射线式传感器

• 非电离辐射 紫外线、红外线、微波等 这些粒子虽能够同物质发生作用 但都不能使物质发生电离效应 （能量～ eV量级）
➢来源 如移动电话： 频率 800-1800 MHz 能量﹤0.01 eV (所以没有电离作用）
波长
电磁波谱
Hale Waihona Puke Baidu
频率
F E
能量 低
高
11.1.1 放射性同位素
（1） 放射性同位素
• 凡是原子序数相同、原子质量不同的元素， 在元素 周期表中占同一位置，这种元素称同位素；
铅 罐
➢ 同位素辐射源 ：
☻ 核辐射传感器（探测器）：
将入射核辐射（粒子）的全部或部分能量转化为可观测 的电信号（如电流、电压信号）的装置。
核幅射（人工、天然）
能量转换
电信号
❖1895, 伦琴（ Roentgen ）发现 X 射线，射线式传感 器已经有100多年历史。
世界上第一张X射线照片
现代X射线照片
➢ 射线式传感器主要应用领域：
• 当没有外因作用时，同位素的原子核会自动产生核 结构的变化，称为核衰变；
• 同位素的原子在自动衰变过程中会放出射线，这种 同位素就称“放射性同位素”。
• 核素及符号表示
具有确定质子数和中子数的原子核称为核素。 核素是原子核的一种统称。
核 素 质子数 中子数 质量数 符 号
氦-4 2
2
4
4He
碳-12 6
β- 衰变
产生电子e ,反中微子 v’
β+ 衰变
F氟产生正电子e ,中微子 v’
衰变
Dy镝放出γ射线，能态变化， 原子量、原子序数不变
➢ 核辐射的强弱用放射性强度表示
• 放射性强度也是随时间按指数规律减小：
I I0et
I0 —— 初始强度； I —— t 时间后的强度；
• 用单位时间内发生衰变的次数来表示放射性的强弱， 称放射性强度(活度)。
➢ 一般用10倍半衰期表示放射性核素的寿命。
11.1.2 核辐射与物质间的相互作用
➢ 放射性同位素衰变时，放出一种特殊的，带有一定能量的 粒子或射线，这种现象称“核辐射”。
☻ 放射性同位素在衰变过程中能放出
α、β、γ三种射线，其中：
• α 射线由带正电的α 粒子组成 （如氦核）；
• β 射线由带负电的β 粒子组成 （电子）；
• α粒子质量大，电荷量多，
电离能力最强但射程短；
• β粒子质量小，电离较弱；
β
α
• γ粒子没有直接电离作用。
➢ 吸收、反射
α、β、γ射线穿透物质时，由于磁场作用，原子中电子
会产生共振，振动的电子形成散射的电磁波源，使粒 子和射线能量被吸收和衰减。其中：
• α 射线穿透能力最弱，空气中运行轨迹为直线；
哈
勃
望
远
钱德拉X射线太空望远镜
镜
康普顿 伽玛射线
太空 望远镜
XMM-牛顿X射线太空望远镜
11.1 核辐射物理基础
➢ 辐射可分为：电离辐射和非电离辐射
• 电离辐射 直接或间接使介质发生电离效应的
电或不带电的射线或粒子
(能量 ﹥keV )
α、β、γ、 x、 n、p、
裂变碎片 介子等
➢ 来源 1)放射性物质 (人造、天然） 2)加速器 3)反应堆 4)宇宙射线 5)地球环境
• β 射线次之，穿行时由于与物质原子发生能量交换 而改变方向产生散射，在空气中轨迹为折线；
• γ 射线穿透能力最强，能穿透几十厘米厚固体物质， 在气体中可穿透数米，因此γ 射线广泛用于医疗诊 断、探伤等。
1 MeV 的粒子穿透物质能力
α
1页
β
60页/本
γ
中子n 铅
铅室
4580本
中 子 源
地下 1-2 米深
6
12
12C
碳-13 6
7
13
13C
碳-14 6
8
14
14C
核素表示符号
（2）核衰变与核辐射 ➢ 放射性同位素的原子核数目，随时间按指数规律衰减 ➢ 放射性衰减规律可表示为
0et
——t 时刻原子核数；
0 ——t = 0 的原子核数； —— 衰减常数（不同核素衰减常数值不同）
❖ 半衰期：通常用半衰期表示核素衰减速度 半衰期指，放射性核数衰减到原始数目一半所用的时间，
• γ 射线由中性的粒子组成 （光子）。
核辐射的基本粒子和射线性质
种类 符号 电荷 质 量 （e) ( u )
α
4He +2 4.00279
β
e± ±1 5.486×10-4
0
0
质 子 p +1 1.007276
中 子 n 0 1.008665
α 衰变
自然界常见的核衰变示例
新元素Sg衰变为Rf鑪
11.2 射线式传感器
➢ 射线式传感器器通常有两种主要形式：
• 一种是测量放射性物质的放射线，例如测天然放射性 U(铀)、Th(钍)、K(钾)。
• 另一种方式是利用放射性同位素，测量非放射性物质， 根据被测物质对辐射线的吸收、反射进行检测，或者利 用射线对被测物质的电离激发作用。
• 如：测厚、探伤、X射线荧光仪测元素含量等。
• 原理基本相同，而能量范围不同，后者传感器由射线源 和探测器组成。
11.2.1 辐射源
➢ 辐射源结构一般为丝状、圆拄状、 圆片状，有点源、面源、片源。
➢ 辐射源的结构应使射线从测量方 向射出，其它方向应尽量减少剂 量，减少对人体的危害。可以用 铅进行射线屏蔽，铅有极强的抗 辐射穿透能力。
点源结构
➢ 放射性强度单位
放射性强度单位：贝可（Bq） 1Bq （1 次核衰变）/ 秒
放射性强度单位：居里（Ci）, 毫居里(mCi)
1Ci = 3.7×1010（次核衰变）/秒
☻ 核辐射与物质间的相互作用主要是通过
电离、吸收、反射作用。
➢ 电离作用：带电粒子在物质中穿行时会使物质的原子
发生电离，在它们经过的路程上形成离子对。其中：
第11章 射线式传感器
主要内容
11.1 核辐射物理基础 11.2 射线式传感器 11.3 射线式传感器的应用
概述
➢ 射线式传感器也称核辐射探测器，它是利用放射性同位 素发出射线，根据被测物质对放射线的吸收、反射、散 射或射线对被测物质的电离激发作用而工作的。
♣ 放射线通过被测量物时会伴随着能量的损失，只要得到 确切的损失量，就可以准确地了解到被测物的特征。
断层扫描 computed tomograhy （工业CT、医疗 CT）、 无损检测、现场元素分析、在线监测、环境监测、探伤 等等。
➢ 利用射线探测器的医疗设备： X射线机、 医疗计算机断层扫描（CT）、核磁共振成像（MRI）。
➢ 探伤
➢ 安检
➢ 太空技术：空间探测—“太空之眼” • 迄今最伟大的八具空间望远镜