第九章輻射式傳感器

1.α射線二、核輻射的種類質量為4.002775u(原子質量單位)；帶有正電荷，即氦原子核；具有40～100MeV的能量；平均壽命為幾微秒到1010年；從核內射出速度為20km/s；射程長度在空氣中為幾厘米到十幾厘米。α

衰變12C原子質量1.9927×10-26kg,其質量的十二分之一1.6606×10-27kg當前第1頁\共有39頁\編于星期三\9點2.β射線質量為0.000549u；帶有一個單位的電荷；能量為100keV～幾兆電子伏特；運動速度較α粒子高很多；在氣體中的射程可達20m。β-

衰變β+

衰變當前第2頁\共有39頁\編于星期三\9點3.γ射線4.X射線原子核外的內層電子被激發(fā)射出來的電磁波能量。

原子核從不穩(wěn)定的高能激發(fā)態(tài)躍遷到穩(wěn)定的基態(tài)或較穩(wěn)定的低能態(tài)，并且不改變其組成過程稱為γ衰變（或稱γ躍遷），發(fā)生γ躍遷時所放射出的射線稱γ射線或γ光子，是以光速運動的光子流，不帶電。

衰變當前第3頁\共有39頁\編于星期三\9點1、α、β射線與物質的相互作用（1）電離

當α、β射線穿過物質時，使其分子或原子的軌道電子產生加速運動，如果此軌道電子獲得足夠大的能量，就能脫離原子成為自由電子，從而產生一對自由電子和正離子組成的離子對。這種現(xiàn)象稱為電離。

α粒子質量大，電荷量多，電離能力最強，但射程短；

β粒子質量小，電離較弱；

γ粒子沒有直接電離作用。三、核輻射與物質的相互作用當前第4頁\共有39頁\編于星期三\9點（2）激發(fā)

若在相互作用中，軌道電子獲得的能量還不足以使它脫離原子成為自由電子，僅使自由電子從低能級躍遷到高能級，這種相互作用稱為激發(fā)。當前第5頁\共有39頁\編于星期三\9點2、γ射線與物質的相互作用（1）光電效應

當一個光子和原子相碰撞時，將其能量全部交給某一軌道電子，使它脫離原子，光子則被吸收，這種現(xiàn)象稱為光電效應。

光電效應也伴隨有次級輻射產生。當γ射線通過物質時，由于發(fā)生光電等效應的結果，它的強度將減弱，它也遵循指數(shù)衰減規(guī)律。當前第6頁\共有39頁\編于星期三\9點（2）康普頓效應入射γ光子原子θφγ光子電子

入射γ光子與介質中的電子發(fā)生碰撞，γ光子偏離原來的方向，同時將一部分能量轉移給電子，使電子按φ射出。當前第7頁\共有39頁\編于星期三\9點3、核輻射線的特點α、β、γ射線穿透物質時，由于與物質發(fā)生作用損失能量而最終被吸收而造成衰減。

α射線穿透能力最弱，在空氣中運行軌跡為直線；

β射線次之，穿行時由于與物質原子發(fā)生能量交換而改變方向產生散射，在空氣中運行軌跡為折線；

γ射線穿透能力最強，能穿透幾十厘米厚固體物質，在氣體中可穿透數(shù)米，因此γ射線廣泛用于醫(yī)療診斷、金屬探傷等。當前第8頁\共有39頁\編于星期三\9點1、電離室

四、核輻射傳感器

常用的核輻射探測器有：電離室、正比計數(shù)管、蓋革—彌勒計數(shù)管、閃爍計數(shù)器和半導體探測器等。當前第9頁\共有39頁\編于星期三\9點

電離室外加電壓增大，電流趨于飽和，一般工作在飽和區(qū)，使輸出電流與外加電壓無關，輸出只正比于入射到電離室的輻射強度。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α、β射線。當前第10頁\共有39頁\編于星期三\9點

2.

正比計數(shù)管

放大作用僅限于芯線近旁，所以可得到與放射線的入射區(qū)域無關的一定的放大倍數(shù)。由于放大而產生的陽離子迅速離開氣體放大區(qū)域而產生輸出脈沖。輸出脈沖的大小正比于因放射線入射而產生電子、正離子對的數(shù)目，而電子、正離子對數(shù)正比于氣體吸收的放射線的能量。因此，正比計數(shù)管可以探測入射放射線的能量。當前第11頁\共有39頁\編于星期三\9點

正比計數(shù)器正比計數(shù)器是一種充氣型輻射探測器，工作在氣體電離放電伏安特性曲線的正比區(qū)。計數(shù)器接收一個X、γ光子后就輸出一個電脈沖，幅度與光子能量成正比，輸出脈沖的大小正比于入射產生的電子和正離子對數(shù)目，電子和正離子對數(shù)目正比于氣體吸收的放射線的能量。當前第12頁\共有39頁\編于星期三\9點正比計數(shù)器工作原理使氣體原子電離＋－＋－＋－＋－＋－＋－＋－－－初級射線高壓當前第13頁\共有39頁\編于星期三\9點3.蓋革-彌勒計數(shù)管蓋格計數(shù)管也稱氣體放電計數(shù)器。一個密封玻璃管，中間是陽極用鎢絲材料制作，玻璃管內壁涂一層導電物質或是一個金屬圓管作陰極，內部抽真空充惰性氣體（氖、氦）、鹵族氣體。

當前第14頁\共有39頁\編于星期三\9點

計數(shù)管內充有氬、氦等氣體。為了便于密封，計數(shù)管常用玻璃作外殼，而陰極用金屬或石墨涂覆于玻璃表面內部或在外殼內用金屬筒作陰極。在蓋革-彌勒計數(shù)管中，陰極和陽極間施加比計數(shù)管高的電壓。X射線、α射線、β射線入射使產生比正比計數(shù)管激烈的氣體放大，原離子所在區(qū)域沿中央絲極傳播到整個計數(shù)管內。由于電子漂移速度很快，很快地被收集，于是在中央絲極周圍形成一層正離子，稱為正離子鞘。正離子鞘的形成使陽極附近的電場變弱，直到不再能產生離子的增殖，此時原始電離的放大過程就停止了。放大過程停止后，在電場作用下，正離子鞘向陰極移動，給出一個與正離子鞘的總電荷有關，而與原始電離無關的脈沖輸出。在第一次放大過程停止以及電壓脈沖出現(xiàn)后，計數(shù)管并不回到原始的狀態(tài)。當前第15頁\共有39頁\編于星期三\9點

由于正離子鞘到達陰極時得到一定的動能，所以正離子也能從陰極中打出次級電子。同時由于正離子鞘到達了陰極，中央陽極電場已恢復，因此這些次級電子又能引起新的離子增殖，像原先一樣再產生離子鞘，再產生電壓脈沖，造成所謂連續(xù)放電現(xiàn)象?？朔@個問題必須采取特殊的方法使放電猝滅。猝滅放電的方法有兩種：一種是采用猝滅電路，用來降低中央絲極的電壓，使其降低到發(fā)生碰撞電離所需電壓以下；另一種方法是在計數(shù)管中放入少量猝滅性氣體。這種自猝滅型計數(shù)管又可分為兩種：一種是充惰性氣體和少量酒精、乙醚或石油醚的蒸氣，稱為有機管；另一種是管內充惰性氣體和鹵素氣體，稱為鹵素管。

當前第16頁\共有39頁\編于星期三\9點

蓋格計數(shù)管上電壓U一定時，入射射線越強，電流I越大，輸出脈沖數(shù)N越大，a、b段稱“坪”；蓋格計數(shù)管主要用于探測β粒子和γ射線。當前第17頁\共有39頁\編于星期三\9點4.閃爍計數(shù)器物質受放射線的作用而被激發(fā)，在由激發(fā)態(tài)躍遷到基態(tài)的過程中，發(fā)射出脈沖狀的光的現(xiàn)象稱為閃爍現(xiàn)象。能產生這樣發(fā)光現(xiàn)象的物質稱為閃爍體。閃爍計數(shù)器先將輻射能變?yōu)楣饽?，然后再將光能變?yōu)殡娔芏M行探測，它由閃爍體和光電倍增管兩部分組成。負載電阻產生脈沖幅度一般為零點幾伏到幾伏，較蓋革-彌勒計數(shù)管的幅度小。輸出脈沖與入射粒子的能量成正比，探測γ射線的效率在20%～30%以上，比蓋革-彌勒計數(shù)管和離子室高很多；探測α、β射線的效率接近100%。由于閃爍體中一次閃爍的持續(xù)時間很短,故最大計數(shù)率一般為106～108數(shù)量級。若輸出采用電流法，則記錄的輻射強度不受限制。當前第18頁\共有39頁\編于星期三\9點

閃爍計數(shù)器當閃爍體受到輻射時閃爍體的原子受激發(fā)光，光透過閃爍體射到光電倍增管的陰極上激發(fā)出電子，在光電倍增管中倍增，在陽極上形成電流。當前第19頁\共有39頁\編于星期三\9點1200V閃爍探測器測量射線信號的基本特征入射射線E＝hνV輸出端電信號輸出信號幅度：V∝E脈沖信號產生率∝單位時間進入探測器射線數(shù)NaI(Tl)gdB通過分辯信號幅度，可以分辯射線能量；通過測量脈沖信號數(shù)，可以測定射線強弱。當前第20頁\共有39頁\編于星期三\9點5、半導體探測器荷電粒子一入射到固體中就與固體中的電子產生相互作用并失去能量而停止。入射到半導體中的荷電粒子在此過程產生電子和空穴對。而X射線或γ射線由于光電效應、康普頓散射、電子對生成等而產生二次電子，此高速的二次電子經(jīng)過與荷電粒子的情況相同的過程而產生電子和空穴。若取出這些生成的電荷，可以將放射線變?yōu)殡娦盘?。主要使用的是Si和Ge，對GaAs、CdTe等材料。開發(fā)的半導體傳感器有PN結型傳感器、表面勢壘型傳感器、鋰漂移型傳感器、非晶硅傳感器等。當前第21頁\共有39頁\編于星期三\9點α射線可實現(xiàn)氣體分析，如氣體壓力、流量測量；β射線可進行帶材厚度、密度檢測；γ射線可探測材料缺陷、位置、密度與厚度測量。

五、核輻射傳感器的應用當前第22頁\共有39頁\編于星期三\9點（1）

測厚

透射式測厚透射式測厚常用閃爍探測器，閃爍探測器記錄穿透物體的γ射線的強度，其輸出電流與輻射強度成正比。在輻射穿過物質時，由于物體吸收作用損失部分強度，強度按指數(shù)規(guī)律變化：當前第23頁\共有39頁\編于星期三\9點透射式厚度計1.核輻射厚度計當前第24頁\共有39頁\編于星期三\9點

散射式測厚散射測厚時β放射（或低能X射線）源與探測器在同一側，利用核輻射被物體后向散射的效應。散射強度與被測距離、物質成份、密度、厚度表面狀態(tài)等因素有關：利用這種方法可測量薄板的厚度、覆蓋層厚度、材料的成分、密度等參數(shù)。這種方法的優(yōu)點為非接觸測量，且不損壞被測物質。當前第25頁\共有39頁\編于星期三\9點射線強度與散射體厚度之間的關系式為J散=J飽和（1-e-kρt）式中：t和ρ——散射體的厚度和密度；

J散和J飽和——厚度為t和厚度為“無限大”時的后向散射β射線強度；

k——與射線能量有關的系數(shù)。當前第26頁\共有39頁\編于星期三\9點（2）物位測量

利用介質對γ射線的吸收作用，不同介質對γ射線的吸收能力不同，固體吸收能力最強，液體居中，氣體最弱。輻射源與被測介質一定，被測介質高度H與穿過被測介質的射線強度I成正比關系。當前第27頁\共有39頁\編于星期三\9點

圖(b)將射線源和探測器分別安裝在容器的下部和上部，射線穿過容器中的被測介質和介質上方的氣體后到達探測器。顯然，探測器接收到的射線強弱與物位的高度有關。這種方法可對物位進行連續(xù)測量，但是測量范圍比較窄(一般為300~500mm)，測量準確度較低。當前第28頁\共有39頁\編于星期三\9點輻射式物位計(γ射線)

圖(a)定點測量:將射線源I0與探測器安裝在同一平面上，由于氣體對射線的吸收能力遠比液體或固體弱，因而當物位超過和低于此平面時，探測器接收到的射線強度發(fā)生急劇變化?？梢?，這種方法不能進行物位的連續(xù)測量。當前第29頁\共有39頁\編于星期三\9點

（3）流量計（氣體）

在氣流管中裝兩個電極（電極電位不同）放射源S的射線使氣體電離，工作狀態(tài)相當于一個電離室。當被測氣體被電離時，離子被帶出電離室，室內電流減小，氣體流速增加帶出的離子增多電離室電流進一步減小，由電流的變化檢測氣流流速和流量。放射源電極電極氣流EA當前第30頁\共有39頁\編于星期三\9點（4）探傷

探測器與放射源放在管道內，沿焊接縫同步移動，當焊縫存在問題時，穿透管道的γ射線會產生突變，正常時輸出曲線趨于直線。當前第31頁\共有39頁\編于星期三\9點

X熒光射線的能量譜和強度與物質的成份、厚度、密度有關。探測器將光信號轉換為電脈沖，脈沖幅度與元素的特征X射線能量成正比，不同元素脈沖幅度不同，能量E大脈沖幅度越高，通過幅度分析器檢測出不同元素，實現(xiàn)元素的定性分析。而脈沖的多少與樣品的含量成正比，含量越高脈沖計數(shù)越多，通過每秒的計數(shù)率檢測樣品的含量，實現(xiàn)元素的定量分析。

當前第32頁\共有39頁\編于星期三\9點野外現(xiàn)場快速測量當前第33頁\共有39頁\編于星期三\9點井下現(xiàn)場快速測量鋼牌號快速分析當前第34頁\共有39頁\編于星期三\9點（5）X射線熒光分析儀

X射線熒光基于光電效應，能量色散的熒光分析方法由同位素源產生γ射線，其它物質上的次級輻射稱熒光射線；波長色散熒光分析方法由X光射線管產生X射線。當前第35頁\共有39頁\編于星期