核輻射測量原理課件

1、1核輻射測量原理 2分析傳送帶上的煤品質(zhì)3輻射源探測器輻射源4輻射源基本概念和分類重帶電粒子與物質(zhì)的相互作用快電子與物質(zhì)的相互作用射線與物質(zhì)的相互作用中子與中子探測 概率論基礎(chǔ)知識，放射性測量中的統(tǒng)計學(xué)氣體電離探測器閃爍探測器半導(dǎo)體探測器其它探測器及進展放射性樣品的活度測量核物理實驗中的符合法帶電粒子和射線的能譜測量理論課內(nèi)容安排：5教材： 原子核物理實驗方法.清華大學(xué)，復(fù)旦大學(xué)等三校合編，原子能出版社.參考書：（1）Radiation Detection and Measurement, G F Knoll, John Wiley & Sons, New York, 1989.（2）核輻射物

2、理及探測學(xué)，清華大學(xué)工程物理系， 2008（內(nèi)部使用）。 （3）核輻射探測器與核電子學(xué)，賴萬昌.成都理工大 學(xué)03年5月（內(nèi)部使用）（4）核輻射測量原理.湯彬（內(nèi)部使用）. 6第一章 輻射源7A輻射可以分為如下四種類型：帶電粒子輻射 快電子 重帶電粒子非帶電輻射 中子 電磁輻射8快電子：包括核衰變中發(fā)射的粒子（正或負(fù)） 以及其他過程產(chǎn)生的具有相當(dāng)能量的電子。重帶電粒子：包括質(zhì)量為一個或多個原子質(zhì)量 單位并具有相當(dāng)能量的各種離子，如粒 子、質(zhì)子、裂變產(chǎn)物和核反應(yīng)產(chǎn)物等。9中子：產(chǎn)生于各種核轉(zhuǎn)變過程，通常分為慢中 子和快中子。電磁輻射：能量范圍在10eV20MeV,這個能 量下限是輻射或輻射與物質(zhì)

3、相互作用的次 級產(chǎn)物能使空氣等典型材料發(fā)生電離所需 的最低能量，能量大于這個這個最低值的 輻射稱作致電離輻射。10B 對于我們所關(guān)注的輻射，其主要不同在于他們的“硬度”或者說穿透物質(zhì)的厚度；軟輻射:如射線, x射線(低能), 僅能穿透很薄的 物質(zhì)。微米量級；硬輻射:如射線,中子；幾毫米幾厘米；介于兩者之間的輻射:如射線。零點幾毫米；11放射源的生產(chǎn)和制造例如 : 放射源1） 60Co T 1/2 =5.27年2） 137Cs T 1/2 =30.17年121.1 單位和定義1.2 快電子源1.3 重帶電粒子源1.4 電磁輻射源1.5 中子源13定義：單位時間內(nèi)某種核素的原子核發(fā)生衰變的數(shù)目，常

4、用A來表示。A = -dN/dt = N0e-t = A0e-t 1.1.1 放射性活度1.1 單位和定義14放射性活度單位早期單位： 居里(Ci): 1Ci = 3.71010 s-1 1mCi = 3.7107 s-1 1Ci = 3.7104 s-1 盧瑟福(Rd):1Rd = 1106 s-1現(xiàn)在單位： 貝克勒爾(Bq): 1Bq = 1 s-1 1Ci = 3.71010 Bq 1Rd = 1.0106 Bq15放射性強度定義：放射源在單位時間內(nèi)放出某種粒子的個數(shù)，可以用I來表示。與A的關(guān)系：活度是針對放射性核素的原子核的，而強度是針對放射出的射線的；舉例：60Co源一次衰變釋放2個

5、光子，因此60Co源的射線強度是放射性活度的2倍。比活度定義：單位質(zhì)量的放射性物質(zhì)的活度。舉例：如8.8610-10g的活度為3.7104Bq，則比活度為： 3.7104 Bq/8.8610-10 g = 4.181013 Bqg-1161.1.2 能量 輻射能量測量的單位常用電子伏 eV,(keV, MeV).國際單位制（SI）中的能量單位是焦耳(J) 1 fJ(10-15J)=6.241*103eVX射線或光子的能量與其輻射頻率有關(guān) :這里： h=普朗克常數(shù) (6.602x10-34Js或 4.135x10-15eVs). v=輻射頻率 光量子的波長為 ：其中的單位是米（m)，E的單位是電

6、子伏(eV)171.2 快電子源1.2.1 衰變 在輻射測量中常用的快電子源是放射性同位素經(jīng)-衰變得到的 這里： X, Y 是衰變前后的核素類型. 是反中微子每種類型的衰變都有固定的衰變能或Q值(極限能).衰變過程中粒子的能量范圍可從0變化到Q值, 如表 1-1所示.18Figure 1-1 The decay scheme of 36Cl and the resulting beta particle energy distribution. 19Table 1-1 Some “Pure” Beta-Minus SourcesNullideHalf-lifeEndpoint energy/M

7、eV3H12.26y0.018614C5730y0.15632P14.28d1.71033P24.4d0.24835S87.9d0.16736Cl3.08105y0.71445Ca165d0.25263Ni92y0.06790Sr/90Y27.7y/64h0.546/2.2799Tc2.12105y0.292147Pm2.62y0.224204Tl3.81y0.7662014 C 14N + e- + ( 6 ,14 ) ( 7,14 ) ( -1,0 ) ( 0,0 ) 考古測年21221.2.2 內(nèi)轉(zhuǎn)換-衰變源的能量連續(xù)分布-電子探測器能量刻度？Eex 原子核處于激發(fā)態(tài)時的能量Eb 電子在

8、原來殼層中的結(jié)合能232425 俄歇電子與內(nèi)轉(zhuǎn)換電子有些類似，只是激發(fā)能量來自原子而非原子核； 前導(dǎo)過程（如電子俘獲）可能使原子中通常完整的電子殼層產(chǎn)生空位，這個空位常被原子的外層電子所填充，同時發(fā)射特征X射線；或者，原子的激發(fā)能直接傳遞給它的一個外層電子，使其脫離原子，即俄歇電子，其能量為原子原有的激發(fā)能與該俄歇電子原來所在殼層的結(jié)合能之差。 俄歇電子能譜是與各初態(tài)和終態(tài)相對應(yīng)的幾組分離譜。1.2.3 俄歇電子26 一般情況下，俄歇電子的能量比粒子和內(nèi)轉(zhuǎn)換電子的能量低；271.3 重帶電粒子源1.3.1 衰變 衰變機理服從量子力學(xué)中的勢壘貫穿理論，常用源的半衰期從幾天到幾千年不等。28293

9、0Notes:1）粒子具有一個或幾個能量組，每組能量都是 單能的；2）粒子能量范圍在47MeV之間；3）241Am是最常用的粒子刻度源；4）常用探測器是硅固體探測器。310.1560.1020.0590.0005.389MeV(1.0%)5.443MeV(12.5%)5.869MeV(86.0%)5.545MeV(0.3%)0.097(0.02%)0.043(0.1%)0.102(0.02%)0.059(36%)241Am237NpFig. 1-3 alpha particle groups produced in the decay of 241Am 3233 裂變過程是產(chǎn)生質(zhì)量大于粒子的、

10、具有相當(dāng)能量的重帶電粒子的唯一天然源，因此裂變碎片廣泛用于刻度和檢驗重粒子探測器； 最廣泛應(yīng)用的自發(fā)裂變源是252Cf；see fig.1-4(a) (b).1.3.2 自發(fā)裂變3435361.4.1 伴隨衰變的輻射 受激態(tài)原子核向較低核能級躍遷時發(fā)射輻射1.4 電磁輻射源3738Notes：1）受激核態(tài)在放射性母核衰變過程中形成，每一種 情況都有一定形式的衰變達到子核的受激態(tài)；2）射線的能量是單能的；3）基于衰變的射線源能量一般低于2.8MeV。39輻射監(jiān)測器注入放射源40 當(dāng)母核經(jīng)受+衰變時還伴有另外的電磁輻射，起因在于初級衰變過程中產(chǎn)生的正電子的湮沒。湮沒輻射： 正電子在接近其射程末端時

11、，與吸收材料中的電子相結(jié)合，原來的正電子和電子消失，代之以向相反發(fā)射的0.511MeV 的光子例: 22Na衰變1.4.2 湮沒輻射411.4.3 伴隨核反應(yīng)的射線如果所需要的射線的能量高于放射性同位素所能達到的能量，就需要另外一些過程；例1:4.44MeV 例2: 6.130MeV 421) 對于在靶物質(zhì)中減速并停止的單能電子，韌致輻 射能譜是連續(xù)譜，光子能量一直延續(xù)到電子本身 的能量。2) 通過過濾，即穿過適當(dāng)?shù)奈瘴镔|(zhì)，可使由X射線 管所產(chǎn)生的能譜形狀得到改善。3) 韌致輻射源可由包括粒子在內(nèi)的其它快電子源 產(chǎn)生。1.4.4 韌致輻射 當(dāng)快電子與物質(zhì)相互作用時，其部分能量將轉(zhuǎn)換成韌致輻射

12、；43如果原子中的軌道電子的正常組態(tài)被某種激發(fā)過程打亂，該原子可能在短暫的時間內(nèi)處于受激態(tài)。電子的自然趨向是重新排列，以使原子恢復(fù)到最低能態(tài)或基態(tài)，在固態(tài)物質(zhì)中電子重新排列的時間不超過ns。 在從激發(fā)態(tài)到基態(tài)的躍遷中以特征X射線光子的形式釋放能量，該光子的能量等于初態(tài)與終態(tài)間的能量差。1.4.5 特征X射線44熒光產(chǎn)額： 對于受激態(tài)的原子，發(fā)射俄歇電子與發(fā)射特征X射線是相互競爭的過程；在退激過程中受激態(tài)原子發(fā)射特征X射線光子所占的百分比叫做熒光產(chǎn)額.45a.放射性衰變激發(fā) 在電子俘獲核衰變過程中，由于獲得了一個軌道電子，核電荷減少一個單位。生成的原子仍然具有相當(dāng)數(shù)目的軌道電子，然而俘獲過程已在

13、某一殼層中建立了一個空位，當(dāng)這一空位隨后被填充時就產(chǎn)生具有生成元素特征的X射線。4647 通過外部射線源（X射線、電子、粒子等）的輻射也可用于產(chǎn)生特征X射線；b.外部輻射激發(fā) 48發(fā)射粒子的同位素源中常用 210Po, 144Cm49501.5.1 自發(fā)裂變1) 常用的自發(fā)裂變源是 252Cf;2) 半衰期:2.65y;3) 主要衰變機理是衰變;4) 其中子能譜如圖 1-10. 1.5 中子源5152在放射性衰變中容易得到的粒子的能量可使幾種靶物質(zhì)產(chǎn)生(, n) 反應(yīng)選用鈹靶時可得到最大中子產(chǎn)額2) 239Pu/Be 源是最常用的(, n) 中子源。1.5.2 放射性同位素 (,n) 源其Q值

14、:5.71MeV.5354 某些放射性發(fā)射體與適當(dāng)?shù)陌胁牧舷嘟Y(jié)合也可用來產(chǎn)生中子. 這種光致中子源的依據(jù)是，通過吸收一個光子為把材料提供足以發(fā)射自由中子的激發(fā)能。 只有兩種靶核, 9Be 和 2H對放射性同位素光致中子 源有實際意義。1.5.3 光致中子源 55相應(yīng)的中子能量可由下式計算：這里: 光子與中子方向間的夾角; E 射線的能量 (假定 931MeV) M 反沖核質(zhì)量 c2. m 中子質(zhì)量 c2.561）光致中子源的優(yōu)點：當(dāng)射線為單能時中子也接 近單能;2）缺點：要產(chǎn)生足夠的強度必須使用非常大的放 射性活度，本底較高； 一個光子 (105 or 106) 一個中子3）常用的發(fā)射體有： 226Ra, 124Sb, 72Ga, 140La 和 24Na.Notes:575859 粒子是可由放射性同位素方便地得到的唯一的低z的重帶電粒子；入射粒子為質(zhì)子、氘等的反應(yīng)必須依靠人工加速，最常用的反應(yīng)有：1.5.4 加速的帶電粒子引起的反應(yīng)DD DT 17.6MeV (Q-value)3.26MeV (Q-value)1mA