3核輻射傳感器

1、9.1核輻射傳感器核輻射傳感器的測量原理是基于核輻射粒子的電離作用、穿透能力、物體吸收、散射和反射等物理特性，利用這些特性制成的傳感器可用來測量物質(zhì)的密度、厚度，分析氣體成分，探測物體內(nèi)部結(jié)構(gòu)等，它是現(xiàn)代檢測技術(shù)的重要部分。9.1.1 核輻射檢測的物理基礎(chǔ)1 、同位素在核輻射傳感器中，常采用 a、B、 丫和X射線的核輻射源，產(chǎn)生這些射線的 物質(zhì)通常是放射性同位素。 所謂放射性同位素就是原子序數(shù)相同，原子質(zhì)量不同的元素。這些同位素在沒有外力作用下，能自動(dòng)發(fā)生衰變，衰變中釋放出上述射線。其衰減規(guī)律為：a =a0e_ 讓核輻射檢測要采用半衰期比較長的同位素。半衰期是指放射性同位素的原子核數(shù)衰變到一半

2、所需要的時(shí)間，這個(gè)時(shí)間又稱為放射性同位素的壽命。核輻射檢測除了要求使用半衰期比較長的同位意外，還要求放射出來的射線要有一定的輻射能量。2、核輻射核輻射是放射性同位素衰變時(shí)，放射出具有一定能量和較高速度的粒子束或射線。主要有四種：a射線、B射線、丫射線和X射線射線。a、B射線分別是帶正、負(fù)電荷的高速粒子流；丫射線不帶 電，是以光速運(yùn)動(dòng)的光子流，從原子核內(nèi)放射出來；X射線是原子核外的內(nèi)層電子被激發(fā)射出來的電磁波能量。tl°e表示了某種放射性同位素的核輻射強(qiáng)度。由該式可知，核輻射強(qiáng)度是以指數(shù)規(guī)律隨時(shí)間而減弱。通常以單位時(shí)間內(nèi)發(fā)生衰變的次數(shù)表示放射性的強(qiáng)弱。輻射強(qiáng)度單位用1Ci（居里）表示：

3、1Ci的輻射強(qiáng)度就是輻射源 1s內(nèi)有3.7 X 1010次核衰變。1Ci（居里）=103mCi （毫居里） =106卩Ci（微居里）。在檢測儀表中常用 mCi或卩Ci作為計(jì)量單位。9.1 核輻射傳感器2 核輻射與物質(zhì)間的相互作用（1）電離作用當(dāng)具有一定能量的帶電粒子穿透物質(zhì)時(shí)，在它們經(jīng)過的路程上就會(huì)產(chǎn)生電離作 用，形成許多離子對，電離作用是帶電粒子和物質(zhì)相互作用的主要形式。a粒子（射線）由于能量、質(zhì)量和帶電量大，故電離作用最強(qiáng)，但射程（帶電粒子在物質(zhì)中穿行時(shí)、能量耗盡前所經(jīng)過的直線距離）較短。B粒子質(zhì)量小，電離能力比同樣能量的a粒子要弱，由于B粒子易于散射，所以其行程是彎曲的。丫粒子幾乎沒有直

4、接的電離作用。在輻射線的電離作用下， 每秒鐘產(chǎn)生的離子對的總數(shù)，即離子對形成的頻率可出下式表示:式中：E 帶電粒子的能量；EdI離子對的能量；輻射源的強(qiáng)度；C輻射源強(qiáng)度為1Ci時(shí)，每秒放射出的粒子數(shù)。e2 Ed(2)核輻射線的吸收、散射和反射l°e-ha、B、丫射線穿透過物質(zhì)程中，一部分粒子能量被物質(zhì)吸收，一部分粒子被散射掉, 能量將按下述關(guān)系式衰減：式中I、10分別為射線穿透物質(zhì)前、后的輻射強(qiáng)度，h為穿透物質(zhì)的厚度，p為物質(zhì)的密度，卩為物質(zhì)的質(zhì)量吸收系數(shù)。三種射線中，丫射線穿透能力最強(qiáng)，B射線次之，a射線最弱，丫射線的穿透 厚度比a、B要大得多。B射線穿透物質(zhì)時(shí)，容易改變其運(yùn)動(dòng)方向

5、而產(chǎn)生散射現(xiàn)象。當(dāng)產(chǎn)生 相反方向散射時(shí)，即出現(xiàn)了反射現(xiàn)象。 反射的大小取決于散射物質(zhì)的性質(zhì)和厚度。3射線的散射隨物質(zhì)的原子序數(shù)增大而加大。當(dāng)原子序數(shù)增大到極限情況時(shí)，投射 到反射物質(zhì)上的粒子幾乎全部反射回來。反射的大小與反射物質(zhì)的厚度有如下關(guān)系：lm(1-hh式中：Ih 反射物質(zhì)厚度為 h(mm)時(shí)，放射線被反射的強(qiáng)度；Im當(dāng)h趨向無窮大時(shí)的反射強(qiáng)度，Im與原子序數(shù)有關(guān)；h輻射能量的常數(shù)。當(dāng)I0、1、Im、i h、p等已知后，只要測出I或Ih就可求出其穿透厚度 h。另一方面，當(dāng) I0、 i、h等已知后，只要測出I就可求物質(zhì)的密度 p。9.1.2核輻射傳感器1、電離室放射線傳感器右圖為電離室示意

6、圖。 電離室兩側(cè)設(shè)有二塊平行極板，對其加上極化電壓 E使二極板間形成電場。當(dāng)有粒子或射線射向二極板間空氣時(shí)，空氣分子被電離成正、負(fù)離子。帶電離子在電場作用下形成電離電流，并在外接電阻R上形成壓降。測量此壓降值即可得核輻射的強(qiáng)度。電離室主要用于探測 a、3粒子，它具有堅(jiān)固、穩(wěn)定、成本低、壽命長等優(yōu)點(diǎn)，但輸出電流 很小。電離室示意圖2. 氣體放電計(jì)數(shù)管（蓋格計(jì)數(shù)管）正離子鞘到達(dá)陰極時(shí)得到一定的動(dòng)能，能從陰極打出次級(jí)電子。 由于此時(shí)陽極附近的電場已恢復(fù)，次級(jí)電子又能再一次產(chǎn)生正離子鞘和電壓脈沖，從而形成連續(xù)放電。 若在計(jì)數(shù)管內(nèi)加入少量有機(jī)分子蒸汽或鹵族氣體，可以避免正離子鞘在陰極產(chǎn)生次級(jí)電子，而使放

7、電自動(dòng)停止。體放電計(jì)數(shù)管示意圖9.1核輻射傳感器氣體放電計(jì)數(shù)管的特性曲線如圖所示。圖中11、12代表入射的核輻射強(qiáng)度，11 > 12。由圖可見，在相同外電壓 U時(shí)不同輻射強(qiáng)度將得到不同的脈沖數(shù)N。氣體放電計(jì)數(shù)管常用于探測3粒子和丫射線。陽極 陰極9.1核輻射傳感器當(dāng)核輻射進(jìn)入閃爍晶體時(shí)，晶體原子受激發(fā)光，透過晶體射到光電倍增管的光陰極 上，根據(jù)光電效應(yīng)在光陰極上產(chǎn)生的光電子在光電倍增管中倍增，在陽極上形成電流脈沖， 即可用儀器指示或記錄。閃爍計(jì)數(shù)器示意圖9.1 核輻射傳感器9.1.3核輻射檢測技術(shù)的應(yīng)用1. 核輻射在線測厚儀2. 核輻射物位計(jì)3. 核輻射流量計(jì)4. 核輻射探傷幻燈片159.1 核輻射傳感器1、核輻射在線測厚儀-o-9.1 核輻射傳感器2、核輻射物位計(jì)不同介質(zhì)對丫射線的吸收能力不 同，一般固體最強(qiáng)，液體次之，氣體最差。當(dāng)射線射入厚度為 H的介質(zhì)時(shí)，會(huì)有一部分被介質(zhì)吸收掉。透過介質(zhì)的射線 強(qiáng)度I與入射強(qiáng)度10之間有如下關(guān)系：式中一吸收系數(shù)，條件固定時(shí)為常數(shù)。變形為：因此測液位可通過測量射線在穿過液體時(shí)強(qiáng)度的變化量來實(shí)現(xiàn)。Jjr1-21卜緲卜T檢測儀表15132179HI °eab U-I* 0*-0* 廠11nlnI0lnIg射線物位計(jì)的特點(diǎn)是：1 、可以實(shí)現(xiàn)非接觸測量；2 、不受