輻射物理與輻射探測技術(shù)II

1、輻射物理與輻射探測技術(shù)II讀書報告姓名：XX學(xué)號：XXXX專業(yè)：XXXX學(xué)院：XXXXXX2015年12月輻射指的是能量以電磁波或粒子（如粒子、粒子等）的形式向外擴(kuò)散。一般可依其能量的高低及電離物質(zhì)的能力分類為電離輻射或非電離輻射。一般普遍將這個名詞用在電離輻射。電離輻射具有足夠的能量可以將原子或分子電離化，非電離輻射則否。輻射活性物質(zhì)是指可放射出電離輻射之物質(zhì)。電離輻射主要有三種：、及輻射（或稱射線）。電離輻射是擁有足夠高能量的輻射，可以把原子電離。一般而言，電離是指電子被電離輻射從電子殼層中擊出，使原子帶正電。由于細(xì)胞由原子組成，電離作用可以引致癌癥。一個細(xì)胞大約由數(shù)萬億個原子組成。電離輻

2、射引致癌癥的幾率取決于輻射劑量率及接受輻射生物之感應(yīng)性。、輻射及中子輻射均可以加速至足夠高能量電離原子。非電離輻射的能量較電離輻射弱。非電離輻射不會電離物質(zhì)，而會改變分子或原子之旋轉(zhuǎn)，振動或價層電子軌態(tài)。非電離輻射對生物活組織的影響被研究的時間并不長。不同的非電離輻射可產(chǎn)生不同之生物學(xué)作用。輻射探測器是用以對核輻射和粒子的微觀現(xiàn)象進(jìn)行觀察和研究的傳感器件、裝置或材料。 輻射探測器的工作原理基于粒子與物質(zhì)的相互作用。用以對核輻射和粒子的微觀現(xiàn)象進(jìn)行觀察和研究的傳感器件、裝置或材料。當(dāng)粒子通過某種物質(zhì)時，這種物質(zhì)就吸收其一部或全部能量而產(chǎn)生電離或激發(fā)作用。如果粒子是帶電的，其電磁場與物質(zhì)中原子的軌

3、道電子直接相互作用。如果是射線或 X射線，則先經(jīng)過一些中間過程，產(chǎn)生光電效應(yīng)、康普頓效應(yīng)或電子對，把能量部分或全部傳給物質(zhì)的軌道電子,再產(chǎn)生電離或激發(fā)。對于不帶電的中性粒子，例如中子，則是通過核反應(yīng)產(chǎn)生帶電粒子，然后造成電離或激發(fā)。輻射探測器就是用適當(dāng)?shù)奶綔y介質(zhì)作為與粒子作用的物質(zhì)，將粒子在探測介質(zhì)中產(chǎn)生的電離或激發(fā),轉(zhuǎn)變?yōu)楦鞣N形式的直接或間接可為人們感官所能接受的信息。輻射探測器給出信息的方式，主要分為兩類：一類是粒子入射到探測器后，經(jīng)過一定的處置才給出為人們感官所能接受的信息。例如，各種粒子徑跡探測器，一般經(jīng)過照相、顯影或化學(xué)腐蝕等過程。還有熱釋光探測器、光致發(fā)光探測器，則經(jīng)過熱或光激發(fā)才

4、能給出與被照射量有關(guān)的光輸出。這一類探測器基本上不屬于核電子學(xué)的研究范圍。另一類探測器接收到入射粒子后，立即給出相應(yīng)的電信號，經(jīng)過電子線路放大、處理，就可以進(jìn)行記錄和分析。這第二類可稱之為電探測器。電探測器是應(yīng)用最廣泛的輻射探測器。這一類探測器的問世，導(dǎo)致了核電子學(xué)這一新的分支學(xué)科的出現(xiàn)和發(fā)展。輻射探測器的主要性能是探測效率、分辨率、線性響應(yīng)、粒子鑒別能力。將輻射能轉(zhuǎn)換為可測信號的器件。探測器的基本原理是，輻射和探測介質(zhì)中的粒子相互作用，將能量全部或部分傳給介質(zhì)中的粒子，在一定的外界條件下，引起宏觀可測的反應(yīng)。對于光學(xué)波段，輻射可以看作光子束，光子的能量傳給介質(zhì)中的電子，產(chǎn)生所謂光子事件，輻射

5、能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮埽ㄈ鐭犭娕迹?、電能（如光電流和光電壓）、化學(xué)能（感光乳膠中銀顆粒的生成），或者另一種波長的輻射（熒光效應(yīng)）。根據(jù)這些能量和輻射，設(shè)計各種不同器件，以測量天體的輻射能量。常用的輻射探測器按探測介質(zhì)類型及作用機(jī)制主要分為：氣體探測器、閃爍探測器、半導(dǎo)體探測器。氣體探測器是以氣體為工作介質(zhì)，由入射粒子在其中產(chǎn)生的電離效應(yīng)引起輸出電信號的探測器。由于產(chǎn)生信號的工作機(jī)制不同，氣體電離探測器主要有電離室、正比計數(shù)器、G-M計數(shù)器等類型。它們均有各自的特點以及相應(yīng)的適用領(lǐng)域。核輻射引起氣體的電離：入射帶電粒子通過氣體介質(zhì)時，使氣體分子、原子電離和激發(fā)，并在通過的路徑周圍生成大量離子對。氣體探測器

6、的工作介質(zhì)為氣體，工作氣體充滿電離室內(nèi)部空間；需要保證氣體的成分和壓力，所以一般電離室均需要一個密封外殼將電極系統(tǒng)包起來。工作氣體有確定的組成，一般為氬氣(Ar ) 加少量多原子分子氣體CH4。氣體電離探測器主要有電離室、正比計數(shù)器、G-M計數(shù)器等類型1。利用輻射在某些物質(zhì)中產(chǎn)生的閃光，產(chǎn)生熒光光子來探測電離輻射的探測器。閃爍探測器可用來測量入射粒子的能量。 閃爍探測器的工作過程：輻射射入閃爍體使閃爍體原子電離或激發(fā)，受激原子退激而發(fā)出波長在可見光波段的熒光；熒光光子被收集到光電倍增管(PMT)的光陰極，通過光電效應(yīng)打出光電子；電子運(yùn)動并倍增，并在陽極輸出回路輸出信號。閃爍體分為無機(jī)閃爍體、有

7、機(jī)閃爍體、氣體閃爍體等。半導(dǎo)體探測器的基本原理是帶電粒子在半導(dǎo)體探測器的靈敏體積內(nèi)產(chǎn)生電子空穴對，電子空穴對在外電場的作用下漂移而輸出信號。我們把氣體探測器中的電子離子對、閃爍探測器中被 PMT第一打拿極收集的電子 及半導(dǎo)體探測器中的電子空穴對統(tǒng)稱為探測器的信息載流子。產(chǎn)生每個信息載流子的平均能量分別為30eV(氣體探測器)，300eV(閃爍探測器)和3eV(半導(dǎo)體探測器)2。半導(dǎo)體探測器的特點：能量分辨率最佳；g射線探測效率較高，可與閃爍探測器相比。常用半導(dǎo)體探測器有：P-N結(jié)型半導(dǎo)體探測器、鋰漂移型半導(dǎo)體探測器；高純鍺半導(dǎo)體探測器。新的輻射探測技術(shù)將傳統(tǒng)的G-M 技術(shù)與其他技術(shù)相結(jié)合，現(xiàn)在

8、正在設(shè)計能夠野外使用的這種結(jié)合技術(shù)的裝備。 如加拿大 SAIC 開發(fā)公司生產(chǎn)的 GR-135型輻射探測器就是一種 G-M 技術(shù)結(jié)合了其他多探測器技術(shù)的輻射探測裝置。美國 Canberra 公司的InSpector 1000 多功能數(shù)字化譜儀，將 NaI 閃爍探測器與 G-M 技術(shù)管相結(jié)合的儀器，實現(xiàn)了現(xiàn)場定量測量，并能快速判別放射性種類。使用超?。ㄐ∮?1m）硅片層的固體技術(shù)被開發(fā)用于追蹤輻射和輻射。該技術(shù)最終有可能取代傳統(tǒng)的 G-M 技術(shù)或 NaI 閃爍探測器技術(shù)。新的個人劑量監(jiān)測儀比熱釋光片靈敏 50 倍以上，比老式膠片劑量計靈敏 200 倍。能將輻射數(shù)據(jù)直接下載到網(wǎng)絡(luò)，使指揮部門能更快速

9、掌握情況。歐洲和北美的公司和政府注入了大量的研究發(fā)展資金，開發(fā)研制了多種類型的放射性探測儀器，用于裝備部隊使用，改善部隊迅速應(yīng)對放射性襲擊的能力?，F(xiàn)列舉幾種探測器技術(shù)較先進(jìn)、代表國際發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢的儀器近半個多世紀(jì)以來，國外核輻射監(jiān)測技術(shù)一直在軍事、社會需求牽引下，在基礎(chǔ)理論與應(yīng)用技術(shù)進(jìn)步的推動下不斷的發(fā)展?？傮w趨勢是一機(jī)多能、高可靠、寬量程和平臺綜合集成，并向核化生一體化與信息化方向發(fā)展3-6。（1）主要向高靈敏度、高分辨率方向發(fā)展。國外寬量程輻射探測技術(shù)已發(fā)展的很成熟，并已裝備部隊。如芬蘭研制出高靈敏電荷直接貯存型核輻射探測器，它探測的射線的輸出信號比一般半導(dǎo)體探測器高1000倍。美軍研制

10、出了寬量程（109）、高準(zhǔn)確度、小型化和高可靠（MTBF達(dá)4000小時）、平戰(zhàn)結(jié)合，可從測量環(huán)境本底輻射到核事故、核爆炸水平的探測器7。（2）將多種傳感器結(jié)合在一起，能夠在一個探測裝置內(nèi)并入多種現(xiàn)有技術(shù)，從而拓寬量程，增加功能，性能穩(wěn)定可靠。如將傳統(tǒng)的G-M技術(shù)與其他技術(shù)相結(jié)合，如加拿大SAIC開發(fā)公司生產(chǎn)的GR-135型輻射探測器就是一種G-M技術(shù)結(jié)合了其他多探測器技術(shù)的輻射探測裝置。美國Canberra公司的InSpector 1000 多功能數(shù)字化譜儀，是將NaI（TL）或LaBr（Ce）閃爍探測器與G-M技術(shù)管相結(jié)合的儀器，既實現(xiàn)了現(xiàn)場劑量與劑量率測量，又能快速判別核輻射種類，實現(xiàn)定量

11、測量分析8。（3）核電子技術(shù)有了新的發(fā)展，探測技術(shù)最顯著的進(jìn)步之一就是信號處理和顯示技術(shù)。a. 電子科學(xué)的進(jìn)步已經(jīng)能夠在一個探測裝置內(nèi)并入多種現(xiàn)有技術(shù)。b. 能夠精確控制探測器件的高壓，減少死時間的影響，使得先進(jìn)的算法得以實現(xiàn)。拓寬了探測器的測量范圍，延長了探測器件的使用壽命等。c. 探測器智能化，高壓電源、前置放大器、放大器、信號甄別器和信號處理器、與主機(jī)的通訊、接口關(guān)系及與控制這些部件相關(guān)聯(lián)的功能包括關(guān)鍵參數(shù)的控制和存儲、設(shè)置、刻度和警報設(shè)置等都集成于智能化探測器中。電纜對測量結(jié)果沒有任何影響，開機(jī)狀態(tài)，探測器與主機(jī)之間可隨意插接或斷開。并通過把探測器聯(lián)接到運(yùn)行的智能探頭軟件的計算機(jī)，可以

12、直接用探測器執(zhí)行刻度。（4）能快速判別核輻射種類的裝備的發(fā)展，是在核輻射爆炸裝置爆炸之前就能將其發(fā)現(xiàn)的更有效、更靈敏的探測器，及一旦發(fā)生爆炸則能快速判別核輻射種類的裝備。由于以美國為首的聯(lián)軍在戰(zhàn)后伊拉克頻繁遭遇恐怖主義炸彈襲擊，為了確定是否遭遇核輻射分散裝置（RDD，或稱“臟彈”）襲擊，每次發(fā)生爆炸都要探測是否有核輻射。舊的輻射探測器適用于探測核爆炸條件下的高核輻射，現(xiàn)在要求的是用于應(yīng)對核恐怖主義襲擊或高危險區(qū)維和行動的探測裝置。1986年的切爾諾貝利事件和2011年的日本福島核電站核泄漏事故都表明要特別對低輻射進(jìn)行有效監(jiān)測和及時報警。（5）新型探測器件的應(yīng)用。HPGE高純鍺譜儀由于電制冷技術(shù)

13、的發(fā)展，HPGE高純鍺譜儀不僅在實驗室得到廣泛應(yīng)用，也已成功使用于現(xiàn)場的測量工作。LaBr（Ce）探測器已可加工為381mm×381mm， 508mm×508mm，762mm×762mm等不同尺寸，較好地解決了抗沖擊振動等問題，能量分辨率為2.8%到3%。工程應(yīng)用中性能穩(wěn)定可靠。小型CZT 譜儀已得到應(yīng)用，美國的布魯克海文國家實驗室（BNL）正在研究改進(jìn)CZT晶體的生長工藝，希望生產(chǎn)出高性能的探測器9, 10?？傊?，核輻射探測器未來發(fā)展趨勢主要是：研究同時能給出入射粒子位置、能量、時間等多種信息的組合型探測器和探測裝置。充分利用電子技術(shù)與計算機(jī)技術(shù)的新成就，提高對

14、探測器所提供的信息進(jìn)行分析、處理的精確度，速度和對信息的利用率。微電子技術(shù)正促進(jìn)微型化探測器的出現(xiàn)。尋求更理想的探測介質(zhì)和探測機(jī)制，研制超導(dǎo)探測器。參考文獻(xiàn)：1AHMED S N. 2 - Interaction of radiation with matter M. Physics and Engineering of Radiation Detection (Second Edition). Elsevier. 2015: 65-155.2劉杰, 孫鳴. 核電廠輻射監(jiān)測系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展趨勢及產(chǎn)品研發(fā)思路 J. 中國核電, 2009, 02): 133-9.3馬宇箭. 輻射監(jiān)測系統(tǒng)國產(chǎn)化方向研究

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