為次電離。總和稱為總電離。帶電粒子在氣體中產生一離子對所需的平均能量w稱為電離能。對不同的氣體，w大約在30eV上下。第十八頁，共二十四頁，編輯于2023年，星期一第三章輻射探測儀器、設備及原理輻射探測的原理和主要的輻射探測器（3）氣體探測器的典型圓柱型結構如圖所示，在中央陽極和外殼陰極加上正電壓。沿入射粒子徑跡產生的電子－離子對在外電場的作用下產生定向漂移，引起電極上發(fā)生感應電荷的變化，與此同時，在外回路上就流過電流信號，或流過負載電阻產生輸出電壓信號。當在兩電極上所加電壓不同時，就造成氣體探測器的不同工作狀態(tài)。當外加工作電壓過低時，電子－離子對由于互相碰撞而發(fā)生復合，稱為復合區(qū)，復合的程度與外加電壓和離子對數的密度有關，一般不作為氣體探測器的工作區(qū)域。當外加工作電壓較高時，電子與正離子的復合可以忽略而進入飽和區(qū)，這時，產生的離子對數正比于入射粒子在靈敏體積損失的能量，工作于這種工作狀態(tài)的探測器就是電離室。隨著工作電壓的升高，在中央陽極附近很小的區(qū)域內，電場強度足夠強，發(fā)生氣體放大或雪崩過程。在一定的工作電壓下，氣體放大倍數是一定的。此時，形成的總離子對數仍正比于入射粒子能量,相應的工作區(qū)域成為正比區(qū)。正比計數器就工作于這一區(qū)域。第十九頁，共二十四頁，編輯于2023年，星期一第三章輻射探測儀器、設備及原理輻射探測的原理和主要的輻射探測器（4）工作電壓進一步提高就進入有限正比區(qū)，在探測器的靈敏體積內，積累了相當的由正離子組成的“空間電荷”。在一定工作電壓下不再保持常數，初電離小的入射粒子的可能會大一點，稱為有限正比區(qū)。一般沒有探測器工作于這一區(qū)域

。隨著工作電壓的再一步提高，雪崩過程很快傳播到整個陽極。而且，雪崩過程形成的正離子緊緊的包圍了陽極絲，稱為正離子鞘。由于正離子鞘的電荷極性與陽極電荷相同而起到電場減弱作用，當正離子鞘的總電荷量達到一定時，使雪崩過程終止。因此，最后的總離子對數與初電離無關。這時，入射粒子僅僅起到一個觸發(fā)作用，輸出脈沖信號的大小與入射粒子的類型和能量均無關，這就是G-M區(qū)，僅作一個計數器用

。上述過程可以用圖形象的表示，圖中縱坐標為產生離子對數，橫坐標為外加電壓。其中I為復合區(qū)；II為飽和區(qū)；III為正比區(qū)；IV為有限正比區(qū)；V為G-M區(qū)。這條曲線揭示了氣體探測器中由量變到質變的規(guī)律

。第二十頁，共二十四頁，編輯于2023年，星期一第三章輻射探測儀器、設備及原理輻射探測的原理和主要的輻射探測器（5）閃爍探測器一般由閃爍體和光電倍增管組成。閃爍體是一種發(fā)光器件，當入射帶電粒子使探測介質的原子電離、激發(fā)而退激時，可發(fā)出可見光光子，稱為熒光光子，這樣光的強度用肉眼是看不見的，必須借助于高靈敏的光電倍增管（PMT）才能探測到這些光信號。PMT的光陰極將收集到的熒光光子轉變?yōu)楣怆娮?，光電子通過聚焦被光電倍增管的第一聯極收集，并在其后的聯極倍增形成一個相當大的脈動電子流，在輸出回路上形成輸出信號。比較理想的閃爍體應具有以下的性質：1)將帶電粒子動能轉變成熒光光子的效率高，即高的發(fā)光效率。2)入射帶電粒子損耗的能量與產生的熒光光子數具有良好的線性關系。3)閃爍體介質對自身發(fā)射的光是透明的，即其發(fā)射譜與吸收譜不應該有明顯的重迭，4)入射粒子產生的閃光持續(xù)時間，即閃爍體的發(fā)光衰減時間要盡量短，以便能產生快的輸出信號，獲得好的時間響應。5)合適的折射率和良好的加工性能?，F在使用頻率較高的閃爍體有兩大類：一類是無機閃爍體，如，NaI(Tl)，這些材料的密度大，原子序數高，適合