第12章 輻射式傳感器

第12章輻射式傳感器12.1紅外傳感器12.2核輻射傳感器第12章輻射式傳感器12.1紅外傳感器12.1.1紅外輻射紅外輻射俗稱紅外線，它是一種不可見(jiàn)光，由于是位于可見(jiàn)光中紅色光以外的光線，故稱紅外線。它的波長(zhǎng)范圍大致在0.76～1000μm，紅外線在電磁波譜中的位置如圖12-1所示。工程上又把紅外線所占據(jù)的波段分為四部分，即近紅外、中紅外、遠(yuǎn)紅外和極遠(yuǎn)紅外。第12章輻射式傳感器圖12–1電磁波譜圖第12章輻射式傳感器

紅外輻射的物理本質(zhì)是熱輻射，一個(gè)熾熱物體向外輻射的能量大部分是通過(guò)紅外線輻射出來(lái)的。物體的溫度越高，輻射出來(lái)的紅外線越多，輻射的能量就越強(qiáng)。紅外光的本質(zhì)與可見(jiàn)光或電磁波性質(zhì)一樣，具有反射、折射、散射、干涉、吸收等特性，它在真空中也以光速傳播，并具有明顯的波粒二相性。紅外輻射和所有電磁波一樣，是以波的形式在空間直線傳播的。它在大氣中傳播時(shí)，大氣層對(duì)不同波長(zhǎng)的紅外線存在不同的吸收帶，紅外線氣體分析器就是利用該特性工作的，空氣中對(duì)稱的雙原子氣體，如N2、O2、H2等不吸收紅外線。而紅外線在通過(guò)大氣層時(shí)，有三個(gè)波段透過(guò)率高，它們是2～2.6μm、3～5μm和8～14μm，統(tǒng)稱它們?yōu)椤按髿獯翱凇?。這三個(gè)波段對(duì)紅外探測(cè)技術(shù)特別重要，因此紅外探測(cè)器一般都工作在這三個(gè)波段（大氣窗口）之內(nèi)。第12章輻射式傳感器12.1.2紅外探測(cè)器紅外傳感器一般由光學(xué)系統(tǒng)、探測(cè)器、信號(hào)調(diào)理電路及顯示單元等組成。按探測(cè)機(jī)理的不同，分為熱探測(cè)器和光子探測(cè)器

1.熱探測(cè)器工作機(jī)理：利用紅外輻射的熱效應(yīng)，探測(cè)器的敏感元件吸收輻射能后引起溫度升高，進(jìn)而使某些有關(guān)物理參數(shù)發(fā)生相應(yīng)變化，通過(guò)測(cè)量物理參數(shù)的變化來(lái)確定探測(cè)器所吸收的紅外輻射。與光子探測(cè)器相比，熱探測(cè)器的探測(cè)率比光子探測(cè)器的峰值探測(cè)率低，響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)。但熱探測(cè)器主要優(yōu)點(diǎn)是響應(yīng)波段寬，響應(yīng)范圍可擴(kuò)展到整個(gè)紅外區(qū)域，可以在常溫下工作，使用方便，應(yīng)用相當(dāng)廣泛。第12章輻射式傳感器

熱探測(cè)器主要有四類：熱釋電型、熱敏電阻型、熱電阻型和氣體型熱釋電效應(yīng):即電石、水晶、酒石酸鉀鈉、鈦酸鋇等晶體受熱產(chǎn)生溫度變化時(shí)，其原子排列將發(fā)生變化，晶體自然極化，在其兩表面產(chǎn)生電荷的現(xiàn)象熱釋電型傳感器:用此效應(yīng)制成的“鐵電體”，其極化強(qiáng)度（單位面積上的電荷）與溫度有關(guān)。當(dāng)紅外輻射照射到已經(jīng)極化的鐵電體薄片表面上時(shí)引起薄片溫度升高，使其極化強(qiáng)度降低，表面電荷減少，這相當(dāng)于釋放一部分電荷第12章輻射式傳感器

2.光子探測(cè)器工作機(jī)理：利用入射光輻射的光子流與探測(cè)器材料中的電子互相作用，從而改變電子的能量狀態(tài)，引起各種電學(xué)現(xiàn)象——這種現(xiàn)象稱為光子效應(yīng)。光子探測(cè)器有內(nèi)光電和外光電探測(cè)器兩種，后者又分為光電導(dǎo)、光生伏特和光磁電探測(cè)器等三種。光子探測(cè)器的主要特點(diǎn)是靈敏度高，響應(yīng)速度快，具有較高的響應(yīng)頻率，但探測(cè)波段較窄，一般需在低溫下工作。第12章輻射式傳感器12.1.3紅外傳感器的應(yīng)用

1.紅外感應(yīng)系統(tǒng)

2.紅外測(cè)溫儀紅外測(cè)溫儀是利用熱輻射體在紅外波段的輻射通量來(lái)測(cè)量溫度的。當(dāng)物體的溫度低于1000℃時(shí)，它向外輻射的不再是可見(jiàn)光而是紅外光了，可用紅外探測(cè)器檢測(cè)其溫度。如采用分離出所需波段的濾光片，可使紅外測(cè)溫儀工作在任意紅外波段。第12章輻射式傳感器圖12–5紅外測(cè)溫儀方框圖第12章輻射式傳感器圖12–6幾種氣體對(duì)紅外線的透射光譜3.紅外線氣體分析儀CO氣體對(duì)波長(zhǎng)為4.65μm附近的紅外線具有很強(qiáng)的吸收能力，CO2氣體則發(fā)生在2.78μm和4.26μm附近以及波長(zhǎng)大于13μm第12章輻射式傳感器圖12–7紅外線氣體分析儀結(jié)構(gòu)原理圖光源：由鎳鉻絲通電加熱發(fā)出3～10μm的紅外線，切光片將連續(xù)的紅外線調(diào)制成脈沖狀的紅外線，以便于紅外線檢測(cè)器信號(hào)的檢測(cè)。測(cè)量氣室中通入被分析氣體，參比氣室中封入不吸收紅外線的氣體（如N2等）。紅外檢測(cè)器是薄膜電容型，它有兩個(gè)吸收氣室，充以被測(cè)氣體，當(dāng)它吸收了紅外輻射能量后，氣體溫度升高，導(dǎo)致室內(nèi)壓力增大。第12章輻射式傳感器12.2核輻射傳感器12.2.1核輻射及其性質(zhì)眾所周知，各種物質(zhì)都是由一些最基本的物質(zhì)所組成。人們稱這些最基本的物質(zhì)為元素。組成每種元素的最基本單元就是原子，每種元素的原子都不是只存在一種。具有相同的核電荷數(shù)Z而有不同的質(zhì)子數(shù)A的原子所構(gòu)成的元素稱同位素。假設(shè)某種同位素的原子核在沒(méi)有外力作用下，自動(dòng)發(fā)生衰變，衰變中釋放出α射線、β射線、γ射線、X射線等，這種現(xiàn)象稱為核輻射。而放出射線的同位素稱為放射性同位素，又稱放射源。第12章輻射式傳感器實(shí)驗(yàn)表明，放射源的強(qiáng)度是隨著時(shí)間按指數(shù)定理而減低的，即(12-1)式中：J0——開(kāi)始時(shí)的放射源強(qiáng)度；

J——經(jīng)過(guò)時(shí)間為t以后的放射源強(qiáng)度；λ——放射性衰變常數(shù)。

放射性同位素種類很多，由于核輻射檢測(cè)儀表對(duì)采用的放射性同位素要求它的半衰期比較長(zhǎng)(半衰期是指放射性同位素的原子核數(shù)衰變到一半所需要的時(shí)間，這個(gè)時(shí)間又稱為放射性同位素的壽命)，且對(duì)放射出來(lái)的射線能量也有一定要求，因此常用的放射性同位素只有20種左右，例如Sr90（鍶）、Co60（鈷）、Cs137（銫）、Am241（镅）等。第12章輻射式傳感器

1.α射線放射性同位素原子核中可以發(fā)射出α粒子。α粒子的質(zhì)量為4.002775u(原子質(zhì)量單位)，它帶有正電荷，實(shí)際上即為氦原子核，這種α粒子流通常稱作α射線。放射出α粒子后同位素的原子序數(shù)將減少兩個(gè)單位而變?yōu)榱硪粋€(gè)元素。它從核內(nèi)射出的速度為20km/s，α粒子的射程長(zhǎng)度在空氣中為幾厘米到十幾厘米。電離：α射線通過(guò)氣體時(shí)，使其分子或原子的軌道電子產(chǎn)生加速運(yùn)動(dòng)，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(chǎn)生一對(duì)由自由電子和正離子組成的離子對(duì)散射：α離子在物質(zhì)中運(yùn)動(dòng)時(shí)會(huì)改變運(yùn)動(dòng)方向第12章輻射式傳感器

2.β射線

β粒子的質(zhì)量為0.000549u，帶有一個(gè)單位的電荷。它所帶的能量為100keV～幾兆電子伏特。β粒子的運(yùn)動(dòng)速度均較α粒子的運(yùn)動(dòng)速度高很多，在氣體中的射程可達(dá)20m。β粒子在穿經(jīng)物質(zhì)時(shí)，會(huì)使組成物質(zhì)的分子或原子發(fā)生電離，電離作用較小，質(zhì)量小易被散射。β粒子在穿經(jīng)物質(zhì)時(shí)，由于電離、激發(fā)、散射和激發(fā)次級(jí)輻射等作用，使β粒子的強(qiáng)度逐漸衰減，衰減情況大致服從如下的指數(shù)規(guī)律：J=J0e-μh

(12-2)

式中：J0和J——β粒子穿經(jīng)厚度為h、密度為ρ的吸收體前后的強(qiáng)度；μ——線性吸收系數(shù)。第12章輻射式傳感器

3.γ射線原子核從不穩(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(guò)程稱為γ衰變（或稱γ躍遷）。發(fā)生γ躍遷時(shí)所放射出的射線稱γ射線或γ光子。對(duì)于放射性同位素核衰變時(shí)放射的γ射線，或者內(nèi)層軌道電子躍遷時(shí)發(fā)射的X射線，它們和物質(zhì)作用的主要形式為光電效應(yīng)。當(dāng)一個(gè)光子和原子相碰撞時(shí)，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(yīng)。光電效應(yīng)也伴隨有次級(jí)輻射產(chǎn)生。當(dāng)γ射線通過(guò)物質(zhì)時(shí)，由于發(fā)生光電等效應(yīng)的結(jié)果，它的強(qiáng)度將減弱，它也遵循如式(12-2)所示的指數(shù)衰減規(guī)律。與β射線相比，γ射線的吸收系數(shù)小，它透過(guò)物質(zhì)的能力最大，在氣體中的射程為幾百米，并且能穿透幾十厘米的固體物質(zhì)，其電離作用最小。在測(cè)量?jī)x表中，根據(jù)γ輻射穿透力強(qiáng)這一特性來(lái)制作探傷儀、金屬厚度計(jì)和物位計(jì)等。第12章輻射式傳感器12.2.2核輻射探測(cè)器核輻射探測(cè)器又稱核輻射接收器，它是核輻射傳感器的重要組成部分。核輻射探測(cè)器的作用是將核輻射信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，從而探測(cè)出射線的強(qiáng)弱和變化。由于射線的強(qiáng)弱和變化與測(cè)量參數(shù)有關(guān)，因此它可以探測(cè)出被測(cè)參數(shù)的大小及變化。這種探測(cè)器的工作原理或者是根據(jù)在核輻射作用下某些物質(zhì)的發(fā)光效應(yīng)，或者是根據(jù)當(dāng)核輻射穿過(guò)它們時(shí)發(fā)生的氣體電離效應(yīng)。當(dāng)前常用的核輻射探測(cè)器有：電離室、正比計(jì)數(shù)管、蓋革—彌勒計(jì)數(shù)管、閃爍計(jì)數(shù)器和半導(dǎo)體探測(cè)器等。第12章輻射式傳感器1.電離室利用射線對(duì)氣體的電離作用而設(shè)計(jì)的一種輻射探測(cè)器圖12–8電離室的結(jié)構(gòu)示意圖圖12–9電離室的特性曲線

電離室內(nèi)所充氣體的壓力、極板的大小和兩極間的距離對(duì)電離電流都有較大的影響，例如增大氣體壓力或增大電極面積都會(huì)使電離電流增大。第12章輻射式傳感器圖12–10差分電離室

在核輻射檢測(cè)儀表中，有時(shí)用一個(gè)電離室，有時(shí)用兩個(gè)電離室。為了使兩個(gè)電離室的特性一樣，以減少測(cè)量誤差，通常設(shè)計(jì)成差分電離室，在高電阻上流過(guò)的電流為兩個(gè)電離室收集的電流之差，這樣可以避免高電阻、放大器、環(huán)境溫度等變化而引起的測(cè)量誤差。第12章輻射式傳感器氣體電離-芯線近旁電場(chǎng)密度高電子碰撞-新的離子對(duì)-氣體放大-陽(yáng)離子離開(kāi)氣體放大區(qū)域而產(chǎn)生輸出脈沖輸出脈沖大小-電子正離子對(duì)數(shù)目-氣體吸收的放射線能量2.正比計(jì)數(shù)管圖12–11正比計(jì)數(shù)管的結(jié)構(gòu)模型

正比計(jì)數(shù)管大多數(shù)是圓柱形或者球形、半球形。其陽(yáng)極很細(xì)，陰極直徑較大，這主要是為了在外加電壓較小的情況下，使陽(yáng)極附近仍能有很強(qiáng)的電場(chǎng)，以便有足夠大的氣體放大倍數(shù)。正比計(jì)數(shù)管可以在很寬的能量范圍內(nèi)測(cè)定入射粒子的能量，能量分辨率相當(dāng)高，分辨時(shí)間很短，并且可作快速計(jì)數(shù)。第12章輻射式傳感器

3.蓋革-彌勒計(jì)數(shù)管根據(jù)射線對(duì)氣體的電離作用而設(shè)計(jì)的輻射探測(cè)器。它與電離室不同的地方主要在于工作在氣體放電區(qū)域，具有放大作用。圖12–12蓋革-彌勒計(jì)數(shù)管圖12–13蓋革-彌勒計(jì)數(shù)管特性曲線第12章輻射式傳感器4.閃爍計(jì)數(shù)器物質(zhì)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(guò)程中，發(fā)射出脈沖狀的光的現(xiàn)象稱為閃爍現(xiàn)象。能產(chǎn)生這樣發(fā)光現(xiàn)象的物質(zhì)稱為閃爍體。閃爍計(jì)數(shù)器先將輻射能變?yōu)楣饽?，然后再將光能變?yōu)殡娔芏M(jìn)行探測(cè)，它由閃爍體和光電倍增管兩部分組成。圖12–14閃爍計(jì)數(shù)器第12章輻射式傳感器按化學(xué)組成成分可分為有機(jī)和無(wú)機(jī)按物質(zhì)形態(tài)分則可分為固態(tài)、液態(tài)和塑料通常使用固態(tài)閃爍體，其中有銀激活的硫化鋅ZnS(Ag)、鉈激活的碘化鈉NaI(T1)、鉈激活的碘化銫CsI(T1)、金激活的碘化鋰LiI(Au)等。有機(jī)閃爍體中應(yīng)用最廣的有蒽、芪、三聯(lián)苯和萘等。表12–1主要的閃爍晶體及檢測(cè)對(duì)象第12章輻射式傳感器5.半導(dǎo)體探測(cè)器半導(dǎo)體探測(cè)器是近年來(lái)迅速發(fā)展起來(lái)的一種射線探測(cè)器。我們知道荷電粒子一入射到固體中就與固體中的電子產(chǎn)生相互作用并失去能量而停止。入射到半導(dǎo)體中的荷電粒子在此過(guò)程產(chǎn)生電子和空穴對(duì)。而X射線或γ射線由于光電效應(yīng)、康普頓散射、電子對(duì)生成等而產(chǎn)生二次電子，此高速的二次電子經(jīng)過(guò)與荷電粒子的情況相同的過(guò)程而產(chǎn)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?hào)。就半導(dǎo)體而言，主要使用的是Si和Ge，對(duì)GaAs、CdTe等材料也進(jìn)行了研究。目前,開(kāi)發(fā)的半導(dǎo)體傳感器有PN結(jié)型傳感器、表面勢(shì)壘型傳感器、鋰漂移型傳感器、非晶硅傳感器等。第12章輻射式傳感器12.2.3核輻射傳感器的應(yīng)用

1.核輻射厚度計(jì)射到探測(cè)器的透射射線強(qiáng)度J和物體厚度t的關(guān)系為J=J0e-μρt

(12-3)或(12-4)式中：ρ——被測(cè)材料的密度；μ——被測(cè)材料對(duì)所用射線的質(zhì)量吸收系數(shù)；J0——沒(méi)有被測(cè)物體時(shí)射到探測(cè)器處的射線強(qiáng)度。第12章輻射式傳感器圖12–15透射式厚度計(jì)透射式第12章輻射式傳感器圖12–16零位法透射式厚度計(jì)零位法透射式第12章輻射式傳感器射線強(qiáng)度與散射體厚度之間的關(guān)系式為J散=J飽和（1-e-kρt）(12-5)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(wú)限大”時(shí)的后向散射β射線強(qiáng)度；k——與射線能量有關(guān)的系數(shù)。后向散射式圖12–17β散射式厚度測(cè)量第12章輻射式傳感器2.輻射式物位計(jì)圖12–15輻射式物位計(jì)的測(cè)量原理框圖(a)是定點(diǎn)測(cè)量，不能進(jìn)行物位的連續(xù)測(cè)量(b)連續(xù)測(cè)量，但是測(cè)量范圍比較窄(一般為300~500mm)，測(cè)量準(zhǔn)確度較低。(c)線狀的射線源及(d)線狀的探測(cè)器可以適應(yīng)寬量程的需要，又可以改善線性特性。第12章輻射式傳感器

3.X熒光材料成分分析儀射到物質(zhì)上的核輻射所產(chǎn)生的次級(jí)輻射稱為次級(jí)熒光射線（如特征X射線），熒光射線的能譜和強(qiáng)度與物質(zhì)的成分、厚度及密度等有關(guān)。利用熒光效應(yīng)可以檢測(cè)覆蓋層厚度、物質(zhì)成分、密度和固體顆粒的粒度等參數(shù)。熒光式材料成分分析儀具有分析速度快，精度高，靈敏度高，應(yīng)用范圍廣，成本低，易于操作等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用。能量色散X射線熒光成分分析儀是根據(jù)初級(jí)射線從樣品中激發(fā)出來(lái)的特征X射線熒