（核技术及应用专业论文）新型γ、x射线剂量率仪的研制.pdf

摘要 随着国民经济的快速发展，g d p 的大幅度增长，环境的日益恶化和能源的 枯竭成已为人们关注的焦点，核能将作为一种新型的能源得到广泛的利用，缓解 能源和环境带给人们的压力。目前，我国计划核电装机容量达4 0 0 0 万千瓦左右， 将于2 0 2 0 年全部建成并投入使用，核电发电量在全国总发电量的百分比将达到 4 。还有核技术在农业，工业，医学等方面也得到了广泛的应用。与此同时， 核仪器对辐射的监测成为这些工作中重要的一个环节，以防核辐射对人体的伤害 和对环境的污染。由于当前很多单位使用的核仪器主要是靠进口，国内的核仪器 产品不能满足人们的需求。所以，研制出高性能的核仪器，并将核仪器国产化， 具有很大的意义。 在论文中，通过分析当前国内外核仪器的发展现状及发展趋势，大多数国内 剂量率仪在研制时采用的基本原理，提出一种新的方法，即从能量的角度考虑y ， x 剂量率的测量，并以此方法研制出相应的仪器，最后通过实验测试，找到以此 方法研制的剂量率仪的优缺点。 论文从以下几个方面，介绍了新型y ，x 剂量率研制的基本过程： 1 分析国内大多数剂量率仪所应用的基本原理和介绍该剂量率仪所采用的基本 原理，说明两者之间的区别； 2 介绍新型y ，x 剂量率仪的探头设计和探头输出信号的处理电路的设计，以 及仪器的整体结构设计和仪器每部分的结构： 3 新型y ，x 剂量率仪的软件设计； 4 新型y ，x 剂量率仪调试和性能指标测试： 5 对论文做了全面的总结，列出新型y 、x 射线剂量率仪的一些性能指标。 关键字：剂量率，能量，单片机，y x 射线。 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to ft h en a t i o n a le c o n o m y , g d ps u b s t a n t i a lg r o w t h ， e n v i r o n m e n t a ld e g r a d a t i o na n dt h ei n c r e a s i n gd e p l e t i o no fe n e r g yr e s o u r c e sh a s b e c o m et h ef o c u so fa t t e n t i o n ，an e wt y p eo fn u c l e a re n e r g yi sw i d e l yu s e dt oe a s et h e e n e r g ya n dt h ee n v i r o n m e n tt ob r i n gp e o p l et op r e s s u r e a tp r e s e n t ，c h i n ap l a n st o r e a c h4 0m i l l i o nk i l o w a t t so fn u c l e a rp o w e ri n s t a l l e dc a p a c i t yo fa r o u n d2 0 2 0w h i c h w i l lb ec o m p l e t e da n dp u ti n t ou s e ，n u c l e a rp o w e rg e n e r a t i o nc a p a c i t yi nt h e p e r c e n t a g e o ft h e c o u n t r y s t o t a l g e n e r a t i n gc a p a c i t y w i l lr e a c h4 n u c l e a r t e c h n o l o g yh a v ea l s ob e e nw i d e l yu s e di na 嘶c u l t u r e ，i n d u s t r y , m e d i c i n e ，e t c a tt h e s a m et i m e ，i ti sa l li m p o r t a n ta s p e c tt h a tw eu s en u c l e a re q u i p m e n tt om o n i t o rt h e n u c l e a rr a d i a t i o nt op r e v e n ti n j u r i n gh u m a nb o d ya n dd e s t r o y i n ge n v i r o n m e n tf r o m n u c l e a rr a d i a t i o n s i n c em a n yu n i t sc u r r e n t l yu s e dn u c l e a ri n s t r u m e n t sw h i c h m a i n l y r e l yo i li m p o r t s ，t h ed o m e s t i cp r o d u c t so fn u c l e a r d e v i c e sc a l ln o tm e e tp e o p l e s n e e d s t h e r e f o r e ，w ed e v e l o pt h eh i g l l p e r f o r m a n c en u c l e a re q u i p m e n ta n dm a k et h e n u c l e a ri n s t n n n e n tm a d ei nc h i n a t h ee v e n th a st h eg r e a ts i g n i f i c a n c e i nt h i sp a p e r , b ya n a l y z i n gt h ed e v e l o p m e n to ft h ec u r r e n td o m e s t i ca n d i n t e r n a t i o n a ln u c l e a ri n s t r u m e n ts t a t u sa n dd e v e l o p m e n tt r e n da n dt h eb a s i cp r i n c i p l e s t h a tu s e si nt h em o s td o m e s t i c d o s e r a t ei n s t n t m e n t w ep u tf o r w a r dan e w a p p r o a c h , w h i c hi st h a tw ec a l lc o u n t 丫，x - d o s e r a t ef r o mt h ep e r s p e c t i v eo f7 ，xe n e r g y a n dw e d e v e l o p e dac o r r e s p o n d i n gi n s t r u m e n tb yt h i sw a y f i n a l l yw ef r e ds o m ea d v a n t a g e s a n dd i s a d v a n t a g e so fd o s e r a t ei n s t n u n e n tf r o ms o m ee x p e r i m e n t s i nt h i sp a p e r , w ei n t r o d u c et h ed e v e l o p m e n to fan e wt y p eo f7 ，xd o s er a t ef r o m t h ef o l l o w i n ga s p e c t s ： 1 a n a l y z i n gt h eb a s i cp r i n c i p l e so ft h em o s to ft h ed o m e s t i cd o s e - r a t ea n da n d t h i si n s t r u m e n ta n di n t r o d u c i n gt h ed i f f e r e n c eb e t w e e nt h et w o ： 2 an e w 丫，xd o s er a t em e t e rp r o b ed e s i g na n dp r o b eo u t p u ts i g n a lp r o c e s s i n g c i r c u i td e s i g n , 勰w e l la st h eo v e r a l ls t r u c t u r eo ft h ei n s t r u m e n td e s i g na n d e q u i p m e n t r e l a t e dt oe a c hp a r to ft h es t a t e m e n t ； v 3 an e w 丫 xd o s er a t ei n s t r u m e n ts o 胁a l ed e s i g n ； 4 c o m m i s s i o n i n gt h en e w 丫，xd o s er a t ei n s t r u m e n ta n dt e s t i n gt h ep e r f o r m a n c e o ft h en e w 7 ，xd o s er a t ei n s t r u m e n t ： 5 i nt h i ss e c t i o n ，w ew i lm a k eac o m p r e h e n s i v es u m m a r ya n dl i s to ft h e p e r f o r m a n c ea n dt h ei n d i c a t o r so ft h en e w1 , ，x - r a yd o s er a t em e t e r k e y w o r d s ：d o s er a t e ，e n e r g y , m i c r o c o n t r o l l e r , 丫一x - r a y s 原创性声明 本人呈交的学位论文新型y 、x 射线剂量率仪的研制，是在 导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果，所有数据、图片资 料真实可靠。尽我所知，除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含他人享有著作权的内容。对本论文所涉及的研究工 作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确的方式标明。本学 位论文的知识产权归属于培养单位。 本人签名：_ 鼹 日期：二豳丛j o 巧乙 关于学位论文使用授权的声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归 属兰州大学。本人完全了解兰州大学有关保存、使用学位论文的规定， 同意学校保存或者向国家有关部门或机构送交论文的纸质版和电子 版，允许论文被查阅和借阅；本人授权兰州大学可以将本学位论文的 全部或部分内容编入相关数据库进行检索，可以采用任何复制手段保 存和汇编本学位论文。本人离校后发表、使用学位论文或与该论文直 接相关的学术论文或成果时，第一署名单位仍然为兰州大学。 保密论文在解密后应遵守此规定。 论文作者签名：羔褪迄导师签名：，窆叁鱼! 笠 日期：淞7 第一章绪论 1 1 新型y ，x 剂量率仪研制的目的和意义 1 9 3 9 年核裂变的发现向人们展示了原子核内所蕴藏的巨大能量，预示着核能 的有效利用将空前的提高人类认识世界和改造世界的能力，将给人类世界带来巨 大的经济和社会效益。由于裂变的发现正处于第二次世界大战时期，因此核裂变 首先被应用于军事上，制造核武器。在五十年代中期，核裂变能转向和平利用， 在1 9 5 4 年，建立了世界上第一座核电站。在此之后，核能发电得到了迅速的发 展，仅用了3 0 年的时间就走完了火电站1 0 0 多年的发展历程，现在，世界核电 发电量己占世界发电总量的1 7 。在我国，到2 0 2 0 年，核电的装机容量将达到 4 0 0 0 万千瓦，并全部将投入使用。核能作为一种新型洁净的能源已得到了世人 的公认，并将成为解决人类能源危机最有希望的手段之一。 随着核能在核电方面的发展，核科学技术也与科学技术的各个领域相结合， 发展许多的交叉学科，诸如核天体物理学、核化学、核固体物理与材料科学、核 医学、核生物学、核农学、核电子学、核化学等等，有力的推动了科学技术的发 展，并在经济建设的各个领域里得到广泛的应用。例如：核技术在农业方面，有 辐照育种、食物储藏和保鲜、病虫害防治、第剂量照射增产等；在医学方面，有 核医学成像、放射性药物的研制和放射治疗；在工业方面，有工业c t 、离子束 加工、辐射工艺和加工等。可以说，人类的生存与发展与核已变得密不可分了， 它越来越多的将走入我们的生活，解决我们所面临的一些难题。 但是，随着核电的大力发展和核技术在工业、农业、医学等方面的广泛应用， 大量放射性物质引入到环境中，造成对人体的伤害和对环境的影响。以及核技术 在给人们带来利益的同时，存在的危险和破坏，甚至是灾难，所以核技术在诞生 之日起，安全问题成为人们关注的焦点。所以，不论是在核电方面，还是核技术 的应用方面，环境监测仪表和辐射防护监测仪表成为维护人们安全的手段之一。 从早期研制的y ，x 射线照射量率表到当前的y ，x 射线剂量率仪，其按量 程主要分为两种：一种是环境级仪表，量程一般为：0 0 1 , u g y i h 1 0 0 g y h ； 另一种是防护级仪表，量程为1 0 0 a g y h 以上。原来笨重、不便于携带的仪器将 被小巧、便于携带的仪器所取代，仪器将会连接多个探头，其量程将涵盖以前的 环境级核防护绒仪表。但是其基本原理基本一致，都是采用测量核脉冲计数率加 相对修正的方法，实现剂量率与剂量的测量。在此篇论文中将介绍实现剂量率测 量的另一种方法：从核脉冲能量和计数两个方面考虑剂量率和剂量的测量。通过 实验研究，以这种原理为基础，研制的仪器有更好的能量响应、灵敏度和线性， 这将为剂量率监测仪器的研制提供一种新的思路，有利于剂量率监测仪器的进一 步完善，也有利于国内剂量率监测仪器的发展紧跟国际发展步伐，同时也填补国 内在这一技术上的空白。所以，对它的研制有很大的意义。 1 2 当前大多数剂量率仪研制的基本原理 当前，国内大多数剂量率仪在研制时，采用了多种探测方法，例如：g m 计 数管、n a i ( 砸) 闪烁体、还有半导体探测器等。最后，将从探头出来的信号通 过相应的处理电路，几乎采用同一种方法，即对从处理电路出来的信号计数的方 法。 例如：在文章便携式宽量程x y 剂量率连续监测仪的研制中，x - y 剂 量率仪采用了塑料闪烁体探头和g m 计数管两个探头，分别通过处理电路，最后 用单片机的定时器和计数器对脉冲计数，再在软件中，通过一定的算法，实现剂 量率的测量。 在文章y 剂量率测量仪的研制中，g m 计数管作为探头，通过对g m 计 数管每秒输出脉冲的计数，利用公式( 1 1 ) 计算出剂量和剂量率，其中，d 为 剂量，k 为探头灵敏度，n 为每秒计数值，t 为死时间。 d ： 型 ( 1 1 ) k ( 1 n t ) 还有在文章基于m c u 的简易便携式y 辐射仪设计中，探头为n a i ( t i ) 闪烁体，探头输出信号经过处理电路，最后用单片机对处理电路输出信号计数， 并加以相对修正，实现了剂量率和剂量的测量。 在以上的基本原理下研制的仪器，通过相对修正，可以满足剂量率测量的一 些要求，但是，不能从根本上解决仪器的一些不足，这将在文章的实验部分加以 说明。同时也说明，有必要从另一个角度考虑剂量率和剂量的测量，即通过能量 和计数两个方面考虑剂量率和剂量的测量，这将会弥补以前大多数剂量率仪的不 2 足。 1 - 3 剂量率和剂量测量技术的发展 自从1 8 9 5 年伦琴发现x 射线后不久就发现了x 射线对人体的损伤作用，如 长期接触x 射线照射的人，发生了皮肤烧伤、毛发脱落、眼痛等；在1 8 9 8 年， 居里发现镭元素以后，发现v 射线对人体也有类似的伤害，这些现象很快就引起 了人们的广泛关注，人们开始对y 、x 射线的防护和监测进行研究，从而相应的 y 、x 射线的防护和监测仪器相继出现。 由于核能和核技术首先在军事上的应用，为了维护军人的辐射安全，研制了 牢固、可靠、便于携带、且适于作战人员在野战条件下使用的辐射监测仪器，由 于当时的仪器大多采用的是分离元件，所以其重量和体积相当可观。例如：在 5 0 年代，前苏联研制的i i i 1 1 a 型辐射监测级仪表重6 7 千克，体积为2 6 5 1 9 5 2 4 8 毫米；美国的a n p d r - 2 7 型玷污监测仪，重为4 8 千克，体积为2 9 4 2 1 6 1 2 7 毫米。 从此之后，随着科学技术的不断飞速发展，人们对核相关知识的探索及核辐 射防护的进一步研究，辐射监测仪器的可靠性、体积、重量和量程都得到了相应 的改善，特别是在九十年代后期和本世纪初期，由于新型核辐射探头的研制和集 成电子线路的问世，核辐射监测仪器的轻小型、低功耗、多功能化成为可能，其 基本模式为，一个主机可以连接多个探头，主机内置多种适应性控制程序，可以 根据探头的不同进行选择，人性化强，使用和携带都很方便。 在国内，核辐射监测仪器的发展速度比较缓慢，8 0 年代后期才研制了部分 核辐射监测仪器，例如：北京核仪器厂研制的x y 照射率仪f t - 6 2 0 ，采用了塑料 闪烁体探测器，功耗大，量程为0 - 3 0 0 9 u r h ，能量响应为3 6 5 k e v 2 m e v ，在当 时，该仪器代表了国内的先进水平。 在此之后，北京核仪器厂又研制了b h 3 1 0 3 a 和b h 3 1 0 3 b 两种x y 剂量率 监测仪，还有西安核仪器厂研制的p m l 6 2 1 型x y 辐射剂量率仪。从总体来说， 国内市场上的剂量率仪量程比较窄，大多数仍是一个主机配一个探头，不能满足 从环境到防护级监测的要求，其仪器性能远远落后于国际上剂量率仪的性能。当 前，核能和核技术在国内正直快速发展时期，核辐射监测仪表需求量大大增加， 国内的辐射监测仪器研制远远不能满足市场的需求，所以，国内大多数的剂量率 仪仍主要源于进【】，其价格相当昂贵。所以，我们要提高国内仪器的质量、性能 和可靠性，占领困内核仪器的市场，满足市场的需求。 4 第二章剂量率仪的基本理论 2 1y - x 射线与物质相互作用 y 、x 射线是一种比紫外线的波长短得多的电磁波，它与物质相互作用时， 能产生次级带电粒子( 主要是电子) 和次级光子，通过这些次级带电粒子的电离、 激发过程把能量传给物质。 y 、x 射线并不像带电粒子那样，在与物质相互作用时，以小能量逐渐损失 其能量，y 、x 射线而是在与物质相互作用时，一次性损失几乎全部能量。y 、 x 射线在与物质相互作用的过程中主要发生光电效应、康普顿效应和电子对效 应，还有相干散射、光致核反应和核共振反应，但是在一般的情况下，这些现象 出现的几率很小。其中光电效应、康普顿效应和电子对效应在y 、x 射线与物质 相互作用的过程中发生几率与光子能量加和吸收物质的原子序数有关。一般地 说，对于低原子序数的物质，康普顿效应在很宽的能量范围内占优势；对于中等 原子序数的物质，在低能时光电效应站优势；在高能时，电子对效应占优势。如 图2 1 所示。 2 1 1 光电效应 序数的关系 能量为胁的光子通过物质时，与原子的某壳层中的一个轨道电子相互作用， 把全部的能量传递为这个电子，获得能量的电子摆脱原子核的束缚成为自由电 子，我们把这个效应称为光电效应。如图( 2 2 ) 所示，设电子的结合能为， 则电子获得的动能e 可表示为( 2 1 ) 式。 e = h v e b ( 2 1 ) 电子e 图( 2 2 ) 光电效应不意图 一般情况下，y 、x 射线与原子的k 层、l 层电子发生光电效应的几率比原 子中其它层电子发生光电效应的几率大。例如，当入射光子的能量大于k 层电 子的结合能时，则k 层电子发生光电效应的几率达到8 0 。y 、x 射线与物质 相互作用，发生光电效应的几率与物质的原子序数和射线的能量有关。光电效应 发生之后，留下的电子空位可以被外壳层电子填补，产生特征x 射线，也可以将 能量传递给外壳层电子，这时获得能量的电子从原子中逃出，产生俄歇电子。 2 1 2 康普顿效应 当具有能量为加的光子与原子内一个轨道电子相互作用时，光子交给轨道 电子部分能量后，电子的频率发生变化并与入射方向成9 角散射，获得足够能量 的电子与入射光子方向成角射出，我们把y 、x 射线物质相互作用时发生的这 种现象称为康普顿效应，如图( 2 3 ) 所示。 在一般情况下，康普顿效应主要发生在物质中原子的外层电子，由于原子核 对原子的外层电子束缚的特别松，外层电子的结合能特别小，所以，在处理问题 时，忽略电子的结合能，认为康普顿效应为光子与自由电子的弹性散射，从而， 在这种碰撞过程中，光子和反冲电子之间遵循能量守恒和动量守恒定律，所以可 以得到散射光子和反冲电子的能量分别为( 2 2 ) 式和( 2 3 ) 式。 加7 ：o 一一 ( 2 2 ) 1 + 罢( 1 一c o s e ) 6 入 一h 了v ( 1 一c o s p ) e = h v h v 7 = i n , j 丛；_ 一 ( 2 3 ) l + 罢( 1 一c o s 力 m c 反冲电子e 图( 2 3 ) 康普顿效应示意图 2 1 3 电子对效应 当y 光子从原子核旁经过时，在原子核的库仑场作用下，一个光子转换成一 个正电子和一个负电子，这种现象称为电子对效应，如图( 2 4 ) 所示。 电子对效应可以在原子核场中发生，也可以在电子场中发生，在原子核场中 发生的几率远大于在电子场中发生的几率。在原子核场中发生电子对效应时，要 求入射光子的能量h v 2 m c 2 ，在电子场中，要求入射光子的能量h v 4 m c 2 。同 时，根据能量守恒和动量守恒定律，电子对效应发生的必要条件是必须有原子核 或壳层电子存在，也可以推算出正电子和负电子的动能。正电子在物质中很快被 慢化，并发生湮没，产生光子，湮没光子在物质中再发生相互作用。 7 入射 2 2 相关概念简介 图( 2 4 ) 电子对效应示意图 + e 要从探头输出脉冲所包含的能量和输出脉冲的计数两个方面计算剂量和 剂量率，首先要清楚剂量和剂量率的相关概念，推导输出脉冲的计数核脉冲所 包含的能量与剂量率和剂量之间的关系，说明此方法的可行性。 2 2 1 吸收剂量 吸收剂量是辐射防护中和剂量学中特别重要的物理量，吸收剂量的概念 为：当电离辐射与物质相互作用时，用来表示单位质量的物质吸收电离辐射 能量大小的物理量为吸收剂量，也可以理解为：致电离辐射授予某一体积元 中物质的平均能量d s 除以该体积元中物质的质量d m 而得的商，即： d ：生( 2 4 ) d m 式中， d 一吸收剂量，s i 单位为焦耳每千克( 堙) ，单位的专门名称为 戈瑞，简称戈，用符号6 少表示。1 戈= l 焦耳千克( 1 g y = 1 - ，七g ) ， 与s i 单位并用的专用单位是拉德( r a d ) ，1 拉德= 1 0 2 戈。 1 g 少= l o ? m g y = 1 0 6 g 少。 s 平均授与能，是电离辐射授与一定体积中的物质的能量，而且 这些能量全部被该体积内的物质吸收，其s i 单位为焦耳，由 于占是一个随机量，所以平均授与能就是授与能的期望值。 s 2 2 2 吸收剂量率 剂量率的概念为：单位时间内的吸收剂量，严格定义为：某一时间f h j 隔疵 内吸收剂量的增量d d 除以该时间间隔刃而得的商，即： 易= 塑( 2 5 ) 协 式中， d 吸收剂量率，s i 单位为焦耳每千克秒，单位的专用名称为戈每秒， 用符号戈秒( s ) 表示，1 戈秒= l 焦耳千克秒( 1 g y s = 1 j 堙b ) ，与它 暂时并用的单位为拉德秒、毫拉德d , 时等。 在辐射防护中，吸收剂量率和吸收剂量是很重要的概念，它适用于各种类型 的辐射、任何介质，以及内照射和外照射中，但是在使用剂量率和剂量时，一定 要指明介质的种类和所在的位置，因为剂量率和剂量总是指某一介质中某一点而 言的。所以，在各种辐射环境中，要准确计算人体各个部位的吸收剂量，计算辐 射对人体的伤害，这很不容易。 通过研究，在一定的能量范围内，每克空气吸收的能量与每克软组织吸收的 能量没有太大的差别，如图( 2 5 ) 所示，图中所绘的f 是以r a d 表示的吸收剂量 与r 表示的照射量的比值。空气吸收剂量为0 8 7 r a d r ，当辐射场中的射线能量 小于0 1 m e v 时，各种软组织和空气之间的吸收剂量有很大差别，当各种射线的 能量大于0 1 m e v 时，每克空气的吸收剂量与每克软组织的吸收剂量没有太多差 别，所以我们一般用干燥空气中的吸收剂量代替人体软组织的吸收剂量，从而衡 量环境中各种辐射对人体的伤害，和人体吸收的剂量。 9 a 弓 叼 对 吣 - f ； 弋 n 重、 ；舀肪 i-l-i - - - - 触，m e v 图( 2 5 ) 肌肉、脂肪和骨的吸收剂量与照射量之比 2 2 - 3 剂量当量与剂量当量率 由于吸收剂量所产生的生物效应与射线的种类、能量及照射条件有关。即 使吸收相同数量的剂量照射，由于射线种类和照射条件的不同，其产生的生物效 应无论其严重程度还是其发生几率皆不相同。所以为了统一表示各种射线对机体 的危害程度，在辐射防护中引入了剂量当量这个概念，定义为在组织内所关心的 一点上的d 、q 、n 的乘积，用公式表示为： h = d q ( 2 6 ) 式中， h 一剂量当量，s i 单位为焦耳千克，单位的专用名称为西弗，用符号s v 表示， 1 西弗= 1 焦耳千克，1 西弗= 1 0 3 毫西弗= 1 0 6 微西弗，暂时与s i 并 用的单位还有雷姆( r e m ) ，l 西弗= 1 0 2 雷姆： d 吸收剂量( 戈) ： n 一所有其他修正因素的乘积，它反映了吸收剂量的不均匀的空间与时 间分布等因素，i c r p 指定为n = i ； q 品质因数。i c r p 建议，对于内照射和外照射，一般使用品质因数的 平均值q ，对于x 或y 射线，q = i 。 l o 所以对于x 或y 射线，剂量当量就等f 吸收剂量。 剂量当量率为单位时间内的剂量当量，用h 表示，即 五：塑( 2 7 ) 出 h 的s i 单位为焦耳每千克秒，单位的专用名称为西弗秒、西弗d , 时等，暂 时与之并用的单位为雷姆秒、雷姆川、时等。 通过上面基本概念的介绍，可以得出，表示各种射线对机体的危害程度应该 用剂量当量和剂量当量率这两个物理量，而不是吸收剂量和吸收剂量率，所以， 我们一般所说的剂量和剂量率应该为剂量当量和剂量当量率，不应该直接是吸收 剂量和吸收剂量率。但是从剂量当量和剂量当量率的公式可以看出，只要计算出 吸收剂量就能直接得到剂量当量和剂量当量率，吸收剂量和吸收剂量率也可以反 应各种射线对人体的伤害。 2 2 4 照射量 一束x 或y 射线穿过空气时与空气发生相互作用而产生次级电子，这些次 级电子在使空气电离而产生离子对的过程中，最后全部损失其本身的能量。照射 量就是表示x 或y 射线在空气中产生电离大小的物理量，在带电粒子平衡的条 件下，在干燥的空气中，照射量x 可表示为 。x ：沙丝兰( 2 8 ) pw 式中， 缈一光子的能注量； 丝一光子在空气中的质能吸收系数； p e - 电子的电荷； 形一在空气中形成一对离子所消耗的平均电离能； 在带电粒子平衡的条件下，在干燥的空气中，照射量与吸收剂量和吸收剂量 率之间的关系为式( 2 9 ) 和式( 2 1 0 ) 。 d ：8 6 9 * 1 0 3 x ，( 2 9 ) 2 3 推导理论 d _ - 8 6 9 宰1 0 - 3 沙蚣兰 ( 2 1 0 ) p w 在这一部分将对y x 射线能量与吸收剂量和吸收剂量率之间的关系，以及 信号经过处理电路后，处理电路输出信号与y x 射线能量之间的关系作相应的 推导，从理论方面说明仪器研制的可行性。 2 3 1y 、x 射线能量与吸收剂量和吸收剂量率之间的关系 要从探头输出脉冲所包含的能量和输出脉冲的计数两个方面计算剂量和剂 量率，就要考虑脉冲的数目和脉冲所携带的电荷，不能单独的考虑脉冲数目一个 方面。我们选用n f l ( t i ) 作为探头，下面我们推导入射y 或x 射线的能量与y 、x 射线与探头相互作用所输出得脉冲数目和脉冲所包含的能量之间的关系，最终得 到入射y 或x 射线的能量与吸收剂量和吸收剂量率之间的关系，这里的吸收剂量 和吸收剂量率是在干燥空气的条件下测量所得。 设能注量为甲。的平行射线束垂直地照射在面积为a 、厚度为d 的n a i ( t i ) 1 ) , - 烁体上。一般，应该考虑射线在闪烁体中的减弱，设在穿透厚度为x 处的能注量 为甲。，由于射线在闪烁体中能注量与穿透厚度之间成指数衰减规律，所以有式 ( 2 1 1 ) ， 虬= p 一如k 。 ( 2 1 1 ) 式中( 心) m 是射线在闪烁体中线能量吸收系数( 光子在物质中穿行单位距离时， 由于各种相互作用而转移为带电粒子的动能占其总能量的份额。) 。由于在闪烁体 中散射光子可继续穿透闪烁体，其行为与原入射射线很相似，因而仍归于原射线 中，所以这里使用心而没有用线性吸收系数( 入射光子在物质中穿行单位距 离时，平均发生总的相互作用的几率。) ，实际上使用也是可以的。 我们把进入单位截面积的球体内的所有粒子能量之和( 不包括静止能量) 称 为能注量，其严格定义式为( 2 1 2 ) ， 沙：盟( 2 1 2 ) 砌 1 2 则有工弋( 2 1 3 ) ， 蛾= y 幸d a ( 2 1 3 ) 于是。在单位时间内，在x 处的d ) 【层处，闪烁体吸收的y 或x 射线的能量峨 为舭帆) 肘a k ，在单位时间内，整个闪烁体吸收的能量可表示为式( 2 1 4 ) ， = p ( 心) m 虬出= 彳j ( 心) m e - ( p ) u x d x = 彳甄 1 驴一如k d 】 ( 2 1 4 ) 设闪烁体的光输出量正比于所吸收的辐射能量，并设其它过程，如光的收集、 光电子的产生、电子倍增、阳极电荷收集等，都是线性的，则可认为，光电倍增 管的所有输出脉冲所包括的总电荷量q ，正比于闪烁体中所吸收的辐射能量。 从而可以得到，在离子平衡的条件下，在干燥空气中某点，吸收剂量d 与入 射离子能量以及光电倍增管所有输出脉冲所包括的总电荷量q 之间的关系可 表示为式( 2 1 5 ) ， 鱼：丝坠【! 二! ：! 竺竺：! ：丝坠二! ：! 竺! ：l 一 d 8 - 6 叭警矿e8 6 9 1 0 。警参 p w d w ：k 丝【! 二! ：竺竺 心) ( 2 1 5 ) 式中，( 如) 一为射线在空气中的线性能吸收系数。如果闪烁体较薄，使 ( ) d “l ，则上式可化简为式( 2 1 6 ) ， 鱼：k 羔驰 ( 2 1 6 ) d 。( 心) 月 即有式( 2 1 7 ) ， 垒鱼：k 羔必 ( 2 1 7 ) dd 。 ( 心) 式中v = a d ，为闪烁体的体积。由上式可以看出，为了测量吸收剂量和吸 收剂量率，希望能有较好的能量响应，闪烁体的组成上最好能接近空气或软组织， 以使如哆乞。) 是一个号枷变化无关的量，齐j - yn a i ( t i ) 闪烁体，池夕乙) 可以近似为一个常数。同时有k 为常数，p 为闪烁体材料的密度，所以， 必p 矿哔为常数。 【心) _ 从( 2 1 7 ) 式可以看出，探头输出脉冲信号所包括的总电荷量与吸收剂量之 间成正比关系，所以，要测量吸收剂量或吸收剂量率就要求记录光电倍增管所有 输出脉冲的总电荷量。如何记录光电倍增管所有输出脉冲的总电荷量，这将在第 三部分作详细对所设计的处理电路作详细的说明。但是这个处理电路最终输出的 信号只有满足这样的关系时，才能用于吸收剂量和吸收剂量率的测量，即：吸收 剂量和吸收剂量率与处理电路输出的信号成线性关系，处理电路输出的信号随着 y 或x 射线的能量变化而变化，并且两者之间满足正比的关系。所以，要从理论 方面证明吸收剂量和吸收剂量率与处理电路输出信号之间的关系，以及处理电路 输出的信号随着y 或x 射线的能量之间的关系。 2 3 2 电路可行性的讨论 处理电路的作用将在第三部分做一介绍，在这里从理论方面证明其可行性。 得到处理电路输出信号和吸收剂量之间的关系，以及处理电路输出的信号随着y 或x 射线的能量之间的关系。 从光电倍增管的基本原理可以得知，当射线入射到闪烁晶体时，先是闪烁晶 体上的原子或分子激发，然后在退激的过程中发射出光子，此光脉冲射到光电倍 增管的光阴极上转换成电子，然后通过管内各打拿极的倍增，最后在阳极上收集 电子，转换为电流脉冲f i t ) ，可以将闪烁体探测器看成一个电流源，输出电流f o ) 与闪烁体的发光效率、光阴极的灵敏度及光电倍增管的倍增系数都有关，闪烁体 的渡越时间为r o ( 万函数光源的闪光到达光阴极瞬间与阳极输出脉冲到达峰值时 刻之间的时间间隔。) 闪烁体发出光子数服从纯指数衰减规律，则阳极输的电流 脉冲f ( f ) 可表示为式( 2 1 8 ) ， 砸) ：f ( o ) 里p - f ，f o ( 2 1 8 ) 1 4 式中，q 是一个阳极电流脉冲内所包含的总电荷量。 闪烁体探测器的输出电路如图( 2 6 a ) 所示，民为阳极负载电阻、c o 为 阳极输出电容、e 为分布电容、r 和c ：f 为下一级放大器的输入电阻和电容，c c 为隔直电容，如果忽视c c 的影响，可画出等效电路图( 2 6 b ) ，其中r = r e o 、 c = c j + c o + c 。由图( 2 5 ) 可得式( 2 1 9 ) ， 砸h 呤c 掣+ 竿 ( 2 1 9 ) ( a ) t ) 图( 2 5 ) 闪烁探测器的输出方式和等效电路 由此方程可以得到阳极脉冲电压的形状为式( 2 2 0 ) ， = 瓦r c 。q e - t l r c _ e - t t o 】 ( 2 2 。) 怀特跟随电路对信号进行了初步的放大，前置放大电路部分对信号进行了进一步 的放大，精密整流电路把信号变为单极性信号，所以脉冲电压信号变为式( 2 2 1 ) ， 阶口嵩争e - t , 陋c _ e - t t o ， 眨2 t ， a 为。阶年予跟随电路利刚置 吸大电跆珂信亏 吸大阴系数相精磷整流电路出呆脉押信 号的极性。 在积分电路部分，实现对脉冲信号所包括的总电荷量的积累。设在f l 时刻， 有一个脉冲输入，电容两端的原有电压值为圪，由图( 3 7 ) n - - 知，设输入信号 的频率为1 0 k h , ，则电容c l 的容抗为式( 2 2 2 ) 所示， = 去 ：z - j 了j 3 3 0 ( 2 2 2 ) = 一 ， 2 幸3 1 4 枣1 0 木1 0 宰0 4 7 木1 0 曲 而电阻r 为7 5 0 k f 2 ，恐为丘l 的1 0 0 0 多倍，所以在计算时，可以将电阻马旁路掉，直 接计算电容q 在某一时刻两端的电压。根据积分电路的原理，则积分电路的输出 信号虼为式( 2 2 3 ) ， 忙击p 味 一击酚蚓 一矗r c 帆味 ：一去了旦qe-t，肥-e-tr*dta e k i t + 圪k r c = 一i 。“ + y 1 t c l 民? 一r oc 引1 ：寺旦垒一rce一+roe-)+k(223)rc c l 民 一r oc 。 设在初始状态圪= o ，为了找出圪与q 、圪与和虼与d 之间的关系，求 出在时刻的最大值，即振幅的最大值为( 2 2 4 ) 式所示， ：砉尝垒( 一r c ) r cc 。 c 1 民一气 ：a 旦( 2 2 4 ) = 二l ( 2 4 ) c l 吃 即有式( 2 2 5 ) 和式( 2 2 6 ) ， 堡：口土 q心g 旦口 民c 1 将式( 2 2 6 ) 代入( 2 1 6 ) 式，有： ( 2 2 5 ) ( 2 2 6 ) 监口蝗b ( 2 2 7 ) d 吃c lk p v ( 1 a , , , ) 吖 从( 2 2 6 ) 式可知，当尺、r 和c l 为定值时，圪与e m 之间的比值为一个常 数，所以说明处理电路输出信号与y 或x 射线能量之间的变化成线性关系。 由于口志是一个常数，器也是一个常数，所以，从此( 2 2 7 ) 式 可以看出，处理电路输出信号与吸收剂量之间成正比关系，所以说明处理电路的 可行性，可以用于吸收剂量的测量。 同时，从( 2 2 7 ) 式中可以看出，在测量吸收剂量时，积分电路的输出信号 与r 、民和q ，以及k 、p 、v 都有关系。所以在进行仪器的设计时，要从整体 来考虑系统的整个设计和参数的计算。 2 4 总结 在这一章中，主要介绍了y 、x 射线与物质发生相互作用时所产生的相应 效应；剂量率仪研制过程中所用到的重要概念；g 、x 射线所具有的能量和剂量 之间的关系和剂量率仪处理电路对探头输出信号处理的可行性，即剂量率仪研制 的可行性，从而说明新型y 、x 射线剂量率仪研制是有必要、有重大意义。 1 7 3 1 剂量率仪的结构 第三章仪器结构设计 基于第二章的理论推导，设计了相应的剂量率仪结构，如图( 3 1 ) 所示， 剂量率仪j i 要有n a i ( t i ) 探测器、a t m e g a l 2 8 主控制器、处理电路、外接a d 采 样、液晶显示、键盘、蜂鸣器和用于数据传输的通信模块组成。 图( 3 1 ) 剂量率仪结构图 信号从n a i 闪烁体探测器输出，经成形电路与积分电路的处理，送进外接 a d ，进行模数转换，再将信号送进单片进行处理，计算出对应的当前吸收剂量 和吸收剂量率，通过检测上位机的信号，将当前吸收剂量和吸收剂量率通过无线 通信模块传到上位机，以便数据的保存和数据的处理，同时有利于工作人员的操 作和对数据的实时监测。通过键盘可以设置剂量率仪的相关参数，用l c d 显示 当前某一点吸收剂量和吸收剂量率，当环境中的吸收剂量和剂量率超过辐射防护 所要求的标准，则蜂鸣器发出警报，以保护工作人员的安全，当环境中的剂量小 于辐射防护所要求的标准时，蜂鸣器就会自动停止警报。 3 2 探头的设计 通过讨论，剂量率仪的探头选用n a l ( t i ) 晶体作为闪烁体，采用型号为c r l 3 5 的光电倍增管，以及怀特跟随器和高压模块组成探头。y 或x 射线打到n a i ( t i ) 晶体上产生闪烁光子，闪烁光子打到光电倍增管的光阴极上，放出光电子，在通 过光电倍增管各打拿极的倍增，输出脉冲信号，经过怀特跟随器的初步放大，将 信号输出，高压模块为光电倍增管提供高压，下面分别做一介绍。 3 2 1 闪烁体 基于对闪烁体选择的标准考虑，我们选用4 0 m m 奉4 0 m m 的n a i ( t i ) 晶体作闪 烁体。由于n a i ( t i ) 晶体密度较大( p = 3 6 7 9 c m 3 ) ，而且高原子序数的碘占总重量 的8 5 ，所以对y 或x 射线的探测效率特别高；发光效率也很高，约为蒽的两 倍多，它的发射光谱最强为4 1 5 n m ，与光电倍增管很好的匹配；晶体的透明性也 很好，是测量y 射线能量分辨率比较好的一种，常用于x 射线和低能y 射线的测 量；发光衰减时间约为0 2 3 比s ；价格也不是很昂贵；还有n a i ( n ) 晶体在成分 上很接近空气或软组织，有利于对人体吸收剂量和吸收剂量率的计算。 但是，n a i ( t i ) 晶体容易潮解，吸收空气中的水分而变质失效，必须将其封装 在金属盒内；n a i ( t i ) 晶体的能量响应随能量有很大的变化，在闪烁体的组成成分 上不是很接近空气或软组织，所以在吸收剂量和吸收剂量率的测量中，对其结果 要做相应的修正。 3 2 2 光电倍增管 ( 1 ) 光电倍增管的基本工作原理 光子通过光导射向光电倍增管的光阴极，由于光电效应，在光阴极上打出光 电子，光电子经电子光学输入系统的加速和聚焦后射向光电倍增管的第一个打拿 极，同时，由于光电倍增管中的打拿极有依次递增的电压，当一个电子打到上面 时可以产生3 - 6 个电子，即能进行二次电子的发射，并且每极产生的电子被有效 地放大并集中到下一级，从而实现到达第一个打拿极的光电子经过从第一个到第 十个一系列打拿极的倍增，一般，总倍增系数的数量级为1 0 6 。最后在阳极形成 很大的电子流，通过负载电阻即得到易于测量的电压脉冲。 1 9 ( 2 ) c r l 3 5 光电倍增管 我们选用c r l 3 5 光电倍增管，其特点：直径2 英寸，锑铯光阴极，无钾硼 硅玻壳，1 0 级倍增，端窗型光电倍增管，极低暗噪声计数，低成本， 3 0 0 6 5 0 n m c s - 4 ) 谱响应，最大响应波长为4 2 0 n m ，阴极最小有效尺寸为 巾4 6 m m ，盒栅型倍增系统结构，阳极脉冲上升时间7 0 n s ，电子渡越时间7 0 n s ， 适用于e 6 7 8 i 5 b 型管座，并且最大工作电压为1 5 0 0 v d c ，阳极平均电流为 0 1 m a ，工作环境温度为3 0 + 5 0 0 c 。 c r l 3 5 光