核辐射探测学1-201Xppt精选课件

2010.09,.,1,核辐射探测学,硕士课程，学时：30+10任课教师：方方实验指导：2010.9-11（第3-14周，每周四下午）上课地点：9A203Ff办公室：6C1104联系电话：84077497MAIL:ffsjp2004,2010.09,.,2,主要内容,第一章放射性基本知识第二章射线与物质的相互作用第三章射线能谱学第四章放射性测量单位、辐射源及防护知识第五章核辐射探测器第六章放射性测量中的统计涨落规律,2010.09,.,3,教材与参考文献,成都地质学院三系,放射性勘探方法,原子能出版社，1978章晔,华荣洲,石柏慎，放射性方法勘查，原子能出版社，1990贾文懿,方方,唐红,苗放.核地球物理仪器,原子能出版社,1998成都地质学院三系，放射性勘探仪器，原子能出版社，1979方方,唐红,葛君伟,苗放，放射性勘探简明教程,成都地质学院,1992周蓉生等，核方法原理及应用，地质出版社，1994葛良全,周四春，核辐射测量方法，成都理工大学，2007汤彬葛良全方方等，核辐射测量原理，哈尔滨工程大学出版社，2010GFKnoll.RadiationDetectionandMeasurement.1989CECrouthamel,AppliiedGamma-RaySpectrometry,1970NuclearGeophysicsAppliedRadiationIsotopesJournalAppliedRadiationandIsotopesRadioactiveMethods.Geophysics,2010.09,.,4,课堂讨论主要内容的章节安排,第一章放射性基本知识原子与原子核核衰变放射性系列天然放射性核素射线谱放射性核素衰变和积累规律第二章射线与物质的相互作用粒子与物质的相互作用粒子与物质的相互作用射线在物质中的衰减粒子与物质的相互作用射线在物质中的衰减中子与物质的相互作用及衰减规律第三章射线能谱学核素的原始谱线射线仪器谱射线通过物质谱成分的变化谱平衡,第四章放射性测量单位、辐射源及防护知识放射性测量中常用单位辐射源防护知识第五章核辐射探测器核辐射探测器的基本特性气体探测器闪烁探测器半导体探测器中子探测器其它核辐射探测器第六章放射性测量中的统计涨落规律放射性计数统计学放射性测量误差放射性衰变统计规律的应用,2010.09,.,5,第一章放射性基本知识,原子与原子核核衰变放射性系列天然放射性核素射线谱放射性核素衰变和积累规律,2010.09,.,6,1.原子与原子核,原子的组成及基本性质：,2010.09,.,7,原子及原子核的基础知识,原子的结构：,原子atom：原子核nucleus、电子electron原子核带正电、电子带负电（电荷是量子化的）原子是电中性的原子的大小：10-10米原子的太阳系模型核能，结合能，核能级，基态，激发态，跃迁,2010.09,.,8,原子核由中子和质子组成。它们靠什么力将这些核子约束在原子核内呢？目前公认是：原子核内核子间存在核力，它是中子与中子、中子与质子、以及质子与质子的相互吸引力，使核子紧密地聚集在一起(各核子间具有相同的核力)。核内的质子与质子之间还存在服从库仑定律的静电斥力，使核倾向于分裂。此外，核内核子间还存在万有引力、以及对衰变一类变化起作用的弱力。,原子及原子核的基础知识,核力：,核力为1；电磁力10-2；万有引力10-38核力的力程(相互作用的距离)很短，在10-13cm以内，核力10fm消失。,2010.09,.,9,任一原子核AZX是由Z个质子与AZ个中子组成，该原子核质量应等于Z个质子与AZ个中子的质量之和，实际并非如此。例如：氦原子的质量Hem=4.002603u，如果忽略电子的结合能，则氦原子核的质量Hem-2em=4.002603u-20.000549u=4.001505u；而两个质子与两中子质量之和为21.007277u+21.008665u=4.031884u。它比氦原子核的质量要大，其差额为m=4.031884u-4.001505u=0.030379u，即由两个质子和两个中子结合成氦原子核时，质量少了m，该减少的质量称为质量亏损。如果将核子结合成原子核时所释放的能量称为结合能，并把原子核分成单个核子所要消耗的能量称为分离能，则结合能和分离能在数值上是相等的。原子核的结合能是和它的质量亏损相对应的，根据质能关系定律，从质量亏损可求出结合能。,原子及原子核的基础知识,原子核的结合能：,2010.09,.,10,原子核的能级是原子核能量状态的标志，原子核的不同能量状态就是原子核的能级。通常原子核处于最低能量状态，称为基态。当原子核受到某种射线（快速粒子或光子）的轰击或进行核衰变时，产生的核可能处于较高能量态，原子核处于较高能量状态称为激发态。一个原子核可以有许多能级，能级是分立不等间隔的。不同核素具有自己不相同的核能级。,原子及原子核的基础知识,核能级变化放出的光子波长很短、能量很大，这种光子被称为光子(即射线)。原子核发射的各种能量的光子集合，称为该原子核的射线谱(即原始射线能谱)。,核能级：,2010.09,.,11,原子中束缚电子绕核运动有一定的轨道，相应原子处于一定的能量状态。每种原子的束缚电子数目和可能的运动轨道都是一定的，因此每一原子只能够在一定的、不连续的一系列稳定状态中，这一系列稳定状态，可用相应的一组能量来表征，称为原子的能级。处于稳定状态的原子不放出能量。当原子由较高的能级过渡到较低的能级时，相应的能量变化会以光子的形式释放出来。将某原子发射的各种频率的光子按波长排列(即按能量排列),便构成了该种原子的发射光谱。原子的光谱就是原子的能谱。,原子及原子核的基础知识,原子的能级：,2010.09,.,12,第一，轨道电子在外部壳层各轨道之间跳跃时所产生的光谱称为光学光谱。例如，若轨道电子原来位于N层，当它在N、O、P、Q、等外部壳层之间跳跃时，就发生光学光谱。这种外部跳跃时的原子能量变化较小，发出的光频率较低，一般在可见光区或其附近。地质工作中用来分析岩矿元素的光谱分析，就是利用这一部分特性。第二，轨道电子在K、L、M、等壳层中间跳跃时，所产生的光谱称为线状伦琴光谱，这时的原子能量变化大，发射的光子频率高。线状伦琴光谱由内壳层电子的跳跃所引起，而内壳层电子离核很近，所以这种光谱与原子核电荷之间有密切关系，称为标识伦琴射线(又称特征X射线)。近年来，分析和鉴定中迅速发展起来的X射线荧光法，便利用了该特性。,原子及原子核的基础知识,原子的能级：,在原子光谱学中，可以将其分为两个类型：,2010.09,.,13,原子及原子核的基础知识,核力为1；电磁力10-2；万有引力10-3810fm消失。,结合能bindingenergy核子结合成原子核时会放出能量核能级nuclearlevel中子、质子运动状态,质量亏损massdefect以氘为例中子质量=1.008665u质子质量=1.007276u两者之和=2.015941u氘子质量=2.013552u两者之差=0.002389u,核能:,2010.09,.,14,常用述语：,质子proton、中子neutron核内质子数（Z）、核外电子数、核的电荷数原子序数atomicnumber中子数（N）N=AZA原子质量元素:Z相同的原子核素：具有特定质子数Z、中子数N的原子核。已知2000多个核素放射性核素：同位素isotope：相同Z,不同A（N不同）的核素。同量异位素isoboars：相同A，不同Z、N的核素。同质异能素isomers：相同A、Z；不同能级的核素。,2010.09,.,15,化学元素周期表,2010.09,.,16,核反应核裂变核聚变,原子及原子核的基础知识,2010.09,.,17,2.核衰变,放射性现象衰变衰变跃迁,2010.09,.,18,放射性现象,定义：原子核自发的发生核结构的变化，由一个元素的原子核转变为另一个元素的原子核，同时伴随放射出粒子或电磁辐射的现象。称为放射性衰变。放出的粒子：粒子、粒子、辐射、碎片不受物理的、化学的条件的影响是一个随机过程,2010.09,.,19,重带电粒子,衰变,例,2010.09,.,20,衰变放出粒子betaparticle高速运动的电子分为衰变和衰变。,-衰变,2010.09,.,21,-衰变实例,衰变；30年1.17MeV0.51MeV8%92%0.661MeV基态,2010.09,.,22,+衰变+衰变是原子核内，一个质子转变成一个中子，放出一个正电子：,2010.09,.,23,K俘获K-capture原子核俘获一个轨道电子，核内一个质子变成中子。,2010.09,.,24,跃迁-transition在衰变、衰变过程中，伴随放出辐射gammaradiation例：基态0.059MeV,99.7%1.54MeV0.31MeV0.3%1.17MeV1.33MeV基态,2010.09,.,25,3.放射性系列,铀系（铀镭系）钍系锕铀系镎系不成系列的天然放射性核素,2010.09,.,26,放射性系列,铀系uraniumseriesU-238A=4n+2钍系thoriumseriesTh-232A=4n锕铀系actiniumuraniumseriesU-235A=4n+3镎系neptuniumseriesNp-237A=4n+1,2010.09,.,27,放射性系列-铀系,铀镤钍锕镭钫氡砹钋铋铅9291908988878685848382,2010.09,.,28,放射性系列-铀系,铀镤钍锕镭钫氡砹钋铋铅9291908988878685848382,2010.09,.,29,放射性系列钍系,钍锕镭钫氡砹钋铋铅铊90898887868584838281,2010.09,.,30,放射性系列钍系,钍锕镭钫氡砹钋铋铅铊90898887868584838281,2010.09,.,31,小结,（1）主要的辐射体（2）Rn及其衰变子体（3）主要的谱线及与核素间的一一对应关系（4）主要的谱线的相对强度,2010.09,.,32,4.天然放射性核素射线谱,射线谱射线谱射线谱,2010.09,.,33,例：衰变射线能谱的精细结构：Bi-2125.48MeV0.016%5.6031.15.6220.155.7651.76.04769.96.08627.2Po-2128.78100.09.4920.00410.4220.00210.5430.018,2010.09,.,34,天然放射性元素射线谱,1.铀系核素射线射线(MeV)几率能量(MeV)U-2384.1850.1870.048Th-2340.1480.093Ra-2264.7610.0120.184Rn-2225.4820.000640.51Po-2186.002-Pb-214-0.3770.3520.1890.295Bi-214-0.0522.2040.1631.7640.1661.1200.4710.609Po-2147.687,2010.09,.,35,天然放射性元素射线谱,2.钍系核素射线射线(MeV)几率几率能量(MeV)Th-2323.9930.1970.06Ra-2245.6770.0300.241Rn-2206.282-Po-2166.774-Pb-2120.4700.239Bi-2126.0510.337Po-2128.7850.663Tl-2080.3372.6200.2930.583,2010.09,.,36,天然放射性元素射线谱,3.不成系列的天然放射性核素的射线谱K-401.46MeVT=1.3X109aRb-87T=5.0X1010aSm-147T=1.06X1011a,2010.09,.,37,5.放射性核素衰变和积累规律,放射性核素衰变的基本规律两个放射性核素相继衰变和积累规律多个放射性核素的衰变和积累规律放射性平衡铀镭平衡系数氡及其子体的衰变和积累,2010.09,.,38,常用述语：,放射性衰变规律衰变常数半衰期放射性核素的寿命放射性平衡,2010.09,.,39,1.放射性衰变的基本规律,在t到t+dt的时间间隔内，原子的衰变数dN与存在的原子总数N成正比。,2010.09,.,40,每个原子在单位时间内衰变的几率，量纲t-1(秒-1、日-1、年-1）,半衰期：,衰变常数：,2010.09,.,41,放射性核素的寿命：,经过十倍半衰期，只剩下1/1024，可以认为衰变完了。,2010.09,.,42,放射性核素的平均寿命：,某个放射性原子核的平均寿命就是它的全部原子核衰减到原数量的1/e时的所需时间期望值。,定义：处于特定能态的一定量的放射性核素的平均生存时间为该放射性核素的平均寿命。,2010.09,.,43,二、两个放射性核素相继衰变和积累规律,2010.09,.,44,两个放射性核素相继衰变和积累规律,称为达到放射性平衡，10TB,1)AB,2010.09,.,45,1)AB,两个放射性核素相继衰变和积累规律,2010.09,.,47,活度,放射性核素在单位时间内衰变的原子核数目，即放射性核素的衰变率d/dNt，称其为放射性活度(曾经称为放射性强度或衰变强度，可表征放射性物质的质量大小)，采用符号A表示。放射性活度A的定义：在给定时刻，处于特定能态一定量的放射性核素在dt时间内发生自发核跃迁次数dN的期望值。,式中，A0=N0，