10-核辐射传感及检测讲解课件.ppt

1、10 核辐射传感器及检测技术核辐射传感器及检测技术射线检测的物理基础射线检测的物理基础 原子的概念回顾原子的概念回顾 原子有质子、中子和电子构成。质子带正电荷，原子有质子、中子和电子构成。质子带正电荷，电子带负电荷，中子不带电。表示为电子带负电荷，中子不带电。表示为 原子由带正电核原子由带正电核Z的原子核，和的原子核，和Z个核外电子组成，个核外电子组成，Z为原子序数，电子只能处于满足一定条件的离为原子序数，电子只能处于满足一定条件的离散轨道上。散轨道上。 原子从一个能态原子从一个能态En跃迁到另一个能态跃迁到另一个能态Em时，将时，将发射或吸收一个一定频率的光子。发射或吸收一个一定频率的光子。

2、hv =En-Em 事实表明，质子数和中子数都是偶数的核很稳定，事实表明，质子数和中子数都是偶数的核很稳定，都是奇数的核不稳定，都是奇数的核不稳定，N/Z太高或太低的核都不太高或太低的核都不稳定。很重的核都是不稳定的。稳定。很重的核都是不稳定的。XAZ 射线分为两类：电磁辐射和粒子辐射。射线分为两类：电磁辐射和粒子辐射。 x 射线、射线、射线属于电磁辐射，电磁辐射射线属于电磁辐射，电磁辐射没有静止质量。没有静止质量。 电磁辐射与物质的作用是光电磁辐射与物质的作用是光(量量)子与物质的子与物质的相互作用。相互作用。 光子的能量光子的能量 h 光子不带电荷，静止质量为光子不带电荷，静止质量为0 ，

3、在真空中，在真空中沿直线以光速（沿直线以光速（c = 2.998*108m.s-1）传播。）传播。 粒子、粒子、粒子、质子、中子、电子等都粒子、质子、中子、电子等都属于粒子辐射，粒子辐射都有静止质量。属于粒子辐射，粒子辐射都有静止质量。 射线的波长短、频率高，具有许多与可见光射线的波长短、频率高，具有许多与可见光不同的性质：不同的性质： A 不可见，依直线传播不可见，依直线传播 B 不带电荷，因此不受电场和磁场影响不带电荷，因此不受电场和磁场影响 C 能透过可见光不能透过的物质能透过可见光不能透过的物质 D 与可见光同样有反射、干涉、绕射、折射等与可见光同样有反射、干涉、绕射、折射等现象，但这

4、些现象又与可见光有区别，如现象，但这些现象又与可见光有区别，如x射线射线只有漫反射，不能产生如镜面反射。只有漫反射，不能产生如镜面反射。 E 使物质产生光电子及返跳电子、以及引起使物质产生光电子及返跳电子、以及引起散射现象散射现象 F 被物质吸收产生热量被物质吸收产生热量 G 使气体电离使气体电离 H 使某些物质起光化学作用，使照相胶片感使某些物质起光化学作用，使照相胶片感光，又能使某些物质发生荧光光，又能使某些物质发生荧光 I 产生生物效应、伤害及杀死有生命的细胞产生生物效应、伤害及杀死有生命的细胞10-2 射线的种类射线的种类 1) X射线与射线与射线射线 这是射线检测中最常用的两种射线，

5、这是射线检测中最常用的两种射线，X射线射线是由人为的高速电子流撞击金属靶产生的。是由人为的高速电子流撞击金属靶产生的。 射线是放射性物质自发产生的，如钴、铀、射线是放射性物质自发产生的，如钴、铀、镭等，两者产生的机理不同，但都是电磁波。镭等，两者产生的机理不同，但都是电磁波。 (2) 射线与射线与射线射线 放射性同位素产生放射性同位素产生衰变和衰变和衰变，放射衰变，放射射线和射线和射线，射线，射线贯穿能力弱，但有很强射线贯穿能力弱，但有很强的电离作用。的电离作用。射线虽然穿透力强，但能量很射线虽然穿透力强，但能量很小。小。 一般并不直接用一般并不直接用射线和射线和射线进行检测，射线进行检测，它

6、们适用于特种场合。它们适用于特种场合。 与与X射线和射线和射线不同，射线不同，射线和射线和射线不射线不是电磁波，而是粒子辐射。是电磁波，而是粒子辐射。(3) 中子射线中子射线 中子是呈电中性的微粒子流，不是电磁波，中子是呈电中性的微粒子流，不是电磁波，这种粒子流具有巨大的速度和贯穿能力。这种粒子流具有巨大的速度和贯穿能力。 中子与中子与X和和射线有很大不同，在被穿透射线有很大不同，在被穿透材料中的衰减主要取决于材料对中子的俘获材料中的衰减主要取决于材料对中子的俘获能力。能力。 对铅来说，对铅来说，X和和射线穿透能量衰减很大，射线穿透能量衰减很大，但俘获中子的能力很小。对氢来说正好相反。但俘获中

7、子的能力很小。对氢来说正好相反。5 射线的获得射线的获得 (1) X射线的获得射线的获得 X射线是由一种特制的射线是由一种特制的X射线管产生的，由阴射线管产生的，由阴极、阳极和高真空的玻璃或陶瓷外壳组成，阴极极、阳极和高真空的玻璃或陶瓷外壳组成，阴极是一加热灯丝，用于发射电子，阳极靶是由耐高是一加热灯丝，用于发射电子，阳极靶是由耐高温的钨制成。温的钨制成。 工作时在两极之间加有高电压，从阴极灯丝工作时在两极之间加有高电压，从阴极灯丝发射的高速电子撞击到阳极靶上，其动能消耗于发射的高速电子撞击到阳极靶上，其动能消耗于阳极材料原子的电离和激发，然后转变为热能，阳极材料原子的电离和激发，然后转变为热

8、能，部分电子在原子核场中受到急剧阻止，产生所谓部分电子在原子核场中受到急剧阻止，产生所谓韧致韧致X射线，即连续射线，即连续X射线。射线。 为减少电子在飞往阳极过程中与气体粒子为减少电子在飞往阳极过程中与气体粒子相碰撞损失动能，射线管需抽成相碰撞损失动能，射线管需抽成10-410-5Pa真真空。电子流动能的绝大部分空。电子流动能的绝大部分(97%)转化为热能，转化为热能，因此阳极材料一般应选用耐高温材料并通以介因此阳极材料一般应选用耐高温材料并通以介质加冷却。动能中仅一小部分质加冷却。动能中仅一小部分(3%)转变为转变为X射线。射线。阴极发射电子的数量，决定了从阴极飞往阳极电阴极发射电子的数量，

9、决定了从阴极飞往阳极电子流大小子流大小(管电流管电流)，而，而X射线的穿透能力则决定射线的穿透能力则决定于电子从阴极飞往阳极的运动速度，与两极之间于电子从阴极飞往阳极的运动速度，与两极之间电压电压(管电压管电压)有关。管电压愈高，所产生有关。管电压愈高，所产生X射线射线的穿透能力愈大，波长愈短。的穿透能力愈大，波长愈短。图中可见，只改变管电流时，图中可见，只改变管电流时，X射线辐射强度只射线辐射强度只是在原有各波长下相应增加。只改变管电压时、是在原有各波长下相应增加。只改变管电压时、则除原来各波长相应增加辐射强度外，还出现了则除原来各波长相应增加辐射强度外，还出现了更短波长的更短波长的X射线。

10、射线。 X射线管单位时间内所发出的连续射线管单位时间内所发出的连续X射线的全射线的全部能量的近似公式为部能量的近似公式为式中式中 0-常数常数(10-9)，I-管电流管电流(A)，Z-阳极靶阳极靶原子序数原子序数(钨钨Z=74)，U-管电压管电压(V)。 X射线管的转换效率为射线管的转换效率为其它转变为热能其它转变为热能20IZUEZUIUE0当当U=100kV时时 =0.7% 200kV 1.5% 300kV 2.2% 400kV 3% 1 MV 7% 5MV 37%由此可见，提高管电压可显著提高转换效率由此可见，提高管电压可显著提高转换效率 (2) 射线的获得射线的获得 放射性同位素是一种

11、不稳定的同位素，处于放射性同位素是一种不稳定的同位素，处于激发态，原子核能级高于基级，向基缓转变同激发态，原子核能级高于基级，向基缓转变同时释放出时释放出射线，射线，其其能量等于两个能级间差。能量等于两个能级间差。 射线检测中所用的射线检测中所用的射线源，是由核反应制射线源，是由核反应制成的人工放射源，应用较广的成的人工放射源，应用较广的射线源有钻射线源有钻60、铱铱192、铯、铯137、铥、铥170等。等。 铯铯137因其放射性比活度低，又易造成环境因其放射性比活度低，又易造成环境污染，能量单一、不宜检测厚薄不均匀工件等污染，能量单一、不宜检测厚薄不均匀工件等原因而日趋淘汰。原因而日趋淘汰。

12、 钴钴60的获得，是将同位素钻的获得，是将同位素钻59，在原子反应，在原子反应堆里的中子流冲击下，激发形成不稳定的同位堆里的中子流冲击下，激发形成不稳定的同位素既钻素既钻60，释放，释放射线以及少量射线以及少量射线和射线和射射线。线。 放射性同位素的原子核，在自发地放射出放射性同位素的原子核，在自发地放射出射射线后能量逐渐减弱，这种现象叫做衰变。线后能量逐渐减弱，这种现象叫做衰变。 各种放射性同位素都有自己特定衰变速度，称各种放射性同位素都有自己特定衰变速度，称为衰变常数为衰变常数()，它表示单位时间内衰变核的数，它表示单位时间内衰变核的数量与尚未衰变核的数量之比量与尚未衰变核的数量之比式中式

13、中 N-物质在物质在t时尚未衰变的原子数，时尚未衰变的原子数，N0-原有物原有物质原子数，质原子数，e-自然对数底，自然对数底，-物质衰变常数。物质衰变常数。 teNN0 放射同位素原子数随时间呈指数减少，放射性放射同位素原子数随时间呈指数减少，放射性同位素以原有同位素以原有N0个原子因衰变而减少到个原子因衰变而减少到N0/2个原个原子所需的时间，称为半衰期子所需的时间，称为半衰期(T)。 以使用最广的钴以使用最广的钴60为例，其半衰期为为例，其半衰期为5.3年年TeNN000693. 0T 在单位时间内衰变的原子核数量，称为放射在单位时间内衰变的原子核数量，称为放射性活度，以性活度，以表示，

14、单位为居里表示，单位为居里(Ci) 某种物质每秒钟有某种物质每秒钟有3.71010个原子衰变，则个原子衰变，则该物质的放射性活度为该物质的放射性活度为1Ci(居里居里) 单位质量放射性物质的活度称为比活度，单单位质量放射性物质的活度称为比活度，单位为位为Ci/g(居里居里/克克) 射线的强度可由测量仪器引起的电离程度射线的强度可由测量仪器引起的电离程度来决定，单位是来决定，单位是R(伦琴伦琴) 1R辐射强度，等于在辐射强度，等于在0及及105Pa压力下，在压力下，在1cm3空气中电离引起离子绝对值总和为一个绝空气中电离引起离子绝对值总和为一个绝对静电单位。对静电单位。(3) 高能高能X射线的获

15、得射线的获得 普通普通X射线和射线和射线检测，由于其能量低、穿射线检测，由于其能量低、穿透能力差，检测能力受到限制。透能力差，检测能力受到限制。 超过超过100mm厚钢板不能用一般厚钢板不能用一般X射线检测，超射线检测，超过过300mm厚钢板很难用厚钢板很难用射线进行检测。射线进行检测。 此时可采用加速器产生的高能此时可采用加速器产生的高能X射线检测，例射线检测，例如对厚度达如对厚度达300500mm的钢板，采用高能的钢板，采用高能X射射线检测可获得满意结果。线检测可获得满意结果。 高能高能X射线是指能量超过射线是指能量超过1000kV的射线，这种的射线，这种高能高能X射线都由加速器产生。射线

16、都由加速器产生。 被加速粒子的能量在被加速粒子的能量在1000MeV以上是高能加速以上是高能加速器，能量在器，能量在100MeV以下是低能加速器，能量在以下是低能加速器，能量在1001000MeV之间是中能加速器。之间是中能加速器。 按加速器种类可以分为电子加速器、质子加速按加速器种类可以分为电子加速器、质子加速器、重离手加速器以及全离子加速器等。器、重离手加速器以及全离子加速器等。 射线检测中应用的加速器都是电子加速器，能射线检测中应用的加速器都是电子加速器，能量数兆电子伏到数十兆电子伏范围内，一般都在量数兆电子伏到数十兆电子伏范围内，一般都在45MeV以下，即用低能电子加速器产生。以下，即

17、用低能电子加速器产生。 检测对加速器的要求是束流强度大、焦点尺寸检测对加速器的要求是束流强度大、焦点尺寸小、体积小、重量轻、成本低、操作容易、维护小、体积小、重量轻、成本低、操作容易、维护简单等。简单等。 适合工业无损检测用加速器，主要有电子感应适合工业无损检测用加速器，主要有电子感应加速器、电子直线加速器和电子回旋加速器。加速器、电子直线加速器和电子回旋加速器。(4) 中子射线的获得中子射线的获得 中子射线检测时常根据不同用途选用不同能量中子射线检测时常根据不同用途选用不同能量的中子，如冷中子、热中子和快中子等。的中子，如冷中子、热中子和快中子等。 中子照相主要是用热中子，中子源放射出来的中

18、子照相主要是用热中子，中子源放射出来的快中子由于能量高，不适合照相，需经慢化后变快中子由于能量高，不适合照相，需经慢化后变成低能热中子，由准直器引出。成低能热中子，由准直器引出。 目前可供照相用的中子源有核反应堆、加速器目前可供照相用的中子源有核反应堆、加速器和放射性同位索，常用的为和放射性同位索，常用的为(锎锎Cf252) (锎锎)Cf2 5 2中子源的半衰期中子源的半衰期2.65年，产额年，产额2.31012中子中子/s/g，目前价各还很贵。利用，目前价各还很贵。利用Cf252可做成可移动式中子照相装置。可做成可移动式中子照相装置。 另一种可移动中子装置，核心是与密封管中子另一种可移动中子

19、装置，核心是与密封管中子发生器组合在一起的慢化器，与发生器组合在一起的慢化器，与Cf252中子源不中子源不同之处是可以关闭，不运行时无需屏蔽。同之处是可以关闭，不运行时无需屏蔽。 国外中子管的中子产额已达国外中子管的中子产额已达1012中子中子/s，完全，完全可以满足照相的要求。可以满足照相的要求。 从中子照相来说，要求中子射线强度大、射线从中子照相来说，要求中子射线强度大、射线束质量高、便宜、方便、操作灵活等。束质量高、便宜、方便、操作灵活等。 目前，强度大的源是核反应堆，但它投资大、目前，强度大的源是核反应堆，但它投资大、笨重、无法用于生产现场。笨重、无法用于生产现场。 而小型加速器、中子

20、管、同位素中子源等虽然而小型加速器、中子管、同位素中子源等虽然灵巧、方便，但强度总的来说还不够高。灵巧、方便，但强度总的来说还不够高。10-3 射线的衰减特性射线的衰减特性 射线对物质的作用理论上有射线对物质的作用理论上有12种效应，其中种效应，其中主要的有主要的有4种：光电效应、瑞利散射、康普顿种：光电效应、瑞利散射、康普顿效应以及电子对生成。效应以及电子对生成。 能量较小时、前两种效应比较重要，电子对能量较小时、前两种效应比较重要，电子对生成效应仅当能量大于生成效应仅当能量大于1MeV时才开始显著。时才开始显著。 各种效应随物质原子序数的不同而改变，原各种效应随物质原子序数的不同而改变，原

21、子序数低效应弱，原子序数高效应强。子序数低效应弱，原子序数高效应强。 上述几种效应造成射线能量减弱，其原因是上述几种效应造成射线能量减弱，其原因是物质对射线的吸收与散射。物质对射线的吸收与散射。 射线被吸收时其能量转变为其它形式，如热射线被吸收时其能量转变为其它形式，如热能，散射则使射线的传播方向改变。能，散射则使射线的传播方向改变。(1) 射线的吸收射线的吸收 A 光电效应光电效应 射线通过物质时，光子与原子相互作用，光子射线通过物质时，光子与原子相互作用，光子被吸收，原子中的电子被释放出来，称为光电子，被吸收，原子中的电子被释放出来，称为光电子，即光电效应。即光电效应。 当光子的能量处在当

22、光子的能量处在射线的能量范围时，光电射线的能量范围时，光电效应与原子序数的关系密切，原子序数愈高，光效应与原子序数的关系密切，原子序数愈高，光电效应愈显著，光电效应与光子能量的电效应愈显著，光电效应与光子能量的3次方成次方成反比，能量愈高，光电效应愈弱。反比，能量愈高，光电效应愈弱。 例如能量为例如能量为0.5MeV的的射线通过铅板时，因射线通过铅板时，因光电效应的吸收十分显著，当为光电效应的吸收十分显著，当为2MeV时则光电时则光电效应很小。效应很小。 光电效应可产生的特征光电效应可产生的特征X射线，称为荧光射线，称为荧光X射射线，产生荧光线，产生荧光X 射线的最佳条件是光子能量稍大射线的最

23、佳条件是光子能量稍大于原手核外电子、如于原手核外电子、如K层电子的结合能，能量太层电子的结合能，能量太大就难以产生荧光大就难以产生荧光X射线。射线。 B 电子对生成电子对生成 射线通过物质时除产生光电效应外，还有电射线通过物质时除产生光电效应外，还有电子对生成。子对生成。 当光子能量大于当光子能量大于1.02MeV时产生电子对，产时产生电子对，产生电子对导致能量减弱的吸收系数与原子序数的生电子对导致能量减弱的吸收系数与原子序数的平方成正比。平方成正比。 光子能量小于光子能量小于1.02MeV时不产生电子对，因时不产生电子对，因此电子对效应主要发生在高能射线。此电子对效应主要发生在高能射线。(2

24、) 射线的散射射线的散射 A 康普顿散射康普顿散射 又称非弹性散射和非干涉散射，一个光子又称非弹性散射和非干涉散射，一个光子和物质中一个自由电子或束缚较弱的电子发生和物质中一个自由电子或束缚较弱的电子发生碰撞后，光子将一部分能量传给电子，波长变碰撞后，光子将一部分能量传给电子，波长变长。长。 电子即从原子空间中以与光子初始运动方向电子即从原子空间中以与光子初始运动方向成成角的方向射出。光子则朝着与自己初始方角的方向射出。光子则朝着与自己初始方向成向成角的方向散射，这就称为康普顿散射。角的方向散射，这就称为康普顿散射。 轻原子中的电子一般束缚较弱，重原子中的电轻原子中的电子一般束缚较弱，重原子中

25、的电子只有外层电子束缚较弱。子只有外层电子束缚较弱。 因此，原子序数小的物质，其康普顿散射较因此，原子序数小的物质，其康普顿散射较强，而原子序数大的物质则相对较弱。强，而原子序数大的物质则相对较弱。 B 汤姆逊散射汤姆逊散射 汤姆逊散射即弹性散射、干涉散射，在美国汤姆逊散射即弹性散射、干涉散射，在美国又称为瑞利散射。又称为瑞利散射。 当光子与原子中束缚很紧的电子碰撞时，光当光子与原子中束缚很紧的电子碰撞时，光子将与整个原子之间交换能量，但原子的质量子将与整个原子之间交换能量，但原子的质量比光子大得多。比光子大得多。 按照弹性力学理论，散射光的频率不会显著按照弹性力学理论，散射光的频率不会显著改

26、变，其波长与入射线相同，称为弹性散射。改变，其波长与入射线相同，称为弹性散射。 汤姆逊散射几率与原子序数成正比，与入射汤姆逊散射几率与原子序数成正比，与入射能量成反比。能量成反比。 汤姆逊散射对原子序数高的物质和能量低的汤姆逊散射对原子序数高的物质和能量低的光子来说是最重要的，但它绝不会超过总衰减光子来说是最重要的，但它绝不会超过总衰减的的20%，一般不大于，一般不大于1%上述效应随光子能量的变化如图所示，被作用物上述效应随光子能量的变化如图所示，被作用物质为铁，能量质为铁，能量0.01MeV时光电效应占优势，随光时光电效应占优势，随光子能量增加，光电效应逐步减少，而康普顿效应子能量增加，光电

27、效应逐步减少，而康普顿效应逐渐加大。逐渐加大。光子能量光子能量0.1MeV左右时汤姆逊效应最大，但其左右时汤姆逊效应最大，但其发生率不满发生率不满10%。1MeV左右、左右、X射线衰减基本射线衰减基本由康普顿效应造成，此后电子对效应逐步变大。由康普顿效应造成，此后电子对效应逐步变大。 10MeV左右、电子对效应与康普顿效应作用程左右、电子对效应与康普顿效应作用程度相同。大于度相同。大于10MeV时、电子对效应为主。时、电子对效应为主。图中可知，在射线能量较低范围内，散乱射线主图中可知，在射线能量较低范围内，散乱射线主要是由汤姆逊效应产生，而在射线能量较高范围要是由汤姆逊效应产生，而在射线能量较

28、高范围内，散乱射线主要由康普顿效应产生。故对一般内，散乱射线主要由康普顿效应产生。故对一般射线检测，康普顿效应是主要的。射线检测，康普顿效应是主要的。 康普顿散射系数与汤姆逊散射系数之和称为散康普顿散射系数与汤姆逊散射系数之和称为散射系数射系数，总的衰减系数，总的衰减系数为散射系数与吸收系为散射系数与吸收系数数()之和。之和。 线衰减系数不是常数，与射线能量有关。同时线衰减系数不是常数，与射线能量有关。同时也与物质质量成正比，质量衰减系数为也与物质质量成正比，质量衰减系数为m 当一束平行的强度为当一束平行的强度为I0的单色射线，透过厚度的单色射线，透过厚度为为d的一层均匀物质时，射线强度的衰减

29、将遵循的一层均匀物质时，射线强度的衰减将遵循以下规律以下规律由于散射线的存在，透过厚度为由于散射线的存在，透过厚度为d物质时，除透物质时，除透射线外，还要加上物体内部散射线强度。射线外，还要加上物体内部散射线强度。ddeII0因此，其衰减规律如下式所示因此，其衰减规律如下式所示 式中式中n为散射比，它是射线透过工件后散射线为散射比，它是射线透过工件后散射线剂量与透射线剂量之比。剂量与透射线剂量之比。 影响散射比的因素有焦距、照射场大小、射影响散射比的因素有焦距、照射场大小、射线性质和工件厚度等。线性质和工件厚度等。ddenII10例如，例如，X射线照相时射线照相时 对钢对钢n0.09T (T2

30、5mm) 对铝对铝n0.035T (T50mm) Irl92-射线照相时射线照相时 对钢对钢n0.075T (T70mm) Co60-射线照相时射线照相时 对钢对钢n0.047T (T160mm) 有时需要直观地表示射线的穿透力，通常用有时需要直观地表示射线的穿透力，通常用半值厚度半值厚度d1/2 (或半衰减层或半衰减层)来表示射线强度衰减来表示射线强度衰减一半的物质厚度。一半的物质厚度。 因此因此2/10021deII693. 02/1d 一定波长的射线，对一定物质具有恒定的半值一定波长的射线，对一定物质具有恒定的半值层，如层，如Co60-射线在铁中的半值层为射线在铁中的半值层为17.5mm

31、 因此一次射线通过因此一次射线通过17.5mm层后强度减一半层后强度减一半 第第2个个17.5mm层后即余下最初强度的层后即余下最初强度的25%光子能量光子能量100400keV的的X射线，在铝、铁、铜射线，在铝、铁、铜中的半值层如表中的半值层如表3-2所示。所示。 不同波长的射线具有不同的衰减系数，这对检不同波长的射线具有不同的衰减系数，这对检测来说使问题复杂化，因此需使连续测来说使问题复杂化，因此需使连续X射线的波射线的波长均匀化。长均匀化。 就是使就是使X射线经过一定厚度的物质、把波长较射线经过一定厚度的物质、把波长较长的部分吸收掉，剩下的就是波长较短且很接近长的部分吸收掉，剩下的就是波

32、长较短且很接近的的X射线，可以认为具有相同的吸收系数。射线，可以认为具有相同的吸收系数。 另外，另外，射线差不多都接近于单色，即有一恒射线差不多都接近于单色，即有一恒定的衰减系数。定的衰减系数。 当具有一定能量的带电粒子穿透物质时，在当具有一定能量的带电粒子穿透物质时，在它们经过的路程上就会产生电离作用，形成许多它们经过的路程上就会产生电离作用，形成许多离子对，电离作用是带电粒子和物质相互作用的离子对，电离作用是带电粒子和物质相互作用的主要形式。主要形式。 粒子（射线）由于能量、质量和带电量大，粒子（射线）由于能量、质量和带电量大，故电离作用最强，故电离作用最强，但射程但射程( (带电粒子在物

33、质中穿带电粒子在物质中穿行时、能量耗尽前所经过的直线距离行时、能量耗尽前所经过的直线距离) )较短。较短。 粒子质量小，电离能力比同样能量的粒子质量小，电离能力比同样能量的粒子粒子要弱，由于要弱，由于粒子易于散射，所以其行程是弯曲粒子易于散射，所以其行程是弯曲的。的。 2)电离作用电离作用粒子几乎没有直接的电离作用。粒子几乎没有直接的电离作用。式中：式中：E 带电粒子的能量；带电粒子的能量； Ed 离子对的能量；离子对的能量； J 辐射源的强度；辐射源的强度； C 辐射源强度为辐射源强度为1Ci时，每秒放射出的粒子时，每秒放射出的粒子数。数。 在辐射线的电离作用下，每秒钟产生的离在辐射线的电离

34、作用下，每秒钟产生的离子对的总数，即离子对形成的频率可出下式表子对的总数，即离子对形成的频率可出下式表示：示：JCEEfde 21 核辐射与物质的相互作用是核辐射传感器检核辐射与物质的相互作用是核辐射传感器检测物理量的基础。利用电离、吸收和反射作用以测物理量的基础。利用电离、吸收和反射作用以及及、和和X射线的特性可以检测多种物理量。射线的特性可以检测多种物理量。常用电离室、气体放电计数管、闪烁计数器和半常用电离室、气体放电计数管、闪烁计数器和半导体检测核辐射强度，分析气体，鉴别各种粒子导体检测核辐射强度，分析气体，鉴别各种粒子等。等。 1）电离室）电离室 利用电离室测量核辐射强度的示意图见下图

35、。利用电离室测量核辐射强度的示意图见下图。在电离空两侧的互相绝缘的电极上，施加极化电在电离空两侧的互相绝缘的电极上，施加极化电压，使两极板间形成电场。在射线作用下，两极压，使两极板间形成电场。在射线作用下，两极板间的气体被电离，形成正离子和电子，带电粒板间的气体被电离，形成正离子和电子，带电粒子在电场作用下定向运动形成电流子在电场作用下定向运动形成电流 I，在外接电在外接电 10-4、核辐射传感器、核辐射传感器太一样太一样, ,由于由于射线不直接产生电离射线不直接产生电离, ,因而只能利因而只能利用它的反射电子和增加室内气压来提高用它的反射电子和增加室内气压来提高光子与光子与物质作用的有效性，

36、因此，物质作用的有效性，因此，射线的电离室必须射线的电离室必须密闭。密闭。阻上便形成压降。电流阻上便形成压降。电流 I 与气体电离程度成正比，与气体电离程度成正比，电离程度又正比于射线辐射强度，因此，测量电电离程度又正比于射线辐射强度，因此，测量电阻阻 R 上的电压值就可得到核辐射强度。上的电压值就可得到核辐射强度。 电离室主要用于电离室主要用于探测探测、粒子。电粒子。电离室的窗口直径约离室的窗口直径约100mm左右左右, ,不必太不必太大。大。射线的电离室射线的电离室同同、的电离室不的电离室不 2）盖格计数管）盖格计数管 盖革计数器是根据射线对气体的电离性质设盖革计数器是根据射线对气体的电离

37、性质设计成的。其探测器（称计成的。其探测器（称“盖革管盖革管”）的通常结构）的通常结构是在一根两端用绝缘物质密闭的金属管内充入稀是在一根两端用绝缘物质密闭的金属管内充入稀薄气体（通常是掺加了卤素的稀有气体，如氦、薄气体（通常是掺加了卤素的稀有气体，如氦、氖、氩等），在沿管的轴线上安装有一根金属丝氖、氩等），在沿管的轴线上安装有一根金属丝电极，并在金属管壁和金属丝电极之间加上略低电极，并在金属管壁和金属丝电极之间加上略低于管内气体击穿电压于管内气体击穿电压的电压。的电压。 这样，在通常状态下，管内气体不放电；这样，在通常状态下，管内气体不放电；而当有高速粒子射入管内时，粒子的能量使管而当有高速粒

38、子射入管内时，粒子的能量使管内气体电离导电，在丝极与管壁之间产生迅速内气体电离导电，在丝极与管壁之间产生迅速的气体放电现象，从而输出一个脉冲电流信号。的气体放电现象，从而输出一个脉冲电流信号。 通过适当地选择加在丝极与管壁之间的电通过适当地选择加在丝极与管壁之间的电压，就可以对被探测粒子的最低能量，从而对压，就可以对被探测粒子的最低能量，从而对其种类加以甄选。其种类加以甄选。 盖革计数器也可以用于探测盖革计数器也可以用于探测射线，但由于射线，但由于盖革管中的气体密度通常较小，高能盖革管中的气体密度通常较小，高能射线往往射线往往在未被探测到时就已经射出了盖革管，因此其在未被探测到时就已经射出了盖

39、革管，因此其对高能对高能射线的探测灵敏度较低。在这种情况下，射线的探测灵敏度较低。在这种情况下，碘化钠闪烁计数器则有更好的表现。碘化钠闪烁计数器则有更好的表现。 历史历史 盖革计数器最初是在盖革计数器最初是在1908年由德国物理学年由德国物理学家汉斯家汉斯盖革和著名的英国物理学家卢瑟福在盖革和著名的英国物理学家卢瑟福在粒子散射实验中，为了探测粒子散射实验中，为了探测粒子而设计的。粒子而设计的。后来在后来在1928年，盖革又和他的学生米勒年，盖革又和他的学生米勒（Walther Mller）对其进行了改进）对其进行了改进1，使其，使其可以用于探测所有的电离辐射。可以用于探测所有的电离辐射。 19

40、47年，美国年，美国人人Sidney H. Liebson在其博士学位研究中又对在其博士学位研究中又对盖革计数器做了进一步的改进，使得盖革管使盖革计数器做了进一步的改进，使得盖革管使用较低的工作电压，并且显著延长了其使用寿用较低的工作电压，并且显著延长了其使用寿命。这种改进也被称为命。这种改进也被称为“卤素计数器卤素计数器”。 盖革盖革计数器因为其造价低廉、使用方便、探测范围计数器因为其造价低廉、使用方便、探测范围广泛，至今仍然被普遍地使用于核物理学、医广泛，至今仍然被普遍地使用于核物理学、医学、粒子物理学及工业领域。学、粒子物理学及工业领域。 盖格计数管的特性曲线如下图所示。盖格计数管的特性

41、曲线如下图所示。J1、J2代表入射的核辐射强度，代表入射的核辐射强度，J1J2。由图可知，在由图可知，在外电压外电压U相同的情况下，入射的核辐射强度越强，相同的情况下，入射的核辐射强度越强，盖格计数管内严生的脉冲盖格计数管内严生的脉冲N越多。盖格计数管常越多。盖格计数管常用于探测用于探测射线和射线和粒子的辐射量粒子的辐射量(强度强度)。 闪烁计数管由闪烁晶体闪烁计数管由闪烁晶体( (受激发光物体，常受激发光物体，常有气体、液体和固体三种，分为有机和无机两类有气体、液体和固体三种，分为有机和无机两类) )和光电倍增管组成，如下图所示。当辐射照射到和光电倍增管组成，如下图所示。当辐射照射到闪烁晶体

42、上，便激发出微弱的闪光，闪光射到光闪烁晶体上，便激发出微弱的闪光，闪光射到光电倍增管上（由于电倍增管上（由于闪闪光很微弱，必须使用光电倍光很微弱，必须使用光电倍增管才会有光电流输出），就会在其阳极形成脉增管才会有光电流输出），就会在其阳极形成脉冲电流，从而得到与核辐射有关的电信号。冲电流，从而得到与核辐射有关的电信号。 3）闪烁计数管）闪烁计数管 核辐射传感器除了用于核辐射的测量外，也核辐射传感器除了用于核辐射的测量外，也能用于气体分析、流量、物位、重量、温度、探能用于气体分析、流量、物位、重量、温度、探伤以及医学等方面。伤以及医学等方面。 1核辐射流量计核辐射流量计 核辐射流量计可以检测气体

43、和液体在管道中核辐射流量计可以检测气体和液体在管道中的流量，其工作原理如下图所示。若测量气体的的流量，其工作原理如下图所示。若测量气体的流量，在气流管壁上装有如图所示的两个活动电流量，在气流管壁上装有如图所示的两个活动电极，其一的内侧面涂覆有放射性物质构成的电离极，其一的内侧面涂覆有放射性物质构成的电离室。当气体流经两电极间时，由于核辐射使被测室。当气体流经两电极间时，由于核辐射使被测气体电离，产生电离电流；电离子一部分被流动气体电离，产生电离电流；电离子一部分被流动的气体带出电离室，电离电流减小。的气体带出电离室，电离电流减小。10-5 核辐射传感的应用举例核辐射传感的应用举例随着气流速度的

44、增加，带出电离室的离子数增加，随着气流速度的增加，带出电离室的离子数增加，电离电流也随之减小。当外加电场电离电流也随之减小。当外加电场定，辐射强定，辐射强度恒定时，离度恒定时，离子迁移率基本是固子迁移率基本是固定的，因此，可以定的，因此，可以比较准确地测出气比较准确地测出气体流量。体流量。 若在流动的液若在流动的液体中，掺入少量放体中，掺入少量放射性物质，也可以射性物质，也可以运用放射性同位素运用放射性同位素跟踪法求取液体流跟踪法求取液体流量。量。 核辐射测核辐射测厚仪是利用射厚仪是利用射线的散射与物线的散射与物体厚度的关系体厚度的关系来测量物体厚来测量物体厚度的。度的。 图是利用图是利用差动

45、和平衡变差动和平衡变换原理测量镀换原理测量镀锡钢带镀锡层锡钢带镀锡层的厚度测量仪。的厚度测量仪。1-锡层 2放射源 3、4-电离室 5-挡板 6-电机 7-滚子 8-辅助放射源 9-钢带 2核辐射测厚仪核辐射测厚仪 图中图中3、4为两个电离室、电离室外壳加上极为两个电离室、电离室外壳加上极性相反的电压，形成相反的栅极电流使电阻性相反的电压，形成相反的栅极电流使电阻R上上的压降正比于两电离室辐射强度的差值。电离的压降正比于两电离室辐射强度的差值。电离室室3的辐射强度取决于辐射源的辐射强度取决于辐射源2的放射线经镀锡钢带的放射线经镀锡钢带镀锡层后的反向散射，镀锡层后的反向散射，电离室电离室4的辐射

46、强度取决的辐射强度取决于于8的辐射线经挡板的辐射线经挡板5位置的调制程度。利用位置的调制程度。利用R上上的电压，经过放大后，控制电机转动、以此带动的电压，经过放大后，控制电机转动、以此带动挡板挡板5位移，使电极电流相等。用检测仪表测出位移，使电极电流相等。用检测仪表测出挡板的位移量，即可测量镀锡层的厚度。挡板的位移量，即可测量镀锡层的厚度。 4,多相流检测多相流检测准直孔银片透射窗Am241托盘光源头部截面第一组扫描第二组扫描第三组扫描检测器图光层析成像的结构示意 X 5, x 射线层析成像（射线层析成像（CT）原理原理 CT的完整拼写是：的完整拼写是：Computerized Tomogra

47、phy。依据的是雷当依据的是雷当( (Radon) )变换变换 ABdYyxfXp直线),(),( 吸收率分布吸收率分布6 射线实时检测技术射线实时检测技术 当前工业用当前工业用X射线检测主要是照相法，照相法射线检测主要是照相法，照相法比较成熟，但费时、费钱。比较成熟，但费时、费钱。 为了进一步提高检测效率，满足工业生产中为了进一步提高检测效率，满足工业生产中大批量产品的质量检测，实现自动化流水作业，大批量产品的质量检测，实现自动化流水作业，有必要发展有必要发展X射线实时检测技术。射线实时检测技术。 工业工业X射线实时检测技术，是通过荧光屏把它射线实时检测技术，是通过荧光屏把它转换成可见光图象

48、，但荧光屏上可见光图象亮度转换成可见光图象，但荧光屏上可见光图象亮度很低，必须经过图象增强器后进行摄象。很低，必须经过图象增强器后进行摄象。 工业工业X射线实时检测技术装置主要由射线实时检测技术装置主要由4部分，部分，X射射线源、图象增强器、电视摄象机和接收机线源、图象增强器、电视摄象机和接收机 图象增强器将输入的图象增强器将输入的X射线图象转换为可见射线图象转换为可见光荧光图象，并使其亮度增强光荧光图象，并使其亮度增强1万倍以上。万倍以上。 图象经适当的光学系统，被摄象机录影后显图象经适当的光学系统，被摄象机录影后显示在显象监视器上。示在显象监视器上。 配用配用X射线实时检测射线实时检测X射

49、线机要求焦点小、软射线机要求焦点小、软X射线少射线少(设铍窗口设铍窗口)，以便大大提高图象的清晰，以便大大提高图象的清晰度和分辨能力。度和分辨能力。 另一个提高检测灵敏度的措施是提高图象的另一个提高检测灵敏度的措施是提高图象的放大率，当然前提是射线源的焦点要小。放大率，当然前提是射线源的焦点要小。中子射线检测中子射线检测 中子射线检测是国外中子射线检测是国外70年代发展起来的一项年代发展起来的一项新技术，是新技术，是X射线检测和射线检测和射线检测的一种补充，射线检测的一种补充，具有下列特点具有下列特点 A) 对于高原子序数的材料比对于高原子序数的材料比X射线和射线和射线的射线的穿透能力大穿透能

50、力大 B) 对于相邻原子序数的材料比对于相邻原子序数的材料比X射线和射线和射线射线的分辨能力强的分辨能力强 C) 一些轻材料和某些特定材料对中子的吸收能一些轻材料和某些特定材料对中子的吸收能力比重元素大力比重元素大 D) 对某些元素的同位素敏感对某些元素的同位素敏感 E) 可以在强的辐射场可以在强的辐射场(X射线，射线，射线射线)中工作中工作 X射线和射线和射线的质量吸收系数随原子序数射线的质量吸收系数随原子序数增加而增加，而中子质量吸收系数则复杂，通增加而增加，而中子质量吸收系数则复杂，通常是随原子序数增加而减少。常是随原子序数增加而减少。 可以利用中子照相来解决可以利用中子照相来解决X射线