第部分核輻射與輻射技術

課程安排通識教育選修課，為全校學生開設；特點是涉及范圍廣泛，不追求深度；課堂教學共8次課，計16學時；講授完即考試，考試時間2小時，開卷；參考資料：課堂PPT+《核能與核技術概論》（修訂版）清華大學工程物理系考試成績60%+平時出勤40%當前第1頁\共有123頁\編于星期三\12點1核技術概念核能涵蓋三類技術：

1）產生核爆炸所需的技術；

2）使反應堆的水加熱驅動汽輪機的技術；

3）核技術應用當前第2頁\共有123頁\編于星期三\12點2核技術是核科學的技術應用，是當代最新的尖端技術和社會現代化的標志之一。

——國家自然科學基金委員會廣義核技術--核武器、核動力，及同位素技術與輻射技術狹義核技術--同位素技術與輻射技術當前第3頁\共有123頁\編于星期三\12點3同位素技術與輻射技術的基本內涵1).輻射技術－－即利用輻射源放出的輻射，如γ、χ射線、中子等與物質相互作用的特點，實現測量客體的分析、成像、改性等功能。主要有：輻射檢測儀表；輻射和離子束加工；輻射成像技術；核分析技術等。2).同位素技術－－利用放射性同位素的物理、化學特征，尤其是放射性便于探測的特點，實現放射性核素示蹤物的測量。主要有：放射性核素年代學；同位素示蹤；同位素藥物及標記化合物；同位素能源等。

注：同位素是指質子數相同而中子數不同的核素。

當前第4頁\共有123頁\編于星期三\12點4核技術應用的三性：廣泛性、滲透性及某些場合下的不可取代性。典型應用舉例：*熱（冷）軋鋼板測厚儀---快速、高溫、非接觸測量等；*核醫(yī)學--現代醫(yī)學的標志；*以電子束煙氣脫硫技術為代表的環(huán)保應用；當前第5頁\共有123頁\編于星期三\12點5無人知道的事實美國日本中國核技術年產值（億）35001500386核能700（20%）750（50%）86（22.3%）非核能2800（80%）750（50%）300（77.7%）據報導（2003年）美國和日本的國民經濟總產值中，核技術的貢獻約占3%-4%。非核能技術的應用—舉足輕重的作用

這說明我國核技術應用有著一個很大的市場空間和很好的發(fā)展前景

當前第6頁\共有123頁\編于星期三\12點6核輻射與輻射技術（一）1.1常用的核輻射類型及特征1.2射線與物質的相互作用當前第7頁\共有123頁\編于星期三\12點7耶穌裹尸布真?zhèn)沃疇幖铀倨髻|譜技術當前第8頁\共有123頁\編于星期三\12點8包公遺骨之謎

嘉佑七年五月已未（13日），方視事，疾作以歸。上遣使賜良藥。辛未（25日），遂以不起聞。

——包拯墓志銘同步輻射x射線熒光分析技術當前第9頁\共有123頁\編于星期三\12點9兩個故事的共同點：

1、射線產生

2、射線與靶物質發(fā)生作用

3、核探測分析手段當前第10頁\共有123頁\編于星期三\12點10輻射類型

射線:是指各種快速粒子束。阿爾法射線：貝塔射線：，X射線伽瑪射線中子質子…….當前第11頁\共有123頁\編于星期三\12點11射線氦核——兩個中子，兩個質子譜線為分立譜應用舉例：1、原子核的發(fā)現

2、1967年“探險者V”的“散射探測器”當前第12頁\共有123頁\編于星期三\12點12射線本質上是電子分為兩種：是連續(xù)譜核電荷改變而核子數不變應用：陰極射線管成像當前第13頁\共有123頁\編于星期三\12點13X射線X射線本質上是核外電子產生的短波電磁輻射，因而穿透能力很強。1、連續(xù)譜——軔致輻射（剎車輻射）2、殼層電子的躍遷——特征輻射3、俄歇電子當前第14頁\共有123頁\編于星期三\12點14當前第15頁\共有123頁\編于星期三\12點15X射線譜軔致輻射連續(xù)譜殼層電子躍遷特征譜當前第16頁\共有123頁\編于星期三\12點16X特征輻射特征x射線譜是元素的“指紋”，成為元素分析的工具，包括：（1）電子x熒光分析（2）質子x熒光分析（3）離子x熒光分析（4）同步輻射x熒光分析應用：包公遺骨之謎當前第17頁\共有123頁\編于星期三\12點17射線原子核從激發(fā)態(tài)向低激發(fā)態(tài)或基態(tài)越遷，同時放出射線，穿透能力極強。產生方式與X射線的區(qū)別例子：應用：射線照相機等當前第18頁\共有123頁\編于星期三\12點18中子特點：不帶電，與質子質量相當，自由中子不穩(wěn)定。產生方式：（1）同位素中子源：利用放射性同位素的射線轟擊某些穩(wěn)定的輕元素物質（靶物質），發(fā)生核反應放出中子。重核裂變也可以產生，锎252。（2）反應堆中子源：以鈾-235等為裂變材料，以中子為媒介，維持可控的鏈式裂變反應的裝置。優(yōu)點是通量大。（3）加速器中子源：利用各類加速器加速帶電粒子轟擊某些靶核，以其發(fā)射中子的反應。中子強度能準確確定，不運行時放射性很小。應用：中子散射技術，中子活化分析當前第19頁\共有123頁\編于星期三\12點19核衰變一種核素的原子核能自發(fā)的放出某種射線（粒子）而轉變?yōu)榱硪环N核素的原子核或另一種能量狀態(tài)的原子核，這個過程稱為核衰變。主要有：放射性核素衰變規(guī)律是核技術應用的重要基礎當前第20頁\共有123頁\編于星期三\12點20核素的衰變規(guī)律指數衰變：在dt時間內發(fā)生的衰變數目為-dN，正比于當時存在的原子核數目N，也正比于時間dt。衰變常數：，單位時間內一個原子核的衰變幾率。半衰期：，衰變到原有核素一半的時間當前第21頁\共有123頁\編于星期三\12點21放射性活度及其單位定義：放射性物質在單位時間內發(fā)生衰變的原子核數稱為該物質的放射性活度。居里：貝克勒爾：當前第22頁\共有123頁\編于星期三\12點22居里夫人貝克勒爾1903年第三屆諾貝爾物理學獎當前第23頁\共有123頁\編于星期三\12點23放射性活度與質量的關系通過測量放射性活度可計算無載體放射性核素的質量。原理如下：設放射性活度為A,無載體放射性核素樣品質量為m,原子量為An,阿伏加德羅常數Na也已知。根據放射性活度A與放射性原子數N的關系得：

當前第24頁\共有123頁\編于星期三\12點24核儀器可以測出1Bq的放射性，其質量相當于克，這比良好的天平克，微量化學分析，光譜分析克都靈敏得多。當前第25頁\共有123頁\編于星期三\12點251.2射線與物質的相互作用重要性：原子核衰變和核反應所產生的各種射線通過物質時，與物質相互作用而逐步損失能量，最終被物質吸收。物質吸收了射線的能量，產生一系列物理、化學變化和生物效應。所以，射線與物質的相互作用是核輻射探測、核物理實驗、輻射防護和核技術應用的基礎。主要有：（1）帶電粒子與物質的相互作用（2）X、γ射線與物質的相互作用（3）中子與物質的相互作用當前第26頁\共有123頁\編于星期三\12點26（1）帶電粒子與物質的作用根據動能動量守恒定律，分為四種：（1）與原子核的彈性碰撞（2）與核外電子的彈性碰撞（3）與原子核的非彈性碰撞（4）與核外電子的非彈性碰撞當前第27頁\共有123頁\編于星期三\12點27帶電粒子與物質的相互作用（一）電離和激發(fā)帶電粒子與物質的相互作用主要是電離和激發(fā)。帶電粒子射入物質，與它周圍原子的殼層電子發(fā)生庫侖作用，電子獲得足夠能量克服原子的束縛而成為自由電子，此時原子被分離成一個自由電子和一個正離子，此過程稱為電離。如果電子獲得的能量不足以克服原子束縛，它就會被激發(fā)到能量較高的狀態(tài)，此過程稱為激發(fā)。當前第28頁\共有123頁\編于星期三\12點28帶電粒子與物質的相互作用由原入射帶電粒子直接與原子作用產生的電離稱為直接電離或初級電離。電離過程中，帶電粒子與原子碰撞打出能量比較高的電子能進一步使物質的原子電離和激發(fā)，稱為次級電離。射線在物質中產生一個離子對所消耗的平均能量稱為平均電離能。當前第29頁\共有123頁\編于星期三\12點29帶電粒子與物質的相互作用（二）散射帶電粒子與原子核發(fā)生彈性碰撞，帶電粒子受原子核庫侖場作用，只改變其運動方向，但不輻射光子，也不激發(fā)原子核，這個過程稱為彈性散射。當前第30頁\共有123頁\編于星期三\12點30帶電粒子與物質的相互作用（三）軔致輻射當高速運動的電子靠近原子核時，由于庫侖力的作用，電子發(fā)生驟然減速，這時電子能量的一部分或全部轉變?yōu)檫B續(xù)能量的電磁輻射發(fā)射出來，稱為軔致輻射。應用：X射線探傷當前第31頁\共有123頁\編于星期三\12點31帶電粒子與物質的相互作用（四）契倫科夫輻射高速運動的電子通過折射率n>1的透明物質時，若其速度大于光在該介質中的傳播速度c/n，這時高速運動著的電子將損失能量，并沿一定方向發(fā)射出接近紫外波長范圍的微弱可見光，稱為契倫科夫輻射。

應用：契倫科夫探測器當前第32頁\共有123頁\編于星期三\12點32帶電粒子與物質的相互作用（五）湮沒輻射正電子與物質相互作用，其能量耗盡時和物質中的負電子相結合，正負電子的靜止質量立即轉化為兩個運動方向相反，能量各為0.511MeV的光子而自身消失，這種現象稱為湮沒輻射應用：正電子成像（第三代成像技術）當前第33頁\共有123頁\編于星期三\12點33重帶電粒子與物質的相互作用

重帶電粒子通過物質時逐漸損失動能，最后俘獲物質中的電子形成中性原子，即被吸收。重帶電粒子能量較大時，失去動能的方式主要是與靶原子的軌道電子做非彈性碰撞產生電離和激發(fā)。能量極低時，可與靶原子核發(fā)生彈性碰撞。電離和激發(fā)是重帶電粒子與物質作用的導致能量損失的主要方式。當前第34頁\共有123頁\編于星期三\12點34重帶電粒子與靶原子核碰撞應用濺射：粒子束轟擊樣品時，如果靶原子獲得能量而逃出樣品表面，稱這種過程為濺射。會導致固體表面原子的損失或化合物成分的改變。在表面分析、濺射鍍膜技術、離子蝕刻微細加工等方面有重要應用。離子注入：一定能量的入射離子通過與物質相互作用而損失能量，最終停止在物質中，稱為離子注入。可改變注入層的化學成分和性質，廣泛應用于半導體器件的生產和新材料的合成。當前第35頁\共有123頁\編于星期三\12點35背散射分析：入射粒子與靶原子核發(fā)生彈性碰撞后，發(fā)生大角度散射（背散射）,散射截面與入射粒子的能量、角度、種類及靶原子的種類有關。測量背散射時粒子的能量和數量可以對靶原子進行定性、定量分析。輻射加工：粒子束對材料的輻射可引起物理和化學性質的變化。在新材料開發(fā)、輻射消毒、航天材料的輻射損傷研究有應用。重帶電粒子與靶原子核碰撞應用當前第36頁\共有123頁\編于星期三\12點36重帶電粒子的射程

粒子在物質中運行沿著入射方向所能達到的最大直線距離，叫做入射粒子在該物質中的射程。

很顯然，重帶電粒子的質量大，所以軌跡基本上是直線，只是在末端稍有彎曲，所以其平均射程與它的軌跡平均值是一樣的。當前第37頁\共有123頁\編于星期三\12點37輕帶電粒子與物質的相互作用

主要是電子，由于質量輕，速度快，因而在與物質作用時，其能量損失和運動軌跡與重帶電粒子不同。電離與激發(fā)是一般能量的輕帶電粒子損耗動能的主要形式；軔致輻射是高能輕帶電粒子損耗動能的主要形式；彈性散射是很低能的輕帶電粒子損失動能的主要形式。當前第38頁\共有123頁\編于星期三\12點38（2）射線與物質的相互作用

γ射線屬于電磁輻射，波長短因而能量高，所以貫穿本領強。與物質作用時通過三種效應——光電效應、康普頓效應和電子對效應產生次級電子而使原子電離或激發(fā)。與物質作用時，一次可失去全部能量（如光電效應，電子對效應）或大部分（康普頓效應），并將失去的能量轉移給電子。當前第39頁\共有123頁\編于星期三\12點39光電效應光電效應低能光子被介質原子吸收而放出電子的效應。光電子能量

hv為入射光子能量，Ei為第i殼層電子的結合能原子退激發(fā)時發(fā)射特征X射線或俄歇電子。入射光子原子光電子hv俄歇電子LK原子核當前第40頁\共有123頁\編于星期三\12點40光電效應的特點光子能量必須大于殼層電子結合能時才能發(fā)生光電效應。電子在原子中束縛越緊，就越容易使原子核參與相互作用，發(fā)生光電效應的概率就越大。K殼層概率最大。光電效應過程伴隨特征X射線或俄歇電子的發(fā)射。當前第41頁\共有123頁\編于星期三\12點41射線與物質的相互作用

康普頓效應：光子與靶物質的一個軌道電子相互作用，將部分能量傳遞給軌道電子使其發(fā)射出去，光子散射，波長變長。入射光子核外電子出射電子E出射光子康普頓效應當前第42頁\共有123頁\編于星期三\12點42電子對效應：光子從原子核旁經過，當光子能量超過2個電子靜止質量之和即1.02MeV時，在原子核庫侖場作用下，光子轉化為正負電子對，正負電子能量之和等于入射光子能量。對一定能量的入射光子電子對效應產生的正負電子的動能之和為常數，但就電子或負電子而言其動能從0－2mec2都有可能，動能分配是任意的。入射光子能量越大，正負電子的發(fā)射方向越前傾。入射光子原子核正負電子對EE+E-e+e-電子對效應當前第43頁\共有123頁\編于星期三\12點43光電效應、康普頓效應是光子與核外電子的作用結果，電子對效應是光子與原子核電磁場的作用結果。三種效應相互競爭，可能同時存在。三種效應的相對重要性對低能射線和原子序數高的物質光電效應占優(yōu)勢；對中能射線和原子序數低的物質康普頓效應占優(yōu)勢；對高能射線和原子序數高的物質電子對效應占優(yōu)勢。當前第44頁\共有123頁\編于星期三\12點44單色窄束伽瑪射線的衰減設：為單色窄束光子未通過介質時的注量率（射線強度）；為介質深度為x處的注量率；dx為介質薄層厚度，為光子通過dx時的減弱量；為線性衰減系數；所以有：積分得：當前第45頁\共有123頁\編于星期三\12點45射線的吸收和應用吸收特點：強度按指數規(guī)律衰減，沿入射方向透過的射線能量不變。比帶電粒子穿透本領大，因而屏蔽和防護比帶電粒子困難。與物質作用產生的次級粒子將繼續(xù)與靶物質發(fā)生各種相互作用，直到能量耗盡或逃出。當前第46頁\共有123頁\編于星期三\12點46射線的應用活化分析——用中子或帶電粒子照射靶物質，可生成放射性核素，通過測量衰變過程中的伽馬射線的能量和強度，即可以測定樣品中元素的種類和含量。工業(yè)探傷癌癥治療當前第47頁\共有123頁\編于星期三\12點47中子與物質的相互作用中子的分類:

(1)慢中子：0至1KeV，俘獲或裂變幾率大

(2)中能中子：1KeV至0.5MeV，散射幾率大

(3)快中子：0.5至10MeV，散射幾率大截面：粒子與靶物質發(fā)生作用的概率。

當前第48頁\共有123頁\編于星期三\12點48中子與物質的相互作用中子不帶電，因而在與物質相互作用時與原子核或核外電子沒有庫侖力的相互作用?？烧J為只是與原子核的相互作用，分為散射及核反應兩類。

散射：中子與原子核作用后，中子不消失但改變運動方向和動能。吸收反應（俘獲）：原子與原子核發(fā)生作用形成復合核，復合核不穩(wěn)定放出光子或帶電粒子。裂變反應：原子核俘獲一個中子后，裂變成幾個碎片，產生幾種新的核素并放出射線。

當前第49頁\共有123頁\編于星期三\12點49中子的應用活化分析中子治療癌癥…..當前第50頁\共有123頁\編于星期三\12點50核探測技術及應用

2.1核探測器

2.2核探測技術應用當前第51頁\共有123頁\編于星期三\12點51問題：核輻射眼睛看不見、耳朵聽不著、雙手摸不到，如何知道它的存在呢？哈爾濱銥-192之謎核探測器是核輻射的耳目！2.1核探測器當前第52頁\共有123頁\編于星期三\12點52中國日報消息：由于擔心恐怖分子利用海上進行核原料走私，美國2003年8月13日與荷蘭政府簽署一項協(xié)議，自掏腰包為歐洲最大的海港鹿特丹港口安裝核物質探測器。

這套價值300萬美元的探測系統(tǒng)包括固定和手持的儀器，可以對通過港口的貨物集裝箱進行掃描，檢查集裝箱里是否裝有核原料。

每年大約有數千艘商船通過鹿特丹港口，很多貨物都是從中東和世界其他地區(qū)經過這里轉運到美國的。美國一直擔心，恐怖分子會將核原料藏在集裝箱偷運到美國，然后用這些核原料制造“臟彈”?！芭K彈”引爆后將放出大量有害的放射性物質，不僅會造成人員傷亡，而且會使遭到攻擊的區(qū)域受到嚴重的放射性污染。當前第53頁\共有123頁\編于星期三\12點53

核探測器（粒子探測器）：能夠指示、記錄和測量核輻射的材料或裝置。輻射和核輻射探測器內的物質相互作用而產生某種信息（如電、光脈沖或材料結構的變化），經放大后被記錄、分析，以確定粒子的數目、位置、能量、動量等。

當前第54頁\共有123頁\編于星期三\12點54宇觀——宏觀——微觀粒子（無窮大到無窮?。?026m到10-18m物質的基本結構：由原子到夸克微觀粒子肉眼看不到，只能通過探測器探測到人類對物質世界的認識不斷深化，歸功于實驗和理論的相互促進，歸功于粒子加速器和粒子探測器的不斷建造和發(fā)展。使對物質世界的探索逐步走上現代實驗科學的軌道。核探測技術隨核物理的發(fā)展而發(fā)展當前第55頁\共有123頁\編于星期三\12點55

粒子源種類輻射源天外的：宇宙射線天然的：自然界自然存在的放射性核素人工的：用加速器，反應堆產生的放射性核素當前第56頁\共有123頁\編于星期三\12點56當前第57頁\共有123頁\編于星期三\12點57我們要知道有多少粒子，什么樣的粒子，還要知道它們的物理性質，來源。為此，探測器要測量許多物理量。計數和計數率：即粒子的通量或流強。時間：粒子到達探測器的時間或相對于某時刻時間間隔。能量：尤其中性粒子（中子，光子，中微子等）的能量。動量：主要是帶電粒子的動量。位置：粒子產生或衰變的位置，在探測器內的位置和飛行的軌跡。粒子的分辨：區(qū)別不同性質的粒子，特別需要分辨相同動量下不同質量的帶電粒子。探測器測量的基本物理量當前第58頁\共有123頁\編于星期三\12點58測量粒子與射線的基本性質，研究這些粒子之間的相互作用以及它們與宏觀物質的相互作用等。將這些粒子與射線作為微小的探針來研究微觀或亞微觀結構，如晶體結構，物質的表面結構，分子原子及核結構等。粒子來源不同，有的來自地球，有的來自太陽，月亮或銀河以外，它們會帶有與源有密切關系的信息。通過這些粒子或射線來研究我們達不到的各種天體。粒子與射線在工業(yè)，農業(yè)，地質，醫(yī)療，環(huán)保，航天等領域被廣泛地應用，不可替代地獲得對宏觀物質的形態(tài)，結構，成分的測量與研究。粒子探測器用途當前第59頁\共有123頁\編于星期三\12點596位獲諾貝爾獎的粒子探測器大師發(fā)明云室，一種觀測帶電粒子徑跡的方法和技術（1927年）發(fā)展Wilson云室技術，在核物理與宇宙線研究中做出貢獻（1948年）發(fā)明核乳膠技術，在宇宙線中發(fā)現介子（1950年）發(fā)明氣泡室（1960年）發(fā)展氣泡室及數據處理技術，發(fā)現大量共振態(tài)（1968年）G.Charpak發(fā)明多絲正比室并發(fā)展氣體絲室技術（1992年）當前第60頁\共有123頁\編于星期三\12點60丁肇中教授中國科大，中科院高能所，上硅所參加當前第61頁\共有123頁\編于星期三\12點61TheAlphaMagneticSpectrometerDetector

在國際空間站的一個粒子物理實驗（丁肇中教授領導）當前第62頁\共有123頁\編于星期三\12點62一、粒子探測基本原理粒子探測主要是指記錄粒子數目，測定其強度，確定粒子的性質（能量、動量、飛行方向等）。根據粒子的帶電性質分類帶電粒子：、p、e±、±、±、±等電磁輻射：x射線、射線中性粒子：n、0、0、等當前第63頁\共有123頁\編于星期三\12點63入射帶電粒子與靶原子的核外電子通過庫侖作用，使電子獲得能量而引起原子的電離或激發(fā)。電離——核外層電子克服束縛成為自由電子，原子成為正離子。激發(fā)——使核外層電子由低能級躍遷到高能級而使原子處于激發(fā)狀態(tài)，退激發(fā)光。（一）帶電粒子探測當前第64頁\共有123頁\編于星期三\12點64

利用電離或激發(fā)效應來記錄入射粒子是絕大多數探測器的物理基礎。它們的差別在于記錄方式不同，大致分為：（1）收集電離電荷的探測器主要收集電離效應產生的大量正負離子，記錄它們的電荷所形成的電壓或電流脈沖。這類探測器必須加上適當的工作電壓，形成電場以有效收集電荷。如氣體探測器、半導體探測器。當前第65頁\共有123頁\編于星期三\12點65（2）收集熒光的探測器被帶電粒子激發(fā)的原子退激時發(fā)出熒光。由于熒光很弱，需要通過一定的轉換放大，即把光脈沖轉換成較大的電脈沖——光電倍增管。如閃爍計數器等。（3）利用離子集團作為徑跡中心的探測器，徑跡探測器。如核乳膠、云室、氣泡室、火花室等。（4）收集切倫科夫輻射的探測器，切倫科夫探測器。軔致輻射和同步輻射是附加產物，對高能電子探測器必須考慮它們的影響。當前第66頁\共有123頁\編于星期三\12點66（二）射線的探測射線與物質的相互作用主要有三個過程：光電效應康普頓效應電子對效應當前第67頁\共有123頁\編于星期三\12點671.光電效應光電效應：低能光子被介質原子吸收放出電子的效應。光電子能量

hv為入射光子能量，Ei為第i殼層電子的結合能原子退激發(fā)時發(fā)射特征X射線或俄歇電子。入射光子原子光電子hv俄歇電子LK原子核當前第68頁\共有123頁\編于星期三\12點68

散射光子不能直接探測到反沖電子可以被探測到入射光子核外電子出射電子E出射光子2.康普頓-吳有訓效應當前第69頁\共有123頁\編于星期三\12點693.電子對效應電子對效應：光子從原子核旁經過，當光子能量超過2個電子靜止質量之和即1.02MeV時，在原子核庫侖場作用下，光子轉化為正負電子對，正負電子能量之和等于入射光子能量。對一定能量的入射光子電子對效應產生的正負電子的動能之和為常數，但就電子或負電子而言其動能從0－2mec2都有可能，動能分配是任意的。入射光子能量越大，正負電子的發(fā)射方向越前傾。入射光子原子核正負電子對EE+E-e+e-當前第70頁\共有123頁\編于星期三\12點70射線與物質原子發(fā)生光電效應的總截面

1）

重元素的光電效應比輕元素強得多；2）低能射線比高能射線強得多；3）當射線能量接近電子的結合能時，光電效應截面最大。當前第71頁\共有123頁\編于星期三\12點71

光電效應、康普頓效應是光子與核外電子的作用結果，電子對效應是光子與原子核電磁場的作用結果。三種效應相互競爭，可能同時存在。

當前第72頁\共有123頁\編于星期三\12點72在三種效應中，每個光子都是在一次作用中就損失其全部能量或相當大部分能量，并發(fā)射出電子。正是這些電子使得探測射線成為可能。光電效應和電子對效應所發(fā)射的次級電子的能量單一，因此射線探測器的物質應選用Z盡可能大的材料。當前第73頁\共有123頁\編于星期三\12點73

（三）中子的探測中子與物質相互作用主要是中子與原子核的強相互作用，即核反應。探測中子就是探測中子與原子核核反應產生的次級粒子。中子不帶電，不受庫侖斥力影響，容易進入原子核發(fā)生核反應。不同能量中子的探測原理和探測器不同。中子能量的區(qū)分：（1）慢中子（2）中能中子（3）快中子當前第74頁\共有123頁\編于星期三\12點741.核反沖法核反沖法是記錄中子與原子核彈性散射后的反沖核。在彈性散射過程中，中子運動方向改變，能量減少。這減少的能量傳遞給原子核，使原子核以一定的速度運動，該核稱作反沖核。反沖核具有電荷，可以作為帶電粒子記錄。記錄了反沖核，就探測到中子。該方法主要用于探測快中子。由能動量守恒，對En<30MeV的中子，反沖核獲得的動能En入射中子En’散射中子E反沖反沖核M原子核質量反沖角當前第75頁\共有123頁\編于星期三\12點75

若以質量數代替質量，則mn=1,M=A

由此可見，反沖核越小獲得的能量越大。當＝0，A＝1時，E反沖＝En，最大。反沖質子法選用含氫物質做輻射體，此時反沖核就是質子。實際中常用石蠟、水等含氫物質作為中子慢化劑。核反沖法探測中子時應選擇輕核物質做靶材料。如氫、甲烷等氣體，有機玻璃、有機晶體、塑料等固體。核反沖可以測量快中子能量。當一定時，E反沖正比于En。實際中測量沿入射中子束方向張角為±10度的反沖質子，此時探測器接收到的質子數較多，反沖質子的能量粗略地等于入射中子能量。當前第76頁\共有123頁\編于星期三\12點762.核反應法核反應法主要用于測量慢中子通量。中子通量：單位時間通過單位面積的中子數。原子核反應用方程式表示：

a(入射粒子)+A(靶核)b(出射粒子)+B(剩余核)+Q

或簡寫成A（a，b）B

實驗表明任何一個核反應，箭頭兩邊的總電荷數Z和總質量數A必須相等；反應前后體系的總能量（靜止能量和動能之和）不變，總動量不變。

Q值>0的反應，放熱反應；Q值<0的反應，吸熱反應。當前第77頁\共有123頁\編于星期三\12點77目前應用最多的三種核反應：都是放熱反應，反應放出的能量變成次級粒子的動能。0是熱中子的反應截面，都很大。實際應用最廣的是反應。因為硼材料比較容易得到，氣態(tài)可選用BF3氣體，固態(tài)有氧化硼、碳化硼等。天然硼中10B含量較高，易濃縮。中子與10B反應有兩個過程當前第78頁\共有123頁\編于星期三\12點783.核裂變法核裂變法就是通過記錄中子與重核作用產生的裂變碎片來探測中子的方法。探測不同能量的中子選用不同的裂變材料對熱中子和慢中子選235U(=528b)，239Pu(=743b)

，233U(=531b)。裂變時放出能量很大，大約是200MeV，兩個裂變碎片共帶走170MeV的能量。入射中子能量遠小于它，故該法不能測量中子能量，主要測中子通量。核裂變法特點：放出反應能很大，所以本底對測量沒有影響，可以在強本底下測量中子。許多重核只有在入射中子能量大于某個閾值后才能發(fā)生裂變。利用一系列不同閾能的裂變元素來判斷中子的能量，這種探測器稱為閾探測器。當前第79頁\共有123頁\編于星期三\12點794.活化法活化法是中子與原子核相互作用時，原子核吸收中子后形成一個處于激發(fā)態(tài)的復合核，復合核通過發(fā)射射線或射線回到基態(tài)。這種俘獲中子，輻射射線或射線的過程稱為輻射俘獲，亦稱活化。用115In做激活材料，受中子照射后，新生成的核素一般都不穩(wěn)定，116In就是放射性的，測量經中子輻照后材料的放射性，就可以知道中子強度。當前第80頁\共有123頁\編于星期三\12點80二、常見探測器的類型（一）氣體探測器（二）半導體探測器（三）閃爍體探測器（四）核乳膠（五）個人劑量計

當前第81頁\共有123頁\編于星期三\12點81

（一）氣體探測器1.工作原理（1）氣體的電離

帶電粒子通過氣體時，與氣體原子核外電子發(fā)生庫侖作用，入射粒子損失部分能量，氣體原子則電離或激發(fā)。軌道電子獲得的能量足以克服原子的束縛成為自由電子，形成電子－離子對。

原初電離：入射粒子和氣體原子直接作用產生的電離對。次級電離：電離的次級粒子再次和氣體原子作用產生的電離對總電離N0：等于原初電離＋次級電離平均電離功：帶電粒子在氣體中產生一對電離粒子所需的平均能量。粒子在氣體中損失的能量平均電離功當前第82頁\共有123頁\編于星期三\12點82（2）電子和離子在氣體中的運動不加外電場時，電子和離子與氣體分子不斷碰撞，三種運動狀況：

擴散：從密度大的區(qū)域向密度小的區(qū)域擴散運動

電子吸附：電子被中性氣體原子俘獲形成負離子

復合：電子和正離子復合形成中性原子加外電場時，電子和離子沿電場方向分別向正負電極做漂移運動。漂移運動有利于總電離的收集，是我們需要的。前三種運動不利于總電離的收集，造成能量測量誤差，應設法減小它們的影響。當前第83頁\共有123頁\編于星期三\12點83（3）外加電場對電離粒子運動的影響0d++++++++--------

-U0z外加電場使電離產生的電子和離子沿電場方向作漂移運動，以利于電荷有效收集。當前第84頁\共有123頁\編于星期三\12點84第一區(qū)段：復合區(qū)外加電壓很低，離子漂移速度很小，電子吸附效應、擴散效應和復合效應起主要作用。復合的結果，電子離子數目減少，所以電極收集到的離子對數目小于總電離數目。當前第85頁\共有123頁\編于星期三\12點85第二區(qū)段：飽和區(qū)（電離室區(qū)）隨著外加電壓增大，離子漂移速度增大，電子吸附、擴散效應的影響減小，發(fā)生復合的機會減小，被收集的電荷數逐漸增加。當電壓達到某一定值Va時，基本不存在復合，總電離數全部被電極收集，達到飽和。在一定電壓范圍內(Va-Vb)，被收集電荷不再增加，達到飽和。當前第86頁\共有123頁\編于星期三\12點86第三段區(qū)：正比區(qū)工作電壓大于Vb后，外加電場很強，電離電子在漂移過程中獲得的能量很大，使氣體分子再電離，又產生次級離子對。次級電子在漂移時又可能加速到足以再產生次級離子對。如此不斷繼續(xù)下去，使電離的離子對數目比原總電離對數目N0增加很多，稱作電子雪崩過程。這種現象稱作為氣體放大。經氣體放大得到的電荷數N與原總電離數N0之比叫做氣體放大倍數。氣體放大倍數隨電壓的增加而增加。對確定的探測器，外加電壓一定時，放大倍數一定。電極收集的電荷數N正比于原總電離數N0，正比于入射粒子能量。當前第87頁\共有123頁\編于星期三\12點87第四區(qū)段：有限正比區(qū)當電場強度大到一定程度時，產生的大量離子對中的正離子，由于漂移速度很慢，滯留在氣體空間，形成空間電荷。它們所產生的電場方向與外電場方向相反，從而限制了次級離子繼續(xù)增加，這就是空間電荷效應。由于空間電荷效應的影響限制了氣體放大倍數的增長。這一區(qū)段稱為有限正比區(qū)。當前第88頁\共有123頁\編于星期三\12點88第五區(qū)段：G－M區(qū)進入此區(qū)后，隨著電壓的增加，空間電荷效應越來越強，收集到的電荷又一次飽和，與原總電離N0無關。由于空間電荷效應的影響，收集的電荷與入射粒子的種類和能量無關。當前第89頁\共有123頁\編于星期三\12點89第六區(qū)段：連續(xù)放電區(qū)電壓增加到該區(qū)，收集的離子對數再次急劇增加，氣體連續(xù)放電。當前第90頁\共有123頁\編于星期三\12點902.電離室在核物理發(fā)展早期，電離室曾發(fā)揮了重要的作用。

1911-1914年Hess和Kolhorster在一系列電離室測量中發(fā)現了宇宙射線；

1932年Chadwich利用電離室測量反沖質子，從而證實了中子的存在；

1939年Frish利用電離室證實了核裂變時釋放大量的能量。

……至今仍有廣泛的應用。如：

測厚儀、核子秤、集裝箱CT等等。當前第91頁\共有123頁\編于星期三\12點91（1）電離室的類型脈沖電離室：記錄單個輻射粒子，主要用于測量重帶電粒子的能量和強度。電流電離室：記錄大量粒子平均效應，主要用于測量X、g、b和中子的強度或通量。當前第92頁\共有123頁\編于星期三\12點92（2）電離室的構造由兩個處于不同電位的電極組成，電極大多是平行板和圓柱形的，也有球形或其他形狀的。平板電離室的兩個電極通常是圓形金屬板。圓柱形電離室中心的收集極一般是一個圓棒或一根金屬絲。0d++++++++--------

陰極

陽極

-U0z測量輻射劑量的電離室當前第93頁\共有123頁\編于星期三\12點93（3）電離室的工作氣體電極之間是電離室的有效靈敏體積，充以一定的工作氣體。電流電離室常用的工作氣體有純惰性氣體、氮氣和空氣等，也可用混合氣體。脈沖電離室常用的工作氣體大多是惰性氣體加少量多原子分子氣體。如：Ar+10%CO2，Ar+10%CH4等。測量中子的電離室，根據中子能量分別充BF3、CH4、H2和3He等，或在電極上覆蓋一層濃縮的10B、235U、238U等。當前第94頁\共有123頁\編于星期三\12點94當前第95頁\共有123頁\編于星期三\12點953.正比計數器工作于正比區(qū)，發(fā)生氣體放大現象，即被加速的原初電離電子在電離碰撞中逐次倍增而形成電子雪崩。收集極上的感生的脈沖信號幅度V是原初電離感生脈沖幅度的M倍。優(yōu)點：脈沖幅度較大，比電離室大102－104倍；靈敏度高，適合于探測低能電子和X射線；脈沖幅度幾乎與原初電離位置無關。所以，既能用于粒子計數器又能做能譜測量。M：氣體放大倍數N0：原初電離對數C：電容－：負極性脈沖當前第96頁\共有123頁\編于星期三\12點96當前第97頁\共有123頁\編于星期三\12點974.G-M計數器工作在電離放大曲線的第五區(qū)，M>105。電子雪崩持續(xù)發(fā)展，形成自激放電，增殖的離子對總數與原電離無關。Q0＝MN0e＝常數。特點：1）靈敏度高；2）脈沖幅度大；3）穩(wěn)定性高4）計數器大小和幾何形狀可以按要求有較大變化；5）使用方便，成本低，制作工藝和儀器電路均較簡單。當前第98頁\共有123頁\編于星期三\12點98當前第99頁\共有123頁\編于星期三\12點99小結氣體探測器均以氣體作為探測介質。電離室、正比計數器、G－M計數器是工作在電離放大曲線不同區(qū)段的探測器。在氣體探測器中雪崩倍增過程起著十分重要的作用。具有制備簡單、性能可靠、成本低廉、使用方便等優(yōu)點，有廣泛的應用。20世紀70年代以來，氣體探測器有很大發(fā)展，在高能物理和重離子物理實驗中獲得新的應用，并廣泛應用于核醫(yī)學、生物學、天體物理、凝聚態(tài)物理和等離子體物理等領域。當前第100頁\共有123頁\編于星期三\12點1001）PN結兩側存在電子和空穴，形成電場。2）PN結加上一定電壓，外加電壓幾乎全部加到PN結上，形成很高電場。3）粒子在PN結電場得到加速，在收集極被收集。（二）半導體探測器當前第101頁\共有123頁\編于星期三\12點101當前第102頁\共有123頁\編于星期三\12點102（三）閃爍探測器典型的閃爍探測器裝置當前第103頁\共有123頁\編于星期三\12點103光電倍增管當前第104頁\共有123頁\編于星期三\12點104BGO,LSO&LYSOSamples當前第105頁\共有123頁\編于星期三\12點105（四）核乳膠組成：核乳膠由銀鹽顆粒和膠質組成。

溴化銀AgBr大部分常用銀鹽碘化銀AgI少量銀鹽顆粒對帶電粒子靈敏，而對光幾乎不靈敏。膠質：骨膠和明膠工作原理：帶電粒子與AgBr晶粒作用，使AgBr分子分解成Ag原子和Br原子，在一定條件下，Ag原子聚集成Ag集團，形成可顯影的核心“潛影”，經化學顯影處理，潛影的晶粒還原成黑色的Ag顆粒，把帶電粒子的徑跡顯示出來。當前第106頁\共有123頁\編于星期三\12點106確保輻射工作人員的安全，對每個工作人員可能受到的輻射劑量都要進行監(jiān)測。射線種類：α、β、x、γ、中子個人劑量監(jiān)測一般是測量個人在一段時間（一年或一個月）或一次性操作過程中所接受的β，γ，X射線或中子流外照射的劑量；是直接對人接受的輻射照射進行監(jiān)測。個人外照射劑量監(jiān)測的基本手段是使用個人劑量計。ICRP26ICRP60我國5年平均值50mSv/y20mSv/y20mSv/y（五）個人劑量探測器當前第107頁\共有123頁\編于星期三\12點1071.對個人劑量計的要求從輻射防護監(jiān)測的角度，最重要的有如下幾點：（1）足夠的靈敏度或較低的探測閾（2）重復性好（變異系數）（3）能量響應特性好（4）線性好（5）應用范圍廣（6）尺寸小，佩戴方便，組織等效性好…….個人劑量計的選擇：輻射種類、能量范圍，混合場等如γ輻射能區(qū)：30keV——3MeV當前第108頁\共有123頁\編于星期三\12點1082.個人劑量計的類型個人外照射監(jiān)測中有兩種類型劑量計“無源的”劑量計：定期（例如每月）收回在實驗室進行測讀，劑量計批示佩帶者已接受了多少劑量，知道了直至某一時刻為止已經接受的劑量就可以控制以后的照射。這種“管理式”的個人劑量計目前在輻射防護中起主要作用?！坝性吹摹眲┝坑?，各種類型的多功能電子劑量計。這類劑量計在防止超劑量照射起重要作用，具有場所監(jiān)測的預防性測量和個人監(jiān)測的控制性測量雙重功能對Χ、γ輻射場一般選用：熱釋光，膠片，電容電離室、電子劑量計等當前第109頁\共有123頁\編于星期三\12點109★(1)膠片個人劑量計；(2)輻射致熒光玻璃個人劑量計；

(3)熱釋光個人劑量計

(4)半導體探測器

(5)計數管探測器

(6)近年來還有OSL(光釋光)、RPL(玻璃熒光)等目前使用最廣泛的是熱釋光個人劑量計。2.個人劑量計的類型當前第110頁\共有123頁\編于星期三\12點110當前第111頁\共有123頁\編于星期三\12點1113.熱釋光劑量計原理與材料（1）熱釋光測量原理熱釋光：某些摻雜無機晶體被電離輻射照射后，在加熱時發(fā)射的光。釋放出的光強正比于最初吸收的輻射，測量光強可得到吸收的輻射，則得到個人劑量。晶體的能帶理論：晶體被輻射照射時會引起電離，間接產生電子－空穴對，部分獲得足夠輻射能量的電子（空穴）被晶體中的陷阱（或中心）所俘獲。加熱時陷阱（或中心）的電子獲得足夠能量時可從陷阱中被釋放出來，并經過內部的復雜過程，存儲的輻射能量以熒光形式釋出，即產生不同波長的光。當前第112頁\共有123頁\編于星期三\12點112（2）

熱釋光材料許多天然物質有各種形式的發(fā)光現象，包括熱釋光，例如堿鹵化合物：KCl、LiF、CaF2等。有時其它形式的發(fā)光（如光致發(fā)光）將影響這些材料在劑量測量中的使用。為了提高探測效率，開發(fā)出了合成材料用于劑量測定（如Li2B4O