熱釋電探測器課件

λ=0.76～1000μm12.1紅外傳感器12.1.1紅外輻射圖12–1電磁波譜圖λ=0.76～1000μm12.1紅外傳感器1熱釋電探測器課件2大氣窗口主要有：0.3～1.3μm，即紫外、可見光、近紅外波段。這一波段是攝影成像的最佳波段，也是許多衛(wèi)星傳感器掃描成像的常用波段。比如，Landsat衛(wèi)星的TM的1～4波段，SPOT衛(wèi)星的HRV波段等。1.5～1.8μm，2.0～3.5μm，即近、中紅外波段，在白天日照條件好的時(shí)候掃描成像常用這些波段，比如TM的5、7波段等用以探測植物含水量以及云、雪或用于地質(zhì)制圖等。3.5～5.5μm，即中紅外波段，物體的熱輻射較強(qiáng)。這一區(qū)間除了地面物體反射光譜反射太陽輻射外，地面物體也有自身的發(fā)射能量。比如，NOAA衛(wèi)星的AVHRR傳感器用3.55～3.93μm探測海面溫度，獲得晝夜云圖。8～14μm，即遠(yuǎn)紅外波段。主要來自物體熱輻射的能量，適于夜間成像，測量探測目標(biāo)的地物溫度。0.8～2.5cm，即微波波段，由于微波穿云透霧的能力，這一區(qū)間可以全天候工作。而且由其他窗口區(qū)間的被動(dòng)遙感工作方式過渡到主動(dòng)遙感的工作方式。如側(cè)視雷達(dá)影像，Radarsat的衛(wèi)星雷達(dá)影像等。其常用的波段為0.8cm，3crn，5cm，10cm，有時(shí)也可將該窗口擴(kuò)展為0.05cm至300cm波段。大氣窗口主要有：3大氣的透射和大氣窗口紅外輻射在大氣中傳播時(shí)，大氣層對不同波長的紅外線存在不同的吸收帶，紅外線氣體分析器就是利用該特性工作的，空氣中對稱的雙原子氣體，如N2、O2、H2等不吸收紅外線。而紅外線在通過大氣層時(shí)，有三個(gè)波段透過率高，它們是2～2.6μm、3～5μm和8～14μm，統(tǒng)稱它們?yōu)椤按髿獯翱凇?。這三個(gè)波段對紅外探測技術(shù)特別重要，因此紅外探測器一般都工作在這三個(gè)波段（大氣窗口）之內(nèi)。大氣的透射和大氣窗口紅外輻射在大氣中傳播時(shí)，大氣層對不同波長4紅外熱像儀是一種用來探測目標(biāo)物體的紅外輻射，并通過光電轉(zhuǎn)換、電信號(hào)處理等手段，將目標(biāo)物體的溫度分布圖像轉(zhuǎn)換成視頻圖像的高科技產(chǎn)品。紅外熱像儀具有很高的軍事應(yīng)用價(jià)值和民用價(jià)值。在軍事上，紅外熱像儀可應(yīng)用于軍事夜視偵查、武器瞄具、夜視導(dǎo)引、紅外搜索和跟蹤、衛(wèi)星遙感等多個(gè)領(lǐng)域；在民用方面，紅外熱像儀可以用于材料缺陷的檢測與評價(jià)、建筑節(jié)能評價(jià)、設(shè)備狀態(tài)熱診斷、生產(chǎn)過程監(jiān)控、自動(dòng)測試、減災(zāi)防災(zāi)等諸多方面。紅外熱像儀是一種用來探測目標(biāo)物體的紅外輻射，并通過光電轉(zhuǎn)換、5紅外熱像儀的工作原理如圖8.2-10所示。光學(xué)系統(tǒng)收集輻射線，經(jīng)濾波處理后將景物圖形聚集在探測器上，光學(xué)機(jī)械掃描包括兩個(gè)掃描鏡組：垂直掃描和水平掃描。掃描器位于光學(xué)系統(tǒng)和探測器之間，當(dāng)鏡子擺動(dòng)時(shí)，從物體到達(dá)探測器的光束也隨之移動(dòng)，形成物點(diǎn)與物象互相對應(yīng)。然后探測器將光學(xué)系統(tǒng)逐點(diǎn)掃描所依次搜集的景物溫度空間分布信息，變?yōu)榘磿r(shí)序排列的電信號(hào)，經(jīng)過信號(hào)處理后，由顯示器顯示出可見圖象—物體溫度的空間分布情況。紅外熱像儀的工作原理如圖8.2-10所示。光學(xué)系統(tǒng)收集輻射線6德國英福泰克紅外熱像儀ThermaCAMP30紅外熱像儀

FLIR夜視儀/FLIR紅外熱成像德國英福泰克紅外熱像儀ThermaCAMP30紅外熱像儀7長波1024×1024QWIP照相機(jī)的紅外成像

從美國國家海洋和大氣局的紅外衛(wèi)星云圖上可以看到，美國東區(qū)時(shí)間9月12日晚上9點(diǎn)15分時(shí)，颶風(fēng)“伊萬”的中心距離古巴最西端東南方向190英里。便攜式紅外熱像儀長波1024×1024QWIP照相機(jī)的紅外成像

8紅外熱波無損檢測技術(shù)的應(yīng)用紅外熱波無損檢測技術(shù)的應(yīng)用912.1.2紅外探測器紅外傳感器一般由光學(xué)系統(tǒng)、探測器、信號(hào)調(diào)理電路及顯示單元等組成。紅外探測器是紅外傳感器的核心。紅外探測器是利用紅外輻射與物質(zhì)相互作用所呈現(xiàn)的物理效應(yīng)來探測紅外輻射的。紅外探測器的種類很多，按探測機(jī)理的不同，分為熱探測器和光子探測器兩大類。12.1.2紅外探測器101.熱探測器

熱探測器的工作機(jī)理是：利用紅外輻射的熱效應(yīng)，探測器的敏感元件吸收輻射能后引起溫度升高，進(jìn)而使某些有關(guān)物理參數(shù)發(fā)生相應(yīng)變化，通過測量物理參數(shù)的變化來確定探測器所吸收的紅外輻射。與光子探測器相比，熱探測器的探測率比光子探測器的峰值探測率低，響應(yīng)時(shí)間長。但熱探測器主要優(yōu)點(diǎn)是響應(yīng)波段寬，響應(yīng)范圍可擴(kuò)展到整個(gè)紅外區(qū)域，可以在常溫下工作，使用方便，應(yīng)用相當(dāng)廣泛。1.熱探測器11

熱探測器主要有四類：熱釋電型、熱敏電阻型、熱電阻型和氣體型。其中，熱釋電型探測器在熱探測器中探測率最高，頻率響應(yīng)最寬，所以這種探測器倍受重視，發(fā)展很快。這里我們主要介紹熱釋電型探測器。熱探測器主要有四類：熱釋電型、熱敏電阻型、熱電12

熱釋電型紅外探測器是根據(jù)熱釋電效應(yīng)制成的，即電石、水晶、酒石酸鉀鈉、鈦酸鋇等晶體受熱產(chǎn)生溫度變化時(shí)，其原子排列將發(fā)生變化，晶體自然極化，在其兩表面產(chǎn)生電荷的現(xiàn)象稱為熱釋電效應(yīng)。用此效應(yīng)制成的“鐵電體”，其極化強(qiáng)度（單位面積上的電荷）與溫度有關(guān)。當(dāng)紅外輻射照射到已經(jīng)極化的鐵電體薄片表面上時(shí)引起薄片溫度升高，使其極化強(qiáng)度降低，表面電荷減少，這相當(dāng)于釋放一部分電荷，所以叫做熱釋電型傳感器。如果將負(fù)載電阻與鐵電體薄片相連，則負(fù)載電阻上便產(chǎn)生一個(gè)電信號(hào)輸出。輸出信號(hào)的強(qiáng)弱取決于薄片溫度變化的快慢，從而反映出入射的紅外輻射的強(qiáng)弱，熱釋電型紅外傳感器的電壓響應(yīng)率正比于入射光輻射率變化的速率。熱釋電型紅外探測器是根據(jù)熱釋電效應(yīng)制成的，即13熱釋電探測器課件14熱釋電效應(yīng)的強(qiáng)弱用熱釋電系數(shù)來表示。假設(shè)整個(gè)晶體的溫度均勻地改變了一個(gè)小量ΔT，則極化的改變可由下式給出：式中p是熱釋電系數(shù)。對于恒定輻射沒有響應(yīng)。熱釋電效應(yīng)的強(qiáng)弱用熱釋電系數(shù)來表示。假設(shè)整個(gè)晶體的溫度均勻地15概述：AE-S708系列紅外熱釋電傳感器是利用材料的熱釋電效應(yīng)、材料的極化強(qiáng)度隨溫度變化而探測紅外線輻射的光接收器件；具有探測度高、響應(yīng)頻譜寬、響應(yīng)時(shí)間短、能在室溫的情況下工作不需要致冷等優(yōu)點(diǎn)；

AE-S708系列紅外熱釋電傳感器根據(jù)使用場所不同裝載了不同波長的窄帶濾光片或截止型濾光片，可廣泛用于各種光譜測量、輻射功率測量、非接觸溫度測量、氣體分析、入侵報(bào)警、火焰探測、自動(dòng)照明領(lǐng)域。特點(diǎn)：

能在室溫工作，不需要任何致冷裝置； 具有廣譜響應(yīng)，可用于探測引起熱釋電材料溫度變化的任何輻射； 結(jié)構(gòu)緊湊，使用方便；

視場角可達(dá)到120o；

無需外部偏置場；

對微小的溫度變化有響應(yīng)，能探測瞬變信號(hào)；

可根據(jù)用戶要求裝載不同波長的窄帶濾光片或截止型濾光片。概述：16熱釋電紅外傳感器結(jié)構(gòu)圖場效應(yīng)管放大器熱釋電紅外傳感器結(jié)構(gòu)圖場效應(yīng)管放大器17紅外感應(yīng)系統(tǒng)圖１是一個(gè)雙探測元熱釋電紅外傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。使用時(shí)Ｄ端接電源正極，Ｇ端接電源負(fù)極，Ｓ端為信號(hào)輸出。該傳感器將兩個(gè)極性相反、特性一致的探測元反向串聯(lián)。目的是消除因環(huán)境和自身變化引起的干擾。它利用兩個(gè)極性相反、大小相等的干擾信號(hào)在內(nèi)部相互抵消的原理來使傳感器得到補(bǔ)償。對于輻射至傳感器的紅外輻射，熱釋電傳感器通過安裝在傳感器前面的菲涅爾透鏡將其聚焦后加至兩個(gè)探測元上，從而使傳感器輸出電壓信號(hào)。制造熱釋電紅外探測元的高熱電材料是一種廣譜材料，它的探測波長范圍為０．２～２０μｍ。為了對某一波長范圍的紅外輻射有較高的敏感度，該傳感器在窗口上加裝了一塊干涉濾波片。這種濾波片除了允許某些波長范圍的紅外輻射通過外，還能將燈光、陽光和其它紅外輻射拒之門外。紅外感應(yīng)系統(tǒng)圖１是一個(gè)雙探測元熱釋電紅外傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。18

2.光子探測器光子探測器的工作機(jī)理是：利用入射光輻射的光子流與探測器材料中的電子互相作用，從而改變電子的能量狀態(tài)，引起各種電學(xué)現(xiàn)象——這種現(xiàn)象稱為光子效應(yīng)。根據(jù)所產(chǎn)生的不同電學(xué)現(xiàn)象，可制成各種不同的光子探測器。光子探測器有內(nèi)光電和外光電探測器兩種，后者又分為光電導(dǎo)、光生伏特和光磁電探測器等三種。光子探測器的主要特點(diǎn)是靈敏度高，響應(yīng)速度快，具有較高的響應(yīng)頻率，但探測波段較窄，一般需在低溫下工作。2.光子探測器19圖12–2紅外測溫儀方框圖12.1.3紅外傳感器的應(yīng)用1.紅外測溫儀濾光片一般采用只允許8～14μm的紅外輻射能通過的材料。步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)調(diào)制盤轉(zhuǎn)動(dòng)，將被測的紅外輻射調(diào)制成交變的紅外輻射線。紅外探測器一般為（鉭酸鋰）熱釋電探測器，透鏡的焦點(diǎn)落在其光敏面上。被測目標(biāo)的紅外輻射通過透鏡聚焦在紅外探測器上，紅外探測器將紅外輻射變換為電信號(hào)輸出。圖12–2紅外測溫儀方框圖12.1.3紅外傳20紅外測溫儀紅外測溫儀21SG-300超遠(yuǎn)距離紅外測溫儀

SG-300可在遠(yuǎn)距離非接觸測量小目標(biāo)的便攜式紅外測溫儀?？蓮V泛應(yīng)用于電力、鐵路系統(tǒng)，用于遠(yuǎn)距離測量輸變電線路、變電站設(shè)備接頭及接觸網(wǎng)的溫度。SG-300超遠(yuǎn)距離紅外測溫儀22德圖紅外測溫儀用于防控甲型H1N1流感德圖紅外測溫儀用于防控甲型H1N1流感23紅外測距傳感器利用紅外信號(hào)遇到障礙物距離的不同反射的強(qiáng)度也不同的原理，進(jìn)行障礙物遠(yuǎn)近的檢測。紅外測距傳感器具有一對紅外信號(hào)發(fā)射與接收二極管，發(fā)射管發(fā)射特定頻率的紅外信號(hào)，接收管接收這種頻率的紅外信號(hào)，當(dāng)紅外的檢測方向遇到障礙物時(shí)，紅外信號(hào)反射回來被接收管接收，經(jīng)過處理之后，通過數(shù)字傳感器接口返回到機(jī)器人主機(jī)，機(jī)器人即可利用紅外的返回信號(hào)來識(shí)別周圍環(huán)境的變化。AF系統(tǒng)：主動(dòng)型自動(dòng)調(diào)焦系統(tǒng)紅外測距傳感器利用紅外信號(hào)遇到障礙物距離的不同反射的強(qiáng)度也不24紅外測距儀雙目望遠(yuǎn)鏡式紅外測距儀

LEICA紅外測距儀雙目望遠(yuǎn)鏡式紅外測距儀LEICA25

2.紅外線氣體分析儀

紅外線氣體分析儀是根據(jù)氣體對紅外線具有選擇性的吸收的特性來對氣體成分進(jìn)行分析的。不同氣體其吸收波段（吸收帶）不同，圖12-3給出了幾種氣體對紅外線的透射光譜，從圖中可以看出，CO氣體對波長為4.65μm附近的紅外線具有很強(qiáng)的吸收能力，CO2氣體則發(fā)生在2.78μm和4.26μm附近以及波長大于13μm的范圍對紅外線有較強(qiáng)的吸收能力。如分析CO氣體，則可以利用4.26μm附近的吸收波段進(jìn)行分析。2.紅外線氣體分析儀26圖12–3幾種氣體對紅外線的透射光譜4.65μm2.78μm和4.26μm甲烷乙炔乙烷乙烯圖12–3幾種氣體對紅外線的透射光譜4.65μ27

圖12-4是工業(yè)用紅外線氣體分析儀的結(jié)構(gòu)原理圖。該分析儀由紅外線輻射光源、氣室、紅外檢測器及電路等部分組成。

光源由鎳鉻絲通電加熱發(fā)出3～10μm的紅外線，切光片將連續(xù)的紅外線調(diào)制成脈沖狀的紅外線，以便于紅外線檢測器信號(hào)的檢測。測量氣室中通入被分析氣體，參比氣室中封入不吸收紅外線的氣體（如N2等）。紅外檢測器是薄膜電容型，它有兩個(gè)吸收氣室，充以被測氣體，當(dāng)它吸收了紅外輻射能量后，氣體溫度升高，導(dǎo)致室內(nèi)壓力增大。圖12-4是工業(yè)用紅外線氣體分析儀的結(jié)構(gòu)28

測量時(shí)（如分析CO氣體的含量），兩束紅外線經(jīng)反射、切光后射入測量氣室和參比氣室，由于測量氣室中含有一定量的CO氣體，該氣體對4.65μm的紅外線有較強(qiáng)的吸收能力，而參比氣室中氣體不吸收紅外線，這樣射入紅外探測器的兩個(gè)吸收氣室的紅外線光造成能量差異，使兩吸收室壓力不同，測量邊的壓力減小，于是薄膜偏向定片方向，改變了薄膜電容兩電極間的距離，也就改變了電容C。如被測氣體的濃度愈大，兩束光強(qiáng)的差值也愈大，則電容的變化量也愈大，因此電容變化量反映了被分析氣體中被測氣體的濃度。測量時(shí)（如分析CO氣體的含量），兩束紅外線29圖12–4紅外線氣體分析儀結(jié)構(gòu)原理圖圖12–4紅外線氣體分析儀結(jié)構(gòu)原理圖30

圖12-4所示結(jié)構(gòu)中還設(shè)置了濾波氣室，其目的是為了消除干擾氣體對測量結(jié)果的影響。所謂干擾氣體，是指與被測氣體吸收紅外線波段有部分重疊的氣體，如CO氣體和CO2在4～5μm波段內(nèi)紅外吸收光譜有部分重疊，則CO2的存在對分析CO氣體帶來影響，這種影響稱為干擾。為此在測量邊和參比邊各設(shè)置了一個(gè)封有干擾氣體的濾波氣室，它能將與CO2氣體對應(yīng)的紅外線吸收波段的能量全部吸收，因此左右兩邊吸收氣室的紅外能量之差只與被測氣體（如CO）的濃度有關(guān)。圖12-4所示結(jié)構(gòu)中還設(shè)置了濾波氣室，其目的311-光源；2-切光片；3-同步電機(jī)；4-測量氣室；5-參比氣室；6-濾光氣室；7-檢測氣室；8-前置放大器；9-主放大器；10-記錄器氣體分析儀測量過程1-光源；氣體分析儀測量過程32（1）光源和調(diào)制器光源的任務(wù)：產(chǎn)生具有一定調(diào)制頻率（2~12HZ）、兩束能量相等且穩(wěn)定的平行紅外光束1-反光鏡；2-光源；3-切光片；4-同步電機(jī)（1）光源和調(diào)制器光源的任務(wù)：產(chǎn)生具有一定調(diào)制頻率（2~1233（2）氣室和濾光器

氣室包括測量氣室、參比氣室和濾光氣室。結(jié)構(gòu)圓筒形，除測量氣室有氣樣進(jìn)出口之外，參比氣室和過濾氣室都是密封的，所有氣室內(nèi)壁非常光潔，要求不吸收紅外線，不能吸附氣體，對氣體不起任何化學(xué)作用。測量氣室長度與濃度成反比。濾光氣室封入一定濃度的干擾組分，它的長度由封入干擾組分的濃度決定，有的分析儀不采用濾光氣室，而用濾光片將干擾組分特征吸收波長全部濾去，這種結(jié)構(gòu)較簡單。氣室兩端用透光材料密封，它既保證氣室的密封性，又具有良好的透光性，并且因各種透光材料允許透過光波長的不同，又起到了濾光作用，常用的透光材料有藍(lán)寶石（Al2O3）、氟化鋰（LiF）等。（2）氣室和濾光器氣室包括測量氣室、參比氣室和濾光氣室。34（3）檢測器1－窗口的光學(xué)玻璃，2－殼體，3－薄膜，其下部帶有電容傳感器的動(dòng)片，4－電容傳感器的定片5－絕緣體6－支架7和8－兩個(gè)氣室9－后蓋10－密封墊圈（3）檢測器1－窗口的光學(xué)玻璃，35紅外線氣體分析儀便攜式紅外二氧化碳分析儀GXH—3011A1便攜式紅外線CO氣體分析儀1370紅外線二氧化碳檢測儀用于空氣品質(zhì)監(jiān)測紅外線氣體分析儀便攜式紅外二氧化碳分析儀GXH—3011A13612.2核輻射傳感器12.2.1核輻射及其性質(zhì)眾所周知，各種物質(zhì)都是由一些最基本的物質(zhì)所組成。人們稱這些最基本的物質(zhì)為元素。組成每種元素的最基本單元就是原子，每種元素的原子都不是只存在一種。具有相同的核電荷數(shù)Z而有不同的質(zhì)子數(shù)A的原子所構(gòu)成的元素稱同位素。假設(shè)某種同位素的原子核在沒有外力作用下，自動(dòng)發(fā)生衰變，衰變中釋放出α射線、β射線、γ射線、X射線等，這種現(xiàn)象稱為核輻射。而放出射線的同位素稱為放射性同位素，又稱放射源。12.2核輻射傳感器12.2.1核輻射及其性質(zhì)37實(shí)驗(yàn)表明，放射源的強(qiáng)度是隨著時(shí)間按指數(shù)定理而減低的，即(12-1)式中：J0——開始時(shí)的放射源強(qiáng)度；J——經(jīng)過時(shí)間為t以后的放射源強(qiáng)度；λ——放射性衰變常數(shù)。實(shí)驗(yàn)表明，放射源的強(qiáng)度是隨著時(shí)間按指數(shù)定理而減低的，即(138

放射性同位素種類很多，由于核輻射檢測儀表對采用的放射性同位素要求它的半衰期比較長(半衰期是指放射性同位素的原子核數(shù)衰變到一半所需要的時(shí)間，這個(gè)時(shí)間又稱為放射性同位素的壽命)，且對放射出來的射線能量也有一定要求，因此常用的放射性同位素只有20種左右，例如Sr90（鍶）、Co60（鈷）、Cs137（銫）、Am241（镅）等。放射性同位素種類很多，由于核輻射檢測儀表對采391.α射線放射性同位素原子核中可以發(fā)射出α粒子。α粒子的質(zhì)量為4.002775u(原子質(zhì)量單位)，它帶有正電荷，實(shí)際上即為氦原子核，這種α粒子流通常稱作α射線。放射出α粒子后同位素的原子序數(shù)將減少兩個(gè)單位而變?yōu)榱硪粋€(gè)元素。一般α粒子具有40～100MeV的能量，平均壽命為幾微秒到1010年。它從核內(nèi)射出的速度為20km/s，α粒子的射程長度在空氣中為幾厘米到十幾厘米。1.α射線40

α射線通過氣體時(shí)，使其分子或原子的軌道電子產(chǎn)生加速運(yùn)動(dòng)，如果此軌道電子獲得足夠大的能量，就能脫離原子成為自由電子，從而產(chǎn)生一對由自由電子和正離子組成的離子對，這種現(xiàn)象稱為電離。如在相互作用中，軌道電子獲得的能量還不足以使它脫離原子成為自由電子，僅使電子從低能級(jí)躍遷至較高能級(jí)，則稱這種相互作用為激發(fā)。α離子在穿經(jīng)物質(zhì)時(shí)，由于激發(fā)和電離，損失其動(dòng)能，最后停滯在物體之中，與其中兩個(gè)電子結(jié)合，成為中性的氦原子。一般說來，其電離效應(yīng)較激發(fā)效應(yīng)顯著。α射線通過氣體時(shí)，使其分子或原子的軌道電子產(chǎn)41

α離子在物質(zhì)中運(yùn)動(dòng)時(shí)會(huì)改變運(yùn)動(dòng)方向，這種現(xiàn)象稱為散射。由于散射效應(yīng)，按原來方向進(jìn)行的α粒子的數(shù)目將減少，但遠(yuǎn)小于電離和激發(fā)效應(yīng)引起的α粒子的數(shù)目的減少。在檢測技術(shù)中，α射線的電離效應(yīng)、透射效應(yīng)和散射效應(yīng)都有應(yīng)用，但以電離效應(yīng)為主，用α粒子來使氣體電離比其它輻射強(qiáng)得多。α離子在物質(zhì)中運(yùn)動(dòng)時(shí)會(huì)改變運(yùn)動(dòng)方向，這種現(xiàn)象稱422.β射線

β粒子的質(zhì)量為0.000549u，帶有一個(gè)單位的電荷。它所帶的能量為100keV～幾兆電子伏特。β粒子的運(yùn)動(dòng)速度均較α粒子的運(yùn)動(dòng)速度高很多，在氣體中的射程可達(dá)20m。和α粒子一樣，β粒子在穿經(jīng)物質(zhì)時(shí)，會(huì)使組成物質(zhì)的分子或原子發(fā)生電離，但與α射線相比β射線的電離作用較小。由于β粒子的質(zhì)量比α粒子小很多，因此更易被散射。β粒子在穿經(jīng)物質(zhì)時(shí)，由于電離、激發(fā)、散射和激發(fā)次級(jí)輻射等作用，使β粒子的強(qiáng)度逐漸衰減，衰減情況大致服從如下的指數(shù)規(guī)律：J=J0e-μh

(12-2)2.β射線J=J0e-μh(12-243

式中：J0和J——β粒子穿經(jīng)厚度為h、密度為ρ的吸收體前后的強(qiáng)度；

μ——線性吸收系數(shù)。

β射線與α射線相比，透射能力大，電離作用小。在檢測中主要是根據(jù)β輻射吸收來測量材料的厚度、密度或重量，根據(jù)輻射的反射來測量覆蓋層的厚度，利用β粒子很大的電離能力來測量氣體流的。式中：J0和J——β粒子穿經(jīng)厚度為h、密度為443.γ射線

原子核從不穩(wěn)定的高能激發(fā)態(tài)躍遷到穩(wěn)定的基態(tài)或較穩(wěn)定的低能態(tài)，并且不改變其組成過程稱為γ衰變（或稱γ躍遷）。發(fā)生γ躍遷時(shí)所放射出的射線稱γ射線或γ光子。對于放射性同位素核衰變時(shí)放射的γ射線，或者內(nèi)層軌道電子躍遷時(shí)發(fā)射的X射線，它們和物質(zhì)作用的主要形式為光電效應(yīng)。當(dāng)一個(gè)光子和原子相碰撞時(shí)，將其能量全部交給某一軌道電子，使它脫離原子，光子則被吸收，這種現(xiàn)象稱為光電效應(yīng)。光電效應(yīng)也伴隨有次級(jí)輻射產(chǎn)生。當(dāng)γ射線通過物質(zhì)時(shí)，由于發(fā)生光電等效應(yīng)的結(jié)果，它的強(qiáng)度將減弱，它也遵循如式(12-2)所示的指數(shù)衰減規(guī)律。3.γ射線45

與β射線相比，γ射線的吸收系數(shù)小，它透過物質(zhì)的能力最大，在氣體中的射程為幾百米，并且能穿透幾十厘米的固體物質(zhì)，其電離作用最小。在測量儀表中，根據(jù)γ輻射穿透力強(qiáng)這一特性來制作探傷儀、金屬厚度計(jì)和物位計(jì)等。與β射線相比，γ射線的吸收系數(shù)小，它透過物質(zhì)的46高能粒子的來源1.天然和人工放射源:2.核反應(yīng)堆:3.粒子加速器:

陰極射線管：加速電子，利用熒光物質(zhì)產(chǎn)生x射線 靜電加速器： 直線微波加速器 回旋加速器 同步回旋加速器 粒子存儲(chǔ)環(huán)和對撞機(jī)4.宇宙射線高能粒子的來源1.天然和人工放射源:47常用放射線1、α射線：α射線是由高速運(yùn)動(dòng)的氦原子核（2個(gè)質(zhì)子和2個(gè)中子）組成的，通常也稱α粒子，α衰變時(shí)大多數(shù)粒子能量在4～9MeV范圍內(nèi)。因α粒子質(zhì)量重，電離本領(lǐng)大，射程短，一般用普通紙張即可屏蔽住。2、β射線：β射線是高速運(yùn)動(dòng)的電子流，有正負(fù)電子之分。負(fù)電子是穩(wěn)定的，帶有一個(gè)單位的負(fù)電荷，正電子帶有一個(gè)單位的正電荷，兩種電子的靜止質(zhì)量相同，其質(zhì)量約為質(zhì)子質(zhì)量的1/1846。β衰變時(shí)β粒子的能量一般在幾十KeV～幾MeV間，在物質(zhì)中的射程相對較弱，用有機(jī)玻璃或金屬鋁屏蔽即可起到防護(hù)的作用。

3、γ射線和X射線一樣，都是電磁波，又稱光子，不帶任何電荷，靜止質(zhì)量為0。γ躍遷時(shí)，γ能量一般在幾KeV～十幾MeV，穿透能力較強(qiáng)，需要較厚的物質(zhì)才能屏蔽，多采用厚混凝土墻或鉛等物質(zhì)來進(jìn)行防護(hù)。

常用放射線1、α射線：α射線是由高速運(yùn)動(dòng)的氦原子核（2個(gè)質(zhì)子48放射線與物質(zhì)的相互作用

1.電離作用:由于帶電粒子和殼層電子間的靜電作用，使殼層電子獲得足夠能量而脫離原子、分子形成自由電子和正離子。自由電子和一個(gè)正離子組成一個(gè)離子對，這就稱為電離作用。2.激發(fā)作用:如果殼層電子獲得能量較小而未能脫離原子或分子，只是由低能級(jí)躍遷到高能級(jí)，則稱為激發(fā)。3.照像作用:是指放射線照射到攝影膠片上，會(huì)使攝影膠片感光的現(xiàn)象。4.熒光作用:如果放射線照射在熒光物質(zhì)上，會(huì)使其產(chǎn)生熒光。5.熱效應(yīng):由于帶電粒子和物質(zhì)的原子或分子不斷碰撞，使分子不規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)增加，從而使物質(zhì)變熱。6.射程與穿透作用:射線通過物質(zhì)時(shí)，不斷與物質(zhì)相互作用而損失能量，直至停止前進(jìn)。射線從進(jìn)入物質(zhì)到停止前進(jìn)所經(jīng)過的距離，稱為該射線在該物質(zhì)中的射程，以厘米為單位。如果射線通過時(shí)，不被物質(zhì)阻止前進(jìn)而一直穿過物質(zhì)，則稱其具有穿透作用7.其它:某些射線還可以產(chǎn)生光電效應(yīng)，康普頓效應(yīng)，電子對效應(yīng)，或引起物質(zhì)的核反應(yīng)，引起物質(zhì)發(fā)生化學(xué)變化等。放射線與物質(zhì)的相互作用1.電離作用:由于帶電粒子和殼層電49氣體帶電粒子探測器的工作模式處于在陰極和陽極之間電場中的特殊氣體是探測高能帶電粒子的有效介質(zhì)。高能帶電粒子在氣體探測器介質(zhì)中產(chǎn)生的初始電離電荷和雪崩增殖放大電荷，其在電場中被電極所收集和探測的過程可以分為下述七個(gè)區(qū)域。這一區(qū)分法主要被用來描述氣體探測器的工作過程，但實(shí)際也適用于半導(dǎo)體探測器介質(zhì)。1.自吸收區(qū):由于電場強(qiáng)度低，電離電荷的漂移速度很慢，自由電子和正離子的重新結(jié)合或被介質(zhì)原子俘獲的可能性很大，電荷增益G<1。2.電離室區(qū):探測器通過收集初始電離電荷來探測帶電粒子。隨著電壓的升高，初始電離電荷幾乎全部被吸收。電荷增益G＝1。3.正比區(qū):隨著電壓進(jìn)一步升高，電子增殖開始出現(xiàn)。放大以后的電荷總量與初始電離電荷保持著近似的正比關(guān)系。G約為1～106范圍。4.有限正比區(qū):放大后的電荷數(shù)量太大，漂移速度慢的正離子云產(chǎn)生的空間電荷使得電場減弱，G開始趨向飽和。正比關(guān)系被破壞。5.流光區(qū):電子增殖的過程伴隨有大量的光子發(fā)射。G可達(dá)108以上。6.蓋革區(qū):G更高，可達(dá)109以上。7.擊穿放電區(qū):陽極和陰極之間開始連續(xù)的放電打火，氣體介質(zhì)呈導(dǎo)通狀態(tài)。探測器失去了探測功能。氣體帶電粒子探測器的工作模式處于在陰極和陽極之間電場中的特5012.2.2核輻射探測器核輻射探測器又稱核輻射接收器，它是核輻射傳感器的重要組成部分。核輻射探測器的作用是將核輻射信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，從而探測出射線的強(qiáng)弱和變化。由于射線的強(qiáng)弱和變化與測量參數(shù)有關(guān)，因此它可以探測出被測參數(shù)的大小及變化。這種探測器的工作原理或者是根據(jù)在核輻射作用下某些物質(zhì)的發(fā)光效應(yīng)，或者是根據(jù)當(dāng)核輻射穿過它們時(shí)發(fā)生的氣體電離效應(yīng)。

當(dāng)前常用的核輻射探測器有：電離室、正比計(jì)數(shù)管、蓋革—彌勒計(jì)數(shù)管、閃爍計(jì)數(shù)器和半導(dǎo)體探測器等。

12.2.2核輻射探測器511.電離室

電離室是利用射線對氣體的電離作用而設(shè)計(jì)的一種輻射探測器，它的重要部分是兩個(gè)電極和充滿在兩個(gè)電極間的氣體。氣體可以是空氣或某些惰性氣體。電離室的形狀有圓柱體和方盒狀。1.電離室52

如圖12-5所示，在電離室兩側(cè)放置相互絕緣的板電極，電極間加上適當(dāng)電壓，放射線進(jìn)入電極間的氣體中，在核輻射的作用下，電離室中的氣體介質(zhì)即被電離，離子沿著電場的作用線移動(dòng)，這時(shí)在電離室的電路中產(chǎn)生電離電流。核輻射強(qiáng)度越大,在電離室產(chǎn)生的離子對越多，產(chǎn)生的電流亦越大。電流I與兩個(gè)電極間所加的電壓U的關(guān)系曲線如圖12-6所示（曲線1、2和3分別代表不同的輻射強(qiáng)度下的特性曲線）。圖中線段OU1稱為線性段，在這一線段上，當(dāng)電壓不大時(shí)，電離室中的離子的移動(dòng)速度亦不大，有部分離子在移動(dòng)時(shí)就重新復(fù)合，而只有余下的部分離子能夠到達(dá)電極上。電極上電壓愈高，離子移動(dòng)速度越快，離子復(fù)合就愈為減少，電流就會(huì)增加。線段U1U2稱為飽和段，在這段上的工作電壓很大，所以實(shí)際上全部生成的離子都能到達(dá)電極上。此時(shí)電流將與所加電壓無關(guān)。一般電離室工作在特性曲線的飽和段，其輸出電流正比于射到電離室上的核輻射強(qiáng)度。

如圖12-5所示，在電離室兩側(cè)放置相互絕緣的53圖12–5電離室的結(jié)構(gòu)示意圖圖12–5電離室的結(jié)構(gòu)示意圖54圖12–6電離室的特性曲線圖12–6電離室的特性曲線55圖12–7差分電離室圖12–7差分電離室56

電離室內(nèi)所充氣體的壓力、極板的大小和兩極間的距離對電離電流都有較大的影響，例如增大氣體壓力或增大電極面積都會(huì)使電離電流增大，電離室的特性曲線也將向增大電離電流的方向移動(dòng)。在核輻射檢測儀表中，有時(shí)用一個(gè)電離室，有時(shí)用兩個(gè)電離室。為了使兩個(gè)電離室的特性一樣，以減少測量誤差，通常設(shè)計(jì)成差分電離室，如圖12-7所示。在高電阻上流過的電流為兩個(gè)電離室收集的電流之差，這樣可以避免高電阻、放大器、環(huán)境溫度等變化而引起的測量誤差。電離室內(nèi)所充氣體的壓力、極板的大小和兩極間的距57

電離室主要用來探測α、β粒子。在同樣條件下，進(jìn)入電離室的α粒子比β粒子所產(chǎn)生的電流大100多倍。利用電離室測量α、β粒子時(shí)，其效率可以接近100%，而測量γ射線時(shí)，則效率很低。這是因?yàn)棣蒙渚€沒有直接電離的本領(lǐng)，它是靠從電離室的壁上打出二次電子，而二次電子起電離作用，因此,γ射線的電離室必須密閉。一般γ電離室的效率只有1%～2%。電離室主要用來探測α、β粒子。在同樣條件下，進(jìn)58內(nèi)充氣電離室測氡標(biāo)準(zhǔn)裝置是具有低不確定度，長期穩(wěn)定的氡活度計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)裝置。電離室不易污染且容易去污，能夠保證測量效率的長期穩(wěn)定。基本原理：利用標(biāo)準(zhǔn)氡源刻度電離室裝置，由得出的刻度系數(shù)及測量被檢未知氡源時(shí)的電離電流求出被檢氡源的活度；通過標(biāo)準(zhǔn)電離室裝置與被檢定儀器測量同一氡源時(shí)的測量值比值得出校準(zhǔn)刻度系數(shù)?；拘阅埽弘睗舛刃?zhǔn)范圍：（2—20000）Bq/L；整個(gè)裝置相對測氡的擴(kuò)展不確定度：5％（ｋ=2）；電離室刻度系數(shù)：25Bq/pA量級(jí)；電離室探測下限：0.5Bq；電離室密封性能：漏氣率＜0.1％/月；該裝置具有數(shù)據(jù)自動(dòng)獲取及處理的功能，即電離室取樣后，通過自編程序控制靜電計(jì)進(jìn)行在線連續(xù)測量，所測數(shù)據(jù)可同時(shí)在屏幕上以數(shù)字或圖形方式顯示。測量時(shí)間及參數(shù)可預(yù)先設(shè)定，測量時(shí)也可中途退出。測量數(shù)據(jù)可自動(dòng)處理，存盤，打印。內(nèi)充氣電離室測氡標(biāo)準(zhǔn)裝置內(nèi)充氣電離室測氡標(biāo)準(zhǔn)裝置是具有低不確定度，長期穩(wěn)定的氡活度計(jì)59451P/B加壓電離室輻射劑量監(jiān)測儀是一種手持式電池供電的儀器，是為在惡劣環(huán)境和正常環(huán)境下可使用而設(shè)計(jì)的。451P型巡檢儀的特點(diǎn)是有一個(gè)加壓電離室，它為測量γ射線和X射線的輻射提高了靈敏度，改善了能量響應(yīng)。451P型輻射劑量監(jiān)測儀可廣泛用于醫(yī)學(xué)和保健物理學(xué)領(lǐng)域。451P型輻射劑量監(jiān)測儀是為測量X光診斷設(shè)備及輻射治療設(shè)備周圍的輻射泄露和散射而設(shè)計(jì)的。451P型巡檢儀也是現(xiàn)場測量的理想儀器，因此，X-光機(jī)制造商，政府機(jī)構(gòu)、國家檢查人員、研究室人員、生物醫(yī)學(xué)技術(shù)人員都經(jīng)常使用它，在機(jī)場用于行李檢查和設(shè)備的維護(hù)。451P/B加壓電離室輻射劑量監(jiān)測儀是一種手持式電池供電的儀60圖12–8正比計(jì)數(shù)管的結(jié)構(gòu)模型圖12–8正比計(jì)數(shù)管的結(jié)構(gòu)模型612.正比計(jì)數(shù)管正比計(jì)數(shù)管的結(jié)構(gòu)如圖12-8所示。它是由圓筒形的陰極和作為陽極的中央芯線組成的，內(nèi)封有稀有氣體、氮?dú)?、二氧化碳、氫氣、甲烷、丙烷等氣體。當(dāng)放射線射入使氣體產(chǎn)生電離時(shí)，由于在芯線近旁電場密度高，電子碰撞被加速，在氣體中獲得足夠的能量，碰撞其它氣體分子和原子而產(chǎn)生新的離子對；此過程反復(fù)進(jìn)行而被放大，人們將此過程稱為氣體放大。放大作用僅限于芯線近旁，所以可得到與放射線的入射區(qū)域無關(guān)的一定的放大倍數(shù)。由于放大而產(chǎn)生的陽離子迅速離開氣體放大區(qū)域而產(chǎn)生輸出脈沖。輸出脈沖的大小正比于因放射線入射而產(chǎn)生電子、正離子對的數(shù)目，而電子、正離子對數(shù)正比于氣體吸收的放射線的能量。因此，正比計(jì)數(shù)管可以探測入射放射線的能量。2.正比計(jì)數(shù)管62

正比計(jì)數(shù)管大多數(shù)是圓柱形或者球形、半球形。其陽極很細(xì)，陰極直徑較大，這主要是為了在外加電壓較小的情況下，使陽極附近仍能有很強(qiáng)的電場，以便有足夠大的氣體放大倍數(shù)。正比計(jì)數(shù)管可以在很寬的能量范圍內(nèi)測定入射粒子的能量，能量分辨率相當(dāng)高，分辨時(shí)間很短，并且可作快速計(jì)數(shù)。正比計(jì)數(shù)管大多數(shù)是圓柱形或者球形、半球形。其63食品放射性污染物檢測儀FH40LAB-1

組成：FH40G(主機(jī))和FHZ732GM(探頭)測量范圍：0.1-10,000cps靈敏度（cps/Bq）：15%（Am-241）

25%(Cs-137)探測器：正比計(jì)數(shù)管（FH40G）

充ArCO2的正比計(jì)數(shù)管（FHZ732GM）

測量時(shí)間僅5分鐘探測限約為500Bq/kg（Cs-137）食品放射性污染物檢測儀FH40LAB-164熱釋電探測器課件653.蓋革-彌勒計(jì)數(shù)管蓋革-彌勒計(jì)數(shù)管也是根據(jù)射線對氣體的電離作用而設(shè)計(jì)的輻射探測器。它與電離室不同的地方主要在于工作在氣體放電區(qū)域，具有放大作用。其結(jié)構(gòu)如圖12-9所示。計(jì)數(shù)管以金屬圓筒為陰極，以筒中心的一根鎢絲或鉬絲為陽極，筒和絲之間用絕緣體隔開。計(jì)數(shù)管內(nèi)充有氬、氦等氣體。為了便于密封，計(jì)數(shù)管常用玻璃作外殼，而陰極用金屬或石墨涂覆于玻璃表面內(nèi)部或在外殼內(nèi)用金屬筒作陰極。圖12–9蓋革-彌勒計(jì)數(shù)管3.蓋革-彌勒計(jì)數(shù)管圖12–9蓋革-彌勒計(jì)數(shù)管66

在蓋革-彌勒計(jì)數(shù)管中，陰極和陽極間施加比計(jì)數(shù)管高的電壓。X射線、α射線、β射線入射使產(chǎn)生比正比計(jì)數(shù)管激烈的氣體放大，原離子所在區(qū)域沿中央絲極傳播到整個(gè)計(jì)數(shù)管內(nèi)。由于電子漂移速度很快，很快地被收集，于是在中央絲極周圍形成一層正離子，稱為正離子鞘。正離子鞘的形成使陽極附近的電場變?nèi)?，直到不再能產(chǎn)生離子的增殖，此時(shí)原始電離的放大過程就停止了。放大過程停止后，在電場作用下，正離子鞘向陰極移動(dòng)，給出一個(gè)與正離子鞘的總電荷有關(guān)，而與原始電離無關(guān)的脈沖輸出。在第一次放大過程停止以及電壓脈沖出現(xiàn)后，計(jì)數(shù)管并不回到原始的狀態(tài)。在蓋革-彌勒計(jì)數(shù)管中，陰極和陽極間施加比計(jì)數(shù)67由于正離子鞘到達(dá)陰極時(shí)得到一定的動(dòng)能，所以正離子也能從陰極中打出次級(jí)電子。同時(shí)由于正離子鞘到達(dá)了陰極，中央陽極電場已恢復(fù)，因此這些次級(jí)電子又能引起新的離子增殖，像原先一樣再產(chǎn)生離子鞘，再產(chǎn)生電壓脈沖，造成所謂連續(xù)放電現(xiàn)象。為了克服這個(gè)問題，必須采取特殊的方法使放電猝滅。猝滅放電的方法有兩種：一種是采用猝滅電路，用來降低中央絲極的電壓，使其降低到發(fā)生碰撞電離所需電壓以下；另一種方法是在計(jì)數(shù)管中放入少量猝滅性氣體。這種自猝滅型計(jì)數(shù)管又可分為兩種：一種是充惰性氣體和少量酒精、乙醚或石油醚的蒸氣，稱為有機(jī)管；另一種是管內(nèi)充惰性氣體和鹵素氣體，稱為鹵素管。由于正離子鞘到達(dá)陰極時(shí)得到一定的動(dòng)能，所以正離子也能從陰極中68圖12–10蓋革-彌勒計(jì)數(shù)管特性曲線圖12–10蓋革-彌勒計(jì)數(shù)管特性曲線69

蓋革-彌勒計(jì)數(shù)管由于有氣體放大作用，所產(chǎn)生的電流比電離室的離子流大好幾千倍，因此它不需要高電阻，其負(fù)載電阻一般不超過1ΜΩ，輸出的脈沖一般為幾伏到幾十伏。圖12-10為計(jì)數(shù)管的特性曲線，在一定的核輻射照射下，當(dāng)增加二極間的電壓時(shí)，在一定范圍內(nèi)只能增加脈沖的幅度U，而計(jì)數(shù)率N只有微弱的增加。圖中ab段對應(yīng)的曲線稱為計(jì)數(shù)管的坪。J1、J2代表入射的核輻射強(qiáng)度，且J1>J2。由圖可知，在外電壓U相同的情況下，入射的核輻射強(qiáng)度越強(qiáng)，蓋革-彌勒計(jì)數(shù)管內(nèi)產(chǎn)生的脈沖數(shù)N越多。計(jì)數(shù)管所加電壓由所加氣體決定，鹵素計(jì)數(shù)管為280～400V，有機(jī)計(jì)數(shù)管為800～1000V。蓋革-彌勒計(jì)數(shù)管由于有氣體放大作用，所產(chǎn)生的70熱釋電探測器課件71JB4020B多用輻射報(bào)警儀是智能型的儀器，主要用來監(jiān)測各種放射性工作場所的X、γ以及硬β射線的輻射，在JB4020報(bào)警儀的基礎(chǔ)上增加了外置探測器，同時(shí)儀器還可直接固定在墻壁上，從而更好的保護(hù)從事、接觸放射工作人員的安全。它采用功能較強(qiáng)的新型單片機(jī)技術(shù)，探測器采用經(jīng)補(bǔ)償?shù)腉M計(jì)數(shù)管，故該儀器具有較寬的測量范圍、較好的能量響應(yīng)特性。本儀器既可采用電池供電，也可采用外接電源供電，以免除用戶經(jīng)常更換電池的煩擾。JB4020B多用輻射報(bào)警儀是智能型的儀器，主要用來監(jiān)測各種724.閃爍計(jì)數(shù)器物質(zhì)受放射線的作用而被激發(fā)，在由激發(fā)態(tài)躍遷到基態(tài)的過程中，發(fā)射出脈沖狀的光的現(xiàn)象稱為閃爍現(xiàn)象。能產(chǎn)生這樣發(fā)光現(xiàn)象的物質(zhì)稱為閃爍體。閃爍計(jì)數(shù)器先將輻射能變?yōu)楣饽埽缓笤賹⒐饽茏優(yōu)殡娔芏M(jìn)行探測，它由閃爍體和光電倍增管兩部分組成，如圖12-11所示。4.閃爍計(jì)數(shù)器73圖12–11閃爍計(jì)數(shù)器圖12–11閃爍計(jì)數(shù)器74

閃爍晶體的種類很多，按化學(xué)組成成分可分為有機(jī)和無機(jī)兩大類，按物質(zhì)形態(tài)分則可分為固態(tài)、液態(tài)和塑料等類型。通常使用固態(tài)閃爍體，其中有銀激活的硫化鋅ZnS(Ag)、鉈激活的碘化鈉NaI(T1)、鉈激活的碘化銫CsI(T1)、金激活的碘化鋰LiI(Au)等。有機(jī)閃爍體中應(yīng)用最廣的有蒽、芪、三聯(lián)苯和萘等。通常使用的物質(zhì)列于表12-1。閃爍晶體的種類很多，按化學(xué)組成成分可分為有機(jī)75表12–1主要的閃爍晶體及檢測對象表12–1主要的閃爍晶體及檢測對象76

光電倍增管的作用為接受閃爍體發(fā)射的光子將其變?yōu)殡娮硬⑦@些電子倍增放大為可測量的脈沖。光電倍增管可以分為電場聚焦型和無聚焦型兩類。在每一類中，按照次陰極的幾何形狀及排列方式的不同又分為幾種。放射性同位素檢測儀表中常用的GDB-19和GDB-10分別為直線聚焦型和百葉窗式無聚焦型。光電倍增管的基本特性有光特性、陽極的電流電壓特性、光陰極的光譜響應(yīng)等。入射到光陰極上的光通量F與陽極電流ia之間的關(guān)系稱為此光電倍增管的光特性，一般光電倍增管的ia與光通量F成正比。在一定的光通量F中，光電倍增管的陽極電流與工作電壓的關(guān)系是電流隨工作電壓的增加而急劇上升，上升到某一值后達(dá)到飽和。光譜響應(yīng)是指光陰極發(fā)射光電子的效率隨入射光波長而變化的關(guān)系。在組合閃爍計(jì)數(shù)器時(shí)，光電倍增管的光譜靈敏度范圍必須和閃爍晶體發(fā)出的光譜相配合。光電倍增管的作用為接受閃爍體發(fā)射的光子將其變?yōu)?7

閃爍計(jì)數(shù)器負(fù)載電阻上產(chǎn)生脈沖，其幅度一般為零點(diǎn)幾伏到幾伏，較蓋革-彌勒計(jì)數(shù)管的輸出脈沖的幅度為小。閃爍計(jì)數(shù)器的輸出脈沖與入射粒子的能量成正比，它探測γ射線的效率在20%～30%以上，比蓋革-彌勒計(jì)數(shù)管和離子室高很多；它探測α、β射線的效率接近100%。由于閃爍體中一次閃爍的持續(xù)時(shí)間很短,故最大計(jì)數(shù)率一般為106～108數(shù)量級(jí)。若輸出采用電流法，則記錄的輻射強(qiáng)度不受限制。閃爍計(jì)數(shù)器負(fù)載電阻上產(chǎn)生脈沖，其幅度一般為零78

在γ射線天文研究中，切侖科夫計(jì)數(shù)器常與閃爍計(jì)數(shù)器構(gòu)成望遠(yuǎn)鏡（右圖），用于探測10兆電子伏以上的γ射線。對于幾百兆電子伏以上的γ射線，則使用氣體切侖科夫計(jì)數(shù)器，它與閃爍計(jì)數(shù)器聯(lián)合使用，有方向性好、本底小的優(yōu)點(diǎn)。大于106兆電子伏的γ光子在大氣中產(chǎn)生空氣簇射，其高能正負(fù)電子對能使大氣成為輻射體，產(chǎn)生切侖科夫輻射，方向接近高能γ光子進(jìn)入大氣層時(shí)的方向，可在地面用光電倍增管進(jìn)行探測，構(gòu)成獨(dú)特的切侖科夫計(jì)數(shù)器望遠(yuǎn)鏡。在γ射線天文研究中，切侖科夫計(jì)數(shù)器常與閃爍計(jì)數(shù)器構(gòu)成望遠(yuǎn)鏡79小型液體閃爍計(jì)數(shù)器小型液體閃爍計(jì)數(shù)器80熱釋電探測器課件815.半導(dǎo)體探測器半導(dǎo)體探測器是近年來迅速發(fā)展起來的一種射線探測器。我們知道荷電粒子一入射到固體中就與固體中的電子產(chǎn)生相互作用并失去能量而停止。入射到半導(dǎo)體中的荷電粒子在此過程產(chǎn)生電子和空穴對。而X射線或γ射線由于光電效應(yīng)、康普頓散射、電子對生成等而產(chǎn)生二次電子，此高速的二次電子經(jīng)過與荷電粒子的情況相同的過程而產(chǎn)生電子和空穴。若取出這些生成的電荷，可以將放射線變?yōu)殡娦盘?hào)。就半導(dǎo)體而言，主要使用的是Si和Ge，對GaAs、CdTe等材料也進(jìn)行了研究。目前,開發(fā)的半導(dǎo)體傳感器有PN結(jié)型傳感器、表面勢壘型傳感器、鋰漂移型傳感器、非晶硅傳感器等。5.半導(dǎo)體探測器8212.2.3核輻射傳感器的應(yīng)用

1.核輻射厚度計(jì)

透射式厚度計(jì)如圖12-12所示，它是利用射線穿透物質(zhì)的能力來制成的檢測儀表。它的特點(diǎn)是放射源和核輻射探測器分別置于被測物體的兩側(cè)，射線穿過被測物體后射入核輻射探測器。由于物質(zhì)的吸收，使得射入核輻射探測器的射線強(qiáng)度降低，降低的程度和物體的厚度等參數(shù)有關(guān)。如前所述，射到探測器的透射射線強(qiáng)度J和物體厚度t的關(guān)系為J=J0e-μmρt

(12-3)12.2.3核輻射傳感器的應(yīng)用J=J0e-μmρt(83或(12-4)式中：ρ——被測材料的密度；μm——被測材料對所用射線的質(zhì)量吸收系數(shù)；J0——沒有被測物體時(shí)射到探測器處的射線強(qiáng)度?；?12-4)式中：ρ——被測材料的密度；84圖12–12透射式厚度計(jì)圖12–12透射式厚度計(jì)85圖12–13零位法透射式厚度計(jì)圖12–13零位法透射式厚度計(jì)86

對于一定的放射源和一定的材料就有一定的μ和ρ，則測出J和J0即可計(jì)算確定該材料的厚度t。放射源一般用β、Χ或γ射線。圖12-13所示為零位法的透射式厚度計(jì)。放射源的β射線穿過被測物體射入測量電離室1，β射線也穿過補(bǔ)償楔射入補(bǔ)償電離室2。這兩個(gè)電離室接成差式電路，流過電阻上的電流為兩個(gè)電離室的輸出電流之差。該電流差在電阻上產(chǎn)生的電壓降，使振蕩器振蕩，變?yōu)榻涣鬏敵?，在?jīng)放大后加在平衡電動(dòng)機(jī)上，使電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)，帶動(dòng)補(bǔ)償楔移動(dòng)，直到兩個(gè)電離室接受的射線強(qiáng)度相等，使電阻上電壓降等于零為止；根據(jù)補(bǔ)償楔的移動(dòng)量可測知厚度。對于一定的放射源和一定的材料就有一定的μ和ρ87

還可以用散射法測量厚度。散射法是指利用核輻射被物體后向散射的效應(yīng)制成的檢測儀器。這種儀器的特點(diǎn)是放射源和核輻射探測器可置于被測物質(zhì)的同一側(cè)，射入的被測物質(zhì)中的射線，由于和被測物質(zhì)的相互作用，而使得其中的一部分射線反向折回，并進(jìn)入位于與放射源同側(cè)的核輻射探測器而被測量。射到核輻射探測器處的后向散射射線強(qiáng)度與放射源至被測物質(zhì)的距離，以及與被測物質(zhì)的成分、密度、厚度和表面狀態(tài)等因素有關(guān)，因此改變其中一個(gè)參數(shù)而保持其它參數(shù)不變，則測得的射線強(qiáng)度將僅隨該參數(shù)而變化。利用這種方法可測量薄板的厚度、覆蓋層厚度、材料的成分、密度等參數(shù)。這種方法的優(yōu)點(diǎn)為非接觸測量，且不損壞被測物質(zhì)。還可以用散射法測量厚度。散射法是指利用核輻射88

后向散射測量厚度的示意圖如圖12-14所示。射線強(qiáng)度與散射體厚度之間的關(guān)系式為J散=J飽和（1-e-kρt）(12-5)式中：t和ρ——散射體的厚度和密度；

J散和J飽和——厚度為t和厚度為“無限大”時(shí)的后向散射β射線強(qiáng)度；

k——與射線能量有關(guān)的系數(shù)。后向散射測量厚度的示意圖如圖12-14所示。89圖12–14β散射式厚度測量圖12–14β散射式厚度測量90

2.輻射式物位計(jì)可以應(yīng)用γ射線檢測物位。測量物位的方法有很多，圖12-15給出了其中一些典型的應(yīng)用實(shí)例。圖12-15(a)是定點(diǎn)測量的方法。將射線源I0與探測器安裝在同一平面上，由于氣體對射線的吸收能力遠(yuǎn)比液體或固體弱，因而當(dāng)物位超過和低于此平面時(shí)，探測器接收到的射線強(qiáng)度發(fā)生急劇變化?？梢姡@種方法不能進(jìn)行物位的連續(xù)測量。2.輻射式物位計(jì)91

圖12-15(b)是將射線源和探測器分別安裝在容器的下部和上部，射線穿過容器中的被測介質(zhì)和介質(zhì)上方的氣體后到達(dá)探測器。顯然，探測器接收到的射線強(qiáng)弱與物位的高度有關(guān)。這種方法可對物位進(jìn)行連續(xù)測量，但是測量范圍比較窄(一般為300~500mm)，測量準(zhǔn)確度較低。為了克服圖12-15(b)存在的上述缺點(diǎn)，可采用線狀的射線源，如圖12-15(c)；或采用線狀的探測器，如圖12-15(d)。雖然對射線源或探測器的要求提高了，但這兩種方法既可以適應(yīng)寬量程的需要，又可以改善線性特性。圖12-15(b)是將射線源和探測器分別安裝92圖12–15輻射式物位計(jì)的測量原理框圖圖12–15輻射式物位計(jì)的測量原理框圖93閃爍式核輻射料位計(jì)安裝在被測量的容器外部,如球罐、料倉、溜槽、管道等，用于工業(yè)生產(chǎn)過程中對料位和液位進(jìn)行定點(diǎn)檢測和報(bào)警控制，