新編-第二講核輻射與探測(cè)技術(shù)2-精品課件

1、回顧1、核技術(shù)的概念，分為廣義和狹義。2、常用的核輻射類型，各種射線及其應(yīng)用，核衰變規(guī)律，放射性活度3、射線與物質(zhì)的相互作用，帶電粒子（重帶電粒子與輕帶電粒子）， 射線，中子。射線與物質(zhì)作用時(shí)的衰減規(guī)律。1第二講 核探測(cè)技術(shù)及應(yīng)用 2.1核探測(cè)器原理 2.2核探測(cè)技術(shù)應(yīng)用2問題：核輻射眼睛看不見、耳朵聽不著、雙手摸不到，如何知道它的存在呢？哈爾濱銥-192之謎核探測(cè)器是核輻射的耳目！3中國(guó)日?qǐng)?bào)消息：由于擔(dān)心恐怖分子利用海上進(jìn)行核原料走私，美國(guó)與荷蘭政府簽署一項(xiàng)協(xié)議，自掏腰包為歐洲最大的海港鹿特丹港口安裝核物質(zhì)探測(cè)器。 這套價(jià)值300萬美元的探測(cè)系統(tǒng)包括固定和手持的儀器，可以對(duì)通過港口的貨物集裝

2、箱進(jìn)行掃描，檢查集裝箱里是否裝有核原料。 每年大約有數(shù)千艘商船通過鹿特丹港口，很多貨物都是從中東和世界其他地區(qū)經(jīng)過這里轉(zhuǎn)運(yùn)到美國(guó)的。美國(guó)安全官員一直擔(dān)心，恐怖分子會(huì)將核原料藏在集裝箱偷運(yùn)到美國(guó)，然后用這些核原料制造“臟彈”?！芭K彈”是一種大規(guī)模破壞性武器，引爆后將放出大量有害的放射性物質(zhì)，不僅會(huì)造成人員傷亡，而且會(huì)使遭到攻擊的區(qū)域受到嚴(yán)重的放射性污染。4 核探測(cè)器（粒子探測(cè)器）：能夠指示、記錄和測(cè)量核輻射的材料或裝置。 原理：輻射與核輻射探測(cè)器內(nèi)的物質(zhì)相互作用而產(chǎn)生某種信息（如電、光脈沖或材料結(jié)構(gòu)的變化），經(jīng)放大后被記錄、分析，以確定粒子的數(shù)目、位置、能量、動(dòng)量等。5宇觀宏觀微觀粒子（無窮大到

3、無窮?。?026m到10-18m；物質(zhì)的基本結(jié)構(gòu)：由原子到夸克?？淇撕洼p子是物質(zhì)的最基本組成；微觀粒子肉眼看不到，只能通過探測(cè)器探測(cè)到人類對(duì)物質(zhì)世界的認(rèn)識(shí)不斷深化，歸功于實(shí)驗(yàn)和理論的相互促進(jìn)，歸功于粒子加速器和粒子探測(cè)器的不斷建造和發(fā)展。使對(duì)物質(zhì)世界的探索逐步走上現(xiàn)代實(shí)驗(yàn)科學(xué)的軌道。核探測(cè)技術(shù)隨核物理的發(fā)展而發(fā)展6 粒子源種類輻射源 天外的：宇宙射線； 天然的：自然界自然存在的放射性核素鈾、釙、鐳、錒等； 人工的：用加速器、反應(yīng)堆產(chǎn)生的放射性核素锝、钷、镎、钚、镅等。 78我們要知道有多少粒子，什么樣的粒子，還要知道它們的物理性質(zhì)，來源。為此，探測(cè)器要測(cè)量許多物理量。計(jì)數(shù)和計(jì)數(shù)率：即粒子的通

4、量或流強(qiáng)；時(shí)間：粒子到達(dá)探測(cè)器時(shí)間或相對(duì)于某時(shí)刻時(shí)間間隔；能量：尤其中性粒子（中子，光子，中微子等）的能量；動(dòng)量：主要是帶電粒子的動(dòng)量；位置：粒子產(chǎn)生或衰變的位置，帶電粒子在探測(cè)器內(nèi)的位置和飛行的軌跡，中性粒子進(jìn)入探測(cè)器的位置和飛行方向；粒子的分辨：區(qū)別不同性質(zhì)的粒子，特別需要分辨相同動(dòng)量下不同質(zhì)量的帶電粒子；核探測(cè)器測(cè)量的基本物理量9測(cè)量粒子與射線的基本性質(zhì)，研究這些粒子之間的相互作用以及它們與宏觀 物質(zhì)的相互作用等。將這些粒子與射線作為微小的探針來研究微觀或亞微觀結(jié)構(gòu)，如晶體結(jié)構(gòu)， 物質(zhì)的表面結(jié)構(gòu)，分子原子及核結(jié)構(gòu)等。因?yàn)檫@些粒子來源不同，有的來自地球， 有的來自太陽 ，月亮或銀河以外，

5、它們會(huì)帶有與源有密切關(guān)系的信息。 通過這些粒子或射線來研究我們達(dá)不到的各種天體。粒子與射線在工業(yè)，農(nóng)業(yè)，地質(zhì)，醫(yī)療，環(huán)保，航天等領(lǐng)域被廣泛地應(yīng)用， 不可替代地獲得對(duì)宏觀物質(zhì)的形態(tài)，結(jié)構(gòu)，成分的測(cè)量與研究。粒子探測(cè)器用途：10 6位獲諾貝爾獎(jiǎng)的粒子探測(cè)器大師C.T.R.Wilson發(fā)明云室，一種觀測(cè)帶電粒子徑跡的方法和技術(shù)（1927年）P.M.S.Blackett發(fā)展Wilson云室技術(shù)，在核物理與宇宙線研究中做出貢獻(xiàn)（1948年）C.F.Powell發(fā)明核乳膠技術(shù)，在宇宙線中發(fā)現(xiàn)介子（1950年）D.A.Glaser發(fā)明氣泡室（1960年）L.W.Alvarez發(fā)展氣泡室及數(shù)據(jù)處理技術(shù)，發(fā)現(xiàn)大

6、量共振態(tài)（1968年）G.Charpak發(fā)明多絲正比室并發(fā)展氣體絲室技術(shù)（1992年）11丁肇中教授中國(guó)科大，中科院高能所，上硅所參加12The Alpha Magnetic Spectrometer Detector 國(guó)際空間站的一個(gè)粒子物理實(shí)驗(yàn)（丁肇中教授領(lǐng)導(dǎo)）13 粒子探測(cè)基本原理粒子探測(cè)主要是指記錄粒子數(shù)目，測(cè)定其強(qiáng)度，確定粒子的性質(zhì)（能量、動(dòng)量、飛行方向等）。根據(jù)粒子的帶電性質(zhì)分類帶電粒子：、p、e、等電磁輻射：x射線、射線中性粒子：n、0、0、等14（一）帶電粒子探測(cè)基本原理 入射帶電粒子與物質(zhì)原子的軌道電子發(fā)生庫侖相互作用而損失能量，軌道電子獲得能量。當(dāng)電子獲得能量足以克服原子核

7、的束縛，則電子就脫離原子成為自由電子。這就是電離。電離的結(jié)果形成一對(duì)正離子和自由電子。若內(nèi)殼層電子被電離后，該殼層留下空穴，外層電子躍遷來填補(bǔ)，同時(shí)放出特征x射線或俄歇電子。當(dāng)電子獲得能量較少，不足以克服原子核的束縛成為自由電子，將躍遷到較高的能級(jí)。這就是原子的激發(fā)。處于激發(fā)態(tài)的原子不穩(wěn)定，作短暫停留后，將從激發(fā)態(tài)躍遷回到基態(tài)，這就是退激。退激時(shí)，釋放的能量以熒光的形式發(fā)射出來。15 利用電離或激發(fā)效應(yīng)來記錄入射粒子是絕大多數(shù)探測(cè)器的物理基礎(chǔ)。它們的差別在于記錄方式不同，大致分為：（1）收集電離電荷的探測(cè)器主要收集電離效應(yīng)產(chǎn)生的大量正負(fù)離子，記錄它們的電荷所形成的電壓或電流脈沖。這類探測(cè)器必須

8、加上適當(dāng)?shù)墓ぷ麟妷?，形成電?chǎng)以有效收集電荷。如氣體探測(cè)器、半導(dǎo)體探測(cè)器。16（2）收集熒光的探測(cè)器被帶電粒子激發(fā)的原子退激時(shí)發(fā)出熒光。由于熒光很弱，需要通過一定的轉(zhuǎn)換放大，即把光脈沖轉(zhuǎn)換成較大的電脈沖光電倍增管。如閃爍計(jì)數(shù)器等。（3）利用離子集團(tuán)作為徑跡中心的探測(cè)器，徑跡探測(cè)器。如核乳膠、云室、氣泡室、火花室等。（4）收集切倫科夫輻射的探測(cè)器，切倫科夫探測(cè)器。軔致輻射和同步輻射是附加產(chǎn)物，對(duì)高能電子探測(cè)器必須考慮它們的影響。17（二） 射線的探測(cè)射線與物質(zhì)的相互作用主要有三個(gè)過程：光電效應(yīng)康普頓效應(yīng)電子對(duì)效應(yīng)18光電效應(yīng)光電效應(yīng)：低能光子被介質(zhì)原子吸收放出電子的效應(yīng)。光電子能量 hv為入射光子

9、能量，Ei為第i殼層電子的結(jié)合能原子退激發(fā)時(shí)發(fā)射特征X射線或俄歇電子。入射光子原子光電子hv俄歇電子LK原子核19 散射光子不能直接探測(cè)到 反沖電子可以被探測(cè)到入射光子核外電子出射電子E出射光子康普頓-吳有訓(xùn)效應(yīng)20電子對(duì)效應(yīng)電子對(duì)效應(yīng)： 光子從原子核旁經(jīng)過，當(dāng)光子能量超過2個(gè)電子靜止質(zhì)量之和即1.02MeV時(shí)， 在原子核庫侖場(chǎng)作用下， 光子轉(zhuǎn)化為正負(fù)電子對(duì)，正負(fù)電子能量之和等于入射光子能量。對(duì)一定能量的入射光子電子對(duì)效應(yīng)產(chǎn)生的正負(fù)電子的動(dòng)能之和為常數(shù)，但就電子或負(fù)電子而言其動(dòng)能從02mec2都有可能，動(dòng)能分配是任意的。入射光子能量越大，正負(fù)電子的發(fā)射方向越前傾。入射光子原子核正負(fù)電子對(duì)EE+

10、E-e+e-21射線與物質(zhì)原子發(fā)生光電效應(yīng)的總截面 1） 重元素的光電效應(yīng)比輕元素強(qiáng)得多；2）低能射線比高能射線強(qiáng)得多；3）當(dāng)射線能量接近電子的結(jié)合能時(shí)，光電效應(yīng)截面最大。22光電效應(yīng)、康普頓效應(yīng)是光子與核外電子的作用結(jié)果，電子對(duì)效應(yīng)是光子與原子核電磁場(chǎng)的作用結(jié)果。三種效應(yīng)的相對(duì)重要性 對(duì)低能射線和原子序數(shù)高的物質(zhì)光電效應(yīng)占優(yōu)勢(shì)； 對(duì)中能射線和原子序數(shù)低的物質(zhì)康普頓效應(yīng)占優(yōu)勢(shì)； 對(duì)高能射線和原子序數(shù)高的物質(zhì)電子對(duì)效應(yīng)占優(yōu)勢(shì)。三種效應(yīng)相互競(jìng)爭(zhēng)，可能同時(shí)存在。23在三種效應(yīng)中，每個(gè)光子都是在一次作用中就損失其全部能量或相當(dāng)大部分能量，并發(fā)射出電子。正是這些電子使得探測(cè)射線成為可能。光電效應(yīng)和電子對(duì)

11、效應(yīng)所發(fā)射的次級(jí)電子的能量單一，因此射線探測(cè)器的物質(zhì)應(yīng)選用Z盡可能大的材料。入射光子原子光電子hv入射光子核外電子出射電子E出射光子入射光子原子核正負(fù)電子對(duì)EE+E-24 （三）中子的探測(cè)中子與物質(zhì)相互作用主要是中子與原子核的強(qiáng)相互作用，即核反應(yīng)。探測(cè)中子就是探測(cè)中子與原子核核反應(yīng)產(chǎn)生的次級(jí)粒子。中子不帶電，不受庫侖斥力影響，容易進(jìn)入原子核發(fā)生核反應(yīng)。不同能量中子的探測(cè)原理和探測(cè)器不同。中子能量的區(qū)分：（1）慢中子（2）中能中子（3）快中子25一、核反沖法核反沖法是記錄中子與原子核彈性散射后的反沖核。在彈性散射過程中，中子運(yùn)動(dòng)方向改變，能量減少。這減少的能量傳遞給原子核，使原子核以一定的速度運(yùn)

12、動(dòng)，該核稱作反沖核。反沖核具有電荷，可以作為帶電粒子記錄。記錄了反沖核，就探測(cè)到中子。該方法主要用于探測(cè)快中子。由能動(dòng)量守恒，對(duì)En0的反應(yīng)，放熱反應(yīng)； Q值105。電子雪崩持續(xù)發(fā)展，形成自激放電，增殖的離子對(duì)總數(shù)與原電離無關(guān)。Q0MN0e常數(shù)。特點(diǎn)：1）靈敏度高；2）脈沖幅度大；3）穩(wěn)定性高4）計(jì)數(shù)器大小和幾何形狀可以按要求有較大變化；5）使用方便，成本低，制作工藝和儀器電路均較簡(jiǎn)單。47小結(jié)氣體探測(cè)器均以氣體作為探測(cè)介質(zhì)。電離室、正比計(jì)數(shù)器、GM計(jì)數(shù)器是工作在電離放大曲線不同區(qū)段的探測(cè)器。在氣體探測(cè)器中雪崩倍增過程起著十分重要的作用。具有制備簡(jiǎn)單、性能可靠、成本低廉、使用方便等優(yōu)點(diǎn)，有廣泛

13、的應(yīng)用。20世紀(jì)70年代以來，氣體探測(cè)器有很大發(fā)展，在高能物理和重離子物理實(shí)驗(yàn)中獲得新的應(yīng)用，并廣泛應(yīng)用于核醫(yī)學(xué)、生物學(xué)、天體物理、凝聚態(tài)物理和等離子體物理等領(lǐng)域。481）PN結(jié)兩側(cè)存在電子和空穴，形成電場(chǎng)。2）PN結(jié)加上一定電壓，外加電壓幾乎全部加到PN結(jié)上，形成很高電場(chǎng)。3）粒子在PN結(jié)電場(chǎng)得到加速，在收集極被收集。二、半導(dǎo)體探測(cè)器49個(gè)人劑量?jī)x個(gè)人劑量筆多功能數(shù)字核輻射儀 50三、閃爍探測(cè)器的工作原理 典型的閃爍探測(cè)器裝置51閃爍探測(cè)器光電倍增管52BGO, LSO & LYSO Samples53四、核乳膠工作原理組成：核乳膠由銀鹽顆粒和膠質(zhì)組成。 溴化銀AgBr 大部分常用銀鹽 碘化

14、銀AgI 少量銀鹽顆粒對(duì)帶電粒子靈敏，而對(duì)光幾乎不靈敏。膠質(zhì)：骨膠和明膠2. 工作原理：帶電粒子與AgBr晶粒作用，使AgBr分子分解成Ag 原子和Br原子，在一定條件下，Ag原子聚集成Ag集團(tuán)，形成可顯影的核心“潛影”，經(jīng)化學(xué)顯影處理，潛影的晶粒還原成黑色的Ag顆粒，把帶電粒子的徑跡顯示出來。54 粒子探測(cè)系統(tǒng)一、脈沖計(jì)數(shù)系統(tǒng) 主要用于放射性計(jì)數(shù)、強(qiáng)度和劑量的測(cè)量，加速器和反應(yīng)堆的粒子通量的測(cè)量等等。55幅度甄別器：讓超過一定幅度的脈沖通過，有輸出，去除幅度小的噪聲本底和一些幅度小的不想要的粒子。脈沖形狀甄別器：利用不同粒子在探測(cè)器中產(chǎn)生的脈沖幅度相同，但是脈沖形狀不同來甄別。如 粒子質(zhì)量大

15、，脈沖上升時(shí)間慢，粒子質(zhì)量小，脈沖上升時(shí)間快，利用脈沖形狀不同來選擇所要的粒子。又如，利用、中子脈沖形狀不同，在強(qiáng) 本底下探測(cè)中子。定標(biāo)器 預(yù)置時(shí)間，記錄一定時(shí)間內(nèi)的脈沖數(shù)目。高低壓電源 探測(cè)器高壓供電和電子學(xué)儀器低壓供電56二、脈沖幅度分析系統(tǒng) 探測(cè)器的輸出脈沖幅度正比于入射粒子在探測(cè)器中損失的能量，如電離室、正比計(jì)數(shù)器、多絲正比室、半導(dǎo)體探測(cè)器、閃爍計(jì)數(shù)器等。57單道脈沖幅度分析器上閾：VU下閾：VL道寬： H=VU-VL用途：選擇一定幅度范圍內(nèi)的信號(hào)58計(jì)數(shù)探測(cè)器的選擇 對(duì)重粒子：如粒子，選用ZnS(Ag)、金硅面壘半導(dǎo)體射線和電子：正比計(jì)數(shù)器、G-M計(jì)數(shù)器、塑料閃爍體。液體閃爍器等探測(cè)

16、器高能帶電粒子：塑料閃爍計(jì)數(shù)器、MWPC和C探測(cè)器射線：G-M計(jì)數(shù)器和NaI(Tl)計(jì)數(shù)器低能和X射線：正比計(jì)數(shù)器、薄窗MWPC、Si(Li)等中子： BF3正比計(jì)數(shù)器、裂變室、ZnS+H快中子屏、 ZnS+B慢中子屏59 核探測(cè)器總結(jié)： 將中性粒子或射線進(jìn)行有效的轉(zhuǎn)化，通過各種反應(yīng)轉(zhuǎn)化為帶電粒子。 將帶電粒子通過我們非常清楚的電磁相互作用轉(zhuǎn)化為電子， 離子或可見光。 利用宏觀的方法， 將轉(zhuǎn)化過來的電子， 離子或可見光進(jìn)行高效的收集， 放大和接收。 將接收到的電子， 離子或可見光轉(zhuǎn)化為電信號(hào)電壓信號(hào)或電流信號(hào)。 電信號(hào)的處理，放大，成形，延遲以及數(shù)字化后輸出到電腦。 數(shù)字化信息的加工，得到要測(cè)

17、量得物理量。 雖然后兩項(xiàng)主要是電子學(xué)和電腦軟件， 但是與探測(cè)器密切相關(guān)，特別是前端電子學(xué)，會(huì)直接影響探測(cè)器的信號(hào)輸出。60國(guó)內(nèi)外一些核儀器公司Canberra（堪培拉），美國(guó)ORTEC（奧泰克），美國(guó)ALOCA，日本牛津儀器，英國(guó)北京核儀器廠，261廠西安核儀器廠，262廠為什么競(jìng)爭(zhēng)不過國(guó)外？61核探測(cè)技術(shù)應(yīng)用在地學(xué)探礦中的應(yīng)用，尋找鈾、釷、鐳礦。 測(cè)量對(duì)象是巖石和近地表土壤中的放射性核素。正常場(chǎng)會(huì)有一個(gè)放射性強(qiáng)度值，異常場(chǎng)的放射性強(qiáng)度值要高很多，以此作為探礦的重要依據(jù)。分為地面測(cè)量及航空測(cè)量。 62民航安全上的應(yīng)用機(jī)場(chǎng)安檢普遍采用X射線金屬探測(cè)系統(tǒng)和化學(xué)氣體取樣分析系統(tǒng)。Semtex可塑性炸藥。熱中子分析系統(tǒng)（TNA），其原理是物質(zhì)原子吸收中子放出射線，原子不同，射線能量不同，Semtex炸藥氮、氫含量高。用锎252產(chǎn)生的熱中子對(duì)行李照