3核辐射传感器

1、9.1核辐射传感器核辐射传感器的测量原理是基于核辐射粒子的电离作用、穿透能力、物体吸收、散射和反射等物理特性，利用这些特性制成的传感器可用来测量物质的密度、厚度，分析气体成分，探测物体内部结构等，它是现代检测技术的重要部分。9.1.1 核辐射检测的物理基础1 、同位素在核辐射传感器中，常采用 a、B、 丫和X射线的核辐射源，产生这些射线的 物质通常是放射性同位素。 所谓放射性同位素就是原子序数相同，原子质量不同的元素。这些同位素在没有外力作用下，能自动发生衰变，衰变中释放出上述射线。其衰减规律为：a =a0e_ 让核辐射检测要采用半衰期比较长的同位素。半衰期是指放射性同位素的原子核数衰变到一半

2、所需要的时间，这个时间又称为放射性同位素的寿命。核辐射检测除了要求使用半衰期比较长的同位意外，还要求放射出来的射线要有一定的辐射能量。2、核辐射核辐射是放射性同位素衰变时，放射出具有一定能量和较高速度的粒子束或射线。主要有四种：a射线、B射线、丫射线和X射线射线。a、B射线分别是带正、负电荷的高速粒子流；丫射线不带 电，是以光速运动的光子流，从原子核内放射出来；X射线是原子核外的内层电子被激发射出来的电磁波能量。tl°e表示了某种放射性同位素的核辐射强度。由该式可知，核辐射强度是以指数规律随时间而减弱。通常以单位时间内发生衰变的次数表示放射性的强弱。辐射强度单位用1Ci（居里）表示：

3、1Ci的辐射强度就是辐射源 1s内有3.7 X 1010次核衰变。1Ci（居里）=103mCi （毫居里） =106卩Ci（微居里）。在检测仪表中常用 mCi或卩Ci作为计量单位。9.1 核辐射传感器2 核辐射与物质间的相互作用（1）电离作用当具有一定能量的带电粒子穿透物质时，在它们经过的路程上就会产生电离作 用，形成许多离子对，电离作用是带电粒子和物质相互作用的主要形式。a粒子（射线）由于能量、质量和带电量大，故电离作用最强，但射程（带电粒子在物质中穿行时、能量耗尽前所经过的直线距离）较短。B粒子质量小，电离能力比同样能量的a粒子要弱，由于B粒子易于散射，所以其行程是弯曲的。丫粒子几乎没有直

4、接的电离作用。在辐射线的电离作用下， 每秒钟产生的离子对的总数，即离子对形成的频率可出下式表示:式中：E 带电粒子的能量；EdI离子对的能量；辐射源的强度；C辐射源强度为1Ci时，每秒放射出的粒子数。e2 Ed(2)核辐射线的吸收、散射和反射l°e-ha、B、丫射线穿透过物质程中，一部分粒子能量被物质吸收，一部分粒子被散射掉, 能量将按下述关系式衰减：式中I、10分别为射线穿透物质前、后的辐射强度，h为穿透物质的厚度，p为物质的密度，卩为物质的质量吸收系数。三种射线中，丫射线穿透能力最强，B射线次之，a射线最弱，丫射线的穿透 厚度比a、B要大得多。B射线穿透物质时，容易改变其运动方向

5、而产生散射现象。当产生 相反方向散射时，即出现了反射现象。 反射的大小取决于散射物质的性质和厚度。3射线的散射随物质的原子序数增大而加大。当原子序数增大到极限情况时，投射 到反射物质上的粒子几乎全部反射回来。反射的大小与反射物质的厚度有如下关系：lm(1-hh式中：Ih 反射物质厚度为 h(mm)时，放射线被反射的强度；Im当h趋向无穷大时的反射强度，Im与原子序数有关；h辐射能量的常数。当I0、1、Im、i h、p等已知后，只要测出I或Ih就可求出其穿透厚度 h。另一方面，当 I0、 i、h等已知后，只要测出I就可求物质的密度 p。9.1.2核辐射传感器1、电离室放射线传感器右图为电离室示意

6、图。 电离室两侧设有二块平行极板，对其加上极化电压 E使二极板间形成电场。当有粒子或射线射向二极板间空气时，空气分子被电离成正、负离子。带电离子在电场作用下形成电离电流，并在外接电阻R上形成压降。测量此压降值即可得核辐射的强度。电离室主要用于探测 a、3粒子，它具有坚固、稳定、成本低、寿命长等优点，但输出电流 很小。电离室示意图2. 气体放电计数管（盖格计数管）正离子鞘到达阴极时得到一定的动能，能从阴极打出次级电子。 由于此时阳极附近的电场已恢复，次级电子又能再一次产生正离子鞘和电压脉冲，从而形成连续放电。 若在计数管内加入少量有机分子蒸汽或卤族气体，可以避免正离子鞘在阴极产生次级电子，而使放

7、电自动停止。体放电计数管示意图9.1核辐射传感器气体放电计数管的特性曲线如图所示。图中11、12代表入射的核辐射强度，11 > 12。由图可见，在相同外电压 U时不同辐射强度将得到不同的脉冲数N。气体放电计数管常用于探测3粒子和丫射线。阳极 阴极9.1核辐射传感器当核辐射进入闪烁晶体时，晶体原子受激发光，透过晶体射到光电倍增管的光阴极 上，根据光电效应在光阴极上产生的光电子在光电倍增管中倍增，在阳极上形成电流脉冲， 即可用仪器指示或记录。闪烁计数器示意图9.1 核辐射传感器9.1.3核辐射检测技术的应用1. 核辐射在线测厚仪2. 核辐射物位计3. 核辐射流量计4. 核辐射探伤幻灯片159.1 核辐射传感器1、核辐射在线测厚仪-o-9.1 核辐射传感器2、核辐射物位计不同介质对丫射线的吸收能力不 同，一般固体最强，液体次之，气体最差。当射线射入厚度为 H的介质时，会有一部分被介质吸收掉。透过介质的射线 强度I与入射强度10之间有如下关系：式中一吸收系数，条件固定时为常数。变形为：因此测液位可通过测量射线在穿过液体时强度的变化量来实现。Jjr1-21卜缈卜T检测仪表15132179HI °eab U-I* 0*-0* 厂11nlnI0lnIg射线物位计的特点是：1 、可以实现非接触测量；2 、不受