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第十节 核辐射式检测元件 核辐射式检测元件是利用被测物质对射线的吸收、散射、反射或射线对被测物质的电离作用而工作的; 检测参数:厚度、物位、密度、成分等参数; 优点:非接触式测量,适合于腐蚀、高温、剧毒、爆炸性等恶劣环境 核辐射式检测元件的组成: 放射源 检测器及转换电路 基本术语 放射源(放射性同位素) 核衰变:放射性同位素的原子核是不稳定的原子核,在无任何外因作用下,它会自动衰变变为另外的同位素,同时会放出粒子或射线。 核辐射:核衰变中放出不同的带有一定能量的粒子或射线的放射性现象。 核辐射的种类:α,β,γ和中子辐射 常用的放射性同位素 钴(C060) :γ和x射线 锶(Sr90) :β粒子 铯(CS134) :β粒子及γ射线 粒子的性质 放射源的强度衰减特性 放射源的辐射强度随时间按指数定律而衰减,即 I0:开始时的放射源强度; I:经过时间t后放射源强度; 为放射性衰变常数,与外界条件无关; T0.5:半衰期,放射性同位素的原子核数衰减到一半时所需时间 射线与物质的作用 带电粒子和物质的作用 γ射线和物质的作用 带电粒子和物质的作用 电离:当入射粒子靠近原子时和物质中的原子发生静电作用,使原子中的束缚电子产生加速运动而变为自由电子 。 激发:若入射粒子距原子远,束缚电子所获得的能量还不够使它逃逸出来时,则原子核由低能级跃迁到高能级而处于激发状态。 散射:带电粒子穿过物质因受原子核的电场作用而改变运动方向称为散射。 吸收 当射线穿过物质时,会发生电离、激发和散射等现象,其结果就表现为对射线的吸收。 当一平行射线穿过物质层时,其强度衰减规律可表示为 式中I为穿过厚度为x的物质后的辐射强度;I0为射入物质前的辐射强度; 为物质的吸收系数 ; 为物质的密度。 γ射线和物质的作用 光电效应 :γ光子穿过物质时和物质中的原子发生碰撞,把自己的能量交给原子核外的一个电子使其成为自由电子,而γ光子本身被吸收。 康普顿效应:随着入射γ光子能量的增加 ,入射γ光子和物质中的电子发生弹性碰撞,γ光子偏离它原来的运动方向,失去一部分能量,然后将能量转移给了电子。使电子从原子内部冲出来。 电子对的生成:当γ光子的能量大于所形成的电子对的静止能量,就在物质中转化成一个正电子和一个负电子,而γ光子则消失 γ射线通过物质时强度衰减 为物质对射线的吸收系数。 吸收系数随吸收物质的材料和γ射线的能量而改变,它是三种效应的综合结果 式中为 光电吸收系数;为康普顿吸收系数;为电子对生成吸收系数。 核辐射检测器 将核辐射信号转换成电信号,检测射线强度的变化,实现被测参数的检测 电流电离室 闪烁计数器 盖格计数器 1. 电流电离室 电离曲线 Ⅰ段是复合区,电流与电压成正比; Ⅱ段是电流饱和区,其值取决于电离作用所产生的电子离子对数目,即与射线的强度有关(工作区); Ⅲ段是正比区,电子能量很大使气体进一步电离N=M*N0,M随电压增大; Ⅳ段是自放电区。 β射线的多电极电离室 2.闪烁计数器 闪烁体 闪烁体是一类能吸收能量,并能在大约一微秒或更短的时间内把所吸收的一部分能量以光的形式再发射出来的物质。 闪烁体分为无机闪烁体和有机闪烁体两大类,闪烁体必需具备的性能是:对自身发射的光子应是高度透明的。 常用的几种闪烁体是:⑴无机晶体,主要是含杂质或不含杂质的碱金属碘化物;⑵有机晶体,都是未取代的或取代的芳香碳氢化合物;⑶液态的有机溶液,即液体闪烁体;⑷塑料溶液中的有机溶液,即固溶闪烁体。 光电倍增管 闪烁探测器的最重要部件之一。其组成成份是光阴极和倍增电极,光阴极的作用是将闪烁体的光信号转换成电信号,倍增电极则充当一个放大倍数大于106的放大器; 倍增极的培增系数与所加电压成正比,所以光电倍增管的供电电源必须非常稳定,保证倍增系数的变化最小; 在没有入射的射线时,光电倍增管自身由于热发射而产生的电子倍增称为暗电流。用光电倍增管探测低能核辐射时,必须减小暗电流。保持测量空间环境内较低的室温,是减小光电倍增管暗电流的有效方法。 核辐射式检测元件的误差 1. 辐射源强度误差 在时间t内,强度衰减为 ,所以由辐射源本身核衰变引起的相对误差为 放射性同位素的要求 半衰期长 发射出的粒子流或射线要达到一定能量 2. 核衰变的统计特性引起的误差 由于核衰变产生的粒子数是随机的,它服从于统计规律,检测器测量到的粒子数的相对误差可按下式计算 式中 为测量时间; 为射入检 测元件的粒子的平均频率; 为 检测元件的效率 * 极强 极弱 光速 0 0 γ射线 较强 较弱 200km/s 0.00055u -e β粒子 很弱 很强
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