射线式传感器(讲-简版)

1、1传感器原理传感器原理64第一节第一节 核辐射的物理基础核辐射的物理基础 一、原子核的基本性质与组成一、原子核的基本性质与组成 二、原子核的衰变二、原子核的衰变 2.1、 和和衰变衰变 2.2、放射性衰变定律、放射性衰变定律 2.3、放射性强度、放射性强度 第二节第二节 射线式传感器射线式传感器 1、射线源、射线源 2、探测器、探测器第三节第三节 核辐射检测的应用核辐射检测的应用 1、核辐射测厚度、核辐射测厚度 2、灰分测量系统、灰分测量系统 3、放射性辐射对人体的损害、放射性辐射对人体的损害 4、辐射防护辐射防护 射线射线第第11章章 射线式传感器射线式传感器2射线式传感器射线式传感器射线式

2、传感器也称核辐射监测装置。射线式传感器也称核辐射监测装置。它是利用放射性同位素，根据被测物质对放射它是利用放射性同位素，根据被测物质对放射线的吸收、反射、散射或射线对被测物质的电线的吸收、反射、散射或射线对被测物质的电离激发作用而进行工作的。离激发作用而进行工作的。3射线式传感器射线式传感器众所周知，各种物质都是由一些最基本的物质所组成。人们称这些最基本的众所周知，各种物质都是由一些最基本的物质所组成。人们称这些最基本的物质为元素。物质为元素。组成每种元素的最基本单元就是原子，每种元素的原子都不是只存在一种。组成每种元素的最基本单元就是原子，每种元素的原子都不是只存在一种。具有相同的核电荷数具

3、有相同的核电荷数Z而有不同的质量数而有不同的质量数A的原子所构成的元素称同位素。的原子所构成的元素称同位素。假设某种同位素的原子核在没有外力作用下，自动发生衰变，衰变中释放出假设某种同位素的原子核在没有外力作用下，自动发生衰变，衰变中释放出射线、射线、射线、射线、射线、射线、X射线等，这种现象称为核辐射。射线等，这种现象称为核辐射。放出射线的同位素称为放射性同位素，又称放射源。放出射线的同位素称为放射性同位素，又称放射源。 核辐射探测器又称核辐射接收器，它是核辐射传感器的重要组成部分。核辐射探测器又称核辐射接收器，它是核辐射传感器的重要组成部分。核辐射探测器的作用是将核辐射信号转换成电信号，从

4、而探测出射线的强弱核辐射探测器的作用是将核辐射信号转换成电信号，从而探测出射线的强弱和变化。和变化。由于射线的强弱和变化与测量参数有关，因此它可以探测出被测参数的大小由于射线的强弱和变化与测量参数有关，因此它可以探测出被测参数的大小及变化。及变化。这种探测器的工作原理或者是根据在核辐射作用下某些物质的发光效应，或这种探测器的工作原理或者是根据在核辐射作用下某些物质的发光效应，或者是根据当核辐射穿过它们时发生的气体电离效应。者是根据当核辐射穿过它们时发生的气体电离效应。4第一节第一节 核辐射的物理基础知识核辐射的物理基础知识一、原子核的基本性质与组成一、原子核的基本性质与组成 1.1、原子核的组

5、成与电荷、原子核的组成与电荷 1、原子核的组成与电荷、原子核的组成与电荷 2、同位素、同位素 二、原子核的衰变二、原子核的衰变 2.1、 和和衰变衰变 1、衰变衰变 2、衰变衰变 3、衰变衰变 2.2、放射性衰变定律、放射性衰变定律 2.3、放射性强度、放射性强度 5一、原子核的基本性质与组成原子核的基本性质与组成 1.1、原子核的组成与电荷原子核的组成与电荷 原子核由质子和中子组成。原子核由质子和中子组成。质子质子带有与电子等量的正电荷，它的质量为电子质量的带有与电子等量的正电荷，它的质量为电子质量的1836.12倍。倍。中子中子不带电，质量为电子的不带电，质量为电子的1838.65倍。倍。

6、质子和中子统称为核子。质子和中子统称为核子。 原子核中原子核中质子数目质子数目称为原子的称为原子的原子序数原子序数，用，用 Z 表示。表示。中性原子中核外电子的数目等于原子序数。中性原子中核外电子的数目等于原子序数。原子核中原子核中质子和中子的总数质子和中子的总数称为该称为该原子核的质量数原子核的质量数，用，用 A 表示。表示。通常用符通常用符号号AZX 表示各种元素原子的原子核表示各种元素原子的原子核例：氢核用例：氢核用 11H 表示表示 氧核用氧核用 168O 表示表示1、原子核的组成与电荷原子核的组成与电荷62、同位素、同位素例如：例如：自然界中氢有三种同位素自然界中氢有三种同位素分别称

7、为分别称为 氢核氢核 11H 氘核氘核 21H（21D、又称重氢）、又称重氢） 氚核氚核 31H（31T 、又称超重氢）、又称超重氢）氘、氚可进行热核反应氘、氚可进行热核反应人工方法合成的氢的同位素有：氢人工方法合成的氢的同位素有：氢4、氢、氢5、氢、氢6、氢、氢7 放射性同位素放射性同位素原子如果不是由于外来原因，而自发的产生核结构变化称为核衰变，原子如果不是由于外来原因，而自发的产生核结构变化称为核衰变，具有核衰变性质的同位素，称为放射性同位素。具有核衰变性质的同位素，称为放射性同位素。原子物理中，取碳同位素原子物理中，取碳同位素 126C的原子核质量的的原子核质量的1/12作为质量单位，

8、作为质量单位，称为称为“原子质量单位原子质量单位”，以，以amu或或u表示：表示：1u=1.66056610-27Kg 原子序数相同而质量数不同的原子，称为同位素。原子序数相同而质量数不同的原子，称为同位素。7二、二、原子核的衰变原子核的衰变 2.1、和和衰变衰变 有些原子核是不稳定的，具有放射性，不稳定核通过释放某些粒有些原子核是不稳定的，具有放射性，不稳定核通过释放某些粒子而趋于稳定，这一过程称为放射性衰变。子而趋于稳定，这一过程称为放射性衰变。 粒子粒子氦核氦核 42 He，它有两个质子，两个中子组成。，它有两个质子，两个中子组成。当一个氦原子核放出当一个氦原子核放出粒子时，它的原子序数

9、粒子时，它的原子序数 Z 减小减小2，质量数，质量数 A 减小减小4，该原子核变成另一种原子核，这就是，该原子核变成另一种原子核，这就是衰变。衰变。例例: 226222488862aneRRH 4422AAZZeXYH 一般情况下：一般情况下：1、衰变衰变8衰变产生的衰变产生的粒子来自原子核粒子来自原子核粒子在核内受到很强的核力吸引（负势能）粒子在核内受到很强的核力吸引（负势能）但在核外将受核的库仑场的排斥，这样对但在核外将受核的库仑场的排斥，这样对粒子而言，在核表面就形成粒子而言，在核表面就形成一个势垒。一个势垒。放射性原子核的放射性原子核的衰变过程就是衰变过程就是粒子穿过势垒从原子核放射出

10、去的一粒子穿过势垒从原子核放射出去的一个隧道效应过程。个隧道效应过程。 伴随着伴随着 a a 衰变有能量释放，释放的能量以衰变有能量释放，释放的能量以 a a 粒子的动能形式带走，粒子的动能形式带走，这一过程已被实验观察到。释放的能量为：这一过程已被实验观察到。释放的能量为： E=(mx-my-ma)c2 =931.48(mx-my-ma)MeV在自然界内大部份的重元素（原子序数为在自然界内大部份的重元素（原子序数为82或以上）都会在衰变时释或以上）都会在衰变时释放放粒子，例如铀和镭。粒子，例如铀和镭。由于由于粒子的体积比较大，又带两个正电荷，很容易就可以电离其他物粒子的体积比较大，又带两个正

11、电荷，很容易就可以电离其他物质。因此，它的能量亦散失得较快，穿透能力在众多电离辐射中是最质。因此，它的能量亦散失得较快，穿透能力在众多电离辐射中是最弱的，人类的皮肤或一张纸已能阻隔弱的，人类的皮肤或一张纸已能阻隔粒子。粒子。然而，它们一旦被吸入或注入，那将是十分危险。它就能直接破坏人然而，它们一旦被吸入或注入，那将是十分危险。它就能直接破坏人体的内脏细胞。体的内脏细胞。92、衰变衰变 粒子就是电子（正电子流或负电子流）粒子就是电子（正电子流或负电子流）当一个原子核发出一个当一个原子核发出一个 b b 粒子后，原子核的原子序数粒子后，原子核的原子序数 Z Z 增加增加1，而，而质量数不变，这就是

12、质量数不变，这就是 b b 衰变。衰变。实验测定表明，同一种核在实验测定表明，同一种核在 b b 衰变过程中放出电子的能量并不等于衰变过程中放出电子的能量并不等于衰变前后原子核的能量差，而是从零到一个最大值，有一定的分布，衰变前后原子核的能量差，而是从零到一个最大值，有一定的分布，不象不象 a a 粒子那样具有确定的能量，如下图所示。粒子那样具有确定的能量，如下图所示。只有最大值的能量才恰好与衰变前后原子只有最大值的能量才恰好与衰变前后原子核的能量差相当。核的能量差相当。另外，因为另外，因为n，p，e的自旋都是的自旋都是1/2，b b 衰衰变过程中的自旋角动量将不守恒。变过程中的自旋角动量将不

13、守恒。1927年年泡利泡利（Wolfgang E.Pauli）为解决这）为解决这个问题，提出个问题，提出b b 衰变时除放出电子外，还衰变时除放出电子外，还同时放出一个同时放出一个“不可检测的、很轻的、中不可检测的、很轻的、中性粒子性粒子”，它的自旋为它的自旋为1/2，铋铋Bi 的的 b b 能谱能谱 0 0.3 0.6 0.9 1.2电子动能/MeV相对强度费米费米（E.Feimi）将其称为）将其称为“中微子中微子”。 衰变时释放的能量中，除被电子带走的以衰变时释放的能量中，除被电子带走的以外，剩下的能量被中微子带走。外，剩下的能量被中微子带走。10由于中微子的质量非常小几乎为零，也不带电，

14、它对电磁场由于中微子的质量非常小几乎为零，也不带电，它对电磁场不起作用，所以它的穿透力极强，不起作用，所以它的穿透力极强，能量为能量为1MeV的中微子可以穿透的中微子可以穿透1000光年厚的固体物质光年厚的固体物质观察它，是非常困难的，直到观察它，是非常困难的，直到1956年核反应堆出现以后，才年核反应堆出现以后，才在实验中证实它的存在。在实验中证实它的存在。衰变是一种弱相互作用过程，它的强度只有电磁相互作用衰变是一种弱相互作用过程，它的强度只有电磁相互作用的的10-12倍。倍。 中微子中微子111eV=1.602189210-19 joule（焦耳）（焦耳） =1.602189210-12（

15、尔格）（尔格）是能量的单位。是能量的单位。一个电子电位改变（增加）一伏特（一个电子电位改变（增加）一伏特（volt）时，所获得的动能量）时，所获得的动能量或所损失的电位能的量。或所损失的电位能的量。 电子伏特电子伏特（electron volt，eV）一个电子所带电量为：一个电子所带电量为：e = - 1.610-19 coulombs（库伦）（库伦）123、衰变衰变 当原子核发生当原子核发生、衰变时，往往衰变到核的激发态，处于激发衰变时，往往衰变到核的激发态，处于激发态的原子核是不稳定的，它要向低激发态或基态跃迁，同时放态的原子核是不稳定的，它要向低激发态或基态跃迁，同时放出出光子，产生光子

16、，产生射线。射线。由于核的能级间隔为由于核的能级间隔为100KeV到到1MeV，因此，因此射线的光子能量非射线的光子能量非常大，其波长比常大，其波长比X射线更短。射线更短。 医学上常用医学上常用射线治疗肿瘤，最常用的放射源是钴射线治疗肿瘤，最常用的放射源是钴60Co，钴钴60Co以以衰变到镍衰变到镍 60Ni 的的2.5MeV 激发态，激发态，60Ni 的激发态寿命极短，它很快跃迁到基态并放出能量分别为的激发态寿命极短，它很快跃迁到基态并放出能量分别为1.17MeV 和和1.33MeV 的两种的两种射线。射线。 原子核放出光子的过程称为原子核放出光子的过程称为衰变。衰变。132.2、放射性衰变

17、定律、放射性衰变定律实验分析指出，单位时间内因衰变而减少的核数实验分析指出，单位时间内因衰变而减少的核数-dN/dt，与衰变，与衰变前的核数前的核数 N 成正比，即成正比，即dNNdt设设 t = 0时，原子核的数为时，原子核的数为N0，对上式积分得（，对上式积分得（衰变后核数衰变后核数 N 为为） N=N0e-t这就是放射性衰变定律，它是按指数衰减的。这就是放射性衰变定律，它是按指数衰减的。式中： 衰变常数， 是一个原子核在单位时间内发生衰变的概率从衰变定律，可以得到放射性的两个重要参数：从衰变定律，可以得到放射性的两个重要参数：半衰期半衰期平均寿命平均寿命放射性物质进行衰变并不是立即转变成

18、新的元素，在任何放射性放射性物质进行衰变并不是立即转变成新的元素，在任何放射性的样品中，放射性原子核的数目随着一些核的衰变而逐渐减少。的样品中，放射性原子核的数目随着一些核的衰变而逐渐减少。核数减少的速率与核的种类有关。核数减少的速率与核的种类有关。14例例:钙钙 Ca 发生衰变的半衰期是发生衰变的半衰期是164d（天）（天）钋钋 212Po 发生衰变的半衰期是发生衰变的半衰期是310-7s（秒）（秒）钍钍 232Th 衰变的半衰期是衰变的半衰期是1.41 1010y（年）（年）镭镭 226Ra 衰变的半衰期是衰变的半衰期是1600y（年）（年）铅铅 214Pb 衰变的半衰期是衰变的半衰期是1

19、608s（秒）（秒）碳碳 14C 衰变的半衰期为衰变的半衰期为5730y（年）（年）可见不同放射性元素的半衰期相差很大可见不同放射性元素的半衰期相差很大1/2002TNN eT1/2 = ln2/=0.693/是指放射性同位素的原子核数目由于衰变减少到原有的一半所是指放射性同位素的原子核数目由于衰变减少到原有的一半所经历的时间，用经历的时间，用T1/2表示半衰期，即有表示半衰期，即有半衰期半衰期 T1/215原子核衰变，对某个原子核是随机的；对于整个样品中的原子原子核衰变，对某个原子核是随机的；对于整个样品中的原子核来说，有的早衰变，有的晚衰变；在这种情况下，原子核寿核来说，有的早衰变，有的晚

20、衰变；在这种情况下，原子核寿命一般用平均寿命命一般用平均寿命来表征衰变。来表征衰变。001/2001/200()11.44ln2NttdNN etdtTTNN平均寿命平均寿命设：设：在在 t t+dt 时间内衰变了（时间内衰变了（dN）个核）个核每个核的寿命为每个核的寿命为 t应用统计平均方法，可求得所有核的平均寿命应用统计平均方法，可求得所有核的平均寿命为：为： 162.3、放射性强度、放射性强度 A 放射性物质在单位时间内发生衰变的原子核数目称为放射性强度放射性物质在单位时间内发生衰变的原子核数目称为放射性强度A，即即 00ttdNAN eA edt A的单位是居里（的单位是居里（Ci），

21、），因纪念居里夫妇而得名。因纪念居里夫妇而得名。1居里等于居里等于当一秒钟有当一秒钟有3.71010次核衰变时，其放射性强度为次核衰变时，其放射性强度为1Ci，即：即：1Ci=3.71010s-1较小的单位有毫居里和微居里。较小的单位有毫居里和微居里。现在放射性强度单位常用现在放射性强度单位常用Bq（贝克勒尔），（贝克勒尔），1Bq就是单位时间的就是单位时间的衰变一个核。放射性元素每秒有一个原子发生衰变时，其放射性衰变一个核。放射性元素每秒有一个原子发生衰变时，其放射性活度即为活度即为1Bq。因此。因此1Ci=3.71010Bq17辐射源辐射源辐射形式辐射形式放射性强度放射性强度 Ci20万吨

22、级原子弹的裂变产物万吨级原子弹的裂变产物，61011核反应堆核反应堆，1010工业用工业用60Co 106医疗用医疗用60Co 103人体内的天然人体内的天然40K 10-7一些辐射源的放射性强度一些辐射源的放射性强度 我们日常生活中使用的玻璃、玻璃杯、眼镜等含有钾我们日常生活中使用的玻璃、玻璃杯、眼镜等含有钾40K它的半衰期为它的半衰期为1.3109s，相应的衰变常数，相应的衰变常数 十分微小，十分微小，它的放射性强度它的放射性强度A就很弱，不会影响我们的健康。就很弱，不会影响我们的健康。 18第二节第二节 射线式传感器射线式传感器射线式传感器的组成射线式传感器的组成放射源放射源探测器探测器

23、射线源是将射线向一定的方向发射射线的装置射线源是将射线向一定的方向发射射线的装置探测器是核辐射的接收装置探测器是核辐射的接收装置191、射线源、射线源利用射线式传感器进行测量时利用射线式传感器进行测量时都要有可发射出都要有可发射出、和和粒子的辐射源粒子的辐射源射线源是将射线向一定的方向发射射线的装置射线源是将射线向一定的方向发射射线的装置射线源选择原则：射线源选择原则：同位素有较长的半衰期同位素有较长的半衰期合适的放射强度合适的放射强度目的是为了目的是为了安全安全避免经常更换避免经常更换提高检测灵敏度提高检测灵敏度减少测量误差减少测量误差放射性同位素种类很多，能用于测量的有放射性同位素种类很多

24、，能用于测量的有20种左右种左右最常用的有：最常用的有：钴钴-80（80Co）、铯）、铯-137（137Cs）、镅）、镅-241（241Am）、锶）、锶-90（90Sr）20放射线源的结构放射线源的结构放射源容器用于成放放射源，其结构要求射线从测量方向射出，放射源容器用于成放放射源，其结构要求射线从测量方向射出，其它方向必须使射线的剂量尽可能小，减少对人体的危害和环境其它方向必须使射线的剂量尽可能小，减少对人体的危害和环境的污染。的污染。辐射源一般为圆盘状辐射源一般为圆盘状射线辐射源一般为丝状、圆柱状、元片状射线辐射源一般为丝状、圆柱状、元片状射线出口处装有辐射薄膜，射线出口处装有辐射薄膜，以

25、防止灰尘侵入，同时防以防止灰尘侵入，同时防止放射源受到意外损伤而止放射源受到意外损伤而造成污染造成污染铅罩防止辐射源向其它方铅罩防止辐射源向其它方向辐射向辐射下图为下图为厚度计辐射源容器厚度计辐射源容器薄膜容器铅放射源容器结构图放射源容器结构图放射源放射源212、探测器、探测器探测器是核辐射的接收装置探测器是核辐射的接收装置常用的有常用的有电离室电离室闪烁计数器闪烁计数器盖革计数管盖革计数管半导体探测器半导体探测器闪闪烁烁晶晶体体输出电路输出电路光电倍增管光电倍增管闪烁计数器原理示意图闪烁计数器原理示意图射线极板极板+-+-R电离室工作原理图电离室工作原理图高压电源离子或射线正离子电子电离室-

26、+密封玻璃管阳极（钨丝）阴极（金属圆筒）盖革计数管原理盖革计数管原理射射线线-惰性气体或惰性气体或有机物气体有机物气体电离电离负离子负离子22（1）电离室）电离室电离室主要用来探测电离室主要用来探测、粒子粒子利用电离室测量利用电离室测量、粒子时，其效率可以接近粒子时，其效率可以接近100%电离室用来测量电离室用来测量射线时，则效率很低。射线时，则效率很低。这是因为这是因为 射线没有直接电离的本领，它是靠从电离室的壁上打射线没有直接电离的本领，它是靠从电离室的壁上打出二次电子，而二次电子起电离作用，因此，出二次电子，而二次电子起电离作用，因此，射线的电离室必须射线的电离室必须密闭。一般密闭。一般

27、电离室的效率只有电离室的效率只有1%2%。 电离室主要用于探测电离室主要用于探测、粒子粒子优点：成本低、寿命长优点：成本低、寿命长缺点：输出电流小缺点：输出电流小 探测探测、粒子和粒子和射线的电离室互不通用射线的电离室互不通用电离室是利用射线对气体的电离作用而进行测量的一种辐射探测器电离室是利用射线对气体的电离作用而进行测量的一种辐射探测器23电离室工作原理电离室工作原理当有粒子或射线射向两个极板之当有粒子或射线射向两个极板之间的气体时，其中的气体分子产间的气体时，其中的气体分子产生电离。生电离。测量电阻压降就能得到核辐射的测量电阻压降就能得到核辐射的强度。强度。电离室的形状有圆柱体和方电离室

28、的形状有圆柱体和方盒状盒状电离室空腔中设置一对平行极板（类似电容器极板），加有几百伏电离室空腔中设置一对平行极板（类似电容器极板），加有几百伏的极化电压，在电离室内的极板间形成强电场的极化电压，在电离室内的极板间形成强电场电离室中充满某些惰性气体或空气电离室中充满某些惰性气体或空气射线或粒子极板极板+-R电离室工作原理图电离室工作原理图高压电源电离室电离室的组成电离室的组成正离子+电子-在电场的作用下，正离子趋向极板在电场的作用下，正离子趋向极板的负极，电子趋向极板的正极，从的负极，电子趋向极板的正极，从而在外电路中产生电离电流，并在而在外电路中产生电离电流，并在外接电阻上形成电压。外接电阻上

29、形成电压。电阻的电压间接反映核辐射的强度。电阻的电压间接反映核辐射的强度。当没有射线射时，两个极板间无当没有射线射时，两个极板间无导电物质，外电路中无电流。导电物质，外电路中无电流。24一般电离室工作在特性曲线的饱和段一般电离室工作在特性曲线的饱和段，其输出电流正比于射到电离室上的核辐其输出电流正比于射到电离室上的核辐射强度。射强度。 电流电流 I 与两个电极间所加的电压与两个电极间所加的电压 U 的关系曲线如下图所示的关系曲线如下图所示（曲线（曲线i1、i2和和I3分别代表不同的辐射强度下的特性曲线）分别代表不同的辐射强度下的特性曲线）图中线段图中线段OU1称为线性段称为线性段在这一线段上，

30、当电压不大时，电离室中的离子的移动速度亦不大，在这一线段上，当电压不大时，电离室中的离子的移动速度亦不大，有部分离子在移动时就重新复合，而只有余下的部分离子能够到达有部分离子在移动时就重新复合，而只有余下的部分离子能够到达电极上。电极上电压愈高，离子移动速度越快，离子复合就愈为减电极上。电极上电压愈高，离子移动速度越快，离子复合就愈为减少，电流就会增加。少，电流就会增加。图中线段图中线段U1U2称为饱和段称为饱和段在这段上的工作电压很大，所以实际上在这段上的工作电压很大，所以实际上全部生成的离子都能到达电极上。此时全部生成的离子都能到达电极上。此时电流与所加电压无关，电流仅与射线强电流与所加电

31、压无关，电流仅与射线强度有关。度有关。电离室的特性曲线电离室的特性曲线U1U2UIi1i2i3O25电离室内电离室内充气体的压力充气体的压力（惰性气体或空气密度惰性气体或空气密度）极板的大小极板的大小两极间的距离两极间的距离对电离电流都有较大的影响对电离电流都有较大的影响电离室的特性曲线U1U2UIi1i2i3O例如：例如：增大气体压力（提高气体的密度）增大气体压力（提高气体的密度）增大电极面积增大电极面积减小两极板的距离减小两极板的距离都会使电离电流增大，电离室的特性都会使电离电流增大，电离室的特性曲线也将向增大电离电流的方向移动曲线也将向增大电离电流的方向移动射线或粒子极板极板+-R电离室

32、工作原理图高压电源电离室正离子+电子-26在核辐射检测仪表中，有时用两个电离室，构成差分结构。在核辐射检测仪表中，有时用两个电离室，构成差分结构。差分电离室，如下图所示。差分电离室，如下图所示。两个电离室的特性一样，测量时两个电离室的特性一样，测量时一个电离室接受射线及其它干扰量一个电离室接受射线及其它干扰量一个电离室接受干扰量一个电离室接受干扰量在电阻在电阻R上流过的电流为两个电离室收集的电流之差上流过的电流为两个电离室收集的电流之差这样可以避免电阻、放大器、环境温度等变化而引起的测量误差这样可以避免电阻、放大器、环境温度等变化而引起的测量误差R电极电极电极差分电离室差分电离室27（2）闪烁

33、计数器）闪烁计数器闪烁计数器组成闪烁计数器组成闪烁体闪烁体光电倍增管光电倍增管闪烁计数器闪烁计数器先将辐射能变为光能，然后再将光能变为电信号而进行探测。先将辐射能变为光能，然后再将光能变为电信号而进行探测。闪闪烁烁晶晶体体输出电路输出电路光电倍增管光电倍增管闪烁计数器原理示意图闪烁计数器原理示意图射线闪烁体阳极阴极放射线光电倍增管光电倍增管倍增极28闪烁体闪烁体闪烁体是一种辐射受激发光物质闪烁体是一种辐射受激发光物质其形态有三种：固态、液态、气态其形态有三种：固态、液态、气态分为两类：有机和无机分为两类：有机和无机无机闪烁体无机闪烁体的特点的特点对入射粒子的阻力强，发光率高，探测效率高对入射粒

34、子的阻力强，发光率高，探测效率高例如：铊例如：铊Tl激活的碘化钠激活的碘化钠NaI用来探测用来探测射线的效率高达射线的效率高达 20%30%有机闪烁体有机闪烁体的特点的特点发光时间很短，只有配用分辨性能较高的光电倍增管才能获得发光时间很短，只有配用分辨性能较高的光电倍增管才能获得10-10s的分辨时间，制成的体积较大，常用于探测的分辨时间，制成的体积较大，常用于探测粒子。粒子。闪烁现象闪烁现象荧光物质受荧光物质受放射线的辐射放射线的辐射作用其原子被激发到受激态，受激态不稳作用其原子被激发到受激态，受激态不稳定跃迁到基态的过程中，发出荧光的现象称为闪烁现象。定跃迁到基态的过程中，发出荧光的现象称

35、为闪烁现象。闪烁体闪烁体以闪烁现象发光的物质称为闪烁体以闪烁现象发光的物质称为闪烁体闪闪烁烁晶晶体体输出电路输出电路光电倍增管光电倍增管闪烁计数器原理示意图闪烁计数器原理示意图射线射线29光电倍增管的作用光电倍增管的作用光电倍增管的作用为接受闪烁体发射的光子将其变为电子并将这些电子倍光电倍增管的作用为接受闪烁体发射的光子将其变为电子并将这些电子倍增放大为可测量的脉冲。增放大为可测量的脉冲。光电倍增管可以分为电场聚焦型和无聚焦型两类。光电倍增管可以分为电场聚焦型和无聚焦型两类。在每一类中，按照次阴极的几何形状及排列方式的不同又分为几种。在每一类中，按照次阴极的几何形状及排列方式的不同又分为几种。

36、放射性同位素检测仪表中常用的放射性同位素检测仪表中常用的GDB-19和和GDB-10分别为分别为直线聚焦型直线聚焦型和和百百叶窗式无聚焦型叶窗式无聚焦型。光电倍增管的基本特性有光电倍增管的基本特性有光特性、阳极的电流电压特性、光阴极的光谱响应等。光特性、阳极的电流电压特性、光阴极的光谱响应等。光谱响应是指光阴极发射光电子的效率光谱响应是指光阴极发射光电子的效率随入射光波长而变化的关系。随入射光波长而变化的关系。在组合闪烁计数器时，光电在组合闪烁计数器时，光电倍增管的光倍增管的光谱灵敏度范围必须和闪烁晶体发出的光谱灵敏度范围必须和闪烁晶体发出的光谱相配合。谱相配合。闪烁体阳极阴极放射线光电倍增管

37、光电倍增管倍增极光入射到阴极上的光通量光入射到阴极上的光通量F与阳极电流与阳极电流ia之间的关系称为此光电倍增管的光之间的关系称为此光电倍增管的光特性，一般光电倍增管的特性，一般光电倍增管的ia与光通量与光通量F成正比。成正比。在一定的光通量在一定的光通量F中，光电倍增管的阳极电流与工作电压的关系是电流随工中，光电倍增管的阳极电流与工作电压的关系是电流随工作电压的增加而急剧上升，上升到某一值后达到饱和。作电压的增加而急剧上升，上升到某一值后达到饱和。30闪烁计数器工作原理闪烁计数器工作原理当核辐射射线进入当核辐射射线进入闪烁体时，闪烁体闪烁体时，闪烁体内物质的原子受激内物质的原子受激发光，光透

38、过闪烁发光，光透过闪烁体射到光电管中倍体射到光电管中倍增，在阳极上形成增，在阳极上形成电流，最后被电子电流，最后被电子记录仪记录下来。记录仪记录下来。闪闪烁烁晶晶体体输出电路输出电路光电倍增管光电倍增管闪烁计数器原理示意图闪烁计数器原理示意图射线闪闪烁烁体体阳极阴极放射线光电倍增管光电倍增管倍增极31（3）盖革计数管盖革计数管盖革计数管的结构盖革计数管的结构密封玻璃管密封玻璃管阳极阳极 钨丝（丝状），钨丝（丝状），其结构与电离室板状电极不同其结构与电离室板状电极不同阴极阴极 玻璃管内壁涂一层导电物质或放置一个金属圆筒玻璃管内壁涂一层导电物质或放置一个金属圆筒管内抽真空后，分别充入两类气体管内抽

39、真空后，分别充入两类气体（惰性气体）如：氩、氖等。（惰性气体）如：氩、氖等。充进有机物叫充进有机物叫有机物计数管有机物计数管如：乙醚、乙醇等。如：乙醚、乙醇等。充入卤素的叫充入卤素的叫卤素计数管卤素计数管卤素计数管，工作电压低，使用寿卤素计数管，工作电压低，使用寿命长，应用广泛。命长，应用广泛。盖革计数管常用于探测盖革计数管常用于探测粒子和粒子和射线射线盖革（盖革（-弥勒）计数管是根据射线对气体的电离作用而设计的辐射探弥勒）计数管是根据射线对气体的电离作用而设计的辐射探测器。测器。-+密封玻璃管阳极（钨丝）阴极（金属圆筒）盖革计数管结构原理图盖革计数管结构原理图32尖端放电尖端放电 point

40、 discharge导体尖端放电即带电导体尖端附近空气被电离而的放电现象。导体尖端放电即带电导体尖端附近空气被电离而的放电现象。导体在电场中，由于静电感应的结果，在导体中会出现感应电荷，导体在电场中，由于静电感应的结果，在导体中会出现感应电荷，电荷在导体表面的分布情况，取决于导体表面的形状。电荷在导体表面的分布情况，取决于导体表面的形状。静电平衡时，带电导体外附近的场强与导体的面电荷密度成正比。静电平衡时，带电导体外附近的场强与导体的面电荷密度成正比。高压输电线，由于电压很高，在高压线路和设备附近会发生的尖端放高压输电线，由于电压很高，在高压线路和设备附近会发生的尖端放电，结果会造成能量损耗和

41、危险。为了避免这种情况，需使高压输电电，结果会造成能量损耗和危险。为了避免这种情况，需使高压输电线和设备表面光滑，以避免尖端放电。线和设备表面光滑，以避免尖端放电。在导体尖端的地方，由于电荷密集，其附近的电场强特别强，在强在导体尖端的地方，由于电荷密集，其附近的电场强特别强，在强电场的作用下，致使周围的空气分子电离而形成大量的自由电子和电场的作用下，致使周围的空气分子电离而形成大量的自由电子和离子，在这种情况下即可导致空气击穿，产生（尖端）放电现象。离子，在这种情况下即可导致空气击穿，产生（尖端）放电现象。尖端放电时，在它周围往往笼罩着一层光晕，叫做电晕。尖端放电时，在它周围往往笼罩着一层光晕

42、，叫做电晕。导体表现凸出而尖锐的地方，即曲率较大的尖端，电荷密集，面电导体表现凸出而尖锐的地方，即曲率较大的尖端，电荷密集，面电荷密度大；比较平坦的地方，电荷聚集的少，面电荷密度小。荷密度大；比较平坦的地方，电荷聚集的少，面电荷密度小。避雷针则利用尖端放电，将集中（在高大建筑物及其它特殊场所）避雷针则利用尖端放电，将集中（在高大建筑物及其它特殊场所）的高空（雷电）电荷通过接地装置泄入大地，以免建筑物等遭雷击。的高空（雷电）电荷通过接地装置泄入大地，以免建筑物等遭雷击。33电荷在导体表面的分布情况，决定于导体表面的形状。电荷在导体表面的分布情况，决定于导体表面的形状。导体表面弯曲越大的地方，所聚

43、集的电荷就愈多，电荷的密度大；导体表面弯曲越大的地方，所聚集的电荷就愈多，电荷的密度大；比较平坦的地方，电荷聚集的较少，电荷密度低。比较平坦的地方，电荷聚集的较少，电荷密度低。电离负离子-+密封玻璃管阳极（钨丝）阴极（金属圆筒）盖革计数管原理盖革计数管原理射射线线-惰性气体或有机物气体在导体尖端的地方，由在导体尖端的地方，由于电荷密集，电场很强，于电荷密集，电场很强，周围气体分子在强电场周围气体分子在强电场的作用下发生电离而形的作用下发生电离而形成大量的自由电子和离成大量的自由电子和离子，在这种条件下可导子，在这种条件下可导致在其表面发生放电现致在其表面发生放电现象。象。电荷在导体表面的分布规

44、律电荷在导体表面的分布规律34盖革计数管工作原理盖革计数管工作原理阳极、阴极之间加外电源，在盖革计数管钨丝（正极）与金属阳极、阴极之间加外电源，在盖革计数管钨丝（正极）与金属圆筒（负极）之间形成内电场。圆筒（负极）之间形成内电场。当射线进入盖革计数管，管内的当射线进入盖革计数管，管内的气体被电离气体被电离形成形成负离子负离子。当一个负离子被阳极所吸当一个负离子被阳极所吸引而靠近阳极时，引而靠近阳极时，因与其它的气体分子碰撞因与其它的气体分子碰撞而产生多个次级电子，而产生多个次级电子，射射线线电离负离子-+密封玻璃管阳极（钨丝）阴极（金属圆筒）盖革计数管原理盖革计数管原理惰性气体或有机物气体当这

45、些次级电子向阳极运当这些次级电子向阳极运动时，再次激发出次级电动时，再次激发出次级电子，次级电子急剧子，次级电子急剧倍增倍增，这样在阳极上产生负离这样在阳极上产生负离子、电子数量在瞬间急子、电子数量在瞬间急剧增加的现象。剧增加的现象。35盖革计数管工作原理盖革计数管工作原理阳极负离子、电子数量在瞬间急剧增加，由于阳极为丝状其电荷阳极负离子、电子数量在瞬间急剧增加，由于阳极为丝状其电荷密度很高，电场很强，周围气体分子在强电场的作用下发生电离密度很高，电场很强，周围气体分子在强电场的作用下发生电离马上引起沿着阳极整条线上的马上引起沿着阳极整条线上的“雪崩雪崩”，即阳极马上发生放电。，即阳极马上发生

46、放电。接有外电路时，在外电路中就会产生电流。接有外电路时，在外电路中就会产生电流。此时若有电子进入此区，也此时若有电子进入此区，也不能产生不能产生“雪崩雪崩”而放电。而放电。这种不能计数的一段时间成为这种不能计数的一段时间成为计数管的计数管的“死区（不工作死区（不工作区）区）”。在外电路中没有电流。在外电路中没有电流。放电后阳极周围的空间由于放电后阳极周围的空间由于“雪崩雪崩”所产生的电子都被中和，剩所产生的电子都被中和，剩下的只是许多正离子包围着阳极。下的只是许多正离子包围着阳极。这样的正离子称为正离子鞘。这样的正离子称为正离子鞘。在正离子鞘和阳极间的电场因在正离子鞘和阳极间的电场因正离子的

47、存在而减弱了许多。正离子的存在而减弱了许多。惰性气体或有机物气体-+密封玻璃管阳极（钨丝）阴极（金属圆筒）盖革计数管原理盖革计数管原理射射线线负离子或电子-正离子鞘+36盖革计数管工作原理盖革计数管工作原理在射线的作用下，计数管内会不断产生负离子，负离子打到阳在射线的作用下，计数管内会不断产生负离子，负离子打到阳极时会打出气体中次级电子来，被打出来的电子经过电场的加速，极时会打出气体中次级电子来，被打出来的电子经过电场的加速，这些电子首先中和阳极附近的正离子，这些电子首先中和阳极附近的正离子，然后又会引起计数管放电，放电后又产生正离子鞘，这个过程将然后又会引起计数管放电，放电后又产生正离子鞘，

48、这个过程将会循环出现。会循环出现。正离子鞘-+密封玻璃管阳极（钨丝）阴极（金属圆筒）盖革计数管原理盖革计数管原理射射线线+惰性气体或有机物气体最后在盖革计数器正负电最后在盖革计数器正负电极两端输出脉冲电流。极两端输出脉冲电流。37盖革计数管特性曲线盖革计数管特性曲线图中：U 计数管上的电压i 入射核辐射强度N 计数管计数率（单位时间输出的脉冲数）在曲线在曲线ab段段加在计数管上的电压较高加在计数管上的电压较高辐射强度辐射强度 i 越大，则输出脉冲数越大，则输出脉冲数N也越多；也越多；图中，图中，i1比比i2大时，相应的输出脉大时，相应的输出脉冲数冲数N1也比也比N2大。大。此时，计数管脉冲数仅

49、与射线强度此时，计数管脉冲数仅与射线强度有关。有关。下图为下图为盖革盖革计数管的特性曲线计数管的特性曲线在一定的核辐射照射下，当增加二极间的电压时，在一定范围内在一定的核辐射照射下，当增加二极间的电压时，在一定范围内只能增加脉冲的幅度只能增加脉冲的幅度U，而计数率，而计数率N只有微弱的增加。只有微弱的增加。图中图中ab段对应的曲线称为计数管的坪。段对应的曲线称为计数管的坪。N1N2NUi1i2O盖革计数管特性曲线盖革计数管特性曲线ab38第三节第三节 核辐射检测的应用核辐射检测的应用核辐射传感器可以测量核辐射传感器可以测量厚度厚度液位液位物位物位转速转速材料密度材料密度气体压力气体压力流速流速

50、温度温度湿度等参数湿度等参数也可用于金属探伤也可用于金属探伤391、核辐射测厚度、核辐射测厚度核辐射厚度计测量原理框图如下。核辐射厚度计测量原理框图如下。放射源在容器内以一定的立体角放出射线，其强度在设计时已选定。放射源在容器内以一定的立体角放出射线，其强度在设计时已选定。当射线穿过被测体后，辐射强度被探测器接收。当射线穿过被测体后，辐射强度被探测器接收。在在辐射厚度计中，探测器常用于电离室，根据电离室的工作原理，辐射厚度计中，探测器常用于电离室，根据电离室的工作原理，这时电离室就输出一电流，其大小与进入电离室的辐射强度成正比。这时电离室就输出一电流，其大小与进入电离室的辐射强度成正比。探测器

51、探测器静电放大器静电放大器控制单元控制单元放大器放大器指示器指示器补偿单元补偿单元放射源放射源被测体被测体核辐射厚度计测量原理框图核辐射厚度计测量原理框图40探测器测得的核辐射的衰减规律为：探测器测得的核辐射的衰减规律为：I=I0exp(-ph)根据探测器测得根据探测器测得 I 值，就可获得被测体的厚度值，就可获得被测体的厚度 h 的大小。的大小。探测器探测器静电放大器静电放大器控制单元控制单元放大器放大器指示器指示器补偿单元补偿单元放射源放射源被测体被测体核辐射厚度计测量原理框图核辐射厚度计测量原理框图利用同样的方法可以对金属探伤。利用同样的方法可以对金属探伤。式中：I 探测器测到的辐射量I

52、0 放射源发射的辐射量p 衰减系数（与被测材料性质有关）h 被测体的厚度412、灰分测量系统、灰分测量系统-采用射线测量采用射线测量灰分测量系统用于煤碳输送过程中，对原煤的灰分进行在线检灰分测量系统用于煤碳输送过程中，对原煤的灰分进行在线检测测、计量和控制。、计量和控制。用来控制选煤和配煤，以便最大限度地利用优质煤源，满足质用来控制选煤和配煤，以便最大限度地利用优质煤源，满足质量规范要求，减少交货煤质的差异性，控制灰熔点，并提高选量规范要求，减少交货煤质的差异性，控制灰熔点，并提高选煤厂的效率。煤厂的效率。煤矿和电厂对实时煤质数据要求很高煤矿和电厂对实时煤质数据要求很高包括：定量装车站，螺旋采

53、样和电厂煤仓上煤系统。包括：定量装车站，螺旋采样和电厂煤仓上煤系统。例如，在洗煤厂中的典型应用有：例如，在洗煤厂中的典型应用有：火车装煤及电厂卸煤时快速测量煤的灰分火车装煤及电厂卸煤时快速测量煤的灰分 配煤监测和控制配煤监测和控制 监测灰分的变化监测灰分的变化 灰分测量系统具有在线、非接触、安装简单、结果准确可靠等灰分测量系统具有在线、非接触、安装简单、结果准确可靠等优点优点。 42是指煤在规定条件下完全燃烧后剩下的固体残渣。是指煤在规定条件下完全燃烧后剩下的固体残渣。它是煤中的矿物质经过高温氧化、分解而来。它是煤中的矿物质经过高温氧化、分解而来。灰分灰分灰分对煤的加工利用极为不利。灰分对煤的

54、加工利用极为不利。灰分越高，热效率越低；灰分越高，热效率越低；燃烧时，熔化的灰分还会在炉内结成炉渣，影响煤的气化和燃烧，燃烧时，熔化的灰分还会在炉内结成炉渣，影响煤的气化和燃烧，同时造成排渣困难；同时造成排渣困难；炼焦时，全部转入焦炭，降低了焦炭的强度，严重影响焦炭质量。炼焦时，全部转入焦炭，降低了焦炭的强度，严重影响焦炭质量。煤灰成分十分复杂，成分不同直接影响到灰分的熔点。煤灰成分十分复杂，成分不同直接影响到灰分的熔点。灰熔点低的煤，燃烧和气化时，会给生产操作带来许多困难。灰熔点低的煤，燃烧和气化时，会给生产操作带来许多困难。为此，在评价煤的工业用途时，必须分析灰成分，测定灰熔点。为此，在评

55、价煤的工业用途时，必须分析灰成分，测定灰熔点。 43灰分测量仪灰分测量仪-采用射线测量采用射线测量煤的组成极为复杂，但根据其元素分析数据，煤可分为两部分煤的组成极为复杂，但根据其元素分析数据，煤可分为两部分一是以碳一是以碳126C为代表的低原子序数元素为代表的低原子序数元素一是以硅一是以硅2814Si为代表的高原子序数元素为代表的高原子序数元素而煤灰主要由煤中高原子序数元素的氧化物组成（硫除外）而煤灰主要由煤中高原子序数元素的氧化物组成（硫除外）采用采用双能透射法双能透射法测量灰分测量灰分即利用两种可放射不同能量射线的放射源来构成即利用两种可放射不同能量射线的放射源来构成“双透射通道双透射通道

56、”，来进行测量来进行测量测量原理测量原理对低能射线，煤中各元素的质量衰减系数各不相同，随着原子序对低能射线，煤中各元素的质量衰减系数各不相同，随着原子序数的增大而增加数的增大而增加（物质的原子序数越大，对其放射线的吸收越强）（物质的原子序数越大，对其放射线的吸收越强）对中能射线，煤中各种元素的质量衰减系数基本相等对中能射线，煤中各种元素的质量衰减系数基本相等（各物质对（各物质对其放射线的吸收基本一样）其放射线的吸收基本一样）44第一透射通道：（测煤灰分）第一透射通道：（测煤灰分）镅镅241Am放射源发出的放射源发出的射线能量较低（射线能量较低（59.5KeV），），物质的原子序数越大，对镅物质

57、的原子序数越大，对镅241Am放射的放射的射线的吸收越强（穿透射线的吸收越强（穿透煤被探测器探测到的煤被探测器探测到的射线越少）射线越少）因此，穿过煤的镅因此，穿过煤的镅241Am 射线的强弱与煤的灰分含量有关。射线的强弱与煤的灰分含量有关。测量方案示意图测量方案示意图镅镅241Am铯铯137Cs系统组成系统组成2个带屏蔽的放射源（镅个带屏蔽的放射源（镅241Am和铯和铯137Cs）2个闪烁探测器个闪烁探测器（分别与镅（分别与镅241Am和铯和铯137Cs构成两路测量通道，结果输入主机）构成两路测量通道，结果输入主机）而煤中灰分部分的原子序数比煤本身要大，而煤中灰分部分的原子序数比煤本身要大，

58、因此，煤中的灰分含量越高，穿过煤的因此，煤中的灰分含量越高，穿过煤的（241Am）射线越少，）射线越少，同时，对镅同时，对镅241Am放射的放射的射线的衰减还与射线的衰减还与煤的厚度有关，不能单从低能煤的厚度有关，不能单从低能（241Am）射线的衰减完全确定煤中灰分的含量。因射线的衰减完全确定煤中灰分的含量。因此，采用了第二通道。此，采用了第二通道。45第二透射通道：（测煤的厚度）第二透射通道：（测煤的厚度）中等能量中等能量射线的放射源铯射线的放射源铯137Cs ，其射线能量为，其射线能量为661.7KeV利用铯利用铯137Cs来进行透射测量来进行透射测量因为煤（因为煤（126C）和灰分（）和

59、灰分（ 2814Si ）对）对铯铯137Cs放射的放射的射线的吸收基本一样射线的吸收基本一样因此，穿过煤的铯因此，穿过煤的铯137Cs射线的强度还与煤的厚度有关射线的强度还与煤的厚度有关测量方案示意图测量方案示意图镅镅241Am铯铯137Cs46不同原子序数原子对镅不同原子序数原子对镅241Am、铯、铯137Cs射线的射线的吸收记录数据（曲线图）吸收记录数据（曲线图）47因此，从中能因此，从中能量量射线的强度变化可以反映出煤的厚度，以此可以射线的强度变化可以反映出煤的厚度，以此可以修正煤的厚度变化引起的低能衰减的变化，而利用修正后的低能射修正煤的厚度变化引起的低能衰减的变化，而利用修正后的低能

60、射线的衰减可求出煤中高原子序数元素的含量，从而求出煤灰分。线的衰减可求出煤中高原子序数元素的含量，从而求出煤灰分。用低能和中能两种射线透射同一煤层，经理论推导可得：用低能和中能两种射线透射同一煤层，经理论推导可得：Ca = A(lnI0-lnI) / (lnJ0-lnJ)+B式中：Ca 为测量煤样的灰分值I、I0 分别为有和无煤情况下低能量的强度J、J0 分别为有和无煤情况下中能量的强度A、B 是与煤炭组成有关的常数在放射源活度和机械结构一定的在放射源活度和机械结构一定的情况下，情况下，I0 和和J是可以预先确定是可以预先确定的常数，由上式可知，只要测量的常数，由上式可知，只要测量出出 I 和