核辐射传感器

核辐射传感器第1页，共19页，2023年，2月20日，星期五9.1核辐射传感器

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α、β、γ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：第2页，共19页，2023年，2月20日，星期五

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。9.1核辐射传感器第3页，共19页，2023年，2月20日，星期五9.1核辐射传感器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：α射线、β射线、γ射线和X射线射线。

α、β射线分别是带正、负电荷的高速粒子流；γ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。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：1Ci的辐射强度就是辐射源1s内有3.7×1010次核衰变。1Ci(居里)＝103mCi(毫居里)＝106μCi(微居里)。在检测仪表中常用mCi或μCi作为计量单位。

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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。

α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。

β粒子质量小，电离能力比同样能量的α粒子要弱，由于β粒子易于散射，所以其行程是弯曲的。

γ粒子几乎没有直接的电离作用。

9.1核辐射传感器第5页，共19页，2023年，2月20日，星期五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；

Ed—离子对的能量；

I—辐射源的强度；

C—辐射源强度为1Ci时，每秒放射出的粒子数。9.1核辐射传感器第6页，共19页，2023年，2月20日，星期五

(2)核辐射线的吸收、散射和反射

α、β、γ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、I0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，ρ为物质的密度，μ为物质的质量吸收系数。

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三种射线中，γ射线穿透能力最强，β射线次之，α射线最弱，γ射线的穿透厚度比α、β要大得多。

β射线穿透物质时，容易改变其运动方向而产生散射现象。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。β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。9.1核辐射传感器第8页，共19页，2023年，2月20日，星期五反射的大小与反射物质的厚度有如下关系：

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；

μh—辐射能量的常数。当I0、μ、Im、μh、ρ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、μ、h等已知后，只要测出I就可求物质的密度ρ。

9.1核辐射传感器第9页，共19页，2023年，2月20日，星期五9.1.2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α、β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9.1核辐射传感器第10页，共19页，2023年，2月20日，星期五2.气体放电计数管(盖格计数管)体放电计数管示意图

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，而使放电自动停止。9.1核辐射传感器第11页，共19页，2023年，2月20日，星期五气体放电计数管的特性曲线如图所示。图中I1、I2代表入射的核辐射强度，I1＞I2。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β粒子和γ射线。气体放电计数管特性曲线9.1核辐射传感器第12页，共19页，2023年，2月20日，星期五3.闪烁计数器

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核辐射传感器第13页，共19页，2023年，2月20日，星期五9.1.3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9.1核辐射传感器第14页，共19页，2023年，2月20日，星期五9.1核辐射传感器1、核辐射在线测厚仪第15页，共19页，2023年，2月20日，星期五2、核辐射物位计9.1核辐射传感器

不同介质对γ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I0之间有如下关系： 式中—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。第16页，共19页，2023年，2月20日，星期五9.1核辐射传感器

g射线物位计的特点是：1、可以实现非接触测量；2、不受被测介质温度、压力、流速等状态的限制；