核輻射與輻射技術(shù)

核輻射與輻射技術(shù)第1頁/共54頁2核技術(shù)概念核能涵蓋三類技術(shù)：

1）產(chǎn)生核爆炸所需的技術(shù)；

2）使反應(yīng)堆的水加熱驅(qū)動(dòng)汽輪機(jī)的技術(shù)；

3）核技術(shù)應(yīng)用第2頁/共54頁3

核技術(shù)是核科學(xué)的技術(shù)應(yīng)用，是當(dāng)代最新的尖端技術(shù)和社會(huì)現(xiàn)代化的標(biāo)志之一。

——國家自然科學(xué)基金委員會(huì)廣義核技術(shù)--核武器、核動(dòng)力，及同位素技術(shù)與輻射技術(shù)狹義核技術(shù)--同位素技術(shù)與輻射技術(shù)第3頁/共54頁4

同位素技術(shù)與輻射技術(shù)的基本內(nèi)涵

1).輻射技術(shù)－－即利用輻射源放出的輻射，如γ、χ射線、中子等與物質(zhì)相互作用的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)測(cè)量客體的分析、成像、改性等功能。主要有：輻射檢測(cè)儀表；輻射和離子束加工；輻射成像技術(shù)；核分析技術(shù)等。

2).同位素技術(shù)－－利用放射性同位素的物理、化學(xué)特征，尤其是放射性便于探測(cè)的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)放射性核素示蹤物的測(cè)量。主要有：放射性核素年代學(xué)；同位素示蹤；同位素藥物及標(biāo)記化合物；同位素能源等。

注：同位素是指質(zhì)子數(shù)相同而中子數(shù)不同的核素。

第4頁/共54頁5核技術(shù)應(yīng)用的三性：廣泛性、滲透性及某些場(chǎng)合下的不可取代性。典型應(yīng)用舉例：*熱（冷）軋鋼板測(cè)厚儀---快速、高溫、非接觸測(cè)量等；*核醫(yī)學(xué)--現(xiàn)代醫(yī)學(xué)的標(biāo)志；*以電子束煙氣脫硫技術(shù)為代表的環(huán)保應(yīng)用；第5頁/共54頁6無人知道的事實(shí)美國日本中國核技術(shù)年產(chǎn)值（億）35001500386核能700（20%）750（50%）86（22.3%）非核能2800（80%）750（50%）300（77.7%）據(jù)報(bào)導(dǎo)（2003年）美國和日本的國民經(jīng)濟(jì)總產(chǎn)值中，核技術(shù)的貢獻(xiàn)約占3%-4%。非核能技術(shù)的應(yīng)用—舉足輕重的作用

這說明我國核技術(shù)應(yīng)用有著一個(gè)很大的市場(chǎng)空間和很好的發(fā)展前景

第6頁/共54頁7核輻射與輻射技術(shù)（一）1.1常用的核輻射類型及特征1.2射線與物質(zhì)的相互作用第7頁/共54頁8耶穌裹尸布真?zhèn)沃疇?/p>

加速器質(zhì)譜技術(shù)第8頁/共54頁9包公遺骨之謎

嘉佑七年五月已未（13日），方視事，疾作以歸。上遣使賜良藥。辛未（25日），遂以不起聞。

——包拯墓志銘同步輻射x射線熒光分析技術(shù)第9頁/共54頁10兩個(gè)故事的共同點(diǎn)：

1、射線產(chǎn)生

2、射線與靶物質(zhì)發(fā)生作用

3、核探測(cè)分析手段第10頁/共54頁11輻射類型

射線:是指各種快速粒子束。阿爾法射線：貝塔射線：，X射線伽瑪射線中子質(zhì)子…….第11頁/共54頁12射線氦核——兩個(gè)中子，兩個(gè)質(zhì)子譜線為分立譜應(yīng)用舉例：1、原子核的發(fā)現(xiàn)

2、1967年“探險(xiǎn)者V”的“散射探測(cè)器”第12頁/共54頁13射線本質(zhì)上是電子分為兩種：是連續(xù)譜核電荷改變而核子數(shù)不變應(yīng)用：陰極射線管成像第13頁/共54頁14X射線X射線本質(zhì)上是核外電子產(chǎn)生的短波電磁輻射，因而穿透能力很強(qiáng)。1、連續(xù)譜——軔致輻射（剎車輻射）2、殼層電子的躍遷——特征輻射3、俄歇電子第14頁/共54頁15第15頁/共54頁16X射線譜軔致輻射連續(xù)譜殼層電子躍遷特征譜第16頁/共54頁17X特征輻射

特征x射線譜是元素的“指紋”，成為元素分析的工具，包括：（1）電子x熒光分析（2）質(zhì)子x熒光分析（3）離子x熒光分析（4）x熒光分析應(yīng)用：包公遺骨之謎第17頁/共54頁18射線原子核從激發(fā)態(tài)向低激發(fā)態(tài)或基態(tài)越遷，同時(shí)放出射線，穿透能力極強(qiáng)。產(chǎn)生方式與X射線的區(qū)別例子：應(yīng)用：射線照相機(jī)等第18頁/共54頁19中子特點(diǎn)：不帶電，與質(zhì)子質(zhì)量相當(dāng)，自由中子不穩(wěn)定。產(chǎn)生方式：（1）同位素中子源：利用放射性同位素的射線轟擊某些穩(wěn)定的輕元素物質(zhì)（靶物質(zhì)），發(fā)生核反應(yīng)放出中子。重核裂變也可以產(chǎn)生，锎252。（2）反應(yīng)堆中子源：以鈾-235等為裂變材料，以中子為媒介，維持可控的鏈?zhǔn)搅炎兎磻?yīng)的裝置。優(yōu)點(diǎn)是通量大。（3）加速器中子源：利用各類加速器加速帶電粒子轟擊某些靶核，以其發(fā)射中子的反應(yīng)。中子強(qiáng)度能準(zhǔn)確確定，不運(yùn)行時(shí)放射性很小。應(yīng)用：中子散射技術(shù)，中子活化分析第19頁/共54頁20核衰變一種核素的原子核能自發(fā)的放出某種射線（粒子）而轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N核素的原子核或另一種能量狀態(tài)的原子核，這個(gè)過程稱為核衰變。主要有：放射性核素衰變規(guī)律是核技術(shù)應(yīng)用的重要基礎(chǔ)第20頁/共54頁21核素的衰變規(guī)律指數(shù)衰變：在dt時(shí)間內(nèi)發(fā)生的衰變數(shù)目為-dN，正比于當(dāng)時(shí)存在的原子核數(shù)目N，也正比于時(shí)間dt。衰變常數(shù)：，單位時(shí)間內(nèi)一個(gè)原子核的衰變幾率。半衰期：，衰變到原有核素一半的時(shí)間第21頁/共54頁22放射性活度及其單位定義：放射性物質(zhì)在單位時(shí)間內(nèi)發(fā)生衰變的原子核數(shù)稱為該物質(zhì)的放射性活度。居里：貝克勒爾：第22頁/共54頁23居里夫人貝克勒爾1903年第三屆諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)第23頁/共54頁24放射性活度與質(zhì)量的關(guān)系通過測(cè)量放射性活度可計(jì)算無載體放射性核素的質(zhì)量。原理如下：設(shè)放射性活度為A,無載體放射性核素樣品質(zhì)量為m,原子量為An,阿伏加德羅常數(shù)Na也已知。根據(jù)放射性活度A與放射性原子數(shù)N的關(guān)系得：

第24頁/共54頁25核儀器可以測(cè)出1Bq的放射性，其質(zhì)量相當(dāng)于克，這比良好的天平克，微量化學(xué)分析，光譜分析克都靈敏得多。第25頁/共54頁261.2射線與物質(zhì)的相互作用重要性：原子核衰變和核反應(yīng)所產(chǎn)生的各種射線通過物質(zhì)時(shí)，與物質(zhì)相互作用而逐步損失能量，最終被物質(zhì)吸收。物質(zhì)吸收了射線的能量，產(chǎn)生一系列物理、化學(xué)變化和生物效應(yīng)。所以，射線與物質(zhì)的相互作用是核輻射探測(cè)、核物理實(shí)驗(yàn)、輻射防護(hù)和核技術(shù)應(yīng)用的基礎(chǔ)。第26頁/共54頁27主要有：（1）帶電粒子與物質(zhì)的相互作用（2）X、射線與物質(zhì)的相互作用（3）中子與物質(zhì)的相互作用第27頁/共54頁28（1）帶電粒子與物質(zhì)的作用根據(jù)動(dòng)能動(dòng)量守恒定律，分為四種：（1）與原子核的彈性碰撞（2）與核外電子的彈性碰撞（3）與原子核的非彈性碰撞（4）與核外電子的非彈性碰撞第28頁/共54頁29帶電粒子與物質(zhì)的相互作用（一）電離和激發(fā)帶電粒子與物質(zhì)的相互作用主要是電離和激發(fā)。帶電粒子射入物質(zhì)，與它周圍原子的殼層電子發(fā)生庫侖作用，電子獲得足夠能量克服原子的束縛而成為自由電子，此時(shí)原子被分離成一個(gè)自由電子和一個(gè)正離子，此過程稱為電離。如果電子獲得的能量不足以克服原子束縛，它就會(huì)被激發(fā)到能量較高的狀態(tài)，此過程稱為激發(fā)。第29頁/共54頁30帶電粒子與物質(zhì)的相互作用

由原入射帶電粒子直接與原子作用產(chǎn)生的電離稱為直接電離或初級(jí)電離。電離過程中，帶電粒子與原子碰撞打出能量比較高的電子能進(jìn)一步使物質(zhì)的原子電離和激發(fā)，稱為次級(jí)電離。射線在物質(zhì)中產(chǎn)生一個(gè)離子對(duì)所消耗的平均能量稱為平均電離能。第30頁/共54頁31帶電粒子與物質(zhì)的相互作用（二）散射帶電粒子與原子核發(fā)生彈性碰撞，帶電粒子受原子核庫侖場(chǎng)作用，只改變其運(yùn)動(dòng)方向，但不輻射光子，也不激發(fā)原子核，這個(gè)過程稱為彈性散射。第31頁/共54頁32帶電粒子與物質(zhì)的相互作用（三）軔致輻射當(dāng)高速運(yùn)動(dòng)的電子靠近原子核時(shí)，由于庫侖力的作用，電子發(fā)生驟然減速，這時(shí)電子能量的一部分或全部轉(zhuǎn)變?yōu)檫B續(xù)能量的電磁輻射發(fā)射出來，稱為軔致輻射。應(yīng)用：X射線探傷第32頁/共54頁33帶電粒子與物質(zhì)的相互作用（四）契倫科夫輻射高速運(yùn)動(dòng)的電子通過折射率n>1的透明物質(zhì)時(shí)，若其速度大于光在該介質(zhì)中的傳播速度c/n，這時(shí)高速運(yùn)動(dòng)著的電子將損失能量，并沿一定方向發(fā)射出接近紫外波長范圍的微弱可見光，稱為契倫科夫輻射。

應(yīng)用：契倫科夫探測(cè)器第33頁/共54頁34帶電粒子與物質(zhì)的相互作用（五）湮沒輻射正電子與物質(zhì)相互作用，其能量耗盡時(shí)和物質(zhì)中的負(fù)電子相結(jié)合，正負(fù)電子的靜止質(zhì)量立即轉(zhuǎn)化為兩個(gè)運(yùn)動(dòng)方向相反，能量各為0.511MeV的光子而自身消失，這種現(xiàn)象稱為湮沒輻射應(yīng)用：正電子成像（第三代成像技術(shù)）第34頁/共54頁35重帶電粒子與物質(zhì)的相互作用

重帶電粒子通過物質(zhì)時(shí)逐漸損失動(dòng)能，最后俘獲物質(zhì)中的電子形成中性原子，即被吸收。重帶電粒子能量較大時(shí)，失去動(dòng)能的方式主要是與靶原子的軌道電子做非彈性碰撞產(chǎn)生電離和激發(fā)。能量極低時(shí)，可與靶原子核發(fā)生彈性碰撞。電離和激發(fā)是重帶電粒子與物質(zhì)作用的導(dǎo)致能量損失的主要方式。第35頁/共54頁36重帶電粒子與靶原子核碰撞應(yīng)用濺射：粒子束轟擊樣品時(shí)，如果靶原子獲得能量而逃出樣品表面，稱這種過程為濺射。會(huì)導(dǎo)致固體表面原子的損失或化合物成分的改變。在表面分析、濺射鍍膜技術(shù)、離子蝕刻微細(xì)加工等方面有重要應(yīng)用。離子注入：一定能量的入射離子通過與物質(zhì)相互作用而損失能量，最終停止在物質(zhì)中，稱為離子注入?？筛淖冏⑷雽拥幕瘜W(xué)成分和性質(zhì)，廣泛應(yīng)用于半導(dǎo)體器件的生產(chǎn)和新材料的合成。第36頁/共54頁37背散射分析：入射粒子與靶原子核發(fā)生彈性碰撞后，發(fā)生大角度散射（背散射）,散射截面與入射粒子的能量、角度、種類及靶原子的種類有關(guān)。測(cè)量背散射時(shí)粒子的能量和數(shù)量可以對(duì)靶原子進(jìn)行定性、定量分析。輻射加工：粒子束對(duì)材料的輻射可引起物理和化學(xué)性質(zhì)的變化。在新材料開發(fā)、輻射消毒、航天材料的輻射損傷研究有應(yīng)用。重帶電粒子與靶原子核碰撞應(yīng)用第37頁/共54頁38重帶電粒子的射程

粒子在物質(zhì)中運(yùn)行沿著入射方向所能達(dá)到的最大直線距離，叫做入射粒子在該物質(zhì)中的射程。

很顯然，重帶電粒子的質(zhì)量大，所以軌跡基本上是直線，只是在末端稍有彎曲，所以其平均射程與它的軌跡平均值是一樣的。第38頁/共54頁39輕帶電粒子與物質(zhì)的相互作用

主要是電子，由于質(zhì)量輕，速度快，因而在與物質(zhì)作用時(shí)，其能量損失和運(yùn)動(dòng)軌跡與重帶電粒子不同。電離與激發(fā)是一般能量的輕帶電粒子損耗動(dòng)能的主要形式；軔致輻射是高能輕帶電粒子損耗動(dòng)能的主要形式；彈性散射是很低能的輕帶電粒子損失動(dòng)能的主要形式。第39頁/共54頁40（2）射線與物質(zhì)的相互作用

射線屬于電磁輻射，波長短因而能量高，所以貫穿本領(lǐng)強(qiáng)。與物質(zhì)作用時(shí)通過三種效應(yīng)——光電效應(yīng)、康普頓效應(yīng)和電子對(duì)效應(yīng)產(chǎn)生次級(jí)電子而使原子電離或激發(fā)。與物質(zhì)作用時(shí)，一次可失去全部能量（如光電效應(yīng)，電子對(duì)效應(yīng)）或大部分（康普頓效應(yīng)），并將失去的能量轉(zhuǎn)移給電子。第40頁/共54頁41光電效應(yīng)光電效應(yīng)低能光子被介質(zhì)原子吸收而放出電子的效應(yīng)。光電子能量

hv為入射光子能量，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原子核第41頁/共54頁42光電效應(yīng)的特點(diǎn)光子能量必須大于殼層電子結(jié)合能時(shí)才能發(fā)生光電效應(yīng)。電子在原子中束縛越緊，就越容易使原子核參與相互作用，發(fā)生光電效應(yīng)的概率就越大。K殼層概率最大。光電效應(yīng)過程伴隨特征X射線或俄歇電子的發(fā)射。第42頁/共54頁43射線與物質(zhì)的相互作用

康普頓效應(yīng)：光子與靶物質(zhì)的一個(gè)軌道電子相互作用，將部分能量傳遞給軌道電子使其發(fā)射出去，光子散射，波長變長。入射光子核外電子出射電子E出射光子康普頓效應(yīng)第43頁/共54頁44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0－2mec2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+E-e+e-電子對(duì)效應(yīng)第44頁/共54頁45

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)相互競爭，可能同時(shí)存在。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)。第45頁/共54頁46單色窄束伽瑪射線的衰減設(shè)：為單色窄束光子未通過介質(zhì)時(shí)的注量率（射線強(qiáng)度）；為介質(zhì)深度為x處的注量率；dx為介質(zhì)薄層厚度，為光子通過dx時(shí)的減弱量；為線性衰減系數(shù)；所以有：積分得：第46頁/共54頁47射線的吸收和應(yīng)用吸收特點(diǎn)：強(qiáng)度按指數(shù)規(guī)律衰減，沿入射方向透過的射線能量不變。比帶電粒子穿透本領(lǐng)大，因而屏蔽和防護(hù)比帶電粒子困難。與物質(zhì)作用產(chǎn)生的次級(jí)粒子將繼續(xù)與靶物質(zhì)發(fā)生各種相互作用，直到能量耗盡或逃出。第47頁/共54頁48射線的應(yīng)用活化分析——用中子或帶電粒子照射靶物質(zhì)，可生成放射性核素，通過測(cè)量衰變過程中的伽馬射線的能量和強(qiáng)度，即