核輻射測量方法課件

中子測量方法1中子源強度8.1.1

中子源的主要特性8.1中子源中子源強度是指單位時間內(nèi)發(fā)射的中子數(shù)目，即中子強度。若每次核反應只釋放一個中子，該源強度等於單位時間內(nèi)在靶物質(zhì)中所發(fā)生的核反應數(shù)目。2中子源能量中子源能量是指中子源所能發(fā)射的中子能量。通常所說的中子能量是指其動能2中子源半衰期源的半衰期是指發(fā)射轟擊粒子的放射性同位素的半衰期。1同位素中子源8.1.2

中子源的類型8.1中子源1）(α,n)中子源

鐳鈹中子源釙鈹中子源鋂鈹中子源鈈鈹中子源2）自發(fā)裂變中子源（鉲(252Cf)

）

2加速器中子源8.1.2

中子源的類型8.1中子源T(d，n)4He反應所釋放的能量分配給中子和氦核3加速器中子源該類源的中子來自反應堆內(nèi)的鏈式反應。8.1.2

中子源的類型8.1中子源常用中子源及分類

8.2.1

核反應法8.2中子探測基本原理與方法10B，6Li，3He三種核反應的中子截面

8.2.2

核反沖法8.2中子探測基本原理與方法入射能量為E的中子和原子核發(fā)生彈性散射時，中子的運動方向?qū)l(fā)生改變，能量也有所減少，中子減少的能量傳給原子核，使原子核以一定速度運動。這個原子核被稱為“反沖核”。反沖核具有一定的電荷，可以作為帶電粒子來記錄，記錄該反沖核，就可探測到該中子，這種探測中子的方法稱為“核反沖法”。8.2.3

核裂變法8.2中子探測基本原理與方法中子與重核作用可以發(fā)生裂變，裂變法就是通過記錄重核裂變碎片來探測中子的方法。對於熱中子和慢中子，總是選用238U，239Pu，233U做裂變材料。常用裂變閾能探測器材料的特性

8.2.4

活化法8.2中子探測基本原理與方法中子很容易進入原子核，並形成一個處於激發(fā)態(tài)的複合核，複合核通過發(fā)射一個或幾個光子迅速躍回到基態(tài)。這種俘獲中子，放出γ輻射的過程稱為“輻射俘獲”，用(n，γ)表示，典型例子是用115In做為啟動材料，讓它受到中子照射，可發(fā)生如下反應：新生成的核素一般都不穩(wěn)定，本例中生成的116In就是β放射體，並繼續(xù)進行如下衰變8.2.5

中子探測器8.2中子探測基本原理與方法1氣體探測器三氟化硼(BF3)正比計數(shù)管硼電離室裂變室2閃爍探測器硫化鋅快中子屏硫化鋅慢中子屏鋰玻璃閃爍體有機閃爍體8.2.5

中子探測器8.2中子探測基本原理與方法3半導體探測器6LiF中子譜儀3He中子譜儀其他夾心式半導體探測器8.3.1慢中子能譜測量方法8.3中子能譜測量方法1飛行時間法如果將中子品質(zhì)記為m，當確定中子速度v後，按就可推算中子能量E。根據(jù)和，可得到：8.3.1慢中子能譜測量方法8.3中子能譜測量方法2晶體衍射法

中子波在晶體上的反射

當中子波以掠射角θ(不是入射角α)射向晶面時，在相鄰兩個晶面上的反射中子波有2dsinθ的路程差(d為相鄰兩個晶面之間的距離)。當2dsinθ等於波長的整數(shù)倍時，這二支反射波便相干加強，否則就相干減弱甚至抵消。把無數(shù)個平行晶面上的反射累加，便得到相干產(chǎn)生極大的條件，即布喇格公式：8.3.2快中子能譜測量方法8.3中子能譜測量方法1飛行時間法

伴隨粒子法飛行時間譜儀

在快中子能譜測量中，經(jīng)常使用加速器作為中子源的伴隨粒子法。8.3.2快中子能譜測量方法8.3中子能譜測量方法2氫反沖法

反沖核法測量的示意圖

T(d,n)He反應的中子譜8.3.3脈衝中子能譜測量方法8.3中子能譜測量方法1由加速器提供脈衝中子源2脈衝反應堆中子源3地爆8.4.1中子通量密度和中子密度8.4中子通量密度測量方法如果利用同位素源或加速器來產(chǎn)生中子，一般將其視為點源，並將單位體積內(nèi)出射的中子數(shù)n定義為中子密度(單位為cm-3)，則當中子的出射速度為v(單位為cm?s-1)時，單位時間內(nèi)從單位體積內(nèi)出射的中子數(shù)就是中子密度n和速度v的乘積nv，也就是該點源的中子通量密度Ф。當中子通量密度按能量E具有連續(xù)分佈Ф(E)時，則可採用代表能量在E到E+dE範圍內(nèi)的中子通量密度，此時中子的總通量密度為8.4.2測量中子通量密度的基本方法8.4中子通量密度測量方法1標準截面法由於中子不帶電，不能直接探測，而中子與原子核反應有可能產(chǎn)生帶電粒子(或生成新放射性核素)，可對帶電粒子(或新放射性核素)進行絕對測量。通常，只要知道了核反應截面，通過測量帶電粒子強度(或新放射性核素活度)，就可通過兩者之積來確定中子通量密度。2伴隨粒子法3伴隨粒子放射性法4計數(shù)器測量法8.5.1天然中子測量及應用8.5中子測量的應用大氣中子來源與分佈特點：由地—空介面上升快中子流來確定地質(zhì)介質(zhì)含水率由地—空介面天然中子流來預測大氣瞬態(tài)變化地—空介面天然中子流產(chǎn)生的輻射環(huán)境問題8.5.2中子活化分析法及應用8.5中子測量的應用原理：用中子源照射待測樣品，並使之活化成為放射性核素(稱之為感生放射性核素)，通過測量感生放射性核素的放射性現(xiàn)象實現(xiàn)待測樣品的物理分析。待測樣品中的感生放射性核素的γ照射量率為：製備已知待測元素含量的標準樣品，與待測樣品進行同樣條件下的照射和測量，然後比較待測樣品和標準樣品的γ譜，則可實現(xiàn)待測元素含量的確定。Ws為標準樣品的待測元素的含量；Is為標準樣品經(jīng)活化後的照射量率。8.5.2中子活化分析法及應用8.5中子測量的應用中子活化分析在物理分析中的應用：1）在分析高純材料中的應用

2）在冶煉工業(yè)中的應用

3）在其他方面的應用

8.5.3中子測量方法在找礦勘探中的應用8.5中子測量的應用1中子與地層物質(zhì)的相互作用1)快中子非彈性散射

2)快中子對原子核的活化

3)快中子的彈性散射及其減速過程涉及的物理量

4)熱中子在巖石中的擴散與被俘獲8.5.3中子測量方法在找礦勘探中的應用8.5中子測量的應用2常見中子測井方法1）利用連續(xù)中子源的測井方法

常見的連續(xù)中子源測井方法有中子γ測井、中子中子測井和連續(xù)活化測井。中子中子測井是利用中子與物質(zhì)相互作用的各種效應來研究鑽井剖面巖層性質(zhì)的一組測井方法的統(tǒng)稱。按記錄的對象，它分為中子熱中子測井，中子超熱中子測井和中子γ測井等。按儀器的結構特徵，它分為普通中子測井、井壁中子測井和補償中子測井等8.5.3中子測量方法在找礦勘探中的應用8.5中子測量的應用2常見中子測井方法2）利用脈衝中子源的測井方法

3）野外現(xiàn)場的中子測量

第二章射線與物質(zhì)的作用2.1帶電粒子與物質(zhì)相互作用1帶電粒子與物質(zhì)相互作用的一般特徵1）作用對象：原子（核外電子）原子核2）作用方式：與核外電子發(fā)生非彈性碰撞與原子核發(fā)生非彈性碰撞與原子核發(fā)生彈性碰撞與核外電子發(fā)生彈性碰撞與核外電子發(fā)生非彈性碰撞帶電粒子與核外電子的非彈性碰撞導致原子的電離與激發(fā)。引起能量的電離損失。1）電離自由電子正離子+庫侖作用稱為δ電子2.1帶電粒子與物質(zhì)相互作用1帶電粒子與物質(zhì)相互作用的一般特徵與核外電子發(fā)生非彈性碰撞帶電粒子與核外電子的非彈性碰撞導致原子的電離與激發(fā)。引起能量的電離損失。2）激發(fā)入射帶電粒子傳遞給電子的能量較少，不足以使電子擺脫原子核的束縛而成為自由電子，但可以使原子從低能級狀態(tài)躍遷到相對高能級狀態(tài)，此時原子處於激發(fā)狀態(tài)，此過程稱為激發(fā)。激發(fā)態(tài)時間短——＞返回基態(tài)，即退激併發(fā)射出光子。2.1帶電粒子與物質(zhì)相互作用1帶電粒子與物質(zhì)相互作用的一般特徵與原子核發(fā)生彈性碰撞帶電粒子靠近原子核時，由於庫侖作用使入射粒子的速度和運動方向發(fā)生變化。入射粒子損失的部分能量轉移給原子核，絕大部分能量由入射粒子帶走。在此過程中不發(fā)射輻射。α粒子品質(zhì)大，與核碰撞後運動方向變化小。β粒子品質(zhì)小，運動狀態(tài)改變大。而原子核獲得的反沖能將使晶體原子位移，形成缺陷。核庫侖作用反沖2.1帶電粒子與物質(zhì)相互作用1帶電粒子與物質(zhì)相互作用的一般特徵與原子核發(fā)生非彈性碰撞帶電粒子靠近原子核時，由於庫侖作用使入射粒子的速度和運動方向發(fā)生變化。伴隨著發(fā)射電磁輻射，並大大減弱入射光子的能量，以輻射光子的形式損失其動能，稱為輻射損失。α粒子品質(zhì)大，與核碰撞後運動方向變化小。β粒子品質(zhì)小，運動狀態(tài)改變大。核庫侖作用反沖2.1帶電粒子與物質(zhì)相互作用1帶電粒子與物質(zhì)相互作用的一般特徵與核外電子的彈性碰撞帶電粒子靠近原子時，由於與核外電子的庫侖作用使入射粒子的速度和運動方向發(fā)生變化。入射粒子損失的部分能量轉移給原子，在此過程種不發(fā)射輻射。與核外電子的彈性碰撞實際上應視為與整個原子的作用。這種作用只發(fā)生在極低能量的β入射粒子身上。原子庫侖作用反沖2.1帶電粒子與物質(zhì)相互作用1帶電粒子與物質(zhì)相互作用的一般特徵1）α粒子與物質(zhì)相互作用的主要形式α粒子是氦的原子核，帶兩個單位正電荷，質(zhì)量數(shù)為4。α粒子與物質(zhì)相互作用的主要形式是電離與激發(fā)。

天然核素衰變放出的α粒子能量在4～8MeV。初始速度約在(1～2)×109cm/s。

由於α為重粒子，與物質(zhì)散射作用不明顯，在氣體中的徑跡是直線。2.1帶電粒子與物質(zhì)相互作用2α粒子與物質(zhì)的相互作用2)α粒子的射程α粒子的射程用平均射程代表；α粒子是重粒子，射程漲落小。5MeVα粒子～1％；同一物質(zhì)中，α粒子的射程與初始能量有關，能量大，射程長；4～8MeVα粒子在空氣中射程可以用經(jīng)驗公式計算：天然α粒子在空氣中的射程有表可查。2.1帶電粒子與物質(zhì)相互作用2α粒子與物質(zhì)的相互作用2)α粒子的射程

4～8MeVα粒子在其他物質(zhì)中射程可以用它在空氣中的射程，採用布喇格－克利曼經(jīng)驗公式計算：ni－原子量為Ai的元素所占百分比。2.1帶電粒子與物質(zhì)相互作用2α粒子與物質(zhì)的相互作用2)α粒子的射程天然α粒子在空氣中的射程最大為8.62cm（212Po,能量8.785MeV）。相同能量的α粒子在不同物質(zhì)中的射程不同。α粒子在液體與固體物質(zhì)中的射程為空氣中的千分之一。實際上一張紙就可以完全擋住天然α粒子。2.1帶電粒子與物質(zhì)相互作用2α粒子與物質(zhì)的相互作用3)α粒子與核外電子的作用α粒子產(chǎn)生的電離：原電離、次級電離原電離－由α粒子與原子殼層電子直接作用形成的電離次級電離－原電離中產(chǎn)生的電子繼續(xù)與其他原子作用產(chǎn)生的電離平均電離能－每產(chǎn)生一對離子（包括原電離與次級電離）α粒子所損耗的平均能量。(1)平均電離能+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-2.1帶電粒子與物質(zhì)相互作用2α粒子與物質(zhì)的相互作用3)α粒子與核外電子的作用單位距離上α粒子作用所產(chǎn)生的離子對總數(shù)。在距離小處，α粒子速度快，作用時間短，比電離小；末端前，速度慢作用時間長，有極大值；此後，能量耗盡，比電離快速衰減到0。(2)比電離（電離比度）比電離距離空氣中各點的比電離變化2.1帶電粒子與物質(zhì)相互作用2α粒子與物質(zhì)的相互作用帶電粒子通過物質(zhì)時，在單位距離上由於電離和激發(fā)損失的平均能量稱為～(3)碰撞電離能量損失率m0，e－電子的靜止品質(zhì)與電荷；z，v－α粒子的電荷數(shù)與速度；β＝v/c，c－光速；Z－介質(zhì)的原子序數(shù)；N－介質(zhì)單位體積（1cm3）內(nèi)的原子數(shù)目；I－吸收介質(zhì)原子的平均電離電位；W－平均電離能；n－電離比度；3)α粒子與核外電子的作用α粒子與核作用形式：盧瑟福散射；核反應。盧瑟福散射－α粒子與核庫侖場作用而改變方向；核反應－進入原子核，使原來的原子核發(fā)生變化，從而產(chǎn)生新核並放出1個或幾個粒子。記為A（α,n）B。幾個利用α射線完成的著名的核反應：1）利用210Po放出的α粒子轟擊9Be製成的靶，可以產(chǎn)生12C和中子（查德威克1932），導致中子的發(fā)現(xiàn)：(4)α粒子與原子核的作用2.1帶電粒子與物質(zhì)相互作用2α粒子與物質(zhì)的相互作用2）世界上第一個製造的人工放射性核素約裏奧.居裏夫婦1934年27Al+4He→30P+n30Si+e++

提供許多種放射性核素,為研究和廣泛應用開闢了廣闊前景例如：超鈾元素的發(fā)現(xiàn)（人工製造）

Z=9293949596……114β+

衰變彈核靶核反應產(chǎn)物

4He+14N

17O+1H+Q 210Po

α

7.68MeV開闢了人工方法變革原子核的基本途徑，人類能夠?qū)⒁环N元素變成另一種元素，實現(xiàn)了中世紀“煉金術士們”的夢想3)盧瑟福進行的第一個核反應（1919）1)彈性散射β粒子與軌道電子或原子核在庫侖場作用下，僅改變運動方向，動能不變的作用過程。彈性散射是低能β粒子與物質(zhì)作用的主要形式。根據(jù)量子的理論，有對一定能量β粒子，有中等元素與重元素，原子核的散射占主要。2.1帶電粒子與物質(zhì)相互作用3β射線與物質(zhì)的相互作用1)彈性散射由於β粒子受到軌道電子或原子核的散射，β粒子的運動方向不斷改變，因此，β粒子的運動軌跡不是一條直線，而是一條不規(guī)則的折線。β粒子在物質(zhì)中的路程，比穿過物質(zhì)的厚度大很多，一般是1.5－4倍。2.1帶電粒子與物質(zhì)相互作用3β射線與物質(zhì)的相互作用2)電離與激發(fā)β粒子產(chǎn)生的直接電離約占總電離的20－30％；次級電離約占70－80％；m0，e－電子的靜止品質(zhì)與電荷；z，v－α粒子的電荷數(shù)與速度；β＝v/c，c－光速；Z－介質(zhì)的原子序數(shù)；N－介質(zhì)單位體積（1cm3）內(nèi)的原子數(shù)目；I－吸收介質(zhì)原子的平均電離電位；E－入射電子動能；3)韌致輻射高速運動的β粒子或其他帶電粒子通過物質(zhì)時，在核庫侖場作用下，改變運動速度，伴隨放出電磁輻射。軔致輻射放出的電磁輻射是連續(xù)能量的X射線。原子核使用輻射損耗率描述在單位距離上軔致輻射的能量損耗。2.1帶電粒子與物質(zhì)相互作用3β射線與物質(zhì)的相互作用討論：故用輕介質(zhì)遮罩軔致輻射。1)電子的輻射損失比α、P粒子大。2)高速電子、重介質(zhì)輻射損失大。3)能量增加，輻射損失增大。輻射損耗率定義為：討論：4)當β粒子能量為10MeV，Z＝82（Pb），電離損耗與輻射損耗相等。天然輻射的β粒子能量一般小於3MeV，與一般巖石等作用時，輻射損耗可以忽略不計。PbAl5)軔致輻射釋放的X射線，可以作為X射線源，用於X射線螢光分析，也可用於X光透視。螢光屏也是利用軔致輻射原理製成。電子打在螢光屏上產(chǎn)生X射線電視機顯像管特徵:x射線能量連續(xù)0–EMax(電子能量)電視機高壓15kV

電子束能量15keVx射線能量0-15keV產(chǎn)生機制4)線阻止本領S在核反應可以忽略的（不是太高）能量範圍，帶電粒子主要的能量損失方式是碰撞電離損失核軔致輻射損失。總的線阻止本領S為總的品質(zhì)阻止本領S/ρ為單位：Jm2kg-12.1帶電粒子與物質(zhì)相互作用3β射線與物質(zhì)的相互作用5)正電子湮滅正β粒子與物質(zhì)的相互作用與β粒子基本相同。正電子與負電子相遇發(fā)生湮滅，產(chǎn)生兩個0.511MeV的γ光子。

e++e-→

γ+γme++me-=0.511+0.511MeV

品質(zhì)轉化為能量轉化效率(100%）

1）β射線被物質(zhì)吸收半吸收厚度：β粒子在物質(zhì)中衰減1半所經(jīng)過的厚度。射程：β粒子經(jīng)過10倍半吸收厚度，剩餘1/1024。小於1/1000，故將10倍半吸收厚度定義為β粒子的射程。射程單位：cm，g/cm22.1帶電粒子與物質(zhì)相互作用4β射線與物質(zhì)的衰減射程計算：低能β粒子射程可以用以下經(jīng)驗公式

I(d)=I0e-μd

1）β射線被物質(zhì)吸收2.1帶電粒子與物質(zhì)相互作用4β射線與物質(zhì)的衰減1）γ射線是什麼

電磁輻射譜

小能量高

大能量低E=h,=c/2.2

γ與物質(zhì)相互作用1概述兩步過程三種作用效應

光電效應康普頓效應電子對效應

產(chǎn)生次級電子電離效應次級電子使物質(zhì)原子電離γ射線第1步初級作用第2步次級作用2）γ射線對物質(zhì)的電離作用2.2

γ與物質(zhì)相互作用1概述自由電子原子受激原子2.2

γ與物質(zhì)相互作用2光電效應1）作用機制2.2

γ與物質(zhì)相互作用2光電效應1）作用機制光子同(整個)原子作用把自己的全部能量傳遞給原子,殼層中某一電子獲得動能克服原子束縛跑出來,成為自由電子，光子本身消失了。

γ+A

A*+e-

（光電子）原子

A+X射線入射γ光子的能量必須大於殼層電子結合能，才能發(fā)生光電效應。γ光子與自由電子不能發(fā)生光電效應，只有原子核參加反應，才能滿足動量守恆。K層電子發(fā)生光電效應幾率最大、L層次之、M層更小…。實際上，80％得光電效應發(fā)生在與K層電子得作用上。光電效應伴隨著特徵X射線或俄歇電子的發(fā)射。發(fā)射光電子後，靶原子由於內(nèi)殼層出現(xiàn)電子空位而處於激發(fā)態(tài)。2.2

γ與物質(zhì)相互作用2光電效應2）特點入射γ射線光電子特徵X射線處於激發(fā)態(tài)的靶原子可以通過兩種方式退激：①外層電子直接躍遷填充內(nèi)層電子空位，使原子回復到較低的能量狀態(tài)，躍遷過程中，放出電磁輻射，其能量等於兩個電子殼層的結合能之差。2.2

γ與物質(zhì)相互作用2光電效應2）特點殼層電子在躍遷過程中不發(fā)射特徵X射線，而是將激發(fā)能轉移給一外殼層電子，使它從原子中發(fā)射出來。俄歇電子電子躍遷過程中釋放的電磁輻射是一種X射線。由於其能量取決於原子的結構，故對每一種元素來說，都是特徵的，故稱其為“特徵X射線”。2.2

γ與物質(zhì)相互作用2光電效應2）特點如果忽略原子核獲得的反沖能，根據(jù)能量守恆原理，可以寫出光電子的能量為2.2

γ與物質(zhì)相互作用2光電效應3）光電子的能量4）光電效應截面原子的光電截面：一個入射光子與電位面積上一個靶原子發(fā)生光電效應的幾率。光電效應截面與入射光子能量核靶物質(zhì)原子序數(shù)有關τa為原子與入射光子發(fā)生光電效應的幾率；τK為入射光子在K層發(fā)生光電效應的幾率；當靶物質(zhì)為複雜物質(zhì)時，式中Z應為有效原子序數(shù)式中n在2.2～4間選擇2.2

γ與物質(zhì)相互作用2光電效應4）光電效應截面γ光子與原子的外層電子發(fā)生碰撞，一部分能量傳給電子使它脫離原子射出而成為“反沖電子”，同時光子損失能量並改變方向成為“散射光子”?？灯疹D效應與光電效應的不同之處主要有兩點，一是康普頓效應中反沖電子只獲得光子一部分能量，並且作用完後仍然存在散射光子。二是康普頓效應發(fā)生在外層電子上，而光電效應主要發(fā)生在最內(nèi)層電子上。2.2

γ與物質(zhì)相互作用3康普頓效應1）概念設入射光子能量，動量為。散射光子能量為，動量為。反沖電子的動能為，總能量為E，動量為P。散射角θ，反沖角φ。則有下列關係式成立：2.2

γ與物質(zhì)相互作用3康普頓效應2）康普頓散射射線能量在不同的散射角θ方向上，散射光子數(shù)為：單位立體角的微分截面可以按下式計算式中，r0—電子的經(jīng)典半徑，r0=e2/m0C2=2.818×10-13cmω0—以靜止電子為單位的光子能量ω0=hν/m0C22.2

γ與物質(zhì)相互作用3康普頓效應3）康普頓散射光子的角分佈能量≥1.02MeV的γ射線與原子核作用產(chǎn)生一對正-負電子的過程。能量轉化成品質(zhì)M=E/C22.2

γ與物質(zhì)相互作用4電子對效應1）概念正電子在自然界是不穩(wěn)定的，壽命10-10～10-7s，當其與負電子相遇時，會發(fā)生湮滅，產(chǎn)生兩個0.511MeV的γ光子。利用正物質(zhì)與負物質(zhì)發(fā)生湮滅放出巨大能量的物理原理，人們正在研製反物質(zhì)武器。

e++e-→

γ+γme++me-=0.511+0.511MeV

品質(zhì)轉化為能量轉化效率(100%）

γ

γ2）正電子湮滅M＋γ→M+e++e-→

γ1+γ2

1.02MeVmeme0.511MeV0.511MeV基本條件：γ射線能量Eγ1.02MeV3）發(fā)生電子對效應的條件(2)其他條件必須在核庫侖場的作用下，即在入射的較高能量的伽瑪光子很靠近原子核周圍時，才有可能發(fā)生電子對效應。(1)能量條件2.2

γ與物質(zhì)相互作用4電子對效應4）

原子的電子對效應作用截面(1)當h

稍大於2m0c2時，有：當h

稍大於2m0c2時，隨入射射線能量的增加，電子對截面將迅速增加。(2)當h

＞＞2m0c2時，有：當h

遠大於2m0c2時，隨入射射線能量的增加，電子對截面的增加速度變緩慢。結論：不論h

為多少，電子對截面都正比於原子序數(shù)的平方。天然伽瑪射線能量範圍：0－3MeV結論：當天然射線與巖石作用，電子對效應可以忽略。天然巖石有效原子序數(shù)：10－20Pb：對3MeV伽瑪射線，電子對效應占總效應的15％；Al：對3MeV伽瑪射線，電子對效應占總效應的～0％；射線與物質(zhì)相互作用時，三種作用效應是相互競爭的。2.2

γ與物質(zhì)相互作用4電子對效應5）討論當入射光子能量高於1.02Mev時，這三種效應在相互作用時都可能發(fā)生。當入射光子能量低於1.02Mev時，只有光電效應與康普頓效應能發(fā)生。若用分別表示入射光子與物質(zhì)原子發(fā)生光電效應、康普頓效應的截面，則入射光子與物質(zhì)原子發(fā)生作用的總截面為：當時。三種效應的截面均與物質(zhì)的原子序數(shù)有關，存在下述關係：σph和σe均隨入射光子能量增大而降低，而σp在能量大於等於1.02MeV以後，隨Er的增大而增大。

5三種作用效果比較三種主要效應的截面隨原子序數(shù)和入射光子能量變化的關係射線與物質(zhì)的相互作用－三種相互作用方式比較

作用幾率大於總幾率50％區(qū)域元素主要作用區(qū)（MeV）起始作用區(qū)（MeV）光電康－吳電子對光電康－吳電子對鋁<0.050.05-15>15<0.150.05-15>3.0銅<0.150.15-10>10<0.400.15-10>2.0鉛<0.500.5-5>5<5.00.5-5>2.0不同介質(zhì)中各種效應為主的γ射線能量範圍對中等能量的γ射線，在各種介質(zhì)中都以康－吳效應為主；對低能γ射線與重物質(zhì)，以發(fā)生光電效應為主；對高能射線與重物質(zhì)，以發(fā)生電子對效應為主。結論：γ射線通過介質(zhì)時由於同物質(zhì)的三種相互作用,γ光子的數(shù)量不斷的減少,物質(zhì)層越厚減少得越多，這種現(xiàn)象稱做對γ射線的吸收。厚度X

I0I

所謂單色窄束γ射線，是指單能，並經(jīng)過準直處理，只有沿入射方向才有射線射出的測量條件。2.3

γ射線在物質(zhì)中的衰減1單色窄束γ通過物質(zhì)1）概述經(jīng)過厚為X的物質(zhì)後，在X+dX處被吸收的射線數(shù)應該引入比例係數(shù)μ，有解上述微分方程有結果表明：γ射線數(shù)目隨通過介質(zhì)層厚度增加而減小，服從指數(shù)衰減規(guī)律。

2.3

γ射線在物質(zhì)中的衰減1單色窄束γ通過物質(zhì)2）衰減規(guī)律μ指數(shù)衰減因數(shù)線性吸收係數(shù)（1）線吸收係數(shù)μ是由於伽瑪射線通過物質(zhì)時，發(fā)生三種衰減效應的總效應之和：（2）線吸收係數(shù)μ的單位是：cm-1（3）線吸收係數(shù)μ的物理意義：當射線穿過單位距離介質(zhì)時，單個光子被損失掉的幾率。2.3

γ射線在物質(zhì)中的衰減1單色窄束γ通過物質(zhì)3）討論（4）線性吸收係數(shù)μ與入射射線、作用介質(zhì)有關：a）γ射線能量高μ值小b）原子序數(shù)高μ值大能量（MeV)鉛（Pb)cm-1鋁（Al）cm-10.61.60.21.00.80.182.00.50.1鉛和鋁吸收係數(shù)（5）對於某一確定能量，每一種介質(zhì)有一確定的線性吸收系μ值，該值是、作用介質(zhì)的吸收特性參數(shù)。μ/ρ品質(zhì)衰減係數(shù)（1）伽瑪射線通過物質(zhì)時，被吸收的多少，不僅與物質(zhì)的原子序數(shù)有關，尚與其密度有關。為此，引入品質(zhì)衰減係數(shù)。（2）品質(zhì)吸收係數(shù)μ/ρ的單位是：g/cm2（3）引入品質(zhì)吸收係數(shù)後，物質(zhì)的厚度一般採用品質(zhì)厚度：Xm。2.3

γ射線在物質(zhì)中的衰減1單色窄束γ通過物質(zhì)3）討論μ/ρ品質(zhì)衰減係數(shù)（4）對於混合物，其品質(zhì)衰減係數(shù)為式中：ci－第i種物質(zhì)的百分含量；μmi－第i種物質(zhì)的品質(zhì)衰減係數(shù)2.3

γ射線在物質(zhì)中的衰減1單色窄束γ通過物質(zhì)3）討論γ射線強度減弱1/2所通過物質(zhì)層的厚度

γ射線的防護大都選用重金屬鉛、水泥等，構成很厚的防護牆。半吸收厚度單位：cm物質(zhì)層厚度0I/I半吸收厚度(d1/2)測量條件不同處：散射射線可以被部分記錄。厚度X

I0I

厚度X

I0I

窄束裝置寬束裝置探測器2.3

γ射線在物質(zhì)中的衰減2寬束γ通過物質(zhì)1）單色寬射線束在物質(zhì)中的衰減寬束條件下，介質(zhì)的吸收係數(shù)小餘窄束條件：lnI厚度窄束寬束2.3

γ射線在物質(zhì)中的衰減2寬束γ通過物質(zhì)1）單色寬射線束在物質(zhì)中的衰減特點：基本規(guī)律與寬束條件基本相同。但如果探測器放在介質(zhì)中，尚可以測量到從探測器後方散射來的射線，射線計數(shù)率衰減緩慢。採用有效衰減係數(shù)來作理論估算。2.3

γ射線在物質(zhì)中的衰減2寬束γ通過物質(zhì)2）點源在無限均勻介質(zhì)中的衰減當射線進入介質(zhì)一定深度後，衰減服從指數(shù)衰減率。如圖中紅色虛線所示。此時，可以用實際觀測的品質(zhì)衰減係數(shù)來計算伽瑪射線的衰減。Ln(I/I0)ρd(g/cm2)1Q2.4中子與物質(zhì)的相互作用1中子與物質(zhì)相互作用的一般特性中子品質(zhì)：品質(zhì)mn=1.005335u(原子品質(zhì)單位)；中子電荷：0中子能量劃分：1)慢中子：能量<1keV2)中能中子：1keV<能量<100keV的中子。3)快中子：能量為100keV<能量<10MeV。4)特快中子：能量>10MeV。中子與原子核的反應：1）散射2）俘獲2.4中子與物質(zhì)的相互作用2中子的散射中子與靶核的彈性碰撞2.4中子與物質(zhì)的相互作用3中子的俘獲中子射入靶核後就與靶核構成一個處於激發(fā)態(tài)的複合態(tài)，而後複合核通過發(fā)射一個或幾個γ光子而躍遷到基態(tài)，此即中子的“輻射俘獲”。1）中子的輻射俘獲2）發(fā)射帶電粒子的中子核反應在一定條件下，複合核可通過發(fā)射帶電粒子(質(zhì)子或α粒子)而衰變。用(n，p)或(n，α)表示。2.4中子與物質(zhì)的相互作用3中子的俘獲3）裂變反應(n，f)有幾種非常重的原子核(如235U核)，當它們俘獲一個中子後分裂為兩個較輕的原子核，同時放出二個至三個中子及很大的能量(200MeV左右)。4）多粒子發(fā)射當入射中子能量特別高時，複合核衰變可能發(fā)射出不止一個粒子，稱作“多粒子發(fā)射”，如(n,2n)、(n,n,p)等反應。第九章輻射效應與輻射防護概論核輻射測量方法9.1輻射防護中的常用物理量9.1.1與個體相關的吸收劑量

1劑量當量相同吸收劑量未必產(chǎn)生同等生物效應，因為生物效應受到輻射類型和能量、輻射劑量(或劑量率)和照射條件、以及個體差異等因素的影響。在輻射防護中，為了在同一尺度下描述不同類型和能量的輻射R對人體造成的生物效應，在吸收劑量的基礎上定義了劑量當量，以表示該生物效應的嚴重程度或發(fā)生幾率，即定義人體組織或器官T中的劑量當量為：核輻射測量方法9.1輻射防護中的常用物理量9.1.1與個體相關的吸收劑量

2有效劑量HT是器官或組織T的劑量當量；WT是器官或組織T的組織權重因數(shù)。有效劑量還可表示為各器官或組織的吸收劑量的雙重加權之和：核輻射測量方法9.1輻射防護中的常用物理量9.1.1與個體相關的吸收劑量

3待積劑量當量與待積有效劑量待積劑量當量表示人體一次性攝入放射性物質(zhì)後，某一器官或組織在50年內(nèi)(對人來說是足夠長的時間)將要受到的累積的劑量當量；待積有效劑量是對人體每個器官或組織的待積劑量當量按其危害大小作為權重因數(shù)進行加權求和的結果。核輻射測量方法9.1輻射防護中的常用物理量9.1.2與群體相關的吸收劑量

1集體劑量當量是群體中的第i組成員的平均有效劑量；該組的成員數(shù)2集體有效劑量是群體中的第i組成員的平均有效劑量；該組的成員數(shù)核輻射測量方法9.2輻射對人體的生物效應及其危險度分析9.2.1輻射對人體健康的影響

各種射線對人類健康造成的危害，來源於電離和激發(fā)作用所引起的組織細胞中的原子與分子的改變，主要通過對DNA分子的作用使細胞受到損傷，導致某些特有的效應，並引發(fā)各種健康危害。核輻射測量方法9.2輻射對人體的生物效應及其危險度分析9.2.2影響輻射生物學的作用因素

1物理因素物理因素主要是指：輻射類型、輻射能量、吸收劑量(或劑量率)、以及照射方式等。輻射類型：不同類型的輻射對生物機體可引起不同的生物效應，這主要取決於輻射的電離密度和穿透能力。劑量率及分次照射：通常，在吸收劑量相同情況下，劑量率越大，生物效應越顯著。同時，生物效應還與給予劑量的分次情況有關。照射部位和麵積：輻射損傷與受照部位及受照面積密切相關。照射的幾何條件：在外照射情況下，人體內(nèi)的劑量分佈受到輻射的入射角分佈、空間分佈以及輻射能的影響，還與人體受照時的姿勢及其在輻射場的取向有關。核輻射測量方法9.2輻射對人體的生物效應及其危險度分析9.2.2影響輻射生物學的作用因素

2生物因素1）不同生物種系的輻射敏感性2）個體的不同發(fā)育階段的輻射敏感性3）不同細胞、組織或器官的輻射敏性生物種系人猴大鼠雞龜大腸桿菌病毒LD50(Gy)4.06.07.07.1515.0056.002×104使不同生物死亡50％時所需Χ、γ射線的吸收劑量值LD502Gy的X射線在胚胎發(fā)育階段造成死胎和畸形的發(fā)生率核輻射測量方法9.2輻射對人體的生物效應及其危險度分析9.2.3輻射劑量與輻射效應的關係

隨機性應和確定性效應的發(fā)生率、嚴重性與劑量關係隨機性效應是指輻射效應的發(fā)生率(而非嚴重性)與劑量大小有關聯(lián)，但目前還很難準確描述其嚴重性。確定性效應(又稱非隨機性效應)是一種有“閾值”的輻射效應，但具體閾值大小與具體個體情況有關。確定性效應的劑量閾值核輻射測量方法9.2輻射對人體的生物效應及其危險度分析9.2.3輻射劑量與輻射效應的關係

急性軀體效應：由輻射引起的、顯現(xiàn)在受照者身上的有害效應叫軀體效應。急性軀體效應是受到大劑量照射(或放射性事故)情況下，短時間發(fā)生的軀體效應，屬於確定性效應。遺傳效應和遠期效應：在輻射防護所遇到的一般劑量範圍內(nèi)，遺傳效應是一種隨機性效應，表現(xiàn)為受照者後代的身體缺陷核輻射測量方法9.3環(huán)境輻射水準及輻射防護基本原則與標準9.3.1天然本底照射

來自天然輻射的成人年有效劑量每天食入及體內(nèi)的放射性物質(zhì)含量估計值天然輻射源按其起因可分為宇宙射線、宇生核素和原生核素三類：宇宙射線是來自宇宙空間的高能粒子流，其中有質(zhì)子、α粒子、中子、電子、光子、介子、其他重粒子等；宇生核素主要是由宇宙射線與大氣中的原子核相互作用產(chǎn)生的放射性核素；原生核素是存在於地殼中的天然放射性核素。核輻射測量方法9.3環(huán)境輻射水準及輻射防護基本原則與標準9.3.2人工輻射

1醫(yī)療照射醫(yī)療照射主要來源於X射線的診斷和檢查，放射治療過程，以及體內(nèi)引入的放射性核素的核醫(yī)學診斷等。各種X射線診斷所致有效劑量(mSv)

在發(fā)達國家接受X射線檢查的頻率每年每1000居民約為300~900人次，發(fā)展中國家約為發(fā)達國家的10％。在醫(yī)療照射的劑量中，小者每次在的mGy量級，大者可達mGy以上。核輻射測量方法9.3環(huán)境輻射水準及輻射防護基本原則與標準9.3.2人工輻射

2核爆炸在大氣中形成的人工放射性物質(zhì)主要來源於核爆炸。核爆炸形成的人工放射性物質(zhì)最初大多進入大氣層上部，然後從大氣層上部緩慢地向大氣層下部轉移，最終降落到地面，稱之為落下灰。當落下灰的各種放射性核素存在於地面空氣時，可通過吸入而引起內(nèi)照射，當其沉降於植物或土壤上時，則可通過外照射和食入引起內(nèi)照射。核爆炸對居民照射的主要途徑是食入，其次是外照射。核輻射測量方法9.3環(huán)境輻射水準及輻射防護基本原則與標準9.3.2人工輻射

3核動力生產(chǎn)由於核燃料迴圈的每個環(huán)節(jié)都會向環(huán)境釋放少量放射性物質(zhì)，因此，在目前的核燃料迴圈中，不包括核廢物處置在內(nèi)的放射性排出物對附近居民造成的集體有效劑量負擔為5.7人?Sv，其中98％是在排放後5年內(nèi)給予的；對全球居民造成的集體有效劑量負擔為670人?Sv。核輻射測量方法9.3環(huán)境輻射水準及輻射防護基本原則與標準9.3.2人工輻射

3核動力生產(chǎn)來自不同輻射源的當量劑量隨時間的變化趨勢核輻射測量方法9.3環(huán)境輻射水準及輻射防護基本原則與標準9.3.3輻射防護基本目的與基本原則

輻射防護的任務是：既要保護從事放射工作者和他們的後代，以及公眾乃至全人類的安全，又要保護環(huán)境，同時還要允許進行可能會產(chǎn)生輻射的必要實踐，以造福於人類。輻射防護的目的是：防止有害的確定性效應並限制隨機性效應，使之達到被認為可接受的水準。輻射防護基本原則：輻射實踐的正當化、防護與安全的最優(yōu)化、限制個人劑量。核輻射測量方法9.3環(huán)境輻射水準及輻射防護基本原則與標準9.3.4輻射防護標準簡述

1劑量限值職業(yè)照射：按5年平均，規(guī)定年有效劑量的限值為20mSv。徒工與學生：對於接受涉及輻射的就業(yè)培訓，其徒工和學生的年齡為16歲～18歲，在學習過程中，如果他們需要使用放射源，應控制其職業(yè)照射不超過下述限值：年有效劑量為6mSv；眼晶體劑量當量為50mSv?a-1；四肢(手和腳)或皮膚的劑量當量為150mSv?a-1

。核輻射測量方法9.4外照射劑量計算與防護9.4.1點源的外照射劑量計算

1X、γ射線點源的外照射劑量計算如果將一個X、γ射線的點狀輻射源(簡稱點源)置於均勻的空氣介質(zhì)中，則該點源將形成向外發(fā)散的球狀輻射場，在其距離處所產(chǎn)生的X、γ射線的照射量率為：對於非單能的X、γ點源，其照射量率常數(shù)可以按其能量根據(jù)下列公式來計算：核輻射測量方法9.4外照射劑量計算與防護9.4.2中子的外照射劑量計算

1採用劑量當量指數(shù)因數(shù)法計算中子劑量如果中子為一點源，將其置於不考慮吸收的空氣介質(zhì)中，則該點源中心向外發(fā)散到半徑為r的球面任意點(社區(qū)域)的中子注量率

單能中子和常見中子源形成的輻射場的劑量當量或核輻射測量方法9.4外照射劑量計算與防護9.4.3外照射的防護

控制受照時間：累積劑量和受照時間有關，受照時間越長，所受累積劑量越大。為了限制個人所受劑量，在正式操作前應進行模擬操作和訓練，以儘量縮短受照時間。增大與輻射源距離：增大與輻射源距離可以降低受照劑量。增加遮罩裝置：在實際工作中，必須採用遮罩防護。遮罩防護就是根據(jù)輻射通過物質(zhì)時減弱的原理，在人與輻射源之間加一層足夠厚的遮罩物，把外照射劑量減小到容許水準以下。遮罩裝置的設計與遮罩方式、遮罩材料和遮罩厚度等因素都有密切關係。核輻射測量方法9.5內(nèi)照射劑量估算與防護9.5.1內(nèi)照射劑量估算中的基本物理量與估算公式

1輻照量2劑量當量3有效半衰期4有效能量核輻射測量方法9.5內(nèi)照射劑量估算與防護9.5.1內(nèi)照射劑量估算中的基本物理量與估算公式

5比有效能量6其他常用術語參考人

體內(nèi)污染途徑

攝入量

吸收量

沉積量

核輻射測量方法9.5內(nèi)照射劑量估算與防護9.5.2內(nèi)照射防護的一般原則和基本措施1防止放射性物質(zhì)經(jīng)呼吸道進入人體內(nèi)空氣淨化、稀釋、密閉包容、個人防護2防止放射性物質(zhì)經(jīng)口進入人體內(nèi)3建立內(nèi)照射監(jiān)測體系核輻射測量方法9.6輻射劑量測量原則9.6.1採用電離法實現(xiàn)吸收劑量的標準測量

自由空氣電離室的結構示意圖球形石墨空腔電離室的結構示意圖

核輻射測量方法9.6輻射劑量測量原則9.6.2通過校準劑量測量儀器實現(xiàn)吸收劑量測量

將待校準(或刻度)儀器與標準儀器置於相同的輻射場(通常是均勻輻射場)中，並使兩者的探測器的有效中心在輻射場的相同位置(或者同一劑量區(qū))，此時得到的兩臺儀器讀數(shù)具有相同的可比關係，即使交換位置，兩臺儀器讀數(shù)所具有的可比關係也相同。以此，認為兩臺儀器具有相同的劑量標準，通過標準儀器的劑量量值，可以推算待校準(或刻度)儀器的刻度因數(shù)。1標準儀器法核輻射測量方法9.6輻射劑量測量原則9.6.2通過校準劑量測量儀器實現(xiàn)吸收劑量測量

2標準源法採用能夠提供標準劑量的實驗裝置，通過該實驗裝置提供的標準劑量和標準測量方法，獲得待校準(或刻度)儀器的刻度因數(shù)。第六章伽瑪射線測量方法核輻射測量方法基本內(nèi)容主要介紹以下幾個方面的內(nèi)容：6.1基本問題6.2不同放射性源的照射量率計算方法6.3不同探測器的影響6.4譜線複雜化6.5儀器性能指標

核輻射測量方法6.1基本問題1測量γ射線的什麼物理量？？

照射量率kg·C-1·s-1

（強度）光子數(shù)/m2s

能量eV、keV、MeV核輻射測量方法6.1基本問題1測量γ射線的什麼物理量？？

照射量率kg·C-1·s-1

----產(chǎn)生電離的本領而作出的一種量度，

X=dQ/dmdm——某體積元的空氣品質(zhì)；dQ——表示在品質(zhì)為dm的某一體積元內(nèi)的空氣中，由X射線或γ射線釋放出來的全部電子（正電子或負電子）被完全阻止於空氣中時，在空氣中產(chǎn)生的一種符號的離子的總電荷的絕對值；

核輻射測量方法6.1基本問題1測量γ射線的什麼物理量？？

照射量率kg·C-1·s-1

----產(chǎn)生電離的本領而作出的一種量度，

X=dQ/dmＸ＝Ｋae/WＫa：γ光子在空氣中的比釋動能；e：為電子的電荷；W：在空氣中形成一對離子所消耗的平均電離能。核輻射測量方法6.1基本問題1測量γ射線的什麼物理量？？

照射量率kg·C-1·s-1

----產(chǎn)生電離的本領而作出的一種量度，

X=dQ/dm

Ｘ＝Ｋae/Wμen/ρ：能量為E的光子在空氣中的品質(zhì)吸收係數(shù)，它表徵的是能量為Ｅ的光子在空氣體積元中被吸收能量的多少Ф：光子的注量率核輻射測量方法6.1基本問題1測量γ射線的什麼物理量？？

照射量率kg·C-1·s-1

兩個重要啟示：其一，γ射線照射量率與單位時間內(nèi)入射到該體積元內(nèi)的光子數(shù)ф（光子注量率，為單位時間內(nèi)進入體積元dv中的光子數(shù)目）成正比。其二，γ射線照射量率與單位時間內(nèi)空氣體積元中吸收能量的大小成正比。核輻射測量方法6.1基本問題1測量γ射線的什麼物理量？？

照射量率kg·C-1·s-1

物理量“照射量率”實際上表徵了γ射線束強度的大小。實際上，對γ射線照射量率的測量是通過記錄γ射線在探測器中沉積的能量來實現(xiàn)的－－儀器譜前提條件：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應足夠長，至少應大於探測器的分辨時間或者γ射線測量儀的分辨時間。否則：造成γ光子的漏計或累積效應－－量程核輻射測量方法

儀器譜----表徵“照射量率”、“能量”

鍵盤探測器信號放大濾波成形模數(shù)變換微機控制器顯示器電源EV(t)V(t)5000mV2505mV2500mV10242500001道數(shù)，CHE∞V(t)∞CH脈衝數(shù)能量，E脈衝數(shù)核輻射測量方法6.2不同形狀γ射線源的照射量率計算方法1點狀源的照射量率計算方法γ照射量率常數(shù)Γ物理意義：距離1居裏的γ點源1米處，在1小時內(nèi)所產(chǎn)生的照射量率。嚴格定義：發(fā)射光子的某種放射性核素的照射量率常數(shù)Γδ是l2(dX／dt)δ除以A而得的商，其中(dX／dt)δ是在距離放射性活度為A的這種核素的點源l處由能量大於δ的光子所產(chǎn)生的照射率。核輻射測量方法6.2不同形狀γ射線源的照射量率計算方法1點狀源的照射量率計算方法γ照射量率常數(shù)Γ計算公式：核輻射測量方法6.2不同形狀γ射線源的照射量率計算方法1點狀源的照射量率計算方法設點源的活度為A居裏，離源R米處的照射量率：

當點源處於均勻介質(zhì)中時，在介質(zhì)內(nèi)部距離品質(zhì)為m的點源R處的γ照射量率為：式中，m為放射性物質(zhì)的品質(zhì)(g)；μ為介質(zhì)對γ射線的線衰減係數(shù)(cm-1)；K為γ常數(shù)。核輻射測量方法6.2不同形狀γ射線源的照射量率計算方法2線狀源的照射量率計算方法設線源長度為L釐米，放射性物質(zhì)沿線源均勻分佈，總放射性活度為A貝可。那麼，單位長度內(nèi)的放射性活度為A/L。又設源的γ照射量率常數(shù)為Γ，並忽略線源本身的自吸收。下麵分三種情況進行討論：核輻射測量方法6.2不同形狀γ射線源的照射量率計算方法2線狀源的照射量率計算方法1）P1點

設P1點垂直於線源的端點，距離為a。在L上取長度dL，使dL<<a，故可把dL視為點源，此點源活度為(A／L)dL。P1點到dL的距離r＝asecθ，則點源dL在P1點產(chǎn)生的照射量率為：dL＝asecθdθ，代入上式得：核輻射測量方法6.2不同形狀γ射線源的照射量率計算方法2線狀源的照射量率計算方法1）P1點上式對整個L積分，即只要從角0到θ1積分，便可得Pl點的照射量率為：2）P2點P2點在L的垂直平分線上，可視為兩個長度為L／2的線源在此點所產(chǎn)生的照射量率的疊加，用與上面同樣的方法可得此點的照射率為：核輻射測量方法6.2不同形狀γ射線源的照射量率計算方法2線狀源的照射量率計算方法1）P3點P3點離線源另一端點的投影距離為a1，可視為線源(a1+L)在P3點產(chǎn)生的照射率，減去線源a1在P3點產(chǎn)生的照射率，因此：核輻射測量方法6.2不同形狀γ射線源的照射量率計算方法3面狀源的照射量率計算方法面狀源是指圓盤狀輻射體的厚度遠小於圓盤的橫向半徑，且遠小於觀測點到圓盤面上的距離。如大面積的表面放射性污染、用於輻射消毒的大型面源、出露地表的無限大鈾礦體等。核輻射測量方法6.2不同形狀γ射線源的照射量率計算方法3面狀源的照射量率計算方法設面狀源上放射性物質(zhì)分佈均勻，其分佈半徑為Ro，單位面積上的活度為A貝可／米2，γ照射量率常數(shù)為Γ。分兩種情況討論。核輻射測量方法6.2不同形狀γ射線源的照射量率計算方法3面狀源的照射量率計算方法1）P1點P1點離面狀源中心點的垂直距離為a，離面狀源中心軸的距離為d。在面狀源上任取一面積元dS＝rdrdθ，則面積元可視為點源，該面積元源在P1點的γ照射量率為：核輻射測量方法6.2不同形狀γ射線源的照射量率計算方法3面狀源的照射量率計算方法1）P1點對半徑為Ro的圓盤積分，可得它在P1點產(chǎn)生的照射量率:對角θ積分，得:核輻射測量方法6.2不同形狀γ射線源的照射量率計算方法3面狀源的照射量率計算方法1）P1點對r積分，可得面狀源上任一點的γ照射量率：

2）P2點P2點位於源軸心上，在上式中，d＝0，於是有：核輻射測量方法6.2不同形狀γ射線源的照射量率計算方法3面狀源的照射量率計算方法飛行高度（m）礦段大小×2b(m2)點源1000×1000100×20010×4020×6010×18010×5020×205×80110010010010010010010010010010908236433225361.020825619291512132.40.2940674278.9643.50.80.06605626443.41.61.60.30.038046182062.11.90.80.80.161003913.521.41.20.60.40.1212033101.50.90.80.31502760.50.5不同面積的礦體在不同觀測高度上的γ射線照射量率核輻射測量方法6.2不同形狀γ射線源的照射量率計算方法4圓錐臺狀輻射體上空γ照射量率的計算體源計算的考慮：輻射體對γ射線的自吸收體源內(nèi)γ射線多次散射貢獻核輻射測量方法6.2不同形狀γ射線源的照射量率計算方法4圓錐臺狀輻射體上空γ照射量率的計算有一個高為l，上臺面半徑為R的圓錐臺狀輻射體出露於地表，設輻射體密度為ρ,放射性核素含量為q，圓錐臺厚為l,輻射體和空氣對γ射線的衰減係數(shù)分別為μ和μ0。假設觀測點位該圓錐臺的圓錐頂點P，則以P點為原點建立球坐標系。在圓錐臺中取體元dv(dv＝r2sinθdθdrdφ)，其放射性核素含量為dm=qdv，在P點產(chǎn)生的γ射線照射量率dI為：核輻射測量方法6.2不同形狀γ射線源的照射量率計算方法4圓錐臺狀輻射體上空γ照射量率的計算對上式積分，積分限分別?。害龋簭?到θ0；φ：從0到2π；r：r0到r1。

核輻射測量方法6.2不同形狀γ射線源的照射量率計算方法4圓錐臺狀輻射體上空γ照射量率的計算引用金格函數(shù)Ф（x）

圓錐臺狀γ射線照射量率為核輻射測量方法6.2不同形狀γ射線源的照射量率計算方法4圓錐臺狀輻射體上空γ照射量率的計算1）無限大輻射層上空的γ射線照射量率

l→∞，R→∞，θ0→π/2。由金格函數(shù)性質(zhì)：x=0時，Φ（x）=1

x=∞時，Φ（x）=0圓錐臺狀γ射線照射量率為核輻射測量方法6.2不同形狀γ射線源的照射量率計算方法4圓錐臺狀輻射體上空γ照射量率的計算2）厚度l為無限大的圓盤狀礦體上方空氣中的γ射線照射量率當l→∞時，

實際上當圓盤厚度lρ大於60g/cm2時，按lρ→∞的條件來計算礦體上空的γ射線照射量率，其誤差不大於2-3%。核輻射測量方法6.2不同形狀γ射線源的照射量率計算方法4圓錐臺狀輻射體上空γ照射量率的計算3）有非放射擊性覆蓋層（厚度為h，對伽瑪射線的有效線衰減係數(shù)為μ1）時，圓盤礦體上空的γ射線照射量率當圓盤走向無限延伸θ0→π/2，厚度為無限大l→∞時核輻射測量方法6.3

γ射線照射量率與能量測量方法1γ射線儀器譜的形成機制γ

射線的探測器必須有兩個特殊的功能。首先，轉換介質(zhì)的作用，入射γ射線在探測器中有適當?shù)南嗷プ饔脦茁十a(chǎn)生一個或更多的快電子；第二，它對於這些次級電子來說必須起普通探測器的作用，能夠記錄這些次級電子在探測器中損失的能量。

核輻射測量方法6.3

γ射線照射量率與能量測量方法1γ射線儀器譜的形成機制光電效應形成電子對效應核輻射測量方法6.3

γ射線照射量率與能量測量方法1γ射線儀器譜的形成機制康普頓散射反沖電子能量：入射光子能量與最大反沖電子能量之差：反散射光子能量：散射光子能量：核輻射測量方法6.3

γ射線照射量率與能量測量方法2

“小探測器”的能譜回應

所謂“小”探測器是指探測器的體積小於初始γ射線與吸收材料相互作用所產(chǎn)生的次級γ輻射的平均自由程；同時假定γ射線與探測器介質(zhì)相互作用產(chǎn)生的所有帶電粒子(光電子、康普頓電子、正負電子對)的能量全部沉澱在探測器中。

次級γ輻射：康普頓散射的散射γ射線正電子湮沒產(chǎn)生的γ光子。軔致輻射因為次級γ射線的平均自由程一般有幾個釐米左右，如果探測器的尺寸不超過1或2釐米，就算滿足‘小”的條件核輻射測量方法6.3

γ射線照射量率與能量測量方法2

“小探測器”的能譜回應核輻射測量方法6.3

γ射線照射量率與能量測量方法3

“大探測器”的能譜回應核輻射測量方法6.3

γ射線照射量率與能量測量方法4

“中等大小探測器”的能譜回應

在γ射線能譜測量中一般採用的實際探測器的尺寸即不“小”也不“大”。對常用探測器的幾何形狀，γ射線是從外部入射到探測器表面，由於有些相互作用會在接近入射表面處進行，所以即使大體積探測器也是有限的。因此常規(guī)探測器對γ射線的回應兼有上述兩種情況的一些特性，以及與回收部分的次級γ射線能量有關的附加特性。核輻射測量方法6.3

γ射線照射量率與能量測量方法4

“中等大小探測器”的能譜回應核輻射測量方法6.3

γ射線照射量率與能量測量方法4

“中等大小探測器”的能譜回應低能至中能的γ射線能譜(在此能區(qū)電子對產(chǎn)生並不明顯)仍是由康普頓連續(xù)譜和光電峰組成。然而，由於附加的多次作用事件投入光電峰，光電峰下的面積與康普頓連續(xù)譜下的面積之間的比值將遠大於“小”探測器條件下的比值。顯然，入射γ射線能量愈低，康普頓散射光子的平均能量和相應的平均遷移距離也就愈小，這相當於中等尺寸的探測器好像變大了，光電峰下的相對面積隨著入射光子能量降低而增加。當能量很低時(比方說<100keV)，康普頓連續(xù)譜實際上可能消失了。核輻射測量方法6.3

γ射線照射量率與能量測量方法4

“中等大小探測器”的能譜回應在中能區(qū)域，多次康普頓散射後產(chǎn)生的散射光子後，導致多次反沖電子的總能量在探測器中沉澱顯然有可能大於單次散射的最大值。因此，這些多次散射事件可能部分地填充在康普頓邊緣和光電峰之間的空隙，並改變了“小”探測器模型中所預計的單次散射連續(xù)譜的形狀。當γ射線能量很高時，單逃逸峰和雙逃逸峰就成為回應函數(shù)的十分重要的部分，在某種情況下，可能比光電峰還大。核輻射測量方法6.4

譜線複雜化1累積效應2合峰效應累計效應是指入射γ光子在探測介質(zhì)中通過多次相互作用所引起的γ光子的能量吸收。累計效應在“大”探測器模型中已有充分表述，對中等大小探測器來說也是常見的。在γ能譜測量中，兩個（或更多）γ光子同時被探測器晶體吸收產(chǎn)生幅度更大的脈衝，該脈衝幅度所對應的能量為兩個（或更多）光子能量之和。60Co核素一次核衰變放出的兩個級聯(lián)γ光子(能量分別為1.17和1.33MeV)，有可能同時被晶體吸收。這時探測器不是輸出兩個分開的脈衝，而是輸出一個脈衝，其幅度對應的能量為2.5MeV。核輻射測量方法6.4

譜線複雜化2合峰效應60Co的r儀器譜132Te的r儀器譜核輻射測量方法6.4

譜線複雜化3特徵X射線逃逸當γ光子在晶體中發(fā)生光電效應時，原子的相應殼層上將留一空位。當外層電子補入時，會有特徵X射線或俄歇電子發(fā)出。71mSe的r儀器譜核輻射測量方法6.4

譜線複雜化4邊緣效應γ光子轉移給次級電子的動能在一般情況下都被晶體所吸收。但若這個次級電子產(chǎn)生在靠近晶體邊緣處，它可能逸出晶體以致將部分動能損失在晶體外，所引起的脈衝幅度也要相應地減小，這種影響稱為邊緣效應。特別是對高能γ射線，由於次級電子的能量較高因而其射程較長，邊緣效應的影響更顯著。因而邊緣效應將引起康普頓連續(xù)譜形狀向幅度偏低的方向畸變。由於光電峰也因此而失去某些事件，所以與電子洩漏並不嚴重的情況相比，光電份額也將要減少。核輻射測量方法6.5干擾輻射的影響1特徵X射線峰2散射輻射和反散射峰許多放射源本身有特徵X射線放出，它們在能譜上形成特徵X射線峰。γ射線在源襯托物上、探頭外殼上(包括封裝晶體的外殼和光電倍增管的光陰極玻璃)以及在周圍遮罩物質(zhì)上都可發(fā)生散射，產(chǎn)生散射輻射。

對較高能量的γ射線來說，當它在周圍物質(zhì)材料中通過電子對效應產(chǎn)生正電子湮沒時，放出的兩個0.51MeVγ光子可能有一個進入晶體，這樣就會產(chǎn)生一個能量為0.51MeV的光電峰及相應的康普頓坪。

3湮沒輻射峰核輻射測量方法6.5干擾輻射的影響4

軔致輻射的影響γ射線常伴隨β衰變放出，而β射線在物質(zhì)中被阻止時會產(chǎn)生軔致輻射。軔致輻射的能量是連續(xù)分佈的。

65Zn的r射線能譜91Y的r射線能譜核輻射測量方法6.6

γ射線測量中能量刻度與探測效率刻度1能量解析度能量解析度是表徵γ射線譜儀對能量相近的γ射線分辨本領的重要參量，可用全能峰的半高寬度(FWHM)或相對半高度寬(%)來表示。任何γ譜儀的能量解析度與γ射線能量有關。幾種r譜儀的能量解析度比較核輻射測量方法6.6

γ射線測量中能量刻度與探測效率刻度1能量解析度能量解析度是表徵γ射線譜儀對能量相近的γ射線分辨本領的重要參量，可用全能峰的半高寬度(FWHM)或相對半高度寬(%)來表示。任何γ譜儀的能量解析度與γ射線能量有關。幾種r譜儀的能量解析度比較核輻射測量方法6.6

γ射線測量中能量刻度與探測效率刻度2探測效率這個指標關係到γ射線測量中所花費時間和所必需的最低源強。NaI(T1)由於它的密度大和組成元素的原子序數(shù)高，其體積也可以做得很大，因而這種譜儀的探測效率明顯地優(yōu)於Ge(Li)。幾種γ射線譜儀的探測效率比較括弧內(nèi)數(shù)字為相對立體角

核輻射測量方法6.6

γ射線測量中能量刻度與探測效率刻度3峰總比和峰康比為了提高峰內(nèi)計數(shù)，通常總是希望峰總比大。影響峰總比的因素很多，如射線能量、晶體大小、射線束是否準直以及晶體包裝材料和厚度等。在晶體尺寸相同條件下，比較峰總比大小可說明對散射射線的干擾是否排除得好。峰總比難於精確測定。經(jīng)常測量與峰總比有直接關係的另一指標――峰康比，它是指全能峰中心道最大計數(shù)與康普頓坪內(nèi)平均計數(shù)之比。峰康比的意義在於它說明了若一個峰落在另一個譜線的康普頓坪上，該峰是否能清晰地表現(xiàn)出來，即存在高能強峰時探測低能弱峰的能力。核輻射測量方法6.6

γ射線測量中能量刻度與探測效率刻度4能量線性譜儀的能量線性一方面取決於探測器本身的輸出脈衝幅度與吸收粒子能量是否線性；另一方面取決於儀器電子線路單元對脈衝的線性放大與處理。對Ge(Li)來說，由於平均電離能與粒子能量無關，因此Ge(Li)譜儀的線性很好，目前在150一1300keV範圍內(nèi)，線性偏離小於0.1—0.2keV，它主要由儀器線路(ADC模擬數(shù)字轉換器)決定的。對NaI(T1)譜儀來說，由於NaI(T1)晶體本身在低能部分的線性就不夠好，因此它的線性較差，在上述能量範圍內(nèi)的200keV處線性偏差可達12keV。核輻射測量方法6.6

γ射線測量中能量刻度與探測效率刻度5計數(shù)率效應和數(shù)據(jù)積累速度譜儀在高計數(shù)率下使用時，由於脈衝的堆積效應以及電子學線路的基線漂移等原因，它的解析度要變壞，峰位要漂移，峰形也發(fā)生畸變。因此使用譜儀時，計數(shù)率不能太高。從電子學線路上改進脈衝成形、增加反堆積線路，採用直流耦合或加直流恢復器可以提高計數(shù)率上限。近年來，採用高速模－數(shù)轉換器與高速緩存器、數(shù)字信號處理（DSP）技術相結合，開發(fā)的數(shù)位化譜儀，基本解決了實際應用中的計數(shù)率效應問題，其計數(shù)率上限可達。核輻射測量方法