核辐射测量原理复习知识要点

第一章辐射源1、试验室常用辐射源有哪几类？按产生气制每一类又可细分为哪几种？带电粒子源快电子源：β衰变内转换俄歇电子重带电粒子源：α衰变 自发裂变非带电粒子源电子辐射源：伴随衰变的辐射、湮没辐射、伴随核反响的射线、轫致辐射、特征X射线中子源：自发裂变、放射性同位素〔α，n〕源、光致中子源、加速的带电粒子引起的反响2、选择辐射源时，常需要考虑的几个因素是什么？答：能量，活度，半衰期。3、252Cf可做哪些辐射源？答：重带点粒子源〔α衰变和自发裂变均可、中子源。其次章 射线与物质的相互作用电离损失而损失其能量作用机制：入射带电粒子与靶原子的核外电子间的非弹性碰撞。辐射损失：入射带电粒子与原子核发生库仑相互作用，以辐射光子的方式损失其能量。作用机制：入射带电粒子与靶原子核间的非弹性碰撞。能量歧离能量损失的统计分布，称为能量歧离。引起能量歧离的本质是：能量损失的随机性。射程：带电粒子沿入射方向所行径的最大距离。路程：入射粒子在物质中行径的实际轨迹长度。入射粒子的射程：入射粒子在物质中运动时，不断损失能量，待能量耗尽就停留在物质中，它沿原来入射方向所穿过的最大距离，称为入射粒子在该物质中的射程。重带电粒子与物质相互作用的特点：1、主要为电离能量损失2、单位路径上有屡次作用——单位路径上会产生很多离子对3、每次碰撞损失能量少4、运动径迹近似为直线5、在全部材料中的射程均很短电离损失： dE z2e4 辐射损失： dE z2E-

= NZB

NZ2 dx

ion

mv20

dx

m2rad快电子与物质相互作用的特点： S1、电离能量损失和辐射能量损失

1rad m2

S Erad2、单位路径上较少相互作用——单位路径上产生较少的离子对3、每次碰撞损失能量大4、路径不是直线，散射大

S NZ2raddE/dxion

EZ800带电粒子在靶物质中的慢化：电离损失－带电粒子与靶物质原子中核外电子的非弹性碰撞过程。辐射损失－带电粒子与靶原子核的非弹性碰撞过程。带电粒子与靶原子核的弹性碰撞带电粒子与核外电子弹性碰撞即轫致辐射：带电粒子穿过物质时受物质原子核的库仑作用，其速度和运动方向发生变化，会伴随放射电磁波。电子的散射与反散射：电子与靶物质原子核库仑场作用时弹性散射。向，电子沿其入射方向发生大角度偏转，称为反散射。反散射系数： I I 0I0MaEMaER Mc2kc 2E阻挡时间：TRRR Mc2kc 2Ev kv正电子与物质的相互作用特点：

T1.2107R正电子与物质发生相互作用的能量损失机制和电子一样。湮没，放出光子，或者，它与一个电子结合成正电子素，然后再湮没，放出光子。湮没辐射：正电子湮没放出光子的过程。湮没光子：正电子湮没时放出的光子。两个湮没光子的能量一样，各等于0.511MeV射线与物质的相互作用特点：光子是通过次级粒子与物质的原子核或原子核外电子作用，一旦光子与物质发生作用，光子或者消逝或者受到散射而损失能量，同时产生次电子；产生次级粒子主要的方式有三种，即光电效应、康普顿效应和电子对效应。光电效应：射线(光子)与物质原子中束缚电子作用，把全部能量转移给某个束缚电子，使之放射出去光电效应主要发生在原子中结合的最紧的K层电子上。光电子能量为：E =hv-Be i光电截面： 5σ =8σ =8πth3e22mc20

kk层光电截面mc2

7

172h mc2

321422

0 Z5 Z5 0 k h

th h 0

0

Z5

Z5 Z51k h 1

h ph光电效应：

Z5

hv 电子对效应： 康普顿散射：

phZ phcZ2cp低能、高Z，光电效应占优势；中能、低Z，康普顿散射占优势；高能、高Z，电子对效应占优势。康普顿效应：发生变化，称为散射光子。反冲电子与散射光子的能量与散射角及入射光子能量之间的关系：EPγE

hv=hv/cEmc2

mc20

mc2mv01-β2mv01-β2Pe

=mv=

v/cE2=P2c2+m2c4E散射光子能量：e 0EE= γγ E

反冲电子能量：E2(1cos)E 1+ γ0

(1-cosθ)

e mc2E0

(1cos)反冲角：

ctg1 E tg22 m0c 22任何一种单能射线产生的反冲电子的动能都是连续分布的。且存在最大反冲电子动能。在最大反冲电子动能处，反冲电子数目最多，在能量较小处，存在一个坪。电子对效应：是当入射射线(光子)能量较高(>1.022MeV)时，当它从原子核旁经过时，在核力的作用下，入射光子转化为一个正电子和一个电子的过程。同时满足能量和动量守恒。电子对效应要求入射光子的能量必需大于1.022MeV。正负电子的总动能为： E E hv2mc2电子对效应的截面 ehv 2mc2时：0

e 0 Z2Ep hv2mc20

时：

Z2lnEp 射线没有射程的概念。窄束射线强度衰减听从指数衰减规律，只有吸取系数及相应的半吸取厚度的概念。质量厚度：tt I(t)m

emtm0

t1/2

二项式分布数学期望 mE

N

nPN0

nN p0 n N

2 方差 σ2

= D ξ = =0

n-E ξ

P nN0 N pq E 0

1 p泊松分布

mnemn!数学期望 E 0

n P n m方差 D高斯分布 0概率密度函数为：

nE2Pnmfx

1 xm2exp22数学期望 Exxfxdx

22 方差 Dx

2fx

dx2串级随机变量串级随机变量的主要特点：1 2

2D

DE2D

12

1 21E 211 21一个核在0~t时间内发生衰变的概率为： Np 1etN0长寿命核素在核衰变过程中核衰变数的方差与其平均值相等误差传递公式：y2 y2 y22x2

x2

x2y x x x1 2 n1 2 n分析一些常见状况：(22)(22)x x 1 2 y

v y x

2x

)1/2/(x1

x)21 2 1 2tNb；其次次，放上样品，在一样时间内测得样品和本底的总计数为Ns。sb2N2sb2N2)bNs0N Nbs其标准偏差为：N NbsN0对放射性计数的标准误差只需用一次计数N或有限次计数的平均值 开方即可得到。mNNσ = = =mNNNv2(n0v2(n0n sn)2bminT＝ts+tb内使测量结果的误差最小ns1ns1 n/nbs/nbs

t 1 T11ns/nb产生电子—正离子对或电子—带电粒子形成的离子对数是涨落的，同样是一个随机变量，听从肯定的概率分布。共产生的离子对数的平均值：

n=E ω0离子对数涨落的标准误差及相对标准误差nEω0σnEω0

ν=σ= 1 = ωnn En0FFnFnF 观测的nFnFn泊松统计推测的方差 n F一般取1/2—1/3(气体)或0.1~0.15(半导体) 把这种分布称为法诺分布。入射粒子直接产生的离子对称为原电离。初电离产生的高速电子足以使气体产生的电离称为次电离。总电离=原电离+次电离电离能ω ：带电粒子在气体中产生一电子离子对所需的平均能量。对不同的气体，ω大约为30eVE0N=E0ω离子对听从法诺分布离子对数的方差

σ2=FN=FE0ω电子与离子在气体中的运动：1、漂移〔电场作用；2、集中〔小；3、电子的吸附和负离子的生成；4电子吸附效应、电荷转移效应、复合效应等，都不利于电荷收集。电离室的工作机制脉冲型工作状态记录单个入射粒子的电离效应，处于这种工作状态的电离室称为：脉冲电离室。用于重带电粒子的能量和强度测量。累计型工作状态记录大量入射粒子平均电离效应，处于这种工作状态的电离室称为：累计电离室。多用于X，γ、β和中子的强度、通量、剂量、剂量率测量。输出回路的定义：输出信号电流全部流过的回路都包括在输出回路中。输出回路的简化过程：①感应电荷在外回路上形成的电流，在负载电阻RL上形成电压，有信号输出；②测量仪器有内阻、电容；C1。C′。输出电流：

eN

N

I(t) E r

r

E r

r t V0电离室的输出电压信号

j1V

jt=

e-tRC te00C0

je-tRCe00

k kk10 探测效率

记录下来的脉冲数射入电离室灵敏体积的粒子数能量区分率：

FWHMhEE灵敏度：单位强度的射线照耀下输出的电离电流

输出的电流〔电压〕值入射粒子流的强度

A/(cm2s1)

Ne=E0eC ωC0 0 0——＋是ms度不能太大，并且要求放大器电路频带格外宽，噪声大而非有用。输出电压脉冲幅度h-Q—与初始电离位置有关。正比计数器的工作原理出信号幅度比脉冲电离室显著增大。雪崩--电在气体中的电离碰撞过程。 发生雪崩的阈值电场：ET~106V/m。alnbaE alnba

~104V/cm

VT称为正比计数器的起始电压(阈压).对于一个确定的正比计数器，只有当工作电压V>VT时，才工作于正比计数器工作区，否则工作于电离室区。正比计数器输出信号主要由正离子漂移奉献。气体放大倍数M=n(a)/n(r)0与正比计数器比较，最根本的区分在于GM计数管的输出脉冲幅度与入射粒子的类型和能GM死时间tD：随正离子鞘向阴极漂移导致电场屏蔽的减弱，电子又可以在阳极四周发生雪崩的时间。恢复时间tR：从死时间到正离子被阴极收集，输出脉冲恢复到正常的时间。区分时间τ：从“0”到其次个脉冲超过甄别阈的时间，与甄别阈的大小有关。设单位时间内进入探测器的平均粒子数即平均计数率为mn,不变nn时间内进入计数器而没被记录的粒子数为mn。mnnm

n1n第五章闪耀体探测器闪耀体种类 无机晶体(掺杂)：NaITlCsITlZnSAg玻璃体：

LiO2

2SiO2

(锂玻璃)纯晶体：

GeO4 3 12二、有机闪耀体：有机晶体——蒽晶体等；有机液体闪耀体及塑料闪耀体。三、气体闪耀体：Ar、Xe等。闪耀计数器工作机制：12PMT)的光阴极，通过光电效应打出光电子。34发光效率：指闪耀体将所吸取的射线能量转化为光的比例确定闪耀效率： EC

100%

Eph闪耀体放射光子的总能量；np E E入射粒子损耗在闪耀体中的能量。光能产额： n nph为产生的闪耀光子总数。Y ph E

光子数MeVn E 1 CY ph ph npph E hv E hvtτtτ对于大多数无机晶体，t时刻尚未退激的原子〔分子〕数：nt =n e-ph退激发出的光子数：

n t=n -n(t)=n (1-e-tτ)ph ph ph发光强度：单位时间内发出的总光子数〔打算输出光脉冲的曲线外形〕n TMe

ph e 发光衰减时间M:光电倍增管总的倍增系数闪耀探测器输出信号的涨落

v2 1

2 1 1

2 1nph n11

ne ne

n ph

M (1)12

1 2 1

1

1 1nA n

M n

1 Te ph闪耀谱仪能量区分率的极限：

1 n1

T 1

1hv2mc2

Eh E h

2.36 2.36n n 111ph10 Compton连续dN谱 全能峰(光电dE 峰)Compton边沿hv2mc20 dNdE

hv双逃逸峰

E全能峰(光电峰)Compton连续谱hv2m0c2 hv E全能峰(光电峰)屡次Compton散射hvEdNhv全能峰(光电峰)屡次Compton散射hvEdN0dEhv2mc2 dN0dE

双逃逸峰

单逃逸峰

全能峰(光电峰)屡次Compton散射hv2mc20

hvmc2 hv E0反散射峰dNdE ①

漂浮峰③特征X射线峰

②0.2MeV

0.511MeVE闪耀谱仪的能量区分率 全能峰的半宽度全能峰顶所在处的幅度值第六章半导体探测器我们把气体探测器中的电子－离子对PMT第一打拿极收集的电子及半导体探测器中的电子－空穴对统称为探测器的信息载流子30eV(气体探测器)，300eV3eV(半导体探测器)。半导体探测器的特点：能量区分率最正确；射线探测效率较高，可与闪耀探测器相比。常用半导体探测器有：P-N锂漂移型半导体探测器；高纯锗半导体探测器；金硅面垒(SurfaceBarrier)探测器FFwE输出脉冲幅度的统计涨落E2.36vE N

2.36FwEF为法诺因子，对Si，F=0.143；对Ge，FwE能量区分率FWHM表示：FWHMEE为半高宽或线宽，单位为：KeV。探测器和电子学噪声

2.36

FWHME称探测器的噪声由P-N结反向电流及外表漏电流的涨落造成；电子学噪声主要由第一FET构成，包括：零电容噪声和噪声斜率。噪声的表示方法：等效噪声电荷ENC，即放大器输出端的噪声的均方根值等效于放大器加宽，参照产生信号的射线的能量，用FWHM表示，其单位就是KeV。例如，E