《辐射剂量侦检与防护》课程实验指导书

《辐射剂量侦检与防护》课程实验指导书主编:王孔森消防专业实验中心实验一核衰变和计数的统计规律一、实验目的1、了解G-M管的工作原理，掌握PM1402射线侦检仪的基本使用方法；2、了解并验证原子核衰变及放射性计数的统计规律；3、了解统计误差的意义，掌握计算统计误差的方法；4、了解检验测量数据的分布类型的方法；5、学会正确表示放射性计数的测量结果。

二、实验原理当放射源的半衰期足够长（即在实验测量时间内可以认为其强度基本上不变的情况下）时，在作重复的放射性测量中，即使保持完全相同的实验条件（例如计数管的工作电压，放射源与计数管的相对位置等）和足够的测量精度，每次的测量结果也不会完全相同，而是围绕其平均值上下涨落，有时甚至有很大的差别，这种现象叫做放射性计数的统计性。

放射性计数的统计性是放射性原子核衰变本身固有特性，与使用的测量仪器及技术无关。

对放射源所测数据进行处理时，可以作频率直方图。

频率直方图可以形象地表明数据的分布情况。

作频率直方图的方法如下：首先将测得的数据分组。

分组时可以将数据由小到大排列起来，用最小值（或比最小值还小一点的数）作为分组的起始点；也可以在算出平均值后，将平均值置于组中央来分组。

组数一般不做硬性规定。

但如果组数太少，会掩盖各组内数据随分布的变动情况；组数太多，由于增加了随机因素的影响，会使各组高度参差不齐而得不出简明的规律。

组距的大小通常以将数据分为十几组左右为宜。

我们这里建议以2σ为组距，并将平均值置于组中央来分组。

显然，用这样的方法分组时，各组的分界点分别为35,,,444N N N σσσ±±±LL而各组的中间值则为13,,,,22N N N N σσσ±±±LL分好组后，统计好数据落在各组中的频数（ki ），算出相应的组频率（,i k A A -总的测量次数），并以i k A 为纵坐标，画出一系列小矩形，即成为表示数据统计分布的频率直方图。

三、主要仪器及器材1、PM1402便携式射线侦检仪一台2、X-γ空气剂量率仪两台3、137Cs 、 60Co 放射源四、实验方法与步骤1、根据仪器使用说明书和操作规程，学会 PM1402射线侦检仪的基本使用方法。

2、使用PM1402射线侦检仪的G-M 计数管探头，选择合适的实验条件，对γ源重复进行至少100次独立测量。

3、保持实验条件不变，拿走放射源，对本底重复进行至少100次的独立测量。

五、实验注意事项1、仪器连接好后方可开启电源；电源关闭后方可拆分仪器。

2、放射源要仔细保管，不可损坏或丢失。

六、实验结果处理1、测得的两组数据，分别计算平均值（N ）与标准偏差（σ=。

2、画出放射性计数的频率直方图并与高斯分布曲线作比较。

3、画出本底计数的频率分布图，并与泊松分布作比较。

4、对放射源所测数据：（1）作频率直方图（2）计算测量数据落在N σ±，2N σ±，3N σ±范围内的频率（3）给出两组数据的测量结果的正确表示。

七、思考题1、G-M 计数管的工作原理是什么？2、σ的物理意义是什么？实验二 空气剂量率的测定一、实验目的1、了解闪烁体探测器的工作原理；2、掌握X-γ空气剂量率仪的使用方法；3、学习探测器的应用实例——测量就地X-γ空气剂量率的方法。

二、实验原理放射源闪烁探测器是利用核辐射与某些透明物质相互作用，使其电离和激发而发射荧光的原理来探测核辐射的。

γ射线入射到闪烁体内，产生次级电子，使闪烁体内原子电离、激发后产生荧光。

这些光信号被传输到光电倍增管的光阴极，经光阴极的光电转换和倍增极的电子倍增作用而转换成电信号，它的幅度正比于该次级电子能量，再由所连接的电子学设备接收、放大、分析和记录。

三、主要仪器及器材1、-γ空气剂量率仪一台2、137Cs、60Co放射源四、实验方法与步骤1、掌握X-γ空气剂量率仪的使用方法。

2、对指定区域内的X-γ空气剂量率进行测量。

五、实验注意事项1、仪器连接好后方可开启电源；电源关闭后方可拆分仪器。

2、放射源要仔细保管，不可损坏或丢失。

六、实验结果处理1、记录测量数据，并根据刻度系数计算空气剂量率画出测量剖面图。

2、对结果进行分析，给出区域内的异常点或异常区域，并作出合理的推断。

七、思考题1、空气剂量率是如何定义的？2、塑料闪烁体的特点有哪些？实验三伽马能谱的测量与认知一、实验目的1、了解高纯锗半导体探测器的工作原理；2、掌握分析γ谱的方法；3、掌握探测器能量分辨率及能量线性的测量方法；4、学习探测器的应用实例—辨别未知γ放射源的方法。

二、实验原理半导体探测器的基本原理：半导体探测器是基于核辐射在阻止介质中产生的电离效应。

半导体探测器的工作原理类似于一个具有固体介质的电离室。

我们知道作为电离室能成为一个探测器应满足三个条件：①没有射线穿过灵敏体积时，不产生信号或信号可忽略；②带电粒子穿过灵敏体积时，在其中产生离子对；③在电场作用下，离子在漂向两极的过程中没有明显的损失，在输出回路中形成的信号能代表原初产生的离子对数。

半导体探测器的探测原理与电离室类似，但探测介质是半导体。

一块均匀半导体材料作为工作介质是难以满足上述要求的。

但是，如果将p型Si材料与n型Si材料接在一起时，形成的所谓p-n结却可满足上述三个条件。

目前纯度最高的硅的电阻率大约为105Ωcm，如果将厚度为1mm 的这种硅片切成面积为1cm2并装上欧姆接触，当加上100V的电压时，则有0.01A的电流流过，显然，这么大的漏电流将会把待测信号全部湮没。

一个好的探测器的漏电流应在～10-9A。

为降低通过半导体的漏电流，引出信号不能用简单的欧姆接触，而要用非注入电极。

当使用非注入电极时，被外加电压移走的载流子不再注入到另一个电极，从而使半导体内的载流子总浓度下降，使漏电流大大降低。

最合适的非注入电极就是半导体的PN结的两个面。

从PN结的P面很难注入电子，因为电子是少数载流子，同样，从N面很难注入空穴。

PN结区内的载流子浓度很低，又称耗尽区。

实用的硅探测器的耗尽区内的剩余载流子浓度低到每立方厘米只有～100个，因而电阻非常高。

由于PN结内电阻很高，加上反向电压后，电压几乎完全降落在结区，在结区形成一个足够强的电场，而几乎没有漏电流通过。

当带电粒子射入结区后，通过与半导体材料相互作用，很快地损失掉能量，带电粒子所损失的能量将使粒子由满带跳到空带上去，于是在空带中有了电子，在满带中留下了空穴，也就是形成了可以导电的电子—空穴对。

在电场作用下，电子和空穴向两极漂移，于是在输出回路中形成信号。

如果半导体材料中载流子的俘获中心和复合中心足够少，也就是载流子的平均寿命比载流子的收集时间长（一般收集时间为10-7到10-8s，因此载流子的平均寿命大约在10-5s就足够了），则辐射形成的载流子基本上能全部被收集，这时输出信号的幅度与带电粒子在结区消耗的能量成正比.如果带电粒子的全部能量均消耗在结区,则通过测量脉冲信号的幅度,就可以测定带电粒子的能量。

可见一个半导体的PN结能满足前面提到的三个条件，因而可以构成核辐射探测器。

三、主要仪器及器材1、高纯锗伽马能谱仪2、137Cs、60Co和未知源四、实验方法与步骤1、熟练使用高纯锗伽马谱仪，完成对放射源的现场测量，并记录γ谱线进行谱分析。

2、刻度能量线性，用60Co、137Cs、及发射多种γ射线的152Eu等能量刻度源刻度γ谱仪系统的能量响应，能量刻度范围从50keV-3000keV, 能量刻度至少包括四个能量均匀分布在所需刻度能区的刻度点；确定能量分辨率。

3、对137Csγ谱进行分析并与理论谱线进行比较。

4、测量未知源的γ谱，确定峰位的能量，进而辨别未知源。

五、实验注意事项1、使用高纯锗半导体γ谱仪时仪器加有高压，因此要注意电缆线的连接正常，使用时轻拿轻放，避免损坏仪器。

2、放射源要仔细保管，不可损坏或丢失。

六、实验结果处理1、由60Co的1.332 MeV全能峰计算谱仪能量分辨率。

2、在坐标纸上画出多道测量的137Cs、60Co全谱，标明0.662MeV、1.173 MeV、1.332 MeV峰位，在坐标纸上画出能量刻度曲线，给出刻度方程。

3、对137Csγ谱进行分析，标出特征能量峰。

4、在坐标纸上画出未知源全谱，利用刻度结果判断峰位能量，确定未知源。

七、思考题1、如何用高纯锗半导体γ谱仪测定γ放射源的活度？2、怎样从60Co的全能峰得到1.332 MeV全能峰的半宽度？实验四α、β、γ射线的防护一、实验目的1、了解α和β射线的吸收和最大射程。

2、了解γ射线的衰减和半吸收厚度。

3、掌握半吸收厚度的计算方法。

4、验证随着与源距离的增大，某源发出的射线的剂量率逐渐减小。

5、随着对源的屏蔽的加强，相距源一定距离的探测器测到的剂量率逐渐变小。

二、实验原理1、具有一定能量的α粒子与物质相互作用时，其能量损失主要是与靶原子的核外电子的非弹性碰撞而导致电子被激发或电离的电离损失。

当具有一定能量的α粒子入射到足够厚的靶物质中，通过与靶原子的碰撞而逐渐损失能量，最终停止下来。

它沿入射方向所穿过的平均距离，就称为入射粒子在该物质中的平均射程。

2、β射线即电子，由于质量轻，速度快，与靶物质相互作用时，主要发生电离能量损失和辐射能量损失。

因此，在β射线或单能电子束穿过一定厚度的吸收物质时，其强度将会逐渐减弱。

这种现象叫做吸收。

3、γ射线穿过物质后，沿原来入射方向的γ射线的强度会逐渐衰减，这种现象称为γ射线的吸收。

其原因是如果γ射线与物质中的原子发生光电效应，康普顿效应或电子对效应之中的任何一种作用，将使原来能量为hν的γ光子消失，或改变能量并偏离原来的入射方向而散射。

γ射线穿过物质时，强度按指数规律衰减，沿入射方向透过的γ光子的能量不变。

因此对γ射线没有射程的概念，但可用半吸收厚度来描述，即强度减到一半时穿过的物质厚度。

三、主要仪器及器材1、PM1402便携式射线侦检仪主机一台2、α、β和γ射线探头3、电缆线三根4、α、β和γ放射源各一个四、实验方法与步骤1、将α射线源放在准置装置边缘，使用PM1402便携式射线侦检仪α射线探测器测量α射线源的强度；逐渐增加探测器与α射线源之间的距离，并逐次测量α射线源的强度。

2、将β射线源放在准置装置边缘，使用PM1402便携式射线侦检仪β射线探测器测量β射线源的强度；加上吸收片，再次测量β射线源的强度；随着吸收片厚度的增加，依次测量β射线源的强度。

3、将γ射线源放在准置装置边缘，使用PM1402便携式射线侦检仪γ射线探测器测量γ射线源的强度；加上吸收片，再次测量γ射线源的强度；随着吸收片厚度的增加，依次测量γ射线源的强度。

五、实验注意事项1、本次实验涉及到探测器与处理器的多次拆装。