第九章辐射式传感器

1.α射线二、核辐射的种类质量为4.002775u(原子质量单位)；带有正电荷，即氦原子核；具有40～100MeV的能量；平均寿命为几微秒到1010年；从核内射出速度为20km/s；射程长度在空气中为几厘米到十几厘米。α

衰变12C原子质量1.9927×10-26kg,其质量的十二分之一1.6606×10-27kg当前1页，总共39页。2.β射线质量为0.000549u；带有一个单位的电荷；能量为100keV～几兆电子伏特；运动速度较α粒子高很多；在气体中的射程可达20m。β-

衰变β+

衰变当前2页，总共39页。3.γ射线4.X射线原子核外的内层电子被激发射出来的电磁波能量。

原子核从不稳定的高能激发态跃迁到稳定的基态或较稳定的低能态，并且不改变其组成过程称为γ衰变（或称γ跃迁），发生γ跃迁时所放射出的射线称γ射线或γ光子，是以光速运动的光子流，不带电。

衰变当前3页，总共39页。1、α、β射线与物质的相互作用（1）电离

当α、β射线穿过物质时，使其分子或原子的轨道电子产生加速运动，如果此轨道电子获得足够大的能量，就能脱离原子成为自由电子，从而产生一对自由电子和正离子组成的离子对。这种现象称为电离。

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。三、核辐射与物质的相互作用当前4页，总共39页。（2）激发

若在相互作用中，轨道电子获得的能量还不足以使它脱离原子成为自由电子，仅使自由电子从低能级跃迁到高能级，这种相互作用称为激发。当前5页，总共39页。2、γ射线与物质的相互作用（1）光电效应

当一个光子和原子相碰撞时，将其能量全部交给某一轨道电子，使它脱离原子，光子则被吸收，这种现象称为光电效应。

光电效应也伴随有次级辐射产生。当γ射线通过物质时，由于发生光电等效应的结果，它的强度将减弱，它也遵循指数衰减规律。当前6页，总共39页。（2）康普顿效应入射γ光子原子θφγ光子电子

入射γ光子与介质中的电子发生碰撞，γ光子偏离原来的方向，同时将一部分能量转移给电子，使电子按φ射出。当前7页，总共39页。3、核辐射线的特点α、β、γ射线穿透物质时，由于与物质发生作用损失能量而最终被吸收而造成衰减。

α射线穿透能力最弱，在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，在空气中运行轨迹为折线；

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、金属探伤等。当前8页，总共39页。1、电离室

四、核辐射传感器

常用的核辐射探测器有：电离室、正比计数管、盖革—弥勒计数管、闪烁计数器和半导体探测器等。当前9页，总共39页。

电离室外加电压增大，电流趋于饱和，一般工作在饱和区，使输出电流与外加电压无关，输出只正比于入射到电离室的辐射强度。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。当前10页，总共39页。

2.

正比计数管

放大作用仅限于芯线近旁，所以可得到与放射线的入射区域无关的一定的放大倍数。由于放大而产生的阳离子迅速离开气体放大区域而产生输出脉冲。输出脉冲的大小正比于因放射线入射而产生电子、正离子对的数目，而电子、正离子对数正比于气体吸收的放射线的能量。因此，正比计数管可以探测入射放射线的能量。当前11页，总共39页。

正比计数器正比计数器是一种充气型辐射探测器，工作在气体电离放电伏安特性曲线的正比区。计数器接收一个X、γ光子后就输出一个电脉冲，幅度与光子能量成正比，输出脉冲的大小正比于入射产生的电子和正离子对数目，电子和正离子对数目正比于气体吸收的放射线的能量。当前12页，总共39页。正比计数器工作原理使气体原子电离＋－＋－＋－＋－＋－＋－＋－－－初级射线高压当前13页，总共39页。3.盖革-弥勒计数管盖格计数管也称气体放电计数器。一个密封玻璃管，中间是阳极用钨丝材料制作，玻璃管内壁涂一层导电物质或是一个金属圆管作阴极，内部抽真空充惰性气体（氖、氦）、卤族气体。

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计数管内充有氩、氦等气体。为了便于密封，计数管常用玻璃作外壳，而阴极用金属或石墨涂覆于玻璃表面内部或在外壳内用金属筒作阴极。在盖革-弥勒计数管中，阴极和阳极间施加比计数管高的电压。X射线、α射线、β射线入射使产生比正比计数管激烈的气体放大，原离子所在区域沿中央丝极传播到整个计数管内。由于电子漂移速度很快，很快地被收集，于是在中央丝极周围形成一层正离子，称为正离子鞘。正离子鞘的形成使阳极附近的电场变弱，直到不再能产生离子的增殖，此时原始电离的放大过程就停止了。放大过程停止后，在电场作用下，正离子鞘向阴极移动，给出一个与正离子鞘的总电荷有关，而与原始电离无关的脉冲输出。在第一次放大过程停止以及电压脉冲出现后，计数管并不回到原始的状态。当前15页，总共39页。

由于正离子鞘到达阴极时得到一定的动能，所以正离子也能从阴极中打出次级电子。同时由于正离子鞘到达了阴极，中央阳极电场已恢复，因此这些次级电子又能引起新的离子增殖，像原先一样再产生离子鞘，再产生电压脉冲，造成所谓连续放电现象。克服这个问题必须采取特殊的方法使放电猝灭。猝灭放电的方法有两种：一种是采用猝灭电路，用来降低中央丝极的电压，使其降低到发生碰撞电离所需电压以下；另一种方法是在计数管中放入少量猝灭性气体。这种自猝灭型计数管又可分为两种：一种是充惰性气体和少量酒精、乙醚或石油醚的蒸气，称为有机管；另一种是管内充惰性气体和卤素气体，称为卤素管。

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盖格计数管上电压U一定时，入射射线越强，电流I越大，输出脉冲数N越大，a、b段称“坪”；盖格计数管主要用于探测β粒子和γ射线。当前17页，总共39页。4.闪烁计数器物质受放射线的作用而被激发，在由激发态跃迁到基态的过程中，发射出脉冲状的光的现象称为闪烁现象。能产生这样发光现象的物质称为闪烁体。闪烁计数器先将辐射能变为光能，然后再将光能变为电能而进行探测，它由闪烁体和光电倍增管两部分组成。负载电阻产生脉冲幅度一般为零点几伏到几伏，较盖革-弥勒计数管的幅度小。输出脉冲与入射粒子的能量成正比，探测γ射线的效率在20%～30%以上，比盖革-弥勒计数管和离子室高很多；探测α、β射线的效率接近100%。由于闪烁体中一次闪烁的持续时间很短,故最大计数率一般为106～108数量级。若输出采用电流法，则记录的辐射强度不受限制。当前18页，总共39页。

闪烁计数器当闪烁体受到辐射时闪烁体的原子受激发光，光透过闪烁体射到光电倍增管的阴极上激发出电子，在光电倍增管中倍增，在阳极上形成电流。当前19页，总共39页。1200V闪烁探测器测量射线信号的基本特征入射射线E＝hνV输出端电信号输出信号幅度：V∝E脉冲信号产生率∝单位时间进入探测器射线数NaI(Tl)gdB通过分辩信号幅度，可以分辩射线能量；通过测量脉冲信号数，可以测定射线强弱。当前20页，总共39页。5、半导体探测器荷电粒子一入射到固体中就与固体中的电子产生相互作用并失去能量而停止。入射到半导体中的荷电粒子在此过程产生电子和空穴对。而X射线或γ射线由于光电效应、康普顿散射、电子对生成等而产生二次电子，此高速的二次电子经过与荷电粒子的情况相同的过程而产生电子和空穴。若取出这些生成的电荷，可以将放射线变为电信号。主要使用的是Si和Ge，对GaAs、CdTe等材料。开发的半导体传感器有PN结型传感器、表面势垒型传感器、锂漂移型传感器、非晶硅传感器等。当前21页，总共39页。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、密度与厚度测量。

五、核辐射传感器的应用当前22页，总共39页。（1）

测厚

透射式测厚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：当前23页，总共39页。透射式厚度计1.核辐射厚度计当前24页，总共39页。

散射式测厚散射测厚时β放射（或低能X射线）源与探测器在同一侧，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：利用这种方法可测量薄板的厚度、覆盖层厚度、材料的成分、密度等参数。这种方法的优点为非接触测量，且不损坏被测物质。当前25页，总共39页。射线强度与散射体厚度之间的关系式为J散=J饱和（1-e-kρt）式中：t和ρ——散射体的厚度和密度；

J散和J饱和——厚度为t和厚度为“无限大”时的后向散射β射线强度；

k——与射线能量有关的系数。当前26页，总共39页。（2）物位测量

利用介质对γ射线的吸收作用，不同介质对γ射线的吸收能力不同，固体吸收能力最强，液体居中，气体最弱。辐射源与被测介质一定，被测介质高度H与穿过被测介质的射线强度I成正比关系。当前27页，总共39页。

图(b)将射线源和探测器分别安装在容器的下部和上部，射线穿过容器中的被测介质和介质上方的气体后到达探测器。显然，探测器接收到的射线强弱与物位的高度有关。这种方法可对物位进行连续测量，但是测量范围比较窄(一般为300~500mm)，测量准确度较低。当前28页，总共39页。辐射式物位计(γ射线)

图(a)定点测量:将射线源I0与探测器安装在同一平面上，由于气体对射线的吸收能力远比液体或固体弱，因而当物位超过和低于此平面时，探测器接收到的射线强度发生急剧变化。可见，这种方法不能进行物位的连续测量。当前29页，总共39页。

（3）流量计（气体）

在气流管中装两个电极（电极电位不同）放射源S的射线使气体电离，工作状态相当于一个电离室。当被测气体被电离时，离子被带出电离室，室内电流减小，气体流速增加带出的离子增多电离室电流进一步减小，由电流的变化检测气流流速和流量。放射源电极电极气流EA当前30页，总共39页。（4）探伤

探测器与放射源放在管道内，沿焊接缝同步移动，当焊缝存在问题时，穿透管道的γ射线会产生突变，正常时输出曲线趋于直线。当前31页，总共39页。

X荧光射线的能量谱和强度与物质的成份、厚度、密度有关。探测器将光信号转换为电脉冲，脉冲幅度与元素的特征X射线能量成正比，不同元素脉冲幅度不同，能量E大脉冲幅度越高，通过幅度分析器检测出不同元素，实现元素的定性分析。而脉冲的多少与样品的含量成正比，含量越高脉冲计数越多，通过每秒的计数率检测样品的含量，实现元素的定量分析。

当前32页，总共39页。野外现场快速测量当前33页，总共39页。井下现场快速测量钢牌号快速分析当前34页，总共39页。（5）X射线荧光分析仪

X射线荧光基于光电效应，能量色散的荧光分析方法由同位素源产生γ射线，其它物质上的次级辐射称荧光射线；波长色散荧光分析方法由X光射