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第一章原子核结构及其衰变 1896年 法国科学家亨利贝可勒尔 H Becquerel 发现 从铀的化合物中自发地发射出穿透力很强的不可见射线 它能穿透纸而使里面的照相底片感光 这一发现改变了原子是物质不可分割的最小单位的认识 从此 自然科学从原子时代进入了原子核时代 第一节原子核结构及有关的一些常用术语 一 原子核结构简介原子是保持元素化学性质的最小粒子 1911年卢瑟福 R C RUtherford 根据 粒子的散射实验提出了原子的核式模型的假设 即原子是由原子核和核外电子所组成 原子中央是带正电的原子核 电子在核外围绕核运动 由于电子质量很小 me 9 1093897 10 31kg 所以原子的质量基本上集中于原子核 原子核的重量是电子的1846倍 原子是电中性的 现代原子结构 原子的直径约为10 10米 原子核在中心约原子直径的1 10000 原子的质量几乎全集中在原子核上电子的质量仅为质子质量的1 1840 一个电子所带的电荷为1 6 10 19库仑 C 定义为单位电荷 二 有关原子核的一些术语 1 核素 这一术语在核辐射防护中经常用到 它是指核内具有一定数目的中子和质子 并处于同一能态的一类原子 核素用符号AZX表示 其中X代表元素符号 A为质量数 Z为核电荷数 原子核的表示 原子质量单位等于一个碳 12核素原子质量的1 12 记为u 1u 1 6605655 10 27kg 质子和中子质量几乎一样 分别为 mp 1 00727644umn 1 00866522u 实际上核素符号X和质子数Z具有唯一 确定的关系 所以用符号AX足以表示一个特定的核素 原子核物理常用术语及意义 核子数 中子数 质子数和能态只要有一个不同 就是不同的核素 两种核素 A同 Z N不同 两种核素 N同 A Z不同 两种核素 Z同 A N不同 60Co60mCo两种核素 A Z N同 能态不同 核素一般分为放射性核素和稳定核素 锶 90 钚 239等具有放射性的核素称为放射性核素 碳 12 氧 16等非放射性的核素称为稳定核素 到目前 包括人工制造的不稳定元素 人们已经知道有100多种元素 2 同位素和同位素丰度 同位素是指原子核内具有相同的质子数和不同的中子数的那些核素 同位是指该同位素的各核素在元素周期表中处于同一个位置 它们具有基本相同的化学性质 如 铀 238 铀 235与铀 234等均为铀元素的同位素 而氢的同位素包括了11H 氕 21H 氘 31H 氚 三种核素 某些元素 例如锰 铍 Be 氟 铝等在天然条件下 只存在一种核素 称为单一核素而不能说它们只有一种同位素 核素和同位素是两个不同的术语 切勿混为一谈 某元素中各同位素天然含量的原子数百分比称为同位素丰度 例如天然存在氧的同位素有三种核素 16O17O18O 其天然含量的百分比即同位素的丰度分别为99 756 0 039 0 205 天然铀的同位素有两种 238U和235U 其天然同位素的丰度分别为99 276 和0 724 氢的同位素有三种11H21H31H 其丰度分别为11H99 985 21H为0 015 31H在天然中不存在 3 同质异能素 是指那些具有相同的质量数A和原子序数Z 但处在不同能态的核素 一般在元素符号的左上角质量数A后加上字母m表示 如锑 Sb 124 锑 124m1 锝 99 锝 99m等 第二节放射性及原子核衰变的主要类型 一 放射性 1896年 法国科学家亨利贝可勒尔 H Becquerel 发现用黑纸包的铀盐仍可以使照相底片感光 实验结果说明铀盐可以放射出能透过黑纸的射线 由此发现了天然放射性 在磁场中研究这种射线的性质时 证明它是由三种成分组成的 其中一个成分在磁场中的偏转方向与带正电的离子流的偏转方向相同 另一个成分与带负电的离子流的偏转方向相同 第三个成分则不发生任何偏转 继续沿着直线方向前进 这三种射线分别叫做 射线 射线和 射线 进一步的研究证明 1 射线是高速运动的氦原子核 又称 粒子 组成的 所以它在磁场中的偏转方向与正离子流相同 它的电离作用大 贯穿本领小 它在空气中的射程只有几个厘米 2 射线是高速运动的电子流 它的电离作用较小 贯穿本领较大 在空气中的射程因其能量的不同而有较大差异 一般为几米至十几米 3 射线是波长很短的电磁波 所以在磁场中不发生偏转 它具有间接电离作用 贯穿本领很大 在空气中的射程通常为几百米 射线 或称 粒子 是带正电的高能粒子 He原子核 电离能力强 射程短 穿透力弱 能被一张薄纸阻挡 在人体外部不构成危险 然而一旦进入人体 那将是十分危险 射线 或称 粒子 为高速电子束 穿透力比 射线强 一张几毫米厚的铝箔可完全阻挡 防护时需注意韧致辐射 射线 X射线 是电磁辐射 广义 间接电离 穿透力很强 较难防护 需采用铅 较厚的混凝土等材料 中子射线 为不带电的中子束 穿透力极强 很难防护 可采用含氢原子很多的材料 如水 石腊 现在知道 有许多天然的和人工生产的核素都能自发地发射各种射线 有的发射 射线 有的发射 射线 有的发射 射线 有的在发射 射线或 射线的同时也发射 射线 有的三种射线均发射 铀发射的射线就是由三种不同成分的射线组成 即 和 射线 此外 原子核还有发射正电子 质子 中子 重离子等其它粒子以及自发裂变的情况 由于原子核自发的变化而放射出各种射线的现象 称为原子核的放射性 能自发地放射各种射线的核素 叫放射性核素 实验证明 对放射性核素加温 加压或加电磁场 都不能抑制或显著改变其放射性 除了原子核的放射性 现在已被广泛应用的还有射线装置 它们主要有X射线机 粒子加速器 中子发生器等 二 原子核衰变类型 在原子核的衰变中 发生衰变的原子核叫母核 衰变后所产生的核叫子核 放射性原子核的衰变主要有三种类型 它们分别叫做 衰变 衰变和 跃迁 1 衰变原子核自发地放射出 粒子而转变成另外一种原子核的过程 叫做 衰变 经过 衰变以后 子核的质量数比母核减少4 原子序数减少2 其衰变式如下 ZX Z 2Y a其中 X为母核 Y为子核 A为质量数 Z为原子序数 射线实际上就是带两个正电荷的氦 4原子核 它们在磁场中只有轻微的偏转 22688Ra 母体核素 22286Ra 子体核素 Q 衰变能 2 衰变原子核由于自发地放射出 粒子而转变成另外一种原子核的过程称为 衰变 射线是一束高速电子流 它们在磁场中有较大的偏转 原子核的 衰变有三种形式 它们是 衰变 衰变和电子俘获 其表达式分别为 ZX Z 1Y ZX Z 1Y ZX e Z 1Y 电子俘获也是 衰变的一种形式 所谓电子俘获 是原子核俘获核外某一壳层电子 该壳层少了一个电子 出现一个空位 这时处于能态较高的电子就会跃迁到该壳层填补这个空位 多余的能量以特征X射线形式放出 21482Pb 母体核素 21483Bi 子体核素 电子 有时也写为e v 反中微子 Q 3 跃迁 跃迁主要包括同质异能跃迁和内转换 原子核发生 或 衰变时 所产生的子核常常处于较高的能态 核激发态 激发态是不稳定的 它要直接退激或者级联退激到基态 而当子核从激发态跃迁到能量较低的激发态或基态时 就会放出 射线 这一过程叫做 跃迁 也叫 衰变 射线通常是在原子核进行 衰变或 衰变中伴随发射出来的 原子核激发态存在时间很短 一般约10 11 10 13s 因而可以认为 射线与 射线同时放出 射线是光子流 其波长很短 也可以说 射线是波长很短的电磁波 由于它们不带电 所以在磁场中不发生偏转 放出 射线的原子核其质量数 电荷数均保持不变 只是能量状态发生了变化 故又称这种过程为 同质异能跃迁 例如常用 放射源137Cs和60Co都是由于母核发生 衰变后 子核处于较高激发态能级 在向较低能态或基态跃迁时便发出光子 137Cs的 射线能量为662Kev 60Co放出两个 射线 其能量分别为1 17Mev和1 33Mev 内转换是指处于激发态的原子核把激发能给予核外电子 结果使该电子从壳层发射出来 原子核从激发态回到基态 内转换也是 跃迁的一种 因为这种跃迁不放出光子 所以又称这种跃迁为 无辐射跃迁 电子由于内转换被发射出去 外层电子填补空位仍可能发射特征X射线 除了以上的三种衰变方式以外 原子核还可能发生其它的衰变 如正电子衰变 自发裂变等 但我们日常遇到的基本上就是这样三种衰变 其它的衰变方式很少碰到 第三节放射性衰变规律 一 放射性衰变规律原子核发生衰变时 母核由于不断生成子核 因此随着时间t的增加 母核数目将不断减少 通过大量的测量得出 任何一种放射性核素衰变都遵从下面的指数衰变规律 N N0 e tNo为起始时刻 t 0 放射性原子核的数目 N为t时刻放射性原子核的数目 以222 n 常称氡射气3 8天 的 衰变为例 把一定量的氡射气单独存放 实验发现 在大约4天之后氡射气的数量减少一半 经过8天减少到原来的1 4 经过12天减到1 8 一个月后就不到原来的1 100了 衰变情况见图a 如果以氡射气的数量的自然对数为纵坐标 以时间为横坐标作图 见图b 则可得到线性方程 222Rn的衰变规律图 图a 图b 当同一类核素的许多放射性原子核放在一起时 我们不能预测某个原子核在某个时刻将发生衰变 实际上 衰变是一个统计的过程 大量的放射性原子核会先后发生衰变 总的效果是随着时间的流逝 放射源中的原子核数目按一定的规律减少 二 衰变常数 半衰期 1 衰变常数上式中常数 称之为衰变常数 是表征原子核发生衰变或发生同质异能跃迁几率的一个常数 量纲是时间的倒数 s 1 min 1 d 1 a 1 显然 的大小决定了放射性核素衰变的快慢 越大 衰变越快 越小 衰变越慢 反映原子核本身的特性 不同的放射性核素 衰变常数 不同 既不随外界条件如温度 压力 电磁场以及核素的化学状态等条件而变化 也与这种核素如何形成的或何时形成的都无关 2 半衰期表征放射性核素自发核跃迁的另一参数是半衰期 它是指某种特定能态的放射性核素因发生自发核跃迁而减少到原来原子核数一半所需的时间 用T1 2表示 量纲 年 a 天 d 小时 h 分 min 和秒 s 不同的放射性核素T1 2的差别可能很大 如 238U T1 2 45 108a 镭衰变产生的氡 222 室内监测项目 T1 2 3 825d T1 2与 的关系 T1 2 ln2 0 693 可见T1 2与 成反比关系 即T1 2愈长 衰变常数就愈小 T1 2愈短 愈大 如23892U的 4 883 10 18s 1 22286Rn的 2 096 10 6S 1 指数衰减规律在核辐射防护 放射性同位素的应用和生产等方面 都有重要用途 从放射性衰变的指数规律 可知某一放射性核素 当经过n个T1 2以后 则尚未衰变掉的核数仅为原来核数的 1 2 n 从而可以知道该放射性核素的现存量 如出厂活度为100mci钴 60放射源 其半衰期为5 27年 经过若干年后的现存活度为 3 2年后 65 65mci 5 27年后 50mci 10 6年后 25mci 15 27年后 13 43mci 3 放射性活度及其单位衰变规律N N0 e t 所描述的是放射性核的数目随时间的衰减 由于测量放射性核素的数目很不方便 而且往往没有必要 我们所感兴趣的又便于测量的是 在单位时间内有多少核发生了衰变的数目 单位时间内某种原子核衰变的数目 叫做该放射性物质的放射性活度 通常用A表示 放射性活度和放射性核数目具有同样的指数衰减规律 即 A N N0 e t A0 e t 式中 A0 N0是放射源的初始放射性活度 由于历史的原因 放射性活度曾采用居里 Ci 为单位 开始1Ci定义为lg的镭每秒钟衰变的数目 1950年 为了统一起见 国际上共同规定 一个放射源每秒钟有3 7 1010次核衰变定义为一个居里 即 1Ci 3 7 1010 s在1975年国际计量大会上 规定了放射性活度在国际单位制中是秒的倒数 s 1 叫贝可勒尔 Becquerel 简称贝可 记为Bq lBq等于放射性物质在1秒钟内有1个原子核发生衰变 其表达式如下 lBq 1次衰变 秒1Bq 1 s显见 1Ci 3 7 lO10Bq另外 1Ci 1 103mci 1 106 ci 1mci 3 7 lO7Bq 1 ci 3 7 lO4Bq 在实际工作中除放射性活度外 还经常用到 比放射性活度 或 比活度 的概念 比放射性活度就是单位质量放射源的放射性活度 即 a A m式中m为放射源的质量 比放射性活度的单位为Bq kg 与单位体积合用 就表示单位体积内的比放射性活度 如Bq L 一 电离辐射和非电离辐射 辐射分为电离辐射和非电离辐射 有些辐射如红外线 微波等 由于能量低 不能引起物质电离 称为非电离辐射 凡是与物质直接或间接作用时 能使物质电离的一切辐射 称为电离辐射 电离辐射是由直接或间接电离粒子或由两者混合组成的任何辐射 直接电离粒子是那些具有足够大的动能 以致通过碰撞就能引起物质电离的带电粒子 如电子 射线 质子和 粒子等 间接电离粒子是能够使物质释放出直接电离粒子或引起核变化的非带电粒子 如光子 中子等 电离辐射e 12ev 非电离辐射e 12ev 辐射 二 电离辐射来源 人类生活在地球上受到各种放射线的照射 它们有的来自宇宙和来自地壳的岩层 土壤 水中等天然核素铀 钍 Th 镭和它们的子体以及放射性核素40K等 有的来自人工生产的放射性核素及射线装置产生的射线 按其来源大体可分为两类 即天然放射源和人工放射源 一 天然放射源 人类生活的地球上 存在着各种放射性物质 它们放射出各种射线 构成天然本底辐射 天然存在的放射性核素所具有的放射性叫天然放射性 具有天然放射性的物质叫天然放射源 包括宇宙辐射和地球辐射 宇宙辐射 是从宇宙空间发射到地球上的射线 分为初级宇宙射线和次级宇宙射线 初级宇宙射线是从宇宙空间直接发射到大气层的原始射线 由质子 粒子和原子序数 3的核及高能电子组成 次级宇宙射线是初级宇宙射线与大气层中的原子核相互作用而产生的 由介子 电子 光子 质子和中子组成 地球辐射 主要来源于地球上存在的天然放射性元素 有铀 钍和锕三个天然放射系元素以及无衰变系列的放射性核素钾 40和铷 87 Rb 这些核素叫原生放射性核素 广泛存在于地球的岩石 土壤 江湖 湖海中 它们的活度浓度和分布随着岩石构造的类型不同而变化 花岗岩中的活度浓度最高 土壤和岩石中所有的铀 钍 镭 钾等元素 以钾 40的活度浓度最高 下面简单介绍有衰变系列的三个天然放射系 这三个放射系中的核素 主要是通过 衰变 衰变和 衰变而衰变的 经过一系列这些衰变后 直到稳定核素为止 1 铀系 它以铀的一个同位素铀 238开始 经过14次衰变 最后到稳定核素铅 206结束 2 钍系 从钍 232开始 经过连续10次衰变 最后到稳定核素20882Pb 3 锕系 由铀的另一同位素23592U 俗称锕铀 开始 经过11次连续衰变 最后到稳定核素20782Pb 二 人工辐射源 人工辐射源是用人工方法产生的辐射源 人类已可制造1850多种人工放射性核素 制造方法主要是以下两类 1 利用235U 239Pu在核反应堆内进行核裂变反应产生的大量中子流 轰击原子核 引起核反应 产生放射性核素 例如 用原子核反应堆产生的中子轰击稳定的同位素钴 59 钴 59的原子核俘获一个中子 就得到了放射性同位素钴 60 2 利用加速器产生的高能带电粒子 粒子 质子 氚核 电子等 轰击原子核 引起核反应 人类接受的人工辐射源的照射包括医疗照射 职业照射和环境污染造成的照射以及各种放射性物质在工业 农业 科研 地质勘探工作中应用所致的照射 电离辐射来源 天然 人工 宇生 自存 核试验 反应堆 加速器 中子活化 裂变反应 裂变反应 聚变反应 宇宙射线与大气作用 U Th及其子体 K 40 来自宇宙 宇宙射线 C 14 H 3 Be 7 Pu 239 Sr 90 Cs 137 Kr 85数百种H 3 Pu 239 Sr 90 Cs 137 Kr 85数百种H 3 Co 60 Au 198 放射性 电离辐射 的基本单位 放射性 活度 衡量某一放射源或含放射性物质的强度的物理量 单位 贝柯 Bq 以前有用居里 Ci 克镭当量等 为了实行国际单位制 在正式场合都应采用贝柯 Bq 它们之间的换算关系如下 1居里 3 7 1010贝柯1克镭当量 对Ra 226 4 3 1010贝柯1克镭当量 对Co 60 5 8 1010贝柯照射量 照射量是表示X或 射线在空气中产生电离大小的物理量单位 常用单位为伦琴 R 国际单位制为库仑 千克 C kg 换算 1伦琴 2 58 10 4库仑 千克单位时间内的照射量为照射量率照射量与照射量率仅适用于X或 辐射 对象是空气介质 吸收剂量 吸收剂量是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 该物理量与介质有关 单位 国际单位制为戈瑞 Gy 旧单位为拉德 rad 1拉德 10 2戈瑞单位时间内的吸收剂量为吸收剂量率 单位如Gy h 例 空气吸收剂量率有效剂量 当所考虑的效应是随机性效应时 人体所有组织或器官平均吸收剂量加权后的当量剂量之和 当量剂量是辐射在某个器官或组织中产生的平均吸收剂量与辐射权重因数的乘积 单位 国际单位制为希沃特 Sv 旧单位为雷姆 rem 1雷姆 10 2希沃特 理解 有效剂量表示了 人吃了多少放射性 核技术应用是指密封放射源 非密封放射源和射线装置在医疗 工业 农业 地质调查 科学研究和教学等领域中的使用 一 密封源密封源是密封在包壳里的或紧密的固结在覆盖层里并呈固体形态的放射性物质 密封源的包壳或覆盖层应具有足够的强度 使源在设计使用条件和磨损条件下 以及在预计的事件条件下 均能保持密封性能 不会有放射性物质泄露出来 第二节核技术应用 密封源的种类很多 分类方法也是多种多样 按辐射的射线可分为 源 源 源 低能光子源 中子源等 按放射源的几何形状可分为点源 线源 平面源 圆柱源 圆环源 针状源 棒状源等 按活度的不确定度可分为检查源 工作源 参考源 标准源等 按用途可分为医疗用 工业照相 探伤 用 核仪表用 射线辐照用 放射性测井用 放射性测量及仪表刻度用等等 由于使用要求不同 密封源的核素种类 辐射类型 活度大小 几何形状 密封方式和性能指标等各不相同 下面按所用射线种类介绍密封源的基本性能 1 放射源 放射源主要用于烟雾报警器 静电消除器和放射性避雷器等的离子发生器 常用的 放射性核素有210Po钋 238Pu钚 239Pu 241Am 238U等常用的 放射源 活度一般较低 104 3 7 109Bq 而且 粒子的能量一般低于7MeV 在空气中的射程小于6厘米 穿不透皮肤表层 故没有外照射危险 但是绝大多数 核素属于极毒或高毒核素 即使摄入体内的量极少 也会造成严重的内照射 因此 使用 放射源必须特别注意保护源的密封性能 防止将源丢失或被盗 没有使用价值的废源 应按规定处理 不能随便拆开或扔掉 表2 1列出了常见的可用作 源的放射性同位素 作参考 表2 1常见的可用作 源的放射性同位素 粒子的辐射射程比较短 活性材料的均匀性就很重要 为了满足这个要求 源用电镀法或粉末冶金法制备 为达到严格密封的目的同时又能让 粒子射出 活性填料一般用几个微米厚的贵金属箔制成的窗覆盖 由于 源窗表面非常薄 表面破裂的可能性很大 因此在使用时要极其小心 2 放射源 放射源主要用作 活度测量和 能量响应刻度的参考源和工作源 还可用作放射性测厚仪 皮肤敷贴器和气相色谱仪的电子捕集器等 常用的 放射性核素有3H 14C 58Co60Co 63Ni 85Kr 90Sr 90Y 147Pm 204Tl等 射线的穿透能力比同样能量 粒子约强l00倍 能量超过70KeV的 粒子可穿透皮肤表层 常用的 放射源的 粒子能量均大于70KeV 故应考虑 外照射的防护 放射性核素衰变时 常伴随着 辐射或其他形式的光子 只有少数核素 如3H l4C 32p 35S 90Sr 90Y等 例外 粒子穿过周围物质时产生韧致辐射 其穿透能力比 粒子强得多 因此 在使用 放射源时不能忽视 光子的防护 即使是纯 发射体 也要注意减少韧致辐射的影响 屏蔽 射线应选用低原子序数的材料 如塑料 有机玻璃 铝板等 以减少韧致辐射 外面再用高原子序数的材料屏蔽韧致辐射和其他 光子 表2 2列出了常见的用于 密封源的同位素 表2 2常见的用于 密封源的同位素 3 放射源 放射源是使用最多的放射源 广泛用于工业 农业 医疗和科研等各个领域 活度在108 2 1012Bq 3mCi 60Ci 的 放射源主要用于各种核仪表 如料位计 核子秤 密度计等 工业射线照相 无损探伤 和人体腔内治疗 为了获得高剂量率的辐射场 装源量多数在3 1015 2 1016Bq 约为105 6 105Ci 范围内 大于3 1016Bq 106Ci 的 辐照装置己不少见 表2 3列出了各种 放射源的主要用途 表2 3 放射源的主要用途 射线的贯穿能力很强 其辐照范围往往超出工作场所之外 使用 放射源主要防止外照射 源在固定工作场所使用时 应利用建筑物的墙和门进行屏蔽 使屏蔽墙外人员所受照射低于规定的剂量限值 同时 为了防止人员误入辐照室造成误照射 应有可靠的安全联锁装置 设置警告信号和标志等 源的使用场所若经常变化 如室外 探伤 可临时用栏杆 绳子或其他障碍物围起来 活度小于5OMBq 1 5mCi 的 源 一般可利用时间防护和距离防护 对工作场所外的影响很小 密封源的形状和尺寸密封源可以是尺寸极小 活度极大 比如1克钴 60源活度可高达100居里 一个没有屏蔽的裸密封源 通常是一个几毫米到几厘米尺寸的小金属物 但有些密封源 比如用于辐照器的源 就是由小体积源组装而成的大体积源 还有一些特殊的应用中 源的尺寸很大 比如有些用226Ra或241Am的避雷针 尺寸大于1米长 而且源在构件表面的分布非常复杂 了解密封源及其应用设备的构造和形状有助于安全的使用和管理 对于复杂密封源设备的进行处置时 比如设备退役等 要求生产厂方的介入是很重要的 图2 1和图2 2分别是裸密封源和有屏蔽体的工作密封源的照片 早期的镭溶液源密封在小玻璃药水瓶中 如图2 3所示 这种做法已经废除了很多年了 但在实践中可能还会碰到这样的源 图2 1应用于工业和医疗的裸密封源示例 图2 2有屏蔽体的密封源 图2 3226Ra溶液源封装在小药水瓶中 二 非密封源不满足密封源定义中所列条件的源为非密封源 也称开放源或开放型放射源 这种放射源通常没有被容器密封起来 有的不用时是密封的 使用时就得打开它的密封容器 使放射性物质直接与周围环境的介质接触 使用这种放射源的工作场所称为非密封源工作场所 非密封源在工业 农业 医学和科学研究等方面的应用越来越广泛 使用放射源的种类和数量越来越多 最常用的核素有125I 131I 99mTc 3H 14C 32p 35S 153Sm 89Sr 18F 99Mo等 主要用于医学诊断治疗用放射性药物 放射免疫药盒 农业 生物 水文 地质 科研用放射性同位素示踪剂等等 非密封源的特点是 在使用或操作过程中他们的物理化学性质可能变化 如加温时固体可变成液体 液体可变成气体 当容器损坏时 液体漏出扩散 造成表面污染 所以在使用非密封源时 会对人员造成外照射和内照射 会产生废水 废气和固体废物 如果发生事故还会造成工作场所和环境的污染 表2 5非密封源工作场所的分级 三 射线装置 射线装置 是指X射线机 加速器 中子发生器以及含放射源的装置 1 X射线机X射线机的种类很多 如诊断X射线机 治疗X射线机 工业探伤X射线机 X射线分析仪等 2 加速器加速器是利用电磁场使带电粒子 如电子 质子 氚核及重离子等 获得高能量的装置 加速器的种类很多 按加速粒子的能量区分 有高能加速器 中能加速器和低能加速器 此处主要讨论低能加速器辐射源 加速器是一个重要的辐射源 它具有所获得的粒子种类多 能量范围广 射线束的定向性好 能量和流强可调 操作维修方便 可随时启动或停机等特点 3 中子发生器中子发生器是利用直流电压 能量在lMeV以下 通过 d n 反应产生快中子的小型加速器 早期都用倍压方法得到所需要的高压 所以叫做 高压倍加器 由于倍压线路体积庞大 目前已改用如绝缘芯变压器等方法获得高压 所以现在更多使用中子发生器这个名称 放射性厚度计 料位计 密度计 检测 控制和分析仪表主要应用领域 广泛用于自动检测密封容器内具有高温 高压 易燃 易爆 有毒 防菌或强腐蚀性介质等的物位 包括液位 料位和两相界面 测量密封管道内流体的密度或浓度控制连续生产过程中金属板 纺织品 塑料 橡胶 纸张 镀层等的厚度快速分析物质的成分测量土壤 焦碳 混凝土等的湿度 预报火警等其中以放射性厚度计 料位计和密度计用得最多 探测器探测穿过被检测物质射线的多少 一般采用GBq级的137Cs放射源 密度计 密度计 续 密度计 续 传送带称重计 探测器 传送带上的物品 放射源 密度计 续 传送带称重计 通常用一个或多个探测器和二次仪表作开关 来控制料箱或料斗中料位高低 大 厚壁容器可使用GBq级的60Co放射源 料位计 放射源 料位计 续 反散射核子仪 探测器安装在辐射源同一侧 探测反射回的射线量 探测器 被测材料 源 开关 反散射核子仪示意图 一般由90Sr和85Kr等发射 粒子 反散射式核子仪 续 湿度 密度计 g n n n g g 密度测量 将位于源棒末端的 源 137Cs 从屏蔽室推入待测物质中进行测量 湿度测量 仪器里中子源 通常为241Am Be 通过中子散射测定湿度 探测器 湿度 密度计 续 一个便携式湿度 密度计 压土机压碎 流量计 辐射源和探测器 安置在一个适当的支架上 探测杆 插入泥浆中进行分析 探测器 源 在聚脂薄膜窗后 典型流量计示意图 一般利用低能光子 如核素238Pu 激发被测物质 使其放出x荧光进行测量的 备注 并非所有的管理机构都有必要像对核子仪一样对流向分析装置进行分类 原理上来说 能与辐射发生相互作用的各种材料都可以被用来作成探测器 目前 多数探测器是根据射线使物质的原子或分子电离或激发的原理制成的 它把射线的能量转变为电流 电压的信号 并提供给后面的信号处理电路进行处理和记录 辐射测量的基本方法 气体电离探测器 是利用射线在气体介质中产生的电离效应 闪烁探测器 是利用射线在闪烁物质中产生的发光效应 半导体探测器 是利用射线在半导体中产生的电子和空穴 常用的探测器有三类 气体探测器是早期应用最广的辐射探测器 主要包括电离室 正比计数管和盖革 弥勒计数管 即G M计数管 等 它们具有结构简单 性能稳定 价格低廉 适用温度范围宽等优点 至今仍被广泛应用 气体探测器共同的特点是首先让射线使探测器内的工作气体发生电离 然后收集所产生的电荷 达到记录射线的目的 气体探测器 电离室是最早出现的气体探测器 它的特点是收集入射粒子在电离室中形成的全部离子对 外加电场使其既不产生复合也不发生气体放大 电离室要求的电场强度不高 可以做成各种形状 并且对所充气体的要求不高 充气压力的范围也可以很宽 甚至可直接用大气压下的空气 电离室的弱点是没有气体放大作用 其输出的电离电流很弱 电离室 电离室产生的离子对是直接收集的 输出信号幅度很小 给测量带来很大的困难 于是 在电离室的基础上 又出现了正比计数管 它的特点是可使入射粒子产生的离子对在计数管内部的强电场区发生增殖 从而使输出的脉冲幅度放大一定的倍数 便于后面的测量 可以推断 正比计数管的关键是要保持脉冲放大倍数的稳定 正比计数管 工作原理正比计数管相比 G M计数管的工作电压足够高 可使工作气体实现自持放电 入射粒子只要在探测器内产生一对以上的电子和正离子就能使放电持续下去 这种探测器由盖革 Geiger 和弥勒 Millier 发明 所以又称为G M计数管 G M计数管 闪烁探测器是利用闪烁体原子分子激发后退激时会发出荧光的原理 将光信号变为电脉冲来实现对辐射粒子的探测目的 闪烁探测器不仅能测带电粒子 也可以测 射线和中子 不仅可测放射源的活度 还可测粒子的能量 因此 闪烁探测器是目前应用最广的探测器类型 闪烁探测器 闪烁体特性闪烁体分为无机闪烁体和有机闪烁体两种 无机闪烁体是在某些无机盐晶体中掺入少量激活剂而制成 常用的无机闪烁体有以铊作激活剂的碘化钠NaI Tl 碘化铯CsI Tl 以银作激活剂的ZnS Ag 有机闪烁体大部分是芳香族碳氢化合物 如蒽 C14H10 晶体等 闪烁体 光电倍增管的光阴极端窗与闪烁体紧密接触 射线在闪烁体中引起的闪光