第部分核辐射与辐射技术详解

第部分核辐射与辐射技术详解演示文稿当前第1页\共有122页\编于星期三\12点1优选第部分核辐射与辐射技术当前第2页\共有122页\编于星期三\12点2核技术概念核能涵盖三类技术：

1）产生核爆炸所需的技术；

2）使反应堆的水加热驱动汽轮机的技术；

3）核技术应用当前第3页\共有122页\编于星期三\12点3核技术是核科学的技术应用，是当代最新的尖端技术和社会现代化的标志之一。

——国家自然科学基金委员会广义核技术--核武器、核动力，及同位素技术与辐射技术狭义核技术--同位素技术与辐射技术当前第4页\共有122页\编于星期三\12点4同位素技术与辐射技术的基本内涵1).辐射技术－－即利用辐射源放出的辐射，如γ、χ射线、中子等与物质相互作用的特点，实现测量客体的分析、成像、改性等功能。主要有：辐射检测仪表；辐射和离子束加工；辐射成像技术；核分析技术等。2).同位素技术－－利用放射性同位素的物理、化学特征，尤其是放射性便于探测的特点，实现放射性核素示踪物的测量。主要有：放射性核素年代学；同位素示踪；同位素药物及标记化合物；同位素能源等。

注：同位素是指质子数相同而中子数不同的核素。

当前第5页\共有122页\编于星期三\12点5核技术应用的三性：广泛性、渗透性及某些场合下的不可取代性。典型应用举例：*热（冷）轧钢板测厚仪---快速、高温、非接触测量等；*核医学--现代医学的标志；*以电子束烟气脱硫技术为代表的环保应用；当前第6页\共有122页\编于星期三\12点6无人知道的事实美国日本中国核技术年产值（亿）35001500386核能700（20%）750（50%）86（22.3%）非核能2800（80%）750（50%）300（77.7%）据报导（2003年）美国和日本的国民经济总产值中，核技术的贡献约占3%-4%。非核能技术的应用—举足轻重的作用

这说明我国核技术应用有着一个很大的市场空间和很好的发展前景

当前第7页\共有122页\编于星期三\12点7核辐射与辐射技术（一）1.1常用的核辐射类型及特征1.2射线与物质的相互作用当前第8页\共有122页\编于星期三\12点8耶稣裹尸布真伪之争加速器质谱技术当前第9页\共有122页\编于星期三\12点9包公遗骨之谜

嘉佑七年五月已未（13日），方视事，疾作以归。上遣使赐良药。辛未（25日），遂以不起闻。

——包拯墓志铭同步辐射x射线荧光分析技术当前第10页\共有122页\编于星期三\12点10两个故事的共同点：

1、射线产生

2、射线与靶物质发生作用

3、核探测分析手段当前第11页\共有122页\编于星期三\12点11辐射类型

射线:是指各种快速粒子束。阿尔法射线：贝塔射线：，X射线伽玛射线中子质子…….当前第12页\共有122页\编于星期三\12点12射线氦核——两个中子，两个质子谱线为分立谱应用举例：1、原子核的发现

2、1967年“探险者V”的“散射探测器”当前第13页\共有122页\编于星期三\12点13射线本质上是电子分为两种：是连续谱核电荷改变而核子数不变应用：阴极射线管成像当前第14页\共有122页\编于星期三\12点14X射线X射线本质上是核外电子产生的短波电磁辐射，因而穿透能力很强。1、连续谱——轫致辐射（刹车辐射）2、壳层电子的跃迁——特征辐射3、俄歇电子当前第15页\共有122页\编于星期三\12点15当前第16页\共有122页\编于星期三\12点16X射线谱轫致辐射连续谱壳层电子跃迁特征谱当前第17页\共有122页\编于星期三\12点17X特征辐射特征x射线谱是元素的“指纹”，成为元素分析的工具，包括：（1）电子x荧光分析（2）质子x荧光分析（3）离子x荧光分析（4）同步辐射x荧光分析应用：包公遗骨之谜当前第18页\共有122页\编于星期三\12点18射线原子核从激发态向低激发态或基态越迁，同时放出射线，穿透能力极强。产生方式与X射线的区别例子：应用：射线照相机等当前第19页\共有122页\编于星期三\12点19中子特点：不带电，与质子质量相当，自由中子不稳定。产生方式：（1）同位素中子源：利用放射性同位素的射线轰击某些稳定的轻元素物质（靶物质），发生核反应放出中子。重核裂变也可以产生，锎252。（2）反应堆中子源：以铀-235等为裂变材料，以中子为媒介，维持可控的链式裂变反应的装置。优点是通量大。（3）加速器中子源：利用各类加速器加速带电粒子轰击某些靶核，以其发射中子的反应。中子强度能准确确定，不运行时放射性很小。应用：中子散射技术，中子活化分析当前第20页\共有122页\编于星期三\12点20核衰变一种核素的原子核能自发的放出某种射线（粒子）而转变为另一种核素的原子核或另一种能量状态的原子核，这个过程称为核衰变。主要有：放射性核素衰变规律是核技术应用的重要基础当前第21页\共有122页\编于星期三\12点21核素的衰变规律指数衰变：在dt时间内发生的衰变数目为-dN，正比于当时存在的原子核数目N，也正比于时间dt。衰变常数：，单位时间内一个原子核的衰变几率。半衰期：，衰变到原有核素一半的时间当前第22页\共有122页\编于星期三\12点22放射性活度及其单位定义：放射性物质在单位时间内发生衰变的原子核数称为该物质的放射性活度。居里：贝克勒尔：当前第23页\共有122页\编于星期三\12点23居里夫人贝克勒尔1903年第三届诺贝尔物理学奖当前第24页\共有122页\编于星期三\12点24放射性活度与质量的关系通过测量放射性活度可计算无载体放射性核素的质量。原理如下：设放射性活度为A,无载体放射性核素样品质量为m,原子量为An,阿伏加德罗常数Na也已知。根据放射性活度A与放射性原子数N的关系得：

当前第25页\共有122页\编于星期三\12点25核仪器可以测出1Bq的放射性，其质量相当于克，这比良好的天平克，微量化学分析，光谱分析克都灵敏得多。当前第26页\共有122页\编于星期三\12点261.2射线与物质的相互作用重要性：原子核衰变和核反应所产生的各种射线通过物质时，与物质相互作用而逐步损失能量，最终被物质吸收。物质吸收了射线的能量，产生一系列物理、化学变化和生物效应。所以，射线与物质的相互作用是核辐射探测、核物理实验、辐射防护和核技术应用的基础。主要有：（1）带电粒子与物质的相互作用（2）X、γ射线与物质的相互作用（3）中子与物质的相互作用当前第27页\共有122页\编于星期三\12点27（1）带电粒子与物质的作用根据动能动量守恒定律，分为四种：（1）与原子核的弹性碰撞（2）与核外电子的弹性碰撞（3）与原子核的非弹性碰撞（4）与核外电子的非弹性碰撞当前第28页\共有122页\编于星期三\12点28带电粒子与物质的相互作用（一）电离和激发带电粒子与物质的相互作用主要是电离和激发。带电粒子射入物质，与它周围原子的壳层电子发生库仑作用，电子获得足够能量克服原子的束缚而成为自由电子，此时原子被分离成一个自由电子和一个正离子，此过程称为电离。如果电子获得的能量不足以克服原子束缚，它就会被激发到能量较高的状态，此过程称为激发。当前第29页\共有122页\编于星期三\12点29带电粒子与物质的相互作用由原入射带电粒子直接与原子作用产生的电离称为直接电离或初级电离。电离过程中，带电粒子与原子碰撞打出能量比较高的电子能进一步使物质的原子电离和激发，称为次级电离。射线在物质中产生一个离子对所消耗的平均能量称为平均电离能。当前第30页\共有122页\编于星期三\12点30带电粒子与物质的相互作用（二）散射带电粒子与原子核发生弹性碰撞，带电粒子受原子核库仑场作用，只改变其运动方向，但不辐射光子，也不激发原子核，这个过程称为弹性散射。当前第31页\共有122页\编于星期三\12点31带电粒子与物质的相互作用（三）轫致辐射当高速运动的电子靠近原子核时，由于库仑力的作用，电子发生骤然减速，这时电子能量的一部分或全部转变为连续能量的电磁辐射发射出来，称为轫致辐射。应用：X射线探伤当前第32页\共有122页\编于星期三\12点32带电粒子与物质的相互作用（四）契伦科夫辐射高速运动的电子通过折射率n>1的透明物质时，若其速度大于光在该介质中的传播速度c/n，这时高速运动着的电子将损失能量，并沿一定方向发射出接近紫外波长范围的微弱可见光，称为契伦科夫辐射。

应用：契伦科夫探测器当前第33页\共有122页\编于星期三\12点33带电粒子与物质的相互作用（五）湮没辐射正电子与物质相互作用，其能量耗尽时和物质中的负电子相结合，正负电子的静止质量立即转化为两个运动方向相反，能量各为0.511MeV的光子而自身消失，这种现象称为湮没辐射应用：正电子成像（第三代成像技术）当前第34页\共有122页\编于星期三\12点34重带电粒子与物质的相互作用

重带电粒子通过物质时逐渐损失动能，最后俘获物质中的电子形成中性原子，即被吸收。重带电粒子能量较大时，失去动能的方式主要是与靶原子的轨道电子做非弹性碰撞产生电离和激发。能量极低时，可与靶原子核发生弹性碰撞。电离和激发是重带电粒子与物质作用的导致能量损失的主要方式。当前第35页\共有122页\编于星期三\12点35重带电粒子与靶原子核碰撞应用溅射：粒子束轰击样品时，如果靶原子获得能量而逃出样品表面，称这种过程为溅射。会导致固体表面原子的损失或化合物成分的改变。在表面分析、溅射镀膜技术、离子蚀刻微细加工等方面有重要应用。离子注入：一定能量的入射离子通过与物质相互作用而损失能量，最终停止在物质中，称为离子注入。可改变注入层的化学成分和性质，广泛应用于半导体器件的生产和新材料的合成。当前第36页\共有122页\编于星期三\12点36背散射分析：入射粒子与靶原子核发生弹性碰撞后，发生大角度散射（背散射）,散射截面与入射粒子的能量、角度、种类及靶原子的种类有关。测量背散射时粒子的能量和数量可以对靶原子进行定性、定量分析。辐射加工：粒子束对材料的辐射可引起物理和化学性质的变化。在新材料开发、辐射消毒、航天材料的辐射损伤研究有应用。重带电粒子与靶原子核碰撞应用当前第37页\共有122页\编于星期三\12点37重带电粒子的射程

粒子在物质中运行沿着入射方向所能达到的最大直线距离，叫做入射粒子在该物质中的射程。

很显然，重带电粒子的质量大，所以轨迹基本上是直线，只是在末端稍有弯曲，所以其平均射程与它的轨迹平均值是一样的。当前第38页\共有122页\编于星期三\12点38轻带电粒子与物质的相互作用

主要是电子，由于质量轻，速度快，因而在与物质作用时，其能量损失和运动轨迹与重带电粒子不同。电离与激发是一般能量的轻带电粒子损耗动能的主要形式；轫致辐射是高能轻带电粒子损耗动能的主要形式；弹性散射是很低能的轻带电粒子损失动能的主要形式。当前第39页\共有122页\编于星期三\12点39（2）射线与物质的相互作用

γ射线属于电磁辐射，波长短因而能量高，所以贯穿本领强。与物质作用时通过三种效应——光电效应、康普顿效应和电子对效应产生次级电子而使原子电离或激发。与物质作用时，一次可失去全部能量（如光电效应，电子对效应）或大部分（康普顿效应），并将失去的能量转移给电子。当前第40页\共有122页\编于星期三\12点40光电效应光电效应低能光子被介质原子吸收而放出电子的效应。光电子能量

hv为入射光子能量，Ei为第i壳层电子的结合能原子退激发时发射特征X射线或俄歇电子。入射光子原子光电子hv俄歇电子LK原子核当前第41页\共有122页\编于星期三\12点41光电效应的特点光子能量必须大于壳层电子结合能时才能发生光电效应。电子在原子中束缚越紧，就越容易使原子核参与相互作用，发生光电效应的概率就越大。K壳层概率最大。光电效应过程伴随特征X射线或俄歇电子的发射。当前第42页\共有122页\编于星期三\12点42射线与物质的相互作用

康普顿效应：光子与靶物质的一个轨道电子相互作用，将部分能量传递给轨道电子使其发射出去，光子散射，波长变长。入射光子核外电子出射电子E出射光子康普顿效应当前第43页\共有122页\编于星期三\12点43电子对效应：光子从原子核旁经过，当光子能量超过2个电子静止质量之和即1.02MeV时，在原子核库仑场作用下，光子转化为正负电子对，正负电子能量之和等于入射光子能量。对一定能量的入射光子电子对效应产生的正负电子的动能之和为常数，但就电子或负电子而言其动能从0－2mec2都有可能，动能分配是任意的。入射光子能量越大，正负电子的发射方向越前倾。入射光子原子核正负电子对EE+E-e+e-电子对效应当前第44页\共有122页\编于星期三\12点44光电效应、康普顿效应是光子与核外电子的作用结果，电子对效应是光子与原子核电磁场的作用结果。三种效应相互竞争，可能同时存在。三种效应的相对重要性对低能射线和原子序数高的物质光电效应占优势；对中能射线和原子序数低的物质康普顿效应占优势；对高能射线和原子序数高的物质电子对效应占优势。当前第45页\共有122页\编于星期三\12点45单色窄束伽玛射线的衰减设：为单色窄束光子未通过介质时的注量率（射线强度）；为介质深度为x处的注量率；dx为介质薄层厚度，为光子通过dx时的减弱量；为线性衰减系数；所以有：积分得：当前第46页\共有122页\编于星期三\12点46射线的吸收和应用吸收特点：强度按指数规律衰减，沿入射方向透过的射线能量不变。比带电粒子穿透本领大，因而屏蔽和防护比带电粒子困难。与物质作用产生的次级粒子将继续与靶物质发生各种相互作用，直到能量耗尽或逃出。当前第47页\共有122页\编于星期三\12点47射线的应用活化分析——用中子或带电粒子照射靶物质，可生成放射性核素，通过测量衰变过程中的伽马射线的能量和强度，即可以测定样品中元素的种类和含量。工业探伤癌症治疗当前第48页\共有122页\编于星期三\12点48中子与物质的相互作用中子的分类:

(1)慢中子：0至1KeV，俘获或裂变几率大

(2)中能中子：1KeV至0.5MeV，散射几率大

(3)快中子：0.5至10MeV，散射几率大截面：粒子与靶物质发生作用的概率。

当前第49页\共有122页\编于星期三\12点49中子与物质的相互作用中子不带电，因而在与物质相互作用时与原子核或核外电子没有库仑力的相互作用。可认为只是与原子核的相互作用，分为散射及核反应两类。

散射：中子与原子核作用后，中子不消失但改变运动方向和动能。吸收反应（俘获）：原子与原子核发生作用形成复合核，复合核不稳定放出光子或带电粒子。裂变反应：原子核俘获一个中子后，裂变成几个碎片，产生几种新的核素并放出射线。

当前第50页\共有122页\编于星期三\12点50中子的应用活化分析中子治疗癌症…..当前第51页\共有122页\编于星期三\12点51核探测技术及应用

2.1核探测器

2.2核探测技术应用当前第52页\共有122页\编于星期三\12点52问题：核辐射眼睛看不见、耳朵听不着、双手摸不到，如何知道它的存在呢？哈尔滨铱-192之谜核探测器是核辐射的耳目！2.1核探测器当前第53页\共有122页\编于星期三\12点53中国日报消息：由于担心恐怖分子利用海上进行核原料走私，美国2003年8月13日与荷兰政府签署一项协议，自掏腰包为欧洲最大的海港鹿特丹港口安装核物质探测器。

这套价值300万美元的探测系统包括固定和手持的仪器，可以对通过港口的货物集装箱进行扫描，检查集装箱里是否装有核原料。

每年大约有数千艘商船通过鹿特丹港口，很多货物都是从中东和世界其他地区经过这里转运到美国的。美国一直担心，恐怖分子会将核原料藏在集装箱偷运到美国，然后用这些核原料制造“脏弹”。“脏弹”引爆后将放出大量有害的放射性物质，不仅会造成人员伤亡，而且会使遭到攻击的区域受到严重的放射性污染。当前第54页\共有122页\编于星期三\12点54

核探测器（粒子探测器）：能够指示、记录和测量核辐射的材料或装置。辐射和核辐射探测器内的物质相互作用而产生某种信息（如电、光脉冲或材料结构的变化），经放大后被记录、分析，以确定粒子的数目、位置、能量、动量等。

当前第55页\共有122页\编于星期三\12点55宇观——宏观——微观粒子（无穷大到无穷小）从1026m到10-18m物质的基本结构：由原子到夸克微观粒子肉眼看不到，只能通过探测器探测到人类对物质世界的认识不断深化，归功于实验和理论的相互促进，归功于粒子加速器和粒子探测器的不断建造和发展。使对物质世界的探索逐步走上现代实验科学的轨道。核探测技术随核物理的发展而发展当前第56页\共有122页\编于星期三\12点56

粒子源种类辐射源天外的：宇宙射线天然的：自然界自然存在的放射性核素人工的：用加速器，反应堆产生的放射性核素当前第57页\共有122页\编于星期三\12点57当前第58页\共有122页\编于星期三\12点58我们要知道有多少粒子，什么样的粒子，还要知道它们的物理性质，来源。为此，探测器要测量许多物理量。计数和计数率：即粒子的通量或流强。时间：粒子到达探测器的时间或相对于某时刻时间间隔。能量：尤其中性粒子（中子，光子，中微子等）的能量。动量：主要是带电粒子的动量。位置：粒子产生或衰变的位置，在探测器内的位置和飞行的轨迹。粒子的分辨：区别不同性质的粒子，特别需要分辨相同动量下不同质量的带电粒子。探测器测量的基本物理量当前第59页\共有122页\编于星期三\12点59测量粒子与射线的基本性质，研究这些粒子之间的相互作用以及它们与宏观物质的相互作用等。将这些粒子与射线作为微小的探针来研究微观或亚微观结构，如晶体结构，物质的表面结构，分子原子及核结构等。粒子来源不同，有的来自地球，有的来自太阳，月亮或银河以外，它们会带有与源有密切关系的信息。通过这些粒子或射线来研究我们达不到的各种天体。粒子与射线在工业，农业，地质，医疗，环保，航天等领域被广泛地应用，不可替代地获得对宏观物质的形态，结构，成分的测量与研究。粒子探测器用途当前第60页\共有122页\编于星期三\12点606位获诺贝尔奖的粒子探测器大师发明云室，一种观测带电粒子径迹的方法和技术（1927年）发展Wilson云室技术，在核物理与宇宙线研究中做出贡献（1948年）发明核乳胶技术，在宇宙线中发现介子（1950年）发明气泡室（1960年）发展气泡室及数据处理技术，发现大量共振态（1968年）G.Charpak发明多丝正比室并发展气体丝室技术（1992年）当前第61页\共有122页\编于星期三\12点61丁肇中教授中国科大，中科院高能所，上硅所参加当前第62页\共有122页\编于星期三\12点62TheAlphaMagneticSpectrometerDetector

在国际空间站的一个粒子物理实验（丁肇中教授领导）当前第63页\共有122页\编于星期三\12点63一、粒子探测基本原理粒子探测主要是指记录粒子数目，测定其强度，确定粒子的性质（能量、动量、飞行方向等）。根据粒子的带电性质分类带电粒子：、p、e±、±、±、±等电磁辐射：x射线、射线中性粒子：n、0、0、等当前第64页\共有122页\编于星期三\12点64入射带电粒子与靶原子的核外电子通过库仑作用，使电子获得能量而引起原子的电离或激发。电离——核外层电子克服束缚成为自由电子，原子成为正离子。激发——使核外层电子由低能级跃迁到高能级而使原子处于激发状态，退激发光。（一）带电粒子探测当前第65页\共有122页\编于星期三\12点65

利用电离或激发效应来记录入射粒子是绝大多数探测器的物理基础。它们的差别在于记录方式不同，大致分为：（1）收集电离电荷的探测器主要收集电离效应产生的大量正负离子，记录它们的电荷所形成的电压或电流脉冲。这类探测器必须加上适当的工作电压，形成电场以有效收集电荷。如气体探测器、半导体探测器。当前第66页\共有122页\编于星期三\12点66（2）收集荧光的探测器被带电粒子激发的原子退激时发出荧光。由于荧光很弱，需要通过一定的转换放大，即把光脉冲转换成较大的电脉冲——光电倍增管。如闪烁计数器等。（3）利用离子集团作为径迹中心的探测器，径迹探测器。如核乳胶、云室、气泡室、火花室等。（4）收集切伦科夫辐射的探测器，切伦科夫探测器。轫致辐射和同步辐射是附加产物，对高能电子探测器必须考虑它们的影响。当前第67页\共有122页\编于星期三\12点67（二）射线的探测射线与物质的相互作用主要有三个过程：光电效应康普顿效应电子对效应当前第68页\共有122页\编于星期三\12点681.光电效应光电效应：低能光子被介质原子吸收放出电子的效应。光电子能量

hv为入射光子能量，Ei为第i壳层电子的结合能原子退激发时发射特征X射线或俄歇电子。入射光子原子光电子hv俄歇电子LK原子核当前第69页\共有122页\编于星期三\12点69

散射光子不能直接探测到反冲电子可以被探测到入射光子核外电子出射电子E出射光子2.康普顿-吴有训效应当前第70页\共有122页\编于星期三\12点703.电子对效应电子对效应：光子从原子核旁经过，当光子能量超过2个电子静止质量之和即1.02MeV时，在原子核库仑场作用下，光子转化为正负电子对，正负电子能量之和等于入射光子能量。对一定能量的入射光子电子对效应产生的正负电子的动能之和为常数，但就电子或负电子而言其动能从0－2mec2都有可能，动能分配是任意的。入射光子能量越大，正负电子的发射方向越前倾。入射光子原子核正负电子对EE+E-e+e-当前第71页\共有122页\编于星期三\12点71射线与物质原子发生光电效应的总截面

1）

重元素的光电效应比轻元素强得多；2）低能射线比高能射线强得多；3）当射线能量接近电子的结合能时，光电效应截面最大。当前第72页\共有122页\编于星期三\12点72

光电效应、康普顿效应是光子与核外电子的作用结果，电子对效应是光子与原子核电磁场的作用结果。三种效应相互竞争，可能同时存在。

当前第73页\共有122页\编于星期三\12点73在三种效应中，每个光子都是在一次作用中就损失其全部能量或相当大部分能量，并发射出电子。正是这些电子使得探测射线成为可能。光电效应和电子对效应所发射的次级电子的能量单一，因此射线探测器的物质应选用Z尽可能大的材料。当前第74页\共有122页\编于星期三\12点74

（三）中子的探测中子与物质相互作用主要是中子与原子核的强相互作用，即核反应。探测中子就是探测中子与原子核核反应产生的次级粒子。中子不带电，不受库仑斥力影响，容易进入原子核发生核反应。不同能量中子的探测原理和探测器不同。中子能量的区分：（1）慢中子（2）中能中子（3）快中子当前第75页\共有122页\编于星期三\12点751.核反冲法核反冲法是记录中子与原子核弹性散射后的反冲核。在弹性散射过程中，中子运动方向改变，能量减少。这减少的能量传递给原子核，使原子核以一定的速度运动，该核称作反冲核。反冲核具有电荷，可以作为带电粒子记录。记录了反冲核，就探测到中子。该方法主要用于探测快中子。由能动量守恒，对En<30MeV的中子，反冲核获得的动能En入射中子En’散射中子E反冲反冲核M原子核质量反冲角当前第76页\共有122页\编于星期三\12点76

若以质量数代替质量，则mn=1,M=A

由此可见，反冲核越小获得的能量越大。当＝0，A＝1时，E反冲＝En，最大。反冲质子法选用含氢物质做辐射体，此时反冲核就是质子。实际中常用石蜡、水等含氢物质作为中子慢化剂。核反冲法探测中子时应选择轻核物质做靶材料。如氢、甲烷等气体，有机玻璃、有机晶体、塑料等固体。核反冲可以测量快中子能量。当一定时，E反冲正比于En。实际中测量沿入射中子束方向张角为±10度的反冲质子，此时探测器接收到的质子数较多，反冲质子的能量粗略地等于入射中子能量。当前第77页\共有122页\编于星期三\12点772.核反应法核反应法主要用于测量慢中子通量。中子通量：单位时间通过单位面积的中子数。原子核反应用方程式表示：

a(入射粒子)+A(靶核)b(出射粒子)+B(剩余核)+Q

或简写成A（a，b）B

实验表明任何一个核反应，箭头两边的总电荷数Z和总质量数A必须相等；反应前后体系的总能量（静止能量和动能之和）不变，总动量不变。

Q值>0的反应，放热反应；Q值<0的反应，吸热反应。当前第78页\共有122页\编于星期三\12点78目前应用最多的三种核反应：都是放热反应，反应放出的能量变成次级粒子的动能。0是热中子的反应截面，都很大。实际应用最广的是反应。因为硼材料比较容易得到，气态可选用BF3气体，固态有氧化硼、碳化硼等。天然硼中10B含量较高，易浓缩。中子与10B反应有两个过程当前第79页\共有122页\编于星期三\12点793.核裂变法核裂变法就是通过记录中子与重核作用产生的裂变碎片来探测中子的方法。探测不同能量的中子选用不同的裂变材料对热中子和慢中子选235U(=528b)，239Pu(=743b)

，233U(=531b)。裂变时放出能量很大，大约是200MeV，两个裂变碎片共带走170MeV的能量。入射中子能量远小于它，故该法不能测量中子能量，主要测中子通量。核裂变法特点：放出反应能很大，所以本底对测量没有影响，可以在强本底下测量中子。许多重核只有在入射中子能量大于某个阈值后才能发生裂变。利用一系列不同阈能的裂变元素来判断中子的能量，这种探测器称为阈探测器。当前第80页\共有122页\编于星期三\12点804.活化法活化法是中子与原子核相互作用时，原子核吸收中子后形成一个处于激发态的复合核，复合核通过发射射线或射线回到基态。这种俘获中子，辐射射线或射线的过程称为辐射俘获，亦称活化。用115In做激活材料，受中子照射后，新生成的核素一般都不稳定，116In就是放射性的，测量经中子辐照后材料的放射性，就可以知道中子强度。当前第81页\共有122页\编于星期三\12点81二、常见探测器的类型（一）气体探测器（二）半导体探测器（三）闪烁体探测器（四）核乳胶（五）个人剂量计

当前第82页\共有122页\编于星期三\12点82

（一）气体探测器1.工作原理（1）气体的电离

带电粒子通过气体时，与气体原子核外电子发生库仑作用，入射粒子损失部分能量，气体原子则电离或激发。轨道电子获得的能量足以克服原子的束缚成为自由电子，形成电子－离子对。

原初电离：入射粒子和气体原子直接作用产生的电离对。次级电离：电离的次级粒子再次和气体原子作用产生的电离对总电离N0：等于原初电离＋次级电离平均电离功：带电粒子在气体中产生一对电离粒子所需的平均能量。粒子在气体中损失的能量平均电离功当前第83页\共有122页\编于星期三\12点83（2）电子和离子在气体中的运动不加外电场时，电子和离子与气体分子不断碰撞，三种运动状况：

扩散：从密度大的区域向密度小的区域扩散运动

电子吸附：电子被中性气体原子俘获形成负离子

复合：电子和正离子复合形成中性原子加外电场时，电子和离子沿电场方向分别向正负电极做漂移运动。漂移运动有利于总电离的收集，是我们需要的。前三种运动不利于总电离的收集，造成能量测量误差，应设法减小它们的影响。当前第84页\共有122页\编于星期三\12点84（3）外加电场对电离粒子运动的影响0d++++++++--------

-U0z外加电场使电离产生的电子和离子沿电场方向作漂移运动，以利于电荷有效收集。当前第85页\共有122页\编于星期三\12点85第一区段：复合区外加电压很低，离子漂移速度很小，电子吸附效应、扩散效应和复合效应起主要作用。复合的结果，电子离子数目减少，所以电极收集到的离子对数目小于总电离数目。当前第86页\共有122页\编于星期三\12点86第二区段：饱和区（电离室区）随着外加电压增大，离子漂移速度增大，电子吸附、扩散效应的影响减小，发生复合的机会减小，被收集的电荷数逐渐增加。当电压达到某一定值Va时，基本不存在复合，总电离数全部被电极收集，达到饱和。在一定电压范围内(Va-Vb)，被收集电荷不再增加，达到饱和。当前第87页\共有122页\编于星期三\12点87第三段区：正比区工作电压大于Vb后，外加电场很强，电离电子在漂移过程中获得的能量很大，使气体分子再电离，又产生次级离子对。次级电子在漂移时又可能加速到足以再产生次级离子对。如此不断继续下去，使电离的离子对数目比原总电离对数目N0增加很多，称作电子雪崩过程。这种现象称作为气体放大。经气体放大得到的电荷数N与原总电离数N0之比叫做气体放大倍数。气体放大倍数随电压的增加而增加。对确定的探测器，外加电压一定时，放大倍数一定。电极收集的电荷数N正比于原总电离数N0，正比于入射粒子能量。当前第88页\共有122页\编于星期三\12点88第四区段：有限正比区当电场强度大到一定程度时，产生的大量离子对中的正离子，由于漂移速度很慢，滞留在气体空间，形成空间电荷。它们所产生的电场方向与外电场方向相反，从而限制了次级离子继续增加，这就是空间电荷效应。由于空间电荷效应的影响限制了气体放大倍数的增长。这一区段称为有限正比区。当前第89页\共有122页\编于星期三\12点89第五区段：G－M区进入此区后，随着电压的增加，空间电荷效应越来越强，收集到的电荷又一次饱和，与原总电离N0无关。由于空间电荷效应的影响，收集的电荷与入射粒子的种类和能量无关。当前第90页\共有122页\编于星期三\12点90第六区段：连续放电区电压增加到该区，收集的离子对数再次急剧增加，气体连续放电。当前第91页\共有122页\编于星期三\12点912.电离室在核物理发展早期，电离室曾发挥了重要的作用。

1911-1914年Hess和Kolhorster在一系列电离室测量中发现了宇宙射线；

1932年Chadwich利用电离室测量反冲质子，从而证实了中子的存在；

1939年Frish利用电离室证实了核裂变时释放大量的能量。

……至今仍有广泛的应用。如：

测厚仪、核子秤、集装箱CT等等。当前第92页\共有122页\编于星期三\12点92（1）电离室的类型脉冲电离室：记录单个辐射粒子，主要用于测量重带电粒子的能量和强度。电流电离室：记录大量粒子平均效应，主要用于测量X、g、b和中子的强度或通量。当前第93页\共有122页\编于星期三\12点93（2）电离室的构造由两个处于不同电位的电极组成，电极大多是平行板和圆柱形的，也有球形或其他形状的。平板电离室的两个电极通常是圆形金属板。圆柱形电离室中心的收集极一般是一个圆棒或一根金属丝。0d++++++++--------

阴极

阳极

-U0z测量辐射剂量的电离室当前第94页\共有122页\编于星期三\12点94（3）电离室的工作气体电极之间是电离室的有效灵敏体积，充以一定的工作气体。电流电离室常用的工作气体有纯惰性气体、氮气和空气等，也可用混合气体。脉冲电离室常用的工作气体大多是惰性气体加少量多原子分子气体。如：Ar+10%CO2，Ar+10%CH4等。测量中子的电离室，根据中子能量分别充BF3、CH4、H2和3He等，或在电极上覆盖一层浓缩的10B、235U、238U等。当前第95页\共有122页\编于星期三\12点95当前第96页\共有122页\编于星期三\12点963.正比计数器工作于正比区，发生气体放大现象，即被加速的原初电离电子在电离碰撞中逐次倍增而形成电子雪崩。收集极上的感生的脉冲信号幅度V是原初电离感生脉冲幅度的M倍。优点：脉冲幅度较大，比电离室大102－104倍；灵敏度高，适合于探测低能电子和X射线；脉冲幅度几乎与原初电离位置无关。所以，既能用于粒子计数器又能做能谱测量。M：气体放大倍数N0：原初电离对数C：电容－：负极性脉冲当前第97页\共有122页\编于星期三\12点97当前第98页\共有122页\编于星期三\12点984.G-M计数器工作在电离放大曲线的第五区，M>105。电子雪崩持续发展，形成自激放电，增殖的离子对总数与原电离无关。Q0＝MN0e＝常数。特点：1）灵敏度高；2）脉冲幅度大；3）稳定性高4）计数器大小和几何形状可以按要求有较大变化；5）使用方便，成本低，制作工艺和仪器电路均较简单。当前第99页\共有122页\编于星期三\12点99当前第100页\共有122页\编于星期三\12点100小结气体探测器均以气体作为探测介质。电离室、正比计数器、G－M计数器是工作在电离放大曲线不同区段的探测器。在气体探测器中雪崩倍增过程起着十分重要的作用。具有制备简单、性能可靠、成本低廉、使用方便等优点，有广泛的应用。20世纪70年代以来，气体探测器有很大发展，在高能物理和重离子物理实验中获得新的应用，并广泛应用于核医学、生物学、天体物理、凝聚态物理和等离子体物理等领域。当前第101页\共有122页\编于星期三\12点1011）PN结两侧存在电子和空穴，形成电场。2）PN结加上一定电压，外加电压几乎全部加到PN结上，形成很高电场。3）粒子在PN结电场得到加速，在收集极被收集。（二）半导体探测器当前第102页\共有122页\编于星期三\12点102当前第103页\共有122页\编于星期三\12点103（三）闪烁探测器典型的闪烁探测器装置当前第104页\共有122页\编于星期三\12点104光电倍增管当前第105页\共有122页\编于星期三\12点105BGO,LSO&LYSOSamples当前第106页\共有122页\编于星期三\12点106（四）核乳胶组成：核乳胶由银盐颗粒和胶质组成。

溴化银AgBr大部分常用银盐碘化银AgI少量银盐颗粒对带电粒子灵敏，而对光几乎不灵敏。胶质：骨胶和明胶工作原理：带电粒子与AgBr晶粒作用，使AgBr分子分解成Ag原子和Br原子，在一定条件下，Ag原子聚集成Ag集团，形成可显影的核心“潜影”，经化学显影处理，潜影的晶粒还原成黑色的Ag颗粒，把带电粒子的径迹显示出来。当前第107页\共有122页\编于星期三\12点107确保辐射工作人员的安全，对每个工作人员可能受到的辐射剂量都要进行监测。射线种类：α、β、x、γ、中子个人剂量监测一般是测量个人在一段时间（一年或一个月）或一次性操作过程中所接受的β，γ，X射线或中子流外照射的剂量；是直接对人接受的辐射照射进行监测。个人外照射剂量监测的基本手段是使用个人剂量计。ICRP26ICRP60我国5年平均值50mSv/y20mSv/y20mSv/y（五）个人剂量探测器当前第108页\共有122页\编于星期三\12点1081.对个人剂量计的要求从辐射防护监测的角度，最重要的有如下几点：（1）足够的灵敏度或较低的探测阈（2）重复性好（变异系数）（3）能量响应特性好（4）线性好（5）应用范围广（6）尺寸小，佩戴方便，组织等效性好…….个人剂量计的选择：辐射种类、能量范围，混合场等如γ辐射能区：30keV——3MeV当前第109页\共有122页\编于星期三\12点1092.个人剂量计的类型个人外照射监测中有两种类型剂量计“无源的”剂量计：定期（例如每月）收回在实验室进行测读，剂量计批示佩带者已接受了多少剂量，知道了直至某一时刻为止已经接受的剂量就可以控制以后的照射。这种“管理式”的个人剂量计目前在辐射防护中起主要作用。“有源的”剂量计，各种类型的多功能电子剂量计。这类剂量计在防止超剂量照射起重要作用，具有场所监