第11章 射线式传感器

第11章射线式传感器主要内容11.1核辐射物理基础11.2射线式传感器11.3射线式传感器的应用射线式传感器也称核辐射探测器，它是利用放射性同位素发出射线，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离激发作用而工作的。概述放射线通过被测量物时会伴随着能量的损失，只要得到确切的损失量，就可以准确地了解到被测物的特征。核幅射（人工、天然）电信号能量转换核辐射传感器（探测器）：将入射核辐射（粒子）的全部或部分能量转化为可观测的电信号（如电流、电压信号）的装置。1895,伦琴（Roentgen）发现X射线，射线式传感器已经有100多年历史。世界上第一张X射线照片现代X射线照片射线式传感器主要应用领域：断层扫描computedtomograhy

（工业CT、医疗CT）、无损检测、现场元素分析、在线监测、环境监测、探伤等等。利用射线探测器的医疗设备：X射线机、

医疗计算机断层扫描（CT）、核磁共振成像（MRI）。探伤安检太空技术：空间探测—“太空之眼”迄今最伟大的八具空间望远镜

哈勃望远镜康普顿伽玛射线太空望远镜钱德拉X射线太空望远镜XMM-牛顿X射线太空望远镜辐射可分为：电离辐射和非电离辐射

非电离辐射紫外线、红外线、微波等这些粒子虽能够同物质发生作用但都不能使物质发生电离效应（能量～eV量级）来源

如移动电话：频率800-1800MHz

能量﹤0.01eV(所以没有电离作用）电离辐射

直接或间接使介质发生电离效应的电或不带电的射线或粒子(能量﹥keV)α、β、γ、x、n、p、裂变碎片

介子等来源

1)放射性物质(人造、天然）2)加速器3)反应堆4)宇宙射线5)地球环境

11.1核辐射物理基础电磁波谱频率能量低高FE波长11.1.1放射性同位素

凡是原子序数相同、原子质量不同的元素，在元素周期表中占同一位置，这种元素称同位素；当没有外因作用时，同位素的原子核会自动产生核结构的变化，称为核衰变；同位素的原子在自动衰变过程中会放出射线，这种同位素就称“放射性同位素”。（1）放射性同位素

核素及符号表示具有确定质子数和中子数的原子核称为核素。核素是原子核的一种统称。核素表示符号核素质子数中子数质量数符号氦-42244He碳-12661212C碳-13671313C碳-14681414C放射性衰减规律可表示为——t=0的原子核数；

——t

时刻原子核数；——衰减常数（不同核素衰减常数值不同）

（2）核衰变与核辐射

放射性同位素的原子核数目，随时间按指数规律衰减半衰期：通常用半衰期表示核素衰减速度半衰期指，放射性核数衰减到原始数目一半所用的时间，一般用10倍半衰期表示放射性核素的寿命。11.1.2核辐射与物质间的相互作用

放射性同位素在衰变过程中能放出α、β、γ三种射线，其中：

α

射线由带正电的α粒子组成（如氦核）；

β

射线由带负电的β粒子组成（电子）；

γ

射线由中性的粒子组成（光子）。放射性同位素衰变时，放出一种特殊的，带有一定能量的粒子或射线，这种现象称“核辐射”。1.0086650

n中子1.007276+1

p质子00

5.486×10-4

±1

e±

β

4.00279+24Heα质量

(u)电荷（e)符号种类核辐射的基本粒子和射线性质α

衰变

新元素Sg衰变为Rf鑪β-

衰变

产生电子e,反中微子v’β+

衰变

F氟产生正电子e,中微子v’

衰变

Dy镝放出γ射线，能态变化，原子量、原子序数不变自然界常见的核衰变示例放射性强度也是随时间按指数规律减小：I0

——初始强度；I——t时间后的强度；

1Ci

=3.7×1010（次核衰变）/秒

放射性强度单位：贝可（Bq）

放射性强度单位放射性强度单位：居里（Ci）,毫居里(mCi)用单位时间内发生衰变的次数来表示放射性的强弱，称放射性强度(活度)。

核辐射的强弱用放射性强度表示核辐射与物质间的相互作用主要是通过

电离、吸收、反射作用。电离作用：带电粒子在物质中穿行时会使物质的原子发生电离，在它们经过的路程上形成离子对。其中：α粒子质量大，电荷量多，电离能力最强但射程短；β粒子质量小，电离较弱；γ粒子没有直接电离作用。

α

β吸收、反射

α、β、γ射线穿透物质时，由于磁场作用，原子中电子会产生共振，振动的电子形成散射的电磁波源，使粒子和射线能量被吸收和衰减。其中：α

射线穿透能力最弱，空气中运行轨迹为直线；β

射线次之，穿行时由于与物质原子发生能量交换而改变方向产生散射，在空气中轨迹为折线；γ

射线穿透能力最强，能穿透几十厘米厚固体物质，在气体中可穿透数米，因此γ射线广泛用于医疗诊断、探伤等。1MeV的粒子穿透物质能力

α1页

β60页/本

铅铅室γ中子n4580本中子源地下1-2米深11.2射线式传感器射线式传感器器通常有两种主要形式：一种是测量放射性物质的放射线，例如测天然放射性U(铀)、Th(钍)、K(钾)。另一种方式是利用放射性同位素，测量非放射性物质，根据被测物质对辐射线的吸收、反射进行检测，或者利用射线对被测物质的电离激发作用。如：测厚、探伤、X射线荧光仪测元素含量等。原理基本相同，而能量范围不同，后者传感器由射线源和探测器组成。辐射源结构一般为丝状、圆拄状、圆片状，有点源、面源、片源。辐射源的结构应使射线从测量方向射出，其它方向应尽量减少剂量，减少对人体的危害。可以用铅进行射线屏蔽，铅有极强的抗辐射穿透能力。点源结构11.2.1辐射源铅罐同位素辐射源：

辐射源的种类很多，一般选用半衰期较长的同位素，能量、强度适合的辐射源。常用同位素源见下表：放射源半衰期射线种类能量（铯）33.2年、0.6614（镅）470年、5.4827（钚）86年12-2150以上（钴）5.26年、0.31,1.17,1.33（锶）19.9年0.54,2.24（铁）2.7年5.9核辐射探测器就是接收器核辐射信号的传感器，有多类型常用于放射性测量的有：

1）气体探测器：电离室、盖革计数管、正比计数器；

2）闪烁计数器；

3）半导体探测器。正比计数器闪烁计数器11.2.2核辐射探测器盖革管半导体探测器电离室是在空气中或充有惰性气体的装置中，设置一个平行极板电容器，加几百伏高压。高压在极板间产生电场，当粒子或射线射向两极板之间的空气（气体）时，气体分子电离，在电场作用下正离子趋向负极板，电子趋向正极板，产生电离电流。在外电路接一电阻R就可形成响应电压，电阻R的电压降代表辐射的强度。

1）气体探测器（a.电离室）电离室外加电压增大电流趋于饱和，一般工作在饱和区（离子能够全部达到电极上），使输出电流与外加电压无关，只正比于射线到电离室的辐射强度。电离室的优点是成本低寿命长；缺点是检出电流很小。

α、β、γ电离室不能通用，不同粒子相同条件下效率相差很大。电离室主要用于探测α、β射线，α粒子电离电流比β离子电离的电流大100多倍，γ粒子没有直接电离本领，效率很低。1）气体探测器（b.G-M盖格计数管）盖格-弥勒计数管简称盖格计数管，也称气体放电计数器。一个密封玻璃管，中间阳极用钨丝材料制作，玻璃管内壁涂一层导电物质或用金属圆管作阴极，筒和丝绝缘，内部抽空充惰性气体（氖、氦）、卤族气体。阳极与阴极间加高压。x、α、β射线入射时引起激烈的气体放大，离子沿丝传到整个计数管内，形成正离子鞘，在电场作用下正离子鞘向阴极移动形成电流；为避免到达阴极时造成连续放电现象，惰性气体灭掉放电。盖格计数管主要用于探测β粒子和γ射线，工作电压较低。由于盖格计数管放大作用，电流比电离室离子流大几千倍。特性曲线：电压U一定时，射线入射越强电流I越大，输出脉冲数N

越多，a、b段称“坪曲线”；I为射线强度坪曲线G-M管主要有圆柱型和钟罩型两种。圆柱型主要用于射线测量，而钟罩型由于有入射窗，主要用于，射线的测量。G-M计数管的典型结构盖格计数管盖格计数器正比计数器是充气型气体电离探测器，由气体作为入射射线产生电离或激发的介质；外加一定电位的电场；（电离室）有两个电极（丝-阳极；壳-阴极），当射线进入电离室穿过气体时与气体分子轨道上电子碰撞，使气体分子电离而形成离子对，芯线旁电场密度高电子碰撞被加速，在气体中获得足够能量使其它气体分子和原子产生新的离子对。这一过程称为气体放大。1）气体探测器（c.正比计数器）气体分子充有气体计数器输出脉冲大小(幅值)正比于辐射产生的电子、正离子对的数目;电子和正离子对数目，正比于气体吸收的放射线的能量。能量大——幅值高！I:复合区II:饱和区III:正比区IV:有限正比区V:G-M工作区VI:连续放电区器件工作在气体电离放电伏安特性曲线的正比区，有足够大的气体放大倍数，能量分辨率高，分辨时间短，可以进行快速计数。闪烁计数器由闪烁体和光电倍增管组成。光电倍增管只能放大光信号不能直接放大射线信号。闪烁体先将辐射能变为光能，光电倍增管再将光能变为电信号进行探测放大。物质受射线作用而被激发，受激电子由激态跃迁到基态时发射出脉冲状的光，这种现象称为闪烁，而闪烁体就是一种能产生这种现象的物质。闪烁体种类碘化钠晶体Nal(Tl)2）闪烁计数器当闪烁体受到辐射时闪烁体内的原子受激发光，光透过闪烁体射到光电倍增管的光阴极上，并激发出光电子；光电倍增管是利用二次电子释放效应，高速电子撞击固体表面，发出二次电子，将光电流在光电倍增管内进行放大倍增，在阳极上形成可以测量的电流。输出电流脉冲大小与入射射线能量成正比，脉冲多少与含量成比例。辐射Ut半导体探测器是利用半导体材料制成的射线传感器；主要结构类型有：结型、面垒型、锂漂移型和高纯鍺等。图为结型半导体探测器结构，实质是一个大面积、大体积的晶体二极管（约0.01--200cm3）。在半导体材料上设置了一个阴极（高摻杂的P+层）和一个阳极（高摻杂的N+层）。3）半导体探测器荷电粒子入射到半导体中时，会激发产生电子—空穴对，这些电子—空穴对在电场作用下形成正比于入射射线能量的电流，探测器将其转换为脉冲信号输出。由于在半导体中产生一个电子—空穴对所需能量极小，约为3eV（而β射线在空气中产生一对离子所需能量，为30eV），因此半导体探测器比其他射线探测器分辨率高。特点：输出信号小，分辨率高。X射线、γ射线由于光电效应、康普顿效应、电子对生成等产生二次电子；高速二次电子产生更多电子—空穴对。在PN结空间电荷区加足够高的偏压，因射线而电离的载流子加速，产生新的电子—空穴使载流子倍增，电荷在输出端形成一个放大脉冲信号，将电荷转换为电信号输出。应用范围：α射线可实现气体分析，如气体压力、流量测量；β射线可进行带材厚度、密度检测；γ射线可探测材料缺陷、位置、元素、密度与厚度测量。11.3核辐射传感器的应用透射式测厚常用闪烁探测器，闪烁探测器记录穿透物体的γ射线的强度，其输出电流与辐射强度成正比。在辐射穿过物质时，由于物体吸收作用损失部分强度，强度按指数规律变化。在辐射穿过物质时，可根据质量厚度X求出被测物体厚度。1.测厚（透射式测厚）I0

—入射强度；I—穿过后强度；x—质量厚度；μ—质量吸收系数；ρ—与材料密度有关；源探测器散射测厚时β放射源与探测器在同一恻；原理是：利用核辐射被物体后向散射的效应。散射强度与被测距离、物质成份、密度、厚度表面状态等因素有关：K与射线能量有关的常数1.测厚(散射式测厚)

核子测厚仪源探测器2.离子敏感烟传感器（电离室）电离室由H1和H2两个电极组成，电极之间有放射性同位素镅-241（Am241）可放出α射线，并在两电极之间发生电离，产生正离子，在外加电压作用下形成电离电流。当外电离室有烟雾进入时，离子被吸附到烟雾颗粒上，由于烟雾颗粒比离子大1000倍左右，故在电场中的移动速度比原来的速度慢，而且在移动过程中离子中和的机会增多，最终使离子电流相应减小。烟雾数量越多，离子电流越小，相当等效电阻增加。离子感烟传感器结构是内、外两个电离室，内、外电离室串联连接方式；内电离室是密封的，无烟雾离子进入，离子电流恒定，等效电阻R不变。外电离室等效电阻随烟雾数量变化，可等效为可变电阻Rp。经电源电压E分压后供控制电路。UD-O2型烟雾传感器