11射线及波式传感器课件.ppt

一、射线式传感器 二、超声波传感器 三、微波传感器 第11章 射线及波式传 感 器 一、 射线式传感器 测量原理 利用核辐射粒子的电离作用、穿透能力、物体吸收、散射和反射等物理特性工作的传感器。可用来测量物质的密度、厚度，分析气体成分，探测物体内部结构等，它是现代检测技术的重要部分。 1、核辐射源 — 放射性同位素 在核辐射传感器中，常采用α、β、γ和X射线的核辐射源，产生这些射线的物质通常是放射性同位素。 放射性同位素的特点：在没有外力作用下能自动发生衰变，并释放出上述射线。 其衰减规律为： 式中J、J0分别为t和t0时刻的辐射强度，λ为衰变常数。 核辐射检测要采用半衰期比较长的同位素。半衰期是指放射性同位素的原子核数衰变到一半所需要的时间，这个时间又称为放射性同位素的寿命。核辐射检测除了要求使用半衰期比较长的同位素外，还要求放射出来的射线要有一定的辐射能量。 2、核辐射的物理特性 1） 核辐射 核辐射是放射性同位素衰变时，放射出具有一定能量和较高速度的粒子束或射线。主要有四种：α射线、β射线、γ射线和X射线射线。 α、β射线分别是带正、负电荷的高速粒子流； γ射线不带电，是以光速运动的光子流，从原子核内放射出来； X射线是原子核外的内层电子被激发射出来的电磁波能量。 2）核辐射与物质的相互作用 核辐射线的吸收、散射和反射 α、β、γ射线穿透过物质程中，一部分粒子能量被物质吸收，一部分粒子被散射掉，能量衰减规律为 式中J、J0分别为射线穿透物质前、后的辐射强度，h为穿透物质的厚度，ρ为物质的密度，am为物质的质量吸收系数。 三种射线中，γ射线穿透能力最强，β射线次之，α射线最弱，γ射线的穿透厚度比α、β要大得多。 β射线穿透物质时容易产生散射现象。当产生相反方向散射时，即出现了反射现象。反射的大小与反射物质的厚度关系为： 式中：Jh — 反射物质厚度为h(mm)时，放射线被反射的强度； Jm — 当h趋向无穷大时的反射强度，Jm与原子序数有关； μh— 辐射能量的常数。 当J0、am、Jm、μh、ρ等已知后，只要测出J或Jh就可求出其穿透厚度h。 电离作用 当具有一定能量的带电粒子穿透物质时，在它们经过的路程上就会产生电离作用，形成许多离子对，电离作用是带电粒子和物质相互作用的主要形式。 α粒子（射线）由于能量、质量和带电量大，故电离作用最强，但射程(带电粒子在物质中穿行时、能量耗尽前所经过的直线距离)较短。 β粒子质量小，电离能力比同样能量的α粒子要弱，由于β粒子易于散射，所以其行程是弯曲的。 γ粒子几乎没有直接的电离作用。 3、核辐射传感器 核辐射与物质的相互作用是核辐射传感器检测物理量的基础。利用电离、吸收和反射作用以及α、β、γ和X射线的特性可以检测多种物理量。常用电离室、气体放电计数管、闪烁计数器和半导体检测核辐射强度，分析气体，鉴别各种粒子等。 1) 电离室 如图，在电离室两侧的互相绝缘的电极上，施加极化电压，使两极板间形成电场。在射线作用下，两极板间的气体被电离，形成正离子和电子，带电粒子在电场作用下定向运动形成电流I，在外接电阻上便形成压降。电流I与气体电离程度成正比，电离程度又正比于射线辐射强度，因此，测量电阻R上的电压值就可得到核辐射强度。 电离室主要用于探测α、β粒子。电离室的窗口直径约100mm左右。γ射线的电离室同α、β的电离室不太一样，由于γ射线不直接产生电离，因而只能利用它的反射电子和增加室内气压来提高γ光子与物质作用的有效性，因此，γ射线的电离室必须密闭。 2)盖格计数管 盖格计数管又称为气体放电计数管，其中心有一根与管子绝缘的金属丝作为阳极，管壳内壁涂有导电金属层作为阴极，计数管内充有氩、氮等气体。在两极间加上适当电压，当核辐射进入计数管内后，管内气体被电离。当电子在外电场的作用下向阳极运动时，由于碰撞气体产生次级电子，次极电子又碰撞气体分子，产生新的次级电子，这样次级电子急剧倍增，发生“雪崩”现象使阳极放电。 盖格计数管的特性曲线如下图所示。J1、J2代表入射的核辐射强度，J1＞J2。由图可知，在外电压U相同的情况下，入射的核辐射强度越强，盖格计数管内严生的脉冲N越多。盖格计