第12章 辐射式传感器

式中：ρ——被测材料的密度； μ——被测材料对所用射线的质量吸收系数；2
红外传感器一般由光学系统、 探测器、信号调理电路及显 示单元等组成。
按探测机理的不同，分为热探测器和光子探测器 1. 热探测器 工作机理：利用红外辐射的热效应，探测器的敏感元件吸收辐 射能后引起温度升高，进而使某些有关物理参数发生相应变化， 通过测量物理参数的变化来确定探测器所吸收的红外辐射。
光子探测器有内光电和外光电探测器两种，后者又分为光电导、 光生伏特和光磁电探测器等三种。
光子探测器的主要特点是灵敏度高，响应速度快，具有较高的 响应频率，但探测波段较窄，一般需在低温下工作。
12.1.3
1. 红外感应系统
2. 红外测温仪
红外测温仪是利用热辐射体在红外波段的辐射通量来测量温度 的。 当物体的温度低于1000℃时，它向外辐射的不再是可见光 而是红外光了，可用红外探测器检测其温度。如采用分离出所 需波段的滤光片，可使红外测温仪工作在任意红外波段。
图12 – 7 红外线气体分析仪结构原理图
12.2 核辐射传感器
12.2.1 核辐射及其性质
众所周知，各种物质都是由一些最基本的物质所组成。人 们称这些最基本的物质为元素。组成每种元素的最基本单元就 是原子， 每种元素的原子都不是只存在一种。具有相同的核电 荷数Z而有不同的质子数A的原子所构成的元素称同位素。 假设 某种同位素的原子核在没有外力作用下，自动发生衰变，衰变 中释放出α射线、β射线、γ射线、X射线等，这种现象称为核辐 射。 而放出射线的同位素称为放射性同位素，又称放射源。
阳极
阴极
N
－
U ＋
RL
J1 J2
J1＞J2
O
a
bU
图12 – 12 盖革-弥勒计数管 图12 –13 盖革-弥勒计数管特性曲线
4. 闪烁计数器
物质受放射线的作用而被激发，在由激发态跃迁到基态的 过程中，发射出脉冲状的光的现象称为闪烁现象。能产生这样 发光现象的物质称为闪烁体。闪烁计数器先将辐射能变为光能， 然后再将光能变为电能而进行探测，它由闪烁体和光电倍增管 两部分组成。
等。 有机闪烁体中 应用最广的有蒽、芪、 三联苯和萘等。
表12 –1 主要的闪烁晶体及检测对象
5. 半导体探测器
半导体探测器是近年来迅速发展起来的一种射线探测器。我 们知道荷电粒子一入射到固体中就与固体中的电子产生相互作用 并失去能量而停止。入射到半导体中的荷电粒子在此过程产生电 子和空穴对。而X射线或γ射线由于光电效应、 康普顿散射、 电 子对生成等而产生二次电子，此高速的二次电子经过与荷电粒子 的情况相同的过程而产生电子和空穴。若取出这些生成的电荷， 可以将放射线变为电信号。
红外辐射和所有电磁波一样，是以波的形式在空间直线传播 的。它在大气中传播时，大气层对不同波长的红外线存在不同的 吸收带，红外线气体分析器就是利用该特性工作的，空气中对称 的双原子气体，如N2、O2、H2等不吸收红外线。而红外线在通 过大气层时，有三个波段透过率高，它们是2～2.6μm、3～5 μm 和8～14 μm，统称它们为“大气窗口”。这三个波段对红外探测 技术特别重要，因此红外探测器一般都工作在这三个波段（大气 窗口）之内。
铝壳
光 电 倍 增管
放射线 闪烁体
阳极
橡胶板 光阴级
联级
图12 –14 闪烁计数器
按化学组成成分可分 为有机和无机
按物质形态分则可分 为固态、液态和塑料
通常使用固态闪烁体， 其中有银激活的硫化 锌ZnS(Ag)、 铊激活的 碘化 钠 NaI(T1) 、 铊 激 活 的 碘 化 铯 CsI(T1) 、 金激活的碘化锂LiI(Au)
实验表明，放射源的强度是随着时间按指数定理而减低的，即
J J0et
(12 - 1)
式中： J0——开始时的放射源强度； J——经过时间为t以后的放射源强度； λ——放射性衰变常数。
放射性同位素种类很多，由于核辐射检测仪表对采用的放
射性同位素要求它的半衰期比较长(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)，且对放射出来的射线能量也有一定要求， 因此常 用 的 放 射 性 同 位 素 只 有 20 种 左 右 ， 例 如 Sr90 （ 锶 ） 、 Co60 （钴）、Cs137（铯）、Am241（镅）等。
1. α射线
放射性同位素原子核中可以发射出α粒子。α粒子的质量为 4.002 775u(原子质量单位)，它带有正电荷，实际上即为氦原子 核，这种α粒子流通常称作α射线。 放射出α粒子后同位素的原 子序数将减少两个单位而变为另一个元素。
它从核内射出的速度为20km/s，α粒子的射程长度在空气中为几 厘米到十几厘米。
与β射线相比，γ射线的吸收系数小，它透过物质的能力最大， 在气体中的射程为几百米，并且能穿透几十厘米的固体物质，其 电离作用最小。在测量仪表中，根据γ辐射穿透力强这一特性来 制作探伤仪、 金属厚度计和物位计等。
12.2.2 核辐射探测器
核辐射探测器又称核辐射接收器，它是核辐射传感器的重 要组成部分。核辐射探测器的作用是将核辐射信号转换成电信 号，从而探测出射线的强弱和变化。由于射线的强弱和变化与 测量参数有关，因此它可以探测出被测参数的大小及变化。这 种探测器的工作原理或者是根据在核辐射作用下某些物质的发 光效应，或者是根据当核辐射穿过它们时发生的气体电离效应。
就半导体而言，主要使用的是Si和Ge，对GaAs、CdTe等材 料也进行了研究。目前, 开发的半导体传感器有PN结型传感器、 表面势垒型传感器、锂漂移型传感器、非晶硅传感器等。
12.2.3 1. 核辐射厚度计
射到探测器的透射射线强度J和物体厚度t
J=J0e-μρt
t 1 1n J0
J
(12-3) (12-4)
/ m 10－ 9 10－ 7 10－ 5 10－ 3 10－ 1
宇 宙 射 线 射 线
紫可 X射 线 外 见
线光
/ cm 10 10－ 1 10
红 外线
微波
/m 102 103 104
无 线电 波
近红外 中红外
远 红外
极 远红 外
0
3
6
9
12
15
18
21
/ m
图12 – 1 电磁波谱图
红外辐射的物理本质是热辐射，一个炽热物体向外辐射的能 量大部分是通过红外线辐射出来的。物体的温度越高，辐射出来 的红外线越多，辐射的能量就越强。红外光的本质与可见光或电 磁波性质一样，具有反射、 折射、散射、干涉、吸收等特性， 它在真空中也以光速传播，并具有明显的波粒二相性。
与光子探测器相比，热探测器的探测率比光子探测器的峰 值探测率低，响应时间长。但热探测器主要优点是响应波段宽， 响应范围可扩展到整个红外区域，可以在常温下工作，使用方 便， 应用相当广泛。
热探测器主要有四类： 热释电型、热敏电阻型、热电阻型和气体型
热释电效应: 即电石、 水晶、酒石酸钾钠、钛酸钡等晶体受热 产生温度变化时，其原子排列将发生变化，晶体自然极化， 在 其两表面产生电荷的现象
100
80
60 CO
40
C2H2
20
0
100
80
60
40
CO 2
C2H6
20
0
100
80
60
40
CH 4
C2H4
20
0 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15
/ m
/ m
CO气体对波长为4.65 μm附近的红外线具有很强的吸收能力， CO2气体则发生在2.78 μm和4.26 μm附近以及波长大于13 μm
电离：α射线通过气体时，使其分子或原子的轨道电子产生加速 运动，如果此轨道电子获得足够大的能量，就能脱离原子成为 自由电子，从而产生一对由自由电子和正离子组成的离子对
散射：α离子在物质中运动时会改变运动方向
2. β射线
β粒子的质量为0.000 549 u，带有一个单位的电荷。它所带 的能量为100 keV～几兆电子伏特。β粒子的运动速度均较α粒子 的运动速度高很多，在气体中的射程可达20m。
β粒子在穿经物质时，会使组成物质的分子或原子发生电离，电 离作用较小，质量小易被散射。
β粒子在穿经物质时，由于电离、激发、散射和激发次级辐射等
作用， 使β粒子的强度逐渐衰减，衰减情况大致服从如下的指数
规律：
J=J0e-μh
(12 - 2)
式中：J0和J——β粒子穿经厚度为h、密度为ρ的吸收体前后 的强度； μ——线性吸收系数。
离电流都有较大的影响，例如增大气体压力或增大电极面积都会 使电离电流增大。
在核辐射检测仪表中，
有时用一个电离室，有时
用两个电离室。为了使两
个电离室的特性一样， 以
减少测量误差，通常设计
成差分电离室，
＋U
在高电阻上流过的电 流为两个电离室收集的电 流之差，这样可以避免高 电阻、 放大器、 环境温
度等变化而引起的测量误 差。
当前常用的核辐射探测器有：电离室、正比计数管、盖 革—弥勒计数管、闪烁计数器和半导体探测器等。
1. 电离室
利用射线对气体的电离作用而设计的一种辐射探测器
I
放射
线
＋
R 输出 －
U
…
图12 – 8 电离室的结构示意图
I
1 2 3
O
U1
U2
U
图12 – 9 电离室的特性曲线
电离室内所充气体的压力、极板的大小和两极间的距离对电
正比计数管大多数是圆柱形或者球形、半球形。其阳极很 细，阴极直径较大，这主要是为了在外加电压较小的情况下， 使阳极附近仍能有很强的电场，以便有足够大的气体放大倍数。