第11章 射線式傳感器

第11章射線式傳感器主要內(nèi)容11.1核輻射物理基礎(chǔ)11.2射線式傳感器11.3射線式傳感器的應(yīng)用射線式傳感器也稱核輻射探測(cè)器，它是利用放射性同位素發(fā)出射線，根據(jù)被測(cè)物質(zhì)對(duì)放射線的吸收、反射、散射或射線對(duì)被測(cè)物質(zhì)的電離激發(fā)作用而工作的。概述放射線通過(guò)被測(cè)量物時(shí)會(huì)伴隨著能量的損失，只要得到確切的損失量，就可以準(zhǔn)確地了解到被測(cè)物的特征。核幅射（人工、天然）電信號(hào)能量轉(zhuǎn)換核輻射傳感器（探測(cè)器）：將入射核輻射（粒子）的全部或部分能量轉(zhuǎn)化為可觀測(cè)的電信號(hào)（如電流、電壓信號(hào)）的裝置。1895,倫琴（Roentgen）發(fā)現(xiàn)X射線，射線式傳感器已經(jīng)有100多年歷史。世界上第一張X射線照片現(xiàn)代X射線照片射線式傳感器主要應(yīng)用領(lǐng)域：斷層掃描computedtomograhy

（工業(yè)CT、醫(yī)療CT）、無(wú)損檢測(cè)、現(xiàn)場(chǎng)元素分析、在線監(jiān)測(cè)、環(huán)境監(jiān)測(cè)、探傷等等。利用射線探測(cè)器的醫(yī)療設(shè)備：X射線機(jī)、

醫(yī)療計(jì)算機(jī)斷層掃描（CT）、核磁共振成像（MRI）。探傷安檢太空技術(shù)：空間探測(cè)—“太空之眼”迄今最偉大的八具空間望遠(yuǎn)鏡

哈勃望遠(yuǎn)鏡康普頓伽瑪射線太空望遠(yuǎn)鏡錢德拉X射線太空望遠(yuǎn)鏡XMM-牛頓X射線太空望遠(yuǎn)鏡輻射可分為：電離輻射和非電離輻射

非電離輻射紫外線、紅外線、微波等這些粒子雖能夠同物質(zhì)發(fā)生作用但都不能使物質(zhì)發(fā)生電離效應(yīng)（能量～eV量級(jí)）來(lái)源

如移動(dòng)電話：頻率800-1800MHz

能量﹤0.01eV(所以沒(méi)有電離作用）電離輻射

直接或間接使介質(zhì)發(fā)生電離效應(yīng)的電或不帶電的射線或粒子(能量﹥keV)α、β、γ、x、n、p、裂變碎片

介子等來(lái)源

1)放射性物質(zhì)(人造、天然）2)加速器3)反應(yīng)堆4)宇宙射線5)地球環(huán)境

11.1核輻射物理基礎(chǔ)電磁波譜頻率能量低高FE波長(zhǎng)11.1.1放射性同位素

凡是原子序數(shù)相同、原子質(zhì)量不同的元素，在元素周期表中占同一位置，這種元素稱同位素；當(dāng)沒(méi)有外因作用時(shí)，同位素的原子核會(huì)自動(dòng)產(chǎn)生核結(jié)構(gòu)的變化，稱為核衰變；同位素的原子在自動(dòng)衰變過(guò)程中會(huì)放出射線，這種同位素就稱“放射性同位素”。（1）放射性同位素

核素及符號(hào)表示具有確定質(zhì)子數(shù)和中子數(shù)的原子核稱為核素。核素是原子核的一種統(tǒng)稱。核素表示符號(hào)核素質(zhì)子數(shù)中子數(shù)質(zhì)量數(shù)符號(hào)氦-42244He碳-12661212C碳-13671313C碳-14681414C放射性衰減規(guī)律可表示為——t=0的原子核數(shù)；

——t

時(shí)刻原子核數(shù)；——衰減常數(shù)（不同核素衰減常數(shù)值不同）

（2）核衰變與核輻射

放射性同位素的原子核數(shù)目，隨時(shí)間按指數(shù)規(guī)律衰減半衰期：通常用半衰期表示核素衰減速度半衰期指，放射性核數(shù)衰減到原始數(shù)目一半所用的時(shí)間，一般用10倍半衰期表示放射性核素的壽命。11.1.2核輻射與物質(zhì)間的相互作用

放射性同位素在衰變過(guò)程中能放出α、β、γ三種射線，其中：

α

射線由帶正電的α粒子組成（如氦核）；

β

射線由帶負(fù)電的β粒子組成（電子）；

γ

射線由中性的粒子組成（光子）。放射性同位素衰變時(shí)，放出一種特殊的，帶有一定能量的粒子或射線，這種現(xiàn)象稱“核輻射”。1.0086650

n中子1.007276+1

p質(zhì)子00

5.486×10-4

±1

e±

β

4.00279+24Heα質(zhì)量

(u)電荷（e)符號(hào)種類核輻射的基本粒子和射線性質(zhì)α

衰變

新元素Sg衰變?yōu)镽f鑪β-

衰變

產(chǎn)生電子e,反中微子v’β+

衰變

F氟產(chǎn)生正電子e,中微子v’

衰變

Dy鏑放出γ射線，能態(tài)變化，原子量、原子序數(shù)不變自然界常見的核衰變示例放射性強(qiáng)度也是隨時(shí)間按指數(shù)規(guī)律減?。篒0

——初始強(qiáng)度；I——t時(shí)間后的強(qiáng)度；

1Ci

=3.7×1010（次核衰變）/秒

放射性強(qiáng)度單位：貝可（Bq）

放射性強(qiáng)度單位放射性強(qiáng)度單位：居里（Ci）,毫居里(mCi)用單位時(shí)間內(nèi)發(fā)生衰變的次數(shù)來(lái)表示放射性的強(qiáng)弱，稱放射性強(qiáng)度(活度)。

核輻射的強(qiáng)弱用放射性強(qiáng)度表示核輻射與物質(zhì)間的相互作用主要是通過(guò)

電離、吸收、反射作用。電離作用：帶電粒子在物質(zhì)中穿行時(shí)會(huì)使物質(zhì)的原子發(fā)生電離，在它們經(jīng)過(guò)的路程上形成離子對(duì)。其中：α粒子質(zhì)量大，電荷量多，電離能力最強(qiáng)但射程短；β粒子質(zhì)量小，電離較弱；γ粒子沒(méi)有直接電離作用。

α

β吸收、反射

α、β、γ射線穿透物質(zhì)時(shí)，由于磁場(chǎng)作用，原子中電子會(huì)產(chǎn)生共振，振動(dòng)的電子形成散射的電磁波源，使粒子和射線能量被吸收和衰減。其中：α

射線穿透能力最弱，空氣中運(yùn)行軌跡為直線；β

射線次之，穿行時(shí)由于與物質(zhì)原子發(fā)生能量交換而改變方向產(chǎn)生散射，在空氣中軌跡為折線；γ

射線穿透能力最強(qiáng)，能穿透幾十厘米厚固體物質(zhì)，在氣體中可穿透數(shù)米，因此γ射線廣泛用于醫(yī)療診斷、探傷等。1MeV的粒子穿透物質(zhì)能力

α1頁(yè)

β60頁(yè)/本

鉛鉛室γ中子n4580本中子源地下1-2米深11.2射線式傳感器射線式傳感器器通常有兩種主要形式：一種是測(cè)量放射性物質(zhì)的放射線，例如測(cè)天然放射性U(鈾)、Th(釷)、K(鉀)。另一種方式是利用放射性同位素，測(cè)量非放射性物質(zhì)，根據(jù)被測(cè)物質(zhì)對(duì)輻射線的吸收、反射進(jìn)行檢測(cè)，或者利用射線對(duì)被測(cè)物質(zhì)的電離激發(fā)作用。如：測(cè)厚、探傷、X射線熒光儀測(cè)元素含量等。原理基本相同，而能量范圍不同，后者傳感器由射線源和探測(cè)器組成。輻射源結(jié)構(gòu)一般為絲狀、圓拄狀、圓片狀，有點(diǎn)源、面源、片源。輻射源的結(jié)構(gòu)應(yīng)使射線從測(cè)量方向射出，其它方向應(yīng)盡量減少劑量，減少對(duì)人體的危害?？梢杂勉U進(jìn)行射線屏蔽，鉛有極強(qiáng)的抗輻射穿透能力。點(diǎn)源結(jié)構(gòu)11.2.1輻射源鉛罐同位素輻射源：

輻射源的種類很多，一般選用半衰期較長(zhǎng)的同位素，能量、強(qiáng)度適合的輻射源。常用同位素源見下表：放射源半衰期射線種類能量（銫）33.2年、0.6614（镅）470年、5.4827（钚）86年12-2150以上（鈷）5.26年、0.31,1.17,1.33（鍶）19.9年0.54,2.24（鐵）2.7年5.9核輻射探測(cè)器就是接收器核輻射信號(hào)的傳感器，有多類型常用于放射性測(cè)量的有：

1）氣體探測(cè)器：電離室、蓋革計(jì)數(shù)管、正比計(jì)數(shù)器；

2）閃爍計(jì)數(shù)器；

3）半導(dǎo)體探測(cè)器。正比計(jì)數(shù)器閃爍計(jì)數(shù)器11.2.2核輻射探測(cè)器蓋革管半導(dǎo)體探測(cè)器電離室是在空氣中或充有惰性氣體的裝置中，設(shè)置一個(gè)平行極板電容器，加幾百伏高壓。高壓在極板間產(chǎn)生電場(chǎng)，當(dāng)粒子或射線射向兩極板之間的空氣（氣體）時(shí)，氣體分子電離，在電場(chǎng)作用下正離子趨向負(fù)極板，電子趨向正極板，產(chǎn)生電離電流。在外電路接一電阻R就可形成響應(yīng)電壓，電阻R的電壓降代表輻射的強(qiáng)度。

1）氣體探測(cè)器（a.電離室）電離室外加電壓增大電流趨于飽和，一般工作在飽和區(qū)（離子能夠全部達(dá)到電極上），使輸出電流與外加電壓無(wú)關(guān)，只正比于射線到電離室的輻射強(qiáng)度。電離室的優(yōu)點(diǎn)是成本低壽命長(zhǎng)；缺點(diǎn)是檢出電流很小。

α、β、γ電離室不能通用，不同粒子相同條件下效率相差很大。電離室主要用于探測(cè)α、β射線，α粒子電離電流比β離子電離的電流大100多倍，γ粒子沒(méi)有直接電離本領(lǐng)，效率很低。1）氣體探測(cè)器（b.G-M蓋格計(jì)數(shù)管）蓋格-彌勒計(jì)數(shù)管簡(jiǎn)稱蓋格計(jì)數(shù)管，也稱氣體放電計(jì)數(shù)器。一個(gè)密封玻璃管，中間陽(yáng)極用鎢絲材料制作，玻璃管內(nèi)壁涂一層導(dǎo)電物質(zhì)或用金屬圓管作陰極，筒和絲絕緣，內(nèi)部抽空充惰性氣體（氖、氦）、鹵族氣體。陽(yáng)極與陰極間加高壓。x、α、β射線入射時(shí)引起激烈的氣體放大，離子沿絲傳到整個(gè)計(jì)數(shù)管內(nèi)，形成正離子鞘，在電場(chǎng)作用下正離子鞘向陰極移動(dòng)形成電流；為避免到達(dá)陰極時(shí)造成連續(xù)放電現(xiàn)象，惰性氣體滅掉放電。蓋格計(jì)數(shù)管主要用于探測(cè)β粒子和γ射線，工作電壓較低。由于蓋格計(jì)數(shù)管放大作用，電流比電離室離子流大幾千倍。特性曲線：電壓U一定時(shí)，射線入射越強(qiáng)電流I越大，輸出脈沖數(shù)N

越多，a、b段稱“坪曲線”；I為射線強(qiáng)度坪曲線G-M管主要有圓柱型和鐘罩型兩種。圓柱型主要用于射線測(cè)量，而鐘罩型由于有入射窗，主要用于，射線的測(cè)量。G-M計(jì)數(shù)管的典型結(jié)構(gòu)蓋格計(jì)數(shù)管蓋格計(jì)數(shù)器正比計(jì)數(shù)器是充氣型氣體電離探測(cè)器，由氣體作為入射射線產(chǎn)生電離或激發(fā)的介質(zhì)；外加一定電位的電場(chǎng)；（電離室）有兩個(gè)電極（絲-陽(yáng)極；殼-陰極），當(dāng)射線進(jìn)入電離室穿過(guò)氣體時(shí)與氣體分子軌道上電子碰撞，使氣體分子電離而形成離子對(duì)，芯線旁電場(chǎng)密度高電子碰撞被加速，在氣體中獲得足夠能量使其它氣體分子和原子產(chǎn)生新的離子對(duì)。這一過(guò)程稱為氣體放大。1）氣體探測(cè)器（c.正比計(jì)數(shù)器）氣體分子充有氣體計(jì)數(shù)器輸出脈沖大小(幅值)正比于輻射產(chǎn)生的電子、正離子對(duì)的數(shù)目;電子和正離子對(duì)數(shù)目，正比于氣體吸收的放射線的能量。能量大——幅值高！I:復(fù)合區(qū)II:飽和區(qū)III:正比區(qū)IV:有限正比區(qū)V:G-M工作區(qū)VI:連續(xù)放電區(qū)器件工作在氣體電離放電伏安特性曲線的正比區(qū)，有足夠大的氣體放大倍數(shù)，能量分辨率高，分辨時(shí)間短，可以進(jìn)行快速計(jì)數(shù)。閃爍計(jì)數(shù)器由閃爍體和光電倍增管組成。光電倍增管只能放大光信號(hào)不能直接放大射線信號(hào)。閃爍體先將輻射能變?yōu)楣饽?，光電倍增管再將光能變?yōu)殡娦盘?hào)進(jìn)行探測(cè)放大。物質(zhì)受射線作用而被激發(fā)，受激電子由激態(tài)躍遷到基態(tài)時(shí)發(fā)射出脈沖狀的光，這種現(xiàn)象稱為閃爍，而閃爍體就是一種能產(chǎn)生這種現(xiàn)象的物質(zhì)。閃爍體種類碘化鈉晶體Nal(Tl)2）閃爍計(jì)數(shù)器當(dāng)閃爍體受到輻射時(shí)閃爍體內(nèi)的原子受激發(fā)光，光透過(guò)閃爍體射到光電倍增管的光陰極上，并激發(fā)出光電子；光電倍增管是利用二次電子釋放效應(yīng)，高速電子撞擊固體表面，發(fā)出二次電子，將光電流在光電倍增管內(nèi)進(jìn)行放大倍增，在陽(yáng)極上形成可以測(cè)量的電流。輸出電流脈沖大小與入射射線能量成正比，脈沖多少與含量成比例。輻射Ut半導(dǎo)體探測(cè)器是利用半導(dǎo)體材料制成的射線傳感器；主要結(jié)構(gòu)類型有：結(jié)型、面壘型、鋰漂移型和高純鍺等。圖為結(jié)型半導(dǎo)體探測(cè)器結(jié)構(gòu)，實(shí)質(zhì)是一個(gè)大面積、大體積的晶體二極管（約0.01--200cm3）。在半導(dǎo)體材料上設(shè)置了一個(gè)陰極（高摻雜的P+層）和一個(gè)陽(yáng)極（高摻雜的N+層）。3）半導(dǎo)體探測(cè)器荷電粒子入射到半導(dǎo)體中時(shí)，會(huì)激發(fā)產(chǎn)生電子—空穴對(duì)，這些電子—空穴對(duì)在電場(chǎng)作用下形成正比于入射射線能量的電流，探測(cè)器將其轉(zhuǎn)換為脈沖信號(hào)輸出。由于在半導(dǎo)體中產(chǎn)生一個(gè)電子—空穴對(duì)所需能量極小，約為3eV（而β射線在空氣中產(chǎn)生一對(duì)離子所需能量，為30eV），因此半導(dǎo)體探測(cè)器比其他射線探測(cè)器分辨率高。特點(diǎn)：輸出信號(hào)小，分辨率高。X射線、γ射線由于光電效應(yīng)、康普頓效應(yīng)、電子對(duì)生成等產(chǎn)生二次電子；高速二次電子產(chǎn)生更多電子—空穴對(duì)。在PN結(jié)空間電荷區(qū)加足夠高的偏壓，因射線而電離的載流子加速，產(chǎn)生新的電子—空穴使載流子倍增，電荷在輸出端形成一個(gè)放大脈沖信號(hào)，將電荷轉(zhuǎn)換為電信號(hào)輸出。應(yīng)用范圍：α射線可實(shí)現(xiàn)氣體分析，如氣體壓力、流量測(cè)量；β射線可進(jìn)行帶材厚度、密度檢測(cè)；γ射線可探測(cè)材料缺陷、位置、元素、密度與厚度測(cè)量。11.3核輻射傳感器的應(yīng)用透射式測(cè)厚常用閃爍探測(cè)器，閃爍探測(cè)器記錄穿透物體的γ射線的強(qiáng)度，其輸出電流與輻射強(qiáng)度成正比。在輻射穿過(guò)物質(zhì)時(shí)，由于物體吸收作用損失部分強(qiáng)度，強(qiáng)度按指數(shù)規(guī)律變化。在輻射穿過(guò)物質(zhì)時(shí)，可根據(jù)質(zhì)量厚度X求出被測(cè)物體厚度。1.測(cè)厚（透射式測(cè)厚）I0

—入射強(qiáng)度；I—穿過(guò)后強(qiáng)度；x—質(zhì)量厚度；μ—質(zhì)量吸收系數(shù)；ρ—與材料密度有關(guān)；源探測(cè)器散射測(cè)厚時(shí)β放射源與探測(cè)器在同一惻；原理是：利用核輻射被物體后向散射的效應(yīng)。散射強(qiáng)度與被測(cè)距離、物質(zhì)成份、密度、厚度表面狀態(tài)等因素有關(guān)：K與射線能量有關(guān)的常數(shù)1.測(cè)厚(散射式測(cè)厚)

核子測(cè)厚儀源探測(cè)器2.離子敏感煙傳感器（電離室）電離室由H1和H2兩個(gè)電極組成，電極之間有放射性同位素镅-241（Am241）可放出α射線，并在兩電極之間發(fā)生電離，產(chǎn)生正離子，在外加電壓作用下形成電離電流。當(dāng)外電離室有煙霧進(jìn)入時(shí)，離子被吸附到煙霧顆粒上，由于煙霧顆粒比離子大1000倍左右，故在電場(chǎng)中的移動(dòng)速度比原來(lái)的速度慢，而且在移動(dòng)過(guò)程中離子中和的機(jī)會(huì)增多，最終使離子電流相應(yīng)減小。煙霧數(shù)量越多，離子電流越小，相當(dāng)?shù)刃щ娮柙黾?。離子感煙傳感器結(jié)構(gòu)是內(nèi)、外兩個(gè)電離室，內(nèi)、外電離室串聯(lián)連接方式；內(nèi)電離室是密封的，無(wú)煙霧離子進(jìn)入，離子電流恒定，等效電阻R不變。外電離室等效電阻隨煙霧數(shù)量變化，可等效為可變電阻Rp。經(jīng)電源電壓E分壓后供控制電路。UD-O2型煙霧傳感器