射線式傳感器課件

第11章射線式傳感器第11章射線式傳感器1主要內容11.1核輻射物理基礎11.2射線式傳感器11.3射線式傳感器的應用主要內容11.1核輻射物理基礎2射線式傳感器也稱核輻射探測器，它是利用放射性同位素發(fā)出射線，根據(jù)被測物質對放射線的吸收、反射、散射或射線對被測物質的電離激發(fā)作用而工作的。概述放射線通過被測量物時會伴隨著能量的損失，只要得到確切的損失量，就可以準確地了解到被測物的特征。核幅射（人工、天然）電信號能量轉換核輻射傳感器（探測器）：將入射核輻射（粒子）的全部或部分能量轉化為可觀測的電信號（如電流、電壓信號）的裝置。射線式傳感器也稱核輻射探測器，它是利用放射性同位素發(fā)出射線，31895,倫琴（Roentgen）發(fā)現(xiàn)X射線，射線式傳感器已經有100多年歷史。世界上第一張X射線照片現(xiàn)代X射線照片1895,倫琴（Roentgen）發(fā)現(xiàn)X射線，射線4射線式傳感器主要應用領域：斷層掃描computedtomograhy

（工業(yè)CT、醫(yī)療CT）、無損檢測、現(xiàn)場元素分析、在線監(jiān)測、環(huán)境監(jiān)測、探傷等等。射線式傳感器主要應用領域：5利用射線探測器的醫(yī)療設備：X射線機、

醫(yī)療計算機斷層掃描（CT）、核磁共振成像（MRI）。利用射線探測器的醫(yī)療設備：X射線機、6探傷探傷7安檢安檢8太空技術：空間探測—“太空之眼”迄今最偉大的八具空間望遠鏡

哈勃望遠鏡康普頓伽瑪射線太空望遠鏡錢德拉X射線太空望遠鏡XMM-牛頓X射線太空望遠鏡太空技術：空間探測—“太空之眼”哈勃望遠鏡康普頓錢德拉X射線9輻射可分為：電離輻射和非電離輻射

非電離輻射紫外線、紅外線、微波等這些粒子雖能夠同物質發(fā)生作用但都不能使物質發(fā)生電離效應（能量～eV量級）來源

如移動電話：頻率800-1800MHz

能量﹤0.01eV(所以沒有電離作用）電離輻射

直接或間接使介質發(fā)生電離效應的電或不帶電的射線或粒子(能量﹥keV)α、β、γ、x、n、p、裂變碎片

介子等來源

1)放射性物質(人造、天然）2)加速器3)反應堆4)宇宙射線5)地球環(huán)境

11.1核輻射物理基礎輻射可分為：電離輻射和非電離輻射非電離輻射電離輻射10電磁波譜頻率能量低高FE波長電磁波譜頻率能量低1111.1.1放射性同位素

凡是原子序數(shù)相同、原子質量不同的元素，在元素周期表中占同一位置，這種元素稱同位素；當沒有外因作用時，同位素的原子核會自動產生核結構的變化，稱為核衰變；同位素的原子在自動衰變過程中會放出射線，這種同位素就稱“放射性同位素”。（1）放射性同位素11.1.1放射性同位素凡是原子序數(shù)相同、原子質量不同的12

核素及符號表示具有確定質子數(shù)和中子數(shù)的原子核稱為核素。核素是原子核的一種統(tǒng)稱。核素表示符號核素質子數(shù)中子數(shù)質量數(shù)符號氦-42244He碳-12661212C碳-13671313C碳-14681414C核素及符號表示具有確定質子數(shù)和中子數(shù)的原子核稱為核素。核13放射性衰減規(guī)律可表示為——t=0的原子核數(shù)；

——t

時刻原子核數(shù)；——衰減常數(shù)（不同核素衰減常數(shù)值不同）

（2）核衰變與核輻射

放射性同位素的原子核數(shù)目，隨時間按指數(shù)規(guī)律衰減放射性衰減規(guī)律可表示為——t=0的原子核數(shù)；——t14半衰期：通常用半衰期表示核素衰減速度半衰期指，放射性核數(shù)衰減到原始數(shù)目一半所用的時間，一般用10倍半衰期表示放射性核素的壽命。半衰期：通常用半衰期表示核素衰減速度一般用10倍半衰1511.1.2核輻射與物質間的相互作用

放射性同位素在衰變過程中能放出α、β、γ三種射線，其中：

α

射線由帶正電的α粒子組成（如氦核）；

β

射線由帶負電的β粒子組成（電子）；

γ

射線由中性的粒子組成（光子）。放射性同位素衰變時，放出一種特殊的，帶有一定能量的粒子或射線，這種現(xiàn)象稱“核輻射”。11.1.2核輻射與物質間的相互作用放射性同位素在161.0086650

n中子1.007276+1

p質子00

5.486×10-4

±1

e±

β

4.00279+24Heα質量

(u)電荷（e)符號種類核輻射的基本粒子和射線性質1.0086650n中子1.007276+1p17α

衰變

新元素Sg衰變?yōu)镽f鑪β-

衰變

產生電子e,反中微子v’β+

衰變

F氟產生正電子e,中微子v’

衰變

Dy鏑放出γ射線，能態(tài)變化，原子量、原子序數(shù)不變自然界常見的核衰變示例α衰變β-衰變β+衰變衰變自然界常見的核衰變18放射性強度也是隨時間按指數(shù)規(guī)律減?。篒0

——初始強度；I——t時間后的強度；

1Ci

=3.7×1010（次核衰變）/秒

放射性強度單位：貝可（Bq）

放射性強度單位放射性強度單位：居里（Ci）,毫居里(mCi)用單位時間內發(fā)生衰變的次數(shù)來表示放射性的強弱，稱放射性強度(活度)。

核輻射的強弱用放射性強度表示放射性強度也是隨時間按指數(shù)規(guī)律減小：I0——初始強度；119核輻射與物質間的相互作用主要是通過

電離、吸收、反射作用。電離作用：帶電粒子在物質中穿行時會使物質的原子發(fā)生電離，在它們經過的路程上形成離子對。其中：α粒子質量大，電荷量多，電離能力最強但射程短；β粒子質量小，電離較弱；γ粒子沒有直接電離作用。

α

β核輻射與物質間的相互作用主要是通過αβ20吸收、反射

α、β、γ射線穿透物質時，由于磁場作用，原子中電子會產生共振，振動的電子形成散射的電磁波源，使粒子和射線能量被吸收和衰減。其中：α

射線穿透能力最弱，空氣中運行軌跡為直線；β

射線次之，穿行時由于與物質原子發(fā)生能量交換而改變方向產生散射，在空氣中軌跡為折線；γ

射線穿透能力最強，能穿透幾十厘米厚固體物質，在氣體中可穿透數(shù)米，因此γ射線廣泛用于醫(yī)療診斷、探傷等。吸收、反射α射線穿透能力最弱，空氣中運行軌跡為直線；211MeV的粒子穿透物質能力

α1頁

β60頁/本

鉛鉛室γ中子n4580本中子源地下1-2米深1MeV的粒子穿透物質能力鉛鉛室γ中子n4580本中地2211.2射線式傳感器射線式傳感器器通常有兩種主要形式：一種是測量放射性物質的放射線，例如測天然放射性U(鈾)、Th(釷)、K(鉀)。另一種方式是利用放射性同位素，測量非放射性物質，根據(jù)被測物質對輻射線的吸收、反射進行檢測，或者利用射線對被測物質的電離激發(fā)作用。如：測厚、探傷、X射線熒光儀測元素含量等。原理基本相同，而能量范圍不同，后者傳感器由射線源和探測器組成。11.2射線式傳感器射線式傳感器器通常有兩種主要形式：23輻射源結構一般為絲狀、圓拄狀、圓片狀，有點源、面源、片源。輻射源的結構應使射線從測量方向射出，其它方向應盡量減少劑量，減少對人體的危害?？梢杂勉U進行射線屏蔽，鉛有極強的抗輻射穿透能力。點源結構11.2.1輻射源鉛罐輻射源結構一般為絲狀、圓拄狀、圓片狀，有點源、面源、片源。點24同位素輻射源：

輻射源的種類很多，一般選用半衰期較長的同位素，能量、強度適合的輻射源。常用同位素源見下表：放射源半衰期射線種類能量（銫）33.2年、0.6614（镅）470年、5.4827（钚）86年12-2150以上（鈷）5.26年、0.31,1.17,1.33（鍶）19.9年0.54,2.24（鐵）2.7年5.9同位素輻射源：放射源半衰期射線種類25核輻射探測器就是接收器核輻射信號的傳感器，有多類型常用于放射性測量的有：

1）氣體探測器：電離室、蓋革計數(shù)管、正比計數(shù)器；

2）閃爍計數(shù)器；

3）半導體探測器。正比計數(shù)器閃爍計數(shù)器11.2.2核輻射探測器蓋革管半導體探測器核輻射探測器就是接收器核輻射信號的傳感器，有多類型正比計數(shù)器26電離室是在空氣中或充有惰性氣體的裝置中，設置一個平行極板電容器，加幾百伏高壓。高壓在極板間產生電場，當粒子或射線射向兩極板之間的空氣（氣體）時，氣體分子電離，在電場作用下正離子趨向負極板，電子趨向正極板，產生電離電流。在外電路接一電阻R就可形成響應電壓，電阻R的電壓降代表輻射的強度。

1）氣體探測器（a.電離室）電離室是在空氣中或充有惰性氣體的裝置中，設置一個平行極板電容27電離室外加電壓增大電流趨于飽和，一般工作在飽和區(qū)（離子能夠全部達到電極上），使輸出電流與外加電壓無關，只正比于射線到電離室的輻射強度。電離室的優(yōu)點是成本低壽命長；缺點是檢出電流很小。

α、β、γ電離室不能通用，不同粒子相同條件下效率相差很大。電離室主要用于探測α、β射線，α粒子電離電流比β離子電離的電流大100多倍，γ粒子沒有直接電離本領，效率很低。電離室外加電壓增大電流趨于飽和，一般工作在飽和區(qū)（離子能夠全281）氣體探測器（b.G-M蓋格計數(shù)管）蓋格-彌勒計數(shù)管簡稱蓋格計數(shù)管，也稱氣體放電計數(shù)器。一個密封玻璃管，中間陽極用鎢絲材料制作，玻璃管內壁涂一層導電物質或用金屬圓管作陰極，筒和絲絕緣，內部抽空充惰性氣體（氖、氦）、鹵族氣體。陽極與陰極間加高壓。x、α、β射線入射時引起激烈的氣體放大，離子沿絲傳到整個計數(shù)管內，形成正離子鞘，在電場作用下正離子鞘向陰極移動形成電流；為避免到達陰極時造成連續(xù)放電現(xiàn)象，惰性氣體滅掉放電。1）氣體探測器（b.G-M蓋格計數(shù)管）蓋格-彌勒計數(shù)管29蓋格計數(shù)管主要用于探測β粒子和γ射線，工作電壓較低。由于蓋格計數(shù)管放大作用，電流比電離室離子流大幾千倍。特性曲線：電壓U一定時，射線入射越強電流I越大，輸出脈沖數(shù)N

越多，a、b段稱“坪曲線”；I為射線強度坪曲線蓋格計數(shù)管主要用于探測β粒子和γ射線，工作電壓較低。坪30G-M管主要有圓柱型和鐘罩型兩種。圓柱型主要用于

射線測量，而鐘罩型由于有入射窗，主要用于，射線的測量。G-M計數(shù)管的典型結構蓋格計數(shù)管蓋格計數(shù)器G-M管主要有圓柱型和鐘罩型兩種。G-M計數(shù)管的典型31正比計數(shù)器是充氣型氣體電離探測器，由氣體作為入射射線產生電離或激發(fā)的介質；外加一定電位的電場；（電離室）有兩個電極（絲-陽極；殼-陰極），當射線進入電離室穿過氣體時與氣體分子軌道上電子碰撞，使氣體分子電離而形成離子對，芯線旁電場密度高電子碰撞被加速，在氣體中獲得足夠能量使其它氣體分子和原子產生新的離子對。這一過程稱為氣體放大。1）氣體探測器（c.正比計數(shù)器）氣體分子充有氣體正比計數(shù)器是充氣型氣體電離探測器，由氣體作為入射射線產生電離32計數(shù)器輸出脈沖大小(幅值)正比于輻射產生的電子、正離子對的數(shù)目;電子和正離子對數(shù)目，正比于氣體吸收的放射線的能量。能量大——幅值高！I:復合區(qū)II:飽和區(qū)III:正比區(qū)IV:有限正比區(qū)V:G-M工作區(qū)VI:連續(xù)放電區(qū)器件工作在氣體電離放電伏安特性曲線的正比區(qū)，有足夠大的氣體放大倍數(shù)，能量分辨率高，分辨時間短，可以進行快速計數(shù)。計數(shù)器輸出脈沖大小(幅值)正比于輻射產生的電子、正離子對的數(shù)33閃爍計數(shù)器由閃爍體和光電倍增管組成。光電倍增管只能放大光信號不能直接放大射線信號。閃爍體先將輻射能變?yōu)楣饽埽怆姳对龉茉賹⒐饽茏優(yōu)殡娦盘栠M行探測放大。物質受射線作用而被激發(fā)，受激電子由激態(tài)躍遷到基態(tài)時發(fā)射出脈沖狀的光，這種現(xiàn)象稱為閃爍，而閃爍體就是一種能產生這種現(xiàn)象的物質。閃爍體種類碘化鈉晶體Nal(Tl)2）閃爍計數(shù)器閃爍計數(shù)器由閃爍體和光電倍增管組成。光電倍增管只能放大光信號34當閃爍體受到輻射時閃爍體內的原子受激發(fā)光，光透過閃爍體射到光電倍增管的光陰極上，并激發(fā)出光電子；光電倍增管是利用二次電子釋放效應，高速電子撞擊固體表面，發(fā)出二次電子，將光電流在光電倍增管內進行放大倍增，在陽極上形成可以測量的電流。輸出電流脈沖大小與入射射線能量成正比，脈沖多少與含量成比例。輻射Ut當閃爍體受到輻射時閃爍體內的原子受激發(fā)光，光透過閃爍體射到光35半導體探測器是利用半導體材料制成的射線傳感器；主要結構類型有：結型、面壘型、鋰漂移型和高純鍺等。圖為結型半導體探測器結構，實質是一個大面積、大體積的晶體二極管（約0.01--200cm3）。在半導體材料上設置了一個陰極（高摻雜的P+層）和一個陽極（高摻雜的N+層）。3）半導體探測器荷電粒子入射到半導體中時，會激發(fā)產生電子—空穴對，這些電子—空穴對在電場作用下形成正比于入射射線能量的電流，探測器將其轉換為脈沖信號輸出。半導體探測器是利用半導體材料制成的射線傳感器；3）半導體探測36由于在半導體中產生一個電子—空穴對所需能量極小，約為3eV（而β射線在空氣中產生一對離子所需能量，為30eV），因此半導體探測器比其他射線探測器分辨率高。特點：輸出信號小，分辨率高。X射線、γ射線由于光電效應、康普頓效應、電子對生成等產生二次電子；高速二次電子產生更多電子—空穴對。在PN結空間電荷區(qū)加足夠高的偏壓，因射線而電離的載流子加速，產生新的電子—空穴使載流子倍增，電荷在輸出端形成一個放大脈沖信號，將電荷轉換為電信號輸出。由于在半導體中產生一個電子—空穴對所需能量極小，約為3eV（37應用范圍：α射線可實現(xiàn)氣體分析，如氣體壓力、流量測量；β射線可進行帶材厚度、密度檢測；γ射線可探測材料缺陷、位置、元素、密度與厚度測量。11.3核輻射傳感器的應用應用范圍：11.3核輻射傳感器的應用38透射式測厚常用閃爍探測器，閃爍探測器記錄穿透物體的γ射線的強度，其輸出電流與輻射強度成正比。在輻射穿過物質時，由于物體吸收作用損失部分強度，強度按指數(shù)規(guī)律變化。在輻射穿過物質時，可根據(jù)質量厚度X求出被測物體厚度。1.測厚（透射式測厚）I0

—入射強度；I—穿過后強度；x—質量厚度；μ—質量吸收系數(shù)；ρ—與材料密度有關；源探測器透射式測厚常用閃爍探測器，閃爍探測器記錄穿透物體的γ射線的強39散射測厚時β放射源與探測器在同一惻；原理是：利用核輻射被物體后向散射的效應。散射強度與被測距離、物質成份、密度、厚度表面狀態(tài)等因素有關：K與射線能量有關的常數(shù)1.測厚(散射式測厚)

核子測厚儀源探測器散射測厚時β放射源與探測器在同一惻；K與射線能量有關的常數(shù)402.離子敏感煙傳感器（電離室）電離室由H1和H2兩個電極組成，電極之間有放射性同位素镅-241（Am241）可放出α射線，并在兩電極之間發(fā)生電離，產生正離子，在外加電壓作用下形成電離電流。當外電離室有煙霧進入時，離子被吸附到煙霧顆粒上，由于煙霧顆粒比離子大1000倍左右，故在電場中的移動速度比原來的速度慢，而且在移動過程中離子中和的機會增多，最終使離子電流相應減小。煙霧數(shù)量越多，離子電流越小，相當?shù)刃щ娮柙黾印?.離子敏感煙傳感器（電離室）電離室由H1和H2兩個電極41離子感煙傳感器結構是內、外兩個電離室，內、外電離室串聯(lián)連接方式；內電離室是密封的，無煙霧離子進入，離子電流恒定，等效電阻R不變。外電離室等效電阻隨煙霧數(shù)量變化，可等效為可變電阻Rp。經電源電壓E分壓后供控制電路。UD-O2型煙霧傳感器離子感煙傳感器結構是內、外兩個電離室，內、外電離室串聯(lián)連接方42

火災報警器基本構造

241Am

放射源+電離室+電流靈敏電子儀器+V

電流表

放射源241Am火災報警器火災報警器