第三章_辐射探测仪器设备

1、第三章 辐射探测仪器、设备及原理清华大学核研院方 栋 2010年1月第三章 辐射探测仪器、设备及原理1. 射线及其与物质相互作用知识要点知识要点： 常用的核辐射类型及特征 射线与物质相互作用 辐射探测的原理和主要的辐射探测器第三章 辐射探测仪器、设备及原理 常用的核辐射类型及特征（1）知识要点知识要点：、射线及中子 辐射的定义是指以波或粒子的形式向周围空间或物质发射并在其中传播的能量（如声辐射、热辐射、电磁辐射、粒子辐射等）的统称。 物体受热向周围介质发射热量叫做热辐射；受激原子退激时发射的紫外线或X射线叫做原子辐射；不稳定的原子核发生衰变时发射出的微观粒子叫做原子核辐射，简称核辐射。通常论及

2、的“辐射”概念是狭义的，仅指高能电磁辐射和粒子辐射。这种狭义的“辐射”又称“射线”。 核辐射粒子就其荷电性质可以分为带电粒子和非带电粒子；就其质量而言，可以分为轻粒子和重粒子；以及处于不同能区的电磁辐射。主要的有辐射、辐射、辐射和中子辐射等。 第三章 辐射探测仪器、设备及原理 常用的核辐射类型及特征（2） 射线通常也称粒子，它是氦的原子核，由两个质子和两个中子组成；核电荷数为+2，质量为4。 粒子以符号42He表示。天然的粒子来源于较重原子核的自发衰变，叫做衰变。 衰变过程： AZX A-4Z-2Y + 42He； X、Y分别为母核和子核。 原子核发射出的射线有两类：-和+射线。 -射线就是通

3、常的电子，带有一个单位的负电荷，以符号e或e-表示，负电子是稳定的。 +射线就是正电子，带有一个单位的正电荷，以符号e+表示。两种电子静止质量相同，其质量约为质子质量的1/1846。 第三章 辐射探测仪器、设备及原理 常用的核辐射类型及特征（3）粒子来源于原子核的衰变，衰变有三种类型： -衰变、 +衰变和轨道电子俘获EC。 -衰变、 +衰变中发射的电子或正电子的能量是连续的，从0到极大值E,max都有，图1-7表示了- 衰变中发射电子能量分布，对某核素的电子的最大动能E,max是确定的。 X射线和射线都是一定能量范围的电磁辐射，又称光子辐射。光子静止质量为0，不带任何电荷。单个光子的能量与辐射

4、的频率成正比，即, E=h ，h为普朗克常数，它的数值等于6.62610-34Js。 每一个光子的能量都是确定的，任何光子在真空中的速度都是相同的，即为光速C(3108m/s)。 X射线和射线的唯一区别是起源不同。从原子来说X射线来源于核外电子的跃迁, 而射线来源于原子核本身高激发态向低激发态（或基态）的跃迁或粒子的湮灭辐射。 第三章 辐射探测仪器、设备及原理 常用的核辐射类型及特征（4） 中子是原子核组成成份之一，它不带电荷，质量数为1，比质子略重。自由中子是不稳定的，它可以自发地发生衰变，生成质子、电子和反中微子，其半衰期为10.6分 。 中子的产生主要是通过核反应或原子核自发裂变，基本上

5、有三种方法：（1） 同位素中子源；（2）加速器中子源；（3）反应堆中子源 。 在用中子源产生中子时往往伴有射线或X射线产生，有的可能比较强。因此，在应用和防护上不仅要考虑中子，而且也要考虑射线或X射线。 中子在核科学的发展中起过极其重要的作用。由于中子的发现，提出了原子核是由质子和中子组成的假说；中子不带电，当用它轰击原子核时容易进入原子核内部引起核反应。人们用核反应制造出了许多新的核素。随着中子活化分析、中子测水分、中子测井探矿、中子照相、中子辐射育种和中子治癌等技术广泛的应用，对中子的需求越来越多 。 第三章 辐射探测仪器、设备及原理 常用的核辐射类型及特征（5） 单选题例： 受激原子退激

6、时发射的紫外线或X射线叫做（A）。 A 原子辐射，B 原子核辐射，C 核辐射，D 热辐射 电子的静止质量约为质子质量的（A）。 A 1/1846，B 4倍，C 12倍，D 1846倍 -射线是带有一个单位 (A)电子。 A负电荷的负，B正电荷的负，C 正电荷的正，D 负电荷的正 多选题例： 常见核辐射包括（ABCD）。 A 辐射，B 辐射，C 辐射，D 中子辐射， E 受激原子退激时发射的X射线 衰变包括（BCE）。 A 韧致辐射，B +衰变，C -衰变，D 光电效应， E 轨道电子俘获 产生中子的基本方法有（ABC） A 同位素中子源，B 加速器中子源，C 反应堆中子源， D 核磁共振，E

7、电加热 第三章 辐射探测仪器、设备及原理 射线与物质相互作用（1）知识要点知识要点：带电粒子、射线、中子与物质相互作用 带电粒子通过物质时，同物质原子中的电子和原子核发生碰撞进行能量的传递和交换：其中一种主要的作用是带电粒子直接使原子电离或激发。非带电粒子则通过次级效应产生次带电粒子使原子电离或激发。 能够直接或间接引起介质原子电离或激发的核辐射通常叫做电离辐射。 带电粒子能量损失方式之一是电离损失，包括直接电离和原子激发。 带电粒子与物质原子中核外电子的非弹性碰撞，导致原子的电离或激发，是带电粒子通过物质时动能损失的主要方式。我们把这种相互作用引起的能量损失称为电离损失。 入射带电粒子在物质

8、中穿过单位长度路程时由于电离、激发过程所损失的能量叫做电离能量损失率。从物质角度来说，电离能量损失率也可叫做物质对带电粒子的阻止本领，由于这种阻止主要是电子引起的，所以又叫做电子阻止本领。 第三章 辐射探测仪器、设备及原理 射线与物质相互作用（2） 由于带电入射粒子和靶原子核外电子之间库仑力作用，使电子受到吸引或排斥，使入射粒子损失部分能量，而电子获得一部分能量。如果传递给电子的能量足以使电子克服原子的束缚，那么这个电子就脱离原子成为自由电子；而靶原子由于失去电子而变成带正电荷的正离子，这一过程称为电离电离。 如果入射带电粒子传递给电子的能量较小，不足以使电子摆脱原子核的束缚成为自由电子，只是

9、使电子从低能级状态跃迁到高能级状态（原子处于激发态），这种过程叫原子的激发激发。 处于激发态的原子是不稳定的，原子从激发态跃迁回到基态，这种过程叫做原子退激，释放出来的能量以光子形式发射出来，这就是受激原子的发光现象 。 电离能量损失率随入射粒子速度增加而减小, 呈平方反比关系；电离能量损失率与入射粒子电荷数平方成正比，入射粒子电荷数越多，能量损失率就越大；电离能量损失率与介质的原子序数和原子密度的乘积成正比，高原子序数和高密度物质具有较大的阻止本领。 第三章 辐射探测仪器、设备及原理 射线与物质相互作用（3） 每产生一个离子对所需的平均能量叫做平均电离能，以W表示。不同物质中的平均电离能是不

10、同的，但不同能量的粒子在同一物质中的平均电离能近似为一常数 。 带电粒子能量损失方式之二是辐射损失。由经典电磁理论可知，高速运动的带电粒子受到突然加速或减速会发射出具有连续能量的电磁辐射，通常称做轫致辐射，能量最小值为0，最大值为电子的最大动能。X射线管和X光机产生的X射线就是轫致辐射。电子的轫致辐射能量损失率比质子、粒子等大得多。例如在速度相同的条件下，质子的轫致辐射比 电子要小18402=3.4106倍。所以对重带电粒子的轫致辐射能量损失一般忽略不计。由于轫致辐射损失与成正比，因此，在原子序数大的物质(如铅, Z=82)中，其轫致辐射能量损失比原子序数小(如铝Z=13)的物质中大得多 。

11、一定能量的带电粒子在它入射方向所能穿透的最大距离叫做带电粒子在该物质中的射程（Range）；入射粒子在物质中行经的实际轨迹的长度称作路程（Path）。对重带电粒子（如粒子）由于其质量大，与物质原子的核外电子作用时，运动方向几乎不变，因此，其射程与路程相近 。 第三章 辐射探测仪器、设备及原理 射线与物质相互作用（4） 5.3MeV的粒子在标准状态空气中的平均射程3.84cm，同样能量的粒子在生物肌肉组织中的射程仅为30-40m，人体皮肤的角质层就可把它挡住。因而绝大多数辐射源不存在外照射危害问题。但是当它进入体内时，由于它的射程短和高的电离本领，会造成集中在辐射源附近的损伤，所以要特别注意防止

12、粒子进入体内。 对粒子，其射程要大得多。当粒子通过物质时，由于电离碰撞、轫致辐射和散射等因素的影响，其径迹十分曲折，经历的路程远远大于通过物质层的厚度。加上粒子具有从零到某一最高值的连续能量。所以，对应于粒子的最大能量仅存在相应于粒子在该物质中的最大射程原子核+衰变会有正电子产生，快速运动的正电子通过物质时，与负电子一样，同核外电子和原子核相互作用，产生电离损失、轫致辐射损失和弹性散射。 原子核+衰变会有正电子产生，快速运动的正电子通过物质时，与负电子一样，同核外电子和原子核相互作用，产生电离损失、轫致辐射损失和弹性散射。能量相同的正电子和负电子在物质中的能量损失和射程大体相同，但自由正电子是

13、不稳定的。正电子与介质中的电子碰撞会发生湮灭过程： e- + e+(0.511MeV)+(0.511MeV)因此，快速运动的正电子通过物质除了发生与电子相同的效应外，还会产生0.511Me的湮灭辐射，在防护上还要注意对射线的防护 。 第三章 辐射探测仪器、设备及原理 射线与物质相互作用（5） 能量在几十keV和几十MeV的射线通过物质时主要有光电效应、康普顿效应和电子对效应等三种作用过程。这三种效应的发生都具有一定的概率。通常以截面表示作用概率的大小。若以ph表示光电效应截面，c表示康普顿效应截面，p表示电子对效应截面，则射线与物质作用的总截面= ph+ c + p 。 当光子通过物质时，与物

14、质原子中束缚电子发生作用，光子把全部能量转移给某个束缚电子，使之发射出去，而光子本身消失了，这种过程叫光电效应 ，光电效应中发射出来的电子叫光电子 。 在光电效应中，入射光子能量的一部分用来克服被击中电子的结合能，另一部分转化为光电子动能；原子核反冲能量很小，可忽略不计。原子中束缚得越紧的电子参与光电效应的概率也越大。因此，K壳层上打出光电子的概率最大，L层次之，M、N层更次之。如果入射光子能量超过K层电子结合能，大约80%的光电效应发生在K层电子上 。 发生光电效应时，若从原子内壳层上打出电子，在此壳层上就留下空位，原子处于激发态。这种激发态是不稳定的，有两种退激方式；一种是外壳层电子向内层

15、跃迁填充空位，发射特征X射线，使原子恢复到较低能量状态；另一过程是原子的退激直接将能量传递给外壳层中某一电子，使它从原子中发射出来，这个电子叫做俄歇电子。因此，发射光电子的同时，还伴随有特征X射线或俄歇电子产生，这些粒子将继续与物质作用，转移它们的能量 。 第三章 辐射探测仪器、设备及原理 射线与物质相互作用（6） 入射光子同原子中外层电子发生碰撞，入射光子仅有一部分能量转移给电子，使它脱离原子成为反冲电子；而光子能量减小，变成新光子，叫做散射光子，运动方向发生变化，这一过程叫康普顿散射或效应。h和h分别为入射光子和散射光子的能量；为散射光子和入射光子间的夹角，称做散射角；为反冲电子的反冲角

16、。反冲电子具有一定动能，等于入射光子和散射子光子能量之差。反冲电子在物质中会继续产生电离和激发等过程，对物质发生作用和影响；散射光子有的可能从物质中逃走，有的留在物质中再发生光电效应或康普顿效应等等，最终一部分被物质吸收，一部分逃逸出去 当一定能量的光子进入物质时，光子在原子核库仑场作用下会转化为一对正负电子，这一现象称做电子对效应。电子对效应发生是有条件的。在原子核库仑场中，只有当入射光子的能量1.02MeV时才有可能。入射光子的能量首先用于转化为正负电子对的静止能量(0.51MeV + 0.51MeV = 1.02MeV)，剩下部分赋予正负电子的动能。 第三章 辐射探测仪器、设备及原理 射

17、线与物质相互作用（7） 射线进入物质主要通过光电效应、康普顿效应和电子对效应损失其能量。这些效应的发生使原来的光子或者不复存在，或者改变了能量成为新的光子，偏离了原来的入射方向。因此，我们可以说，入射的光子一旦同介质发生作用就从入射束中移去；只有没有同介质发生任何作用的光子才沿着原来的方向继续前进。从入射的光子束中由于同介质作用而被移去的光子称做介质对光子的吸收。只有理想的准直束才能满足这种要求，称为“窄束”。 射线穿物质时其注量率随着穿过的厚度的增加而指数衰减。称做线性吸收系数，其单位为cm-1，它表示射线穿过单位厚度物质时发生相互作用的概率（或被吸收的概率），它包含了光电效应、康普顿效应和

18、电子对效应总的贡献。由于三种效应的作用概率都与入射光子的能量和作用物质的原子序数有关，所以值也随光子能量和介质原子序数Z而变化。光子能量增高，吸收系数值减小；介质原子序数高密度大的物质，线性吸收系数也高。第三章 辐射探测仪器、设备及原理 射线与物质相互作用（8） 中子不带电，不能直接引起物质原子的电离或激发。但由于不受原子核库仑场的作用，即使很低能量的中子也可深入到原子核内部，同原子核作用发生弹性散射、非弹性散射或引起其它核反应。这些过程的发生导致中子在物质中被慢化和被吸收，并产生一些次级粒子，例如，反冲质子、射线、粒子以及其它带电粒子等。这些粒子都具有一定的能量。它们继续同物质发生各自相应的

19、作用，最终使物质原子发生电离和激发。因此，中子也是一种电离辐射。 中子与原子核的作用分为两类：中子的散射，中子与原子核发生弹性散射与非弹性散射并产生反冲核；中子的俘获，中子被原子核俘获而形成复合核，再蜕变而产生其它次级粒子。 中子进入原子核形成“复合核”后，可能发射一个或多个光子，也可能发射一个或多个粒子而回到基态。前者就称为“辐射俘获”，而后者则相应于各种中子核反应 。 有几种重原子核（如235U），俘获一个中子后会分裂为两个或三个较轻的原子核，同时发出2-3个中子以及很大的能量（约200MeV），这就是裂变反应 。第三章 辐射探测仪器、设备及原理 射线与物质相互作用（9） 单选题例： 带电

20、粒子通过物质时，与物质的主要的作用是（A）。 A直接电离，B 化合反应，C 间接电离，D 光合作用 高速运动的带电粒子受到突然加速或减速会发射出具有连续能量的电磁辐射称为（B） A 电离辐射，B 轫致辐射，C 射线, D 激光 。 即使很低能量也易深入到原子核内部被俘获而形成复合核并引起其他核反应的粒子是（C）。 A 光子，B 粒子，C 中子，D 粒子 多选题例： 带电粒子通过物质时，与物质的主要直接作用是（ABC）。 A直接电离，B 原子激发，C 轫致辐射， D 光合作用，E 光电效应 。 射线通过物质时，能够探测到的物理现象有（ABC）。 A 光电效应，B 电子对效应，C 康普顿效应， D

21、 特征X射线，E 俄歇电子。第三章 辐射探测仪器、设备及原理2.辐射探测的原理和主要的辐射探测器（1）利用辐射在气体、液体或固体中引起的电离、激发效应及或其它物理、化学变化进行核辐射探测的器件称为辐射探测器 。 辐射探测的基本过程：1) 辐射粒子射入探测器的灵敏体积；2) 入射粒子通过电离、激发或核反应等过程而在探测器中沉积能量；3) 探测器通过各种机制将沉积能量转换成某种形式的输出信号。 探测器按其探测介质类型及作用机制主要分为气体探测器、闪烁探测器和半导体探测器三种。 第三章 辐射探测仪器、设备及原理 辐射探测的原理和主要的辐射探测器（2） 气体探测器：以气体为工作介质，由入射粒子在气体介

22、质中产生的电离效应或核反应引起输出信号的探测器 。 入射带电粒子通过气体时，由于与气体分子中轨道电子的库仑作用而逐次损失能量，最后被阻止下来。同时使气体分子电离或激发，并在粒子通过的径迹上生成大量的由电子和正离子组成的离子对和激发分子。 入射粒子直接产生的离子对称为初电离。初电离产生的高速电子（称电子）足以使气体产生的电离称为次电离。总和称为总电离。 带电粒子在气体中产生一离子对所需的平均能量w称为电离能。对不同的气体，w大约在30eV上下。 第三章 辐射探测仪器、设备及原理 辐射探测的原理和主要的辐射探测器（3） 气体探测器的典型圆柱型结构如图所示，在中央阳极和外壳阴极加上正电压。沿入射粒子

23、径迹产生的电子离子对在外电场的作用下产生定向漂移，引起电极上发生感应电荷的变化，与此同时，在外回路上就流过电流信号，或流过负载电阻产生输出电压信号。 当在两电极上所加电压不同时，就造成气体探测器的不同工作状态。当外加工作电压过低时，电子离子对由于互相碰撞而发生复合，称为复合区，复合的程度与外加电压和离子对数的密度有关，一般不作为气体探测器的工作区域。 当外加工作电压较高时，电子与正离子的复合可以忽略而进入饱和区，这时，产生的离子对数正比于入射粒子在灵敏体积损失的能量，工作于这种工作状态的探测器就是电离室。 随着工作电压的升高，在中央阳极附近很小的区域内，电场强度足够强，发生气体放大或雪崩过程。

24、在一定的工作电压下，气体放大倍数是一定的。此时，形成的总离子对数仍正比于入射粒子能量 ,相应的工作区域成为正比区。正比计数器就工作于这一区域 。 第三章 辐射探测仪器、设备及原理 辐射探测的原理和主要 的辐射探测器（4） 工作电压进一步提高就进入有限正 比区，在探测器的灵敏体积内，积 累了相当的由正离子组成的“空间电 荷”。在一定工作电压下不再保持常数，初电离小的入射粒子的可能会大一点，称为有限正比区。一般没有探测器工作于这一区域 。 随着工作电压的再一步提高，雪崩过程很快传播到整个阳极。而且，雪崩过程形成的正离子紧紧的包围了阳极丝，称为正离子鞘。由于正离子鞘的电荷极性与阳极电荷相同而起到电场

25、减弱作用，当正离子鞘的总电荷量达到一定时，使雪崩过程终止。因此，最后的总离子对数与初电离无关。这时，入射粒子仅仅起到一个触发作用，输出脉冲信号的大小与入射粒子的类型和能量均无关，这就是G-M区，仅作一个计数器用 。 上述过程可以用图形象的表示，图中纵坐标为产生离子对数，横坐标为外加电压。其中I为复合区；II为饱和区；III为正比区；IV为有限正比区；V为G-M区。这条曲线揭示了气体探测器中由量变到质变的规律 。 第三章 辐射探测仪器、设备及原理 辐射探测的原理和主要的辐射探测器（5） 闪烁探测器一般由闪烁体和光电倍增管组成。闪烁体是一种发光器件，当入射带电粒子使探测介质的原子电离、激发而退激时

26、，可发出可见光光子，称为荧光光子 ，这样光的强度用肉眼是看不见的，必须借助于高灵敏的光电倍增管（PMT）才能探测到这些光信号 。PMT的光阴极将收集到的荧光光子转变为光电子，光电子通过聚焦被光电倍增管的第一联极收集，并在其后的联极倍增形成一个相当大的脉动电子流，在输出回路上形成输出信号。 比较理想的闪烁体应具有以下的性质：1) 将带电粒子动能转变成荧光光子的效率高，即高的发光效率。2)入射带电粒子损耗的能量与产生的荧光光子数具有良好的线性关系。3) 闪烁体介质对自身发射的光是透明的，即其发射谱与吸收谱不应该有明显的重迭，4) 入射粒子产生的闪光持续时间，即闪烁体的发光衰减时间要尽量短，以便能产生快的输出信号，获得好的时间响应。5) 合适的折射率和良好的加工性能。 现在使用频率较高的闪烁体有两大类：一类是无机闪烁体，如，