核辐射传感器

1、延安大学西安创新学院传感器技术作业题 目: 核辐射传感器专业名称： 电子信息工程学生姓名： 胡海瑞 学生学号： 指导教师： 马惠铖 核辐射传感器摘要:近年来，核辐射传感器由于具有众多优良特性，得到了广泛的关注。本文从核辐射的基本性质开始阐述，系统的介绍了核辐射传感器的组成、原理以及几种常见的核辐射传感器的工作原理。关键词: 核辐射 传感器 核辐射传感器 探测器 电离室 Summary:In recent years, because of the nuclear radiation sensors many good qualities, received extensive attentio

2、n. This article from the nuclear radiation basic properties to formulate, system introduced the nuclear radiation sensors component, the principle and several common gamma radiation sensor principle of work. Keywords: radiation transducer nuclear radiation transducer detector ionization chamber 目录摘要

3、1.核辐射- 3 -1.1核辐射的定义- 3 -1.2 辐射单位- 4 -1.3 核辐射的种类及性质- 4 -2.核辐射传感器- 5 -2.1 核辐射放射源- 5 -2.1.1核辐射强度J- 5 -2.1.2 核辐射线与物质的相互作用- 6 -2.2 核辐射探测器- 7 -2.2.1 电离室- 7 -2.2.2气体放电计数管(盖格计数管)- 8 -2.2.3 闪烁计数器- 9 -2.2.4 正比计数管- 10 -2.3半导体探测器- 10 -3.核辐射传感器的应用- 11 -3.1 核辐射厚度计- 11 -3.2 核辐射液位计- 13 -3.3核辐射物位计- 14 -3.4 X荧光材料成分分析

4、仪- 14 -4.核辐射传感器的发展前景- 16 -5.放射性辐射的防护- 16 -参考文献- 17 -正文1.核辐射核辐射,或通常称之为放射性，它存在于所有的物质之中，既包括我们所喝的水和呼吸的空气之中。核辐射是原子核从一种结构或一种能量状态转变为另一种结构或另一种能量状态过程中所释放出来的微观粒子流。1.1核辐射的定义各种物质都是由一些最简单的物质所组成的，人们把这些最简单的物质称为元素，如碳、氢和氧等,组成每种元素的最基本单元就是原子。凡是在元素周期表中占同一位置，原子序相同而原子质量不同的元素，这种元素称为同位素。原子如果不是由于外来的原因，而是自发地发生原子核结构的变化，则称为核衰变

5、，具有这种核衰变性质的同位素叫做放射性同位素。在衰变中释放出一种特殊的，带有一定能量的粒子或射线，这种现象称为核辐射或放射性。 放射性同位素的核衰变是原子核的“本征”特性,实验表明，放射源的强度是随着时间按指数定理而递减的，放射源强度衰变的速度取决于放射放射性衰变常数，值越大则衰变越快，即： (1-1)式中： I0 -开始时(t=0)的放射源强度； I -经过时间t后的放射源强度； -放射性衰变常数； t -放射时间。1.2 辐射单位 表1常用辐射单位物理量老单位新单位换算关系活度居里(Ci)贝克勒尔(Bq)1Ci=3.7 1010Bq照射量伦琴(R)库仑/千克(C/kg)1R=2.5810-

6、4C/kg吸收剂量拉德(rad)戈瑞(Gy)1Gy=100rad剂量当量雷姆(rem)希沃特(Sv)1Sv=100rem 1.3 核辐射的种类及性质 根据核辐射性质的不同，放射出的粒子或射线有射线、射线、射线、X射线等。1) 粒子一般具有410MeV能量。用粒子电离气体比其他辐射强得多，因此在检测中，辐射主要用于气体分析，用来测量气体压力和流量等参数。2) 粒子实际上是高速运动的电子，它在气体中的射程可达20m。在自动检测仪表中，主要是根据粒子的辐射和吸收来测量材料的厚度，密度或重量；根据辐射的反应和散射来测量覆盖的厚度，利用粒子很大的电力能力来测量气体流量。3) 射线是一种从原子核内发射出来

7、的电磁辐射，它在物质中的穿透能力比较强,在其气体中的射程为数百纳米,能穿过几千米厚的固体物质。 射线被广泛应用在各种检测仪表中，特别是需要辐射和穿透力前的情况，如金属探伤，侧厚以及测量物体的密度等。4) X射线是由原子核外的内层电子被激发而放出的电磁波能量。1.4 核辐射的危害当人们暴露于核辐射环境下，可能会得辐射病。这种病是有症状的。几小时内你就会感到恶心呕吐，随后会出现腹泻、头痛或发烧等症状。在最初的症状过去之后，可能会出现一个短暂的无症状期，但数周后就会出现新的、更严重的症状。在更高的辐射剂量下，这些症状可能出现的更快，也更明显。同时，核辐射会对人体内脏造成广泛的，很多时候甚至是致命的伤

8、害。暴露在核辐射中，一半的健康成年人无法承受4戈雷的辐射剂量。2.核辐射传感器 核辐射传感器利用放射性同位素来进行测量的传感器，又称放射性同位素传感器。核辐射传感器是基于被测物质对射线的吸收、反散射或射线对被测物质的电离激发作用而进行工作的。核辐射传感器一般由放射源，探测器以及电信号转换电路组成，可以检测厚度和物位等参数。放射源和探测器是核辐射传感器的重要组成部分，放射源由放射性同位素物质组成。探测器即核辐射检测器，它可以探测出射线的强弱及变化。随着核辐射技术的发展,核辐射传感器的应用越来越广泛。2.1 核辐射放射源 检测技术常用四种核辐射源： , , 射线源和X射线管。2.1.1核辐射强度J

9、 单位时间内在垂直于射线前进方向的单位截面积上穿过的能量的大小，称为核辐射强度J0。一个点源照射在面积为S的检测器上，其辐射强度J0为(2-1)r0-辐射源到检测器之间的距离；A -源强度；C -在源强度为1居里时,每秒放射出粒子数；K -次裂变放射出的射线数；S -检测器的工作面积。 如果知道粒子的能量,则辐射强度的计算公式为 (2-2)E -粒子的能量MeV2.1.2 核辐射线与物质的相互作用 1) 电离作用: 带电粒子和物质相互作用的主要形式。 射程: 带电粒子在物质中穿行时其能量逐渐耗尽而停止运动,其穿行的一段距离(起点和终点的距离)叫离子的射程。射程是表示带电粒子在物质中被吸收的一个

10、重要参数。 (2-3)E -带电粒子的能量；E -离子对的能量；A -源强度；C -在源强度为1居里时,每秒放射出的粒子数。2) 核辐射的吸收和散射 一个细的平行的射线束穿过物质层后其强度衰减经验公式： (2-4) J -穿过厚度为x mm 的物质后辐射强度； J0-射入物质前的辐射强度； x -吸收物质的厚度； m-物质的质量吸收系数； -物质密度。 射线的质量吸收系数近似公示： (2-5) Emax -粒子的最大能量。 3) 散射问题 射线在物质中穿行是容易改变运动方向而产生散射现象。尤其是向反方向的散射即反射。反射的大小取决于散射物质的厚度和性质的原子序数Z越大,则粒子的散射百分比也越大

11、。 发射的大小与反射板的厚度有关： (2-6) JS -反射板为x mm 时,放射线被反射的强度； JSmax=f(Z) -当x趋于无穷大时的反射强度； (s)-取决于辐射能量的常属。2.2 核辐射探测器 探测器就是核辐射的接收器,它是核辐射传感器的重要组成部分，是指能够指示、记录和测量核辐射的材料或装置。其用途就是将核辐射信号转化成电信号,从而探测出射线的强弱和变化。目前用于检测仪表上的主要有电离室，闪烁计数器和盖格计数等。2.2.1 电离室电离室是气体探测器中原理最简单的。电离室的正常工作是利用电场收集在气体中直接电离所产生的全部电荷。电离室由两个基本电极组成，一个是高压电极，另一个是收集

12、电极，室内充有高压气体氩气，外面是一个密封外壳。气体探测器的原理是，当探测器受到射线照射时，射线与气体中的分子作用，产生由一个电子和一个正离子组成的离子对。这些离子向周围区域自由扩散。扩散过程中，电子和正离子可以复合重新形成中性分子。但是，若在构成气体探测器的收集极和高压极上加直流的极化电压V，形成电场，那么电子和正离子就会分别被拉向正负两极，并被收集。随着极化电压V逐渐增加，气体探测器的工作状态就会从复合区、饱和区、正比区、有限正比区、盖革区(G - M区)一直变化到连续放电区。 图2.2 电离室示意图图2.2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。

13、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、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。电离室的结构有各种类型,现已圆筒形电离室为例来说明其结果,如图2.3所示.收集极4绝缘必须好,如果绝缘不良,极微小的电离电流也会漏掉,就可能测不到信号.在收集极4和高压极5之间配有保护环2,保护环与收集极和高压极之间是绝缘的,且保护环要接地,这是为了使高压不致漏到收集极去干扰有用信号。电离室除了空气式外，还有密封充气的,一般充氩等惰性气体，气压可稍大与大气压，这

14、有助于增大电流，同时密封可以维护内部气压的恒定，减少受外界气压波动而带来的影响.电离室的入射窗口通常用铝箱或其他塑料薄膜，它的密度要尽可能小，以减少射线入射时在上面造成的能量损失，同时又要有足够的强度，以承受内部的气压。电离室的结构必须非常牢固，尤其是电极结构更要牢固,否则会由于周围的振动引起信号的波动而无法测量。由于粒子、粒子和射线性质各不相同,能量也不一样，所以用来探测的电离室也互不相同,不能互相通用。2.2.2气体放电计数管(盖格计数管)盖格计数管也是根据射线对气体的电离作用而设计的辐射探测器.它与电离室不同的地方主要在于工作在气体放电区域， 具有放大作用。其结构如右图所示.计数管以金属

15、圆筒为阴极，以筒中心的一根钨丝或钼丝为阳极， 筒和丝之间用绝缘体隔开。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。 在盖格计数管中，阴极和阳极间施加比计数管高的电压.X射线、射线、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

16、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。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。 为了克服这个问题，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

17、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。盖格计数管由于有气体放大作用，所产生的电流比电离室的离子流大好几千倍， 因此它不需要高电阻，其负载电阻一般不超过1，输出的脉冲一般为几伏到几十伏.图2.5为计数管的特性曲线，在一定的核辐射照射下， 当增加二极间的电压时，在一定范围内只能增加脉冲的幅度U，而计数率N只有微弱的增加。图中ab段对应的曲线称为计数管的坪。J1、J2代表入射的核辐射强度，且J1J2。由图可知，在外电压U相同的情况下，入射的核辐射强度越强， 盖革-弥勒计数管内产生的脉冲数N越多。计数管所加电压由所加气体决定，卤素计数管为280400 V，有机计数管为800

18、1000 V。2.2.3 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,光电倍增管和输出电器两组成,如图2.6所示。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。由于发射的电子通过闪烁体时,会有一部分被吸收和散射,因此要求闪烁体的发射光谱和吸收光谱的重合部分要尽量的小,装置也要有利于光子的吸收。光阴极上

19、射出电子的效率与入射光子的波长有关,所以必须选择闪烁体发光的光谱范围,使其能够很好地配合光阴极的光谱响应。要是闪烁体发出的荧光尽可能地被收集到光阴极上,除对闪烁体本身的要求外,还要求个方向的光子通过有效的漫反射把光子集中到光阴极上,碘化钠晶体除一面与光阴极接触外,周围全部用氧化镁粉敷上一层。为了减少晶体和光阴极之间产生全反射,常用折射率较大的透明媒质作为晶体与光电倍增管的接触媒质。为了更有效地将光导入光阴极,常在闪烁体和光阴极,常在闪烁体和光阴极之间接入一定形状的光导.常用的光导材料为有机玻璃等。2.2.4 正比计数管正比计数管的结构如图2.7所示.它是由圆筒形的阴极和作为阳极的中央芯线组成的

20、， 内封有稀有气体、氮气、二氧化碳、 氢气、甲烷、丙烷等气体。当放射线射入使气体产生电离时,由于在芯线近旁电场密度高， 电子碰撞被加速， 在气体中获得足够的能量，碰撞其它气体分子和原子而产生新的离子对； 此过程反复进行而被放大，人们将此过程称为气体放大。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。正比计数管大多数是圆柱形或者球形、半球形。其阳极很细，阴极直径较

21、大，这主要是为了在外加电压较小的情况下， 使阳极附近仍能有很强的电场，以便有足够大的气体放大倍数。 正比计数管可以在很宽的能量范围内测定入射粒子的能量， 能量分辨率相当高，分辨时间很短，并且可作快速计数。2.3半导体探测器半导体探测器是近年来迅速发展起来的一种射线探测器。我们知道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。 就半导体而言，主要

22、使用的是Si和Ge，对GaAs、CdTe等材料也进行了研究。目前, 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。3.核辐射传感器的应用核辐射传感器是基于被测物质对射线的吸收、反散射或射线对被测物质的电离激发作用而进行工作的。3.1 核辐射厚度计透射式厚度计如图所示，它是利用射线穿透物质的能力来制成的检测仪表。它的特点是放射源和核辐射探测器分别置于被测物体的两侧，射线穿过被测物体后射入核辐射探测器。由于物质的吸收，使得射入核辐射探测器的射线强度降低，降低的程度和物体的厚度等参数有关。如前所述，射到探测器的透射射线强度J和物体厚度t的关系为(3-1)或

23、(3-2)式中：-被测材料的密度；-被测材料对所用射线的质量吸收系数；J0-没有被测物体时射到探测器处的射线强度。对于一定的放射源和一定的材料就有一定的和，则测出J和J0即可计算确定该材料的厚度t。图3.1所示为零位法的透射式厚度计。放射源的射线穿过被测物体射入测量电离室1，射线也穿过补偿楔射入补偿电离室2。这两个电离室接成差式电路，流过电阻上的电流为两个电离室的输出电流之差。该电流差在电阻上产生的电压降，使振荡器振荡，变为交流输出，在经放大后加在平衡电动机上，使电动机正转或反转，带动补偿楔移动，直到两个电离室接受的射线强度相等，使电阻上电压降等于零为止；根据补偿楔的移动量可测知厚度。还可以用

24、散射法测量厚度。散射法指利用核辐射被物体后向散射的效应制成的检测仪器。其特点是放射源和核辐射探测器可置于被测物质的同一侧，射入的被测物质中的射线，由于和被测物质的相互作用，而使得其中的一部分射线反向折回，并进入位于与放射源同侧的核辐射探测器而被测量。后向散射测量厚度的示意图如图3.2所示。射线强度与散射体厚度之间的关系式(3-3)式中：t和 -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”时的后向散射射线强度； K -与射线能量有关的系数。 3.2 核辐射液位计液位信号器是对几个固定位置的液位进行测量，用于液位的上、下限报警等。连续液位测量是对液位连续地进行测量，它广泛地应用于石

25、油、化工等诸多领域，具有非常重要的意义。辐射法测液位的原理：射线的穿透力强，射程远，故在核辐射液位测量中广泛采用.实验证明，穿过物质前后射线强度会发生变化。核辐射液位仪采用非接触式安装，如图3.3所示。图a采用点式放射源、探测器，测量范围较小；图b采用点式放射源、线状探测器，测量范围较大；图c采用线状放射源、探测器，测量范围最大。除射线外，中子射线也可用来测量液位。中子射线的穿透能力极强，比射线强10倍以上，可穿透壁厚达9英寸的钢质容器。射线液位仪安装方便，测量精度能满足大罐测量的需要，有一定的应用场合。 图3.3 核辐射液位仪的测量原理框图3.3核辐射物位计以应用射线检测物位。测量物位的方法

26、有很多，图中给出了其中一些典型的应用实例。如图3.4是定点测量的方法。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。图b是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300500 mm)，测量准确度较低。为了克服图b存在的上述缺点，可采用线状的射线源；如图c；或采用线状的探测器，如图d虽然对射线源或探测器

27、的要求提高了，但这两种方法既可以适应宽量程的需要，又可以改善线性特性。 图3.4 辐射式物位计的测量原理框图3.4 X荧光材料成分分析仪射到物质上的核辐射所产生的次级辐射称为次级荧光射线（如特征X射线），荧光射线的能谱和强度与物质的成分、厚度及密度等有关。利用荧光效应可以检测覆盖层厚度、物质成分、 密度和固体颗粒的粒度等参数。 荧光式材料成分分析仪具有分析速度快，精度高，灵敏度高，应用范围广，成本低，易于操作等优点，已经得到广泛应用。能量色散X射线荧光成分分析仪是根据初级射线从样品中激发出来的特征X射线荧光对材料成分进行定性分析和定量分析的。即初级射线从样品中激发出来的多种能量的各组成元素的特征X射线射入探测器，该探测器输出一个和射入其中的X射线能量成正比的脉冲， 这些脉冲输给脉冲高度分析器、定标器和显示记录仪器，给出以X射线荧光能量为横坐标的能谱曲线，由能谱曲线的峰位置及峰面积的大小，就可以求出样品中含有什么元素及它的质量含量。能量色散型X射线荧光分析仪的探头部