第11章 射线式传感器

I I 0e
•
t
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)。 放射性强度单位


1 /秒 放射性强度单位：贝可（Bq） 1Bq （次核衰变）
放射性强度单位：居里（Ci）, 毫居里(mCi) 1Ci = 3.7×1010（次核衰变）/秒
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）； • 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 )
4He
α β
+2
4.00279
e± ± 1
5.486×10-4 0
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，
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
C S （铯） 241 Am（镅） 238 Pu（钚） 60 Co（钴） 90 Sr （锶） 55 Fe（铁）
137
、
、
、
X X
11.2.2 核辐射探测器
核辐射探测器就是接收器核辐射信号 的传感器，有多类型 常用于放射性测量的有： 1） 气体探测器： 电离室、盖革计数管、 正比计数器； 2）闪烁计数器； 3）半导体探测器。 闪烁计数器
荷电粒子入射到半导体中时， 会激发产生电子—空穴对，这 些电子—空穴对在电场作用下 形成正比于入射射线能量的电 流，探测器将其转换为脉冲信 号输出。
X射线、γ 射线由于光电效应、康普顿效应、电子对生成等 产生二次电子；高速二次电子产生更多电子—空穴对。 在PN结空间电荷区加足够高的偏压，因射线而电离的载流 子加速，产生新的电子—空穴使载流子倍增，电荷在输出 端形成一个放大脉冲信号，将电荷转换为电信号输出。 由于在半导体中产生一个电子—空穴对所 需能量极小，约为3eV（而β射线在空气中 产生一对离子所需能量，为30eV），因此 半导体探测器比其他射线探测器分辨率高。 特点：输出信号小，分辨率高。
•
• 电离室外加电压增大电流趋于饱和，一般工作在饱和区 （离子能够全部达到电极上），使输出电流与外加电压 无关，只正比于射线到电离室的辐射强度。
• • •
电离室的优点是成本低寿命长； 缺点是检出电流很小。 α、β、γ电离室不能通用，不同粒子相同条件下效率相差很大。 电离室主要用于探测α、β射线，α粒子电离电流比β离子电离 的电流大100多倍，γ 粒子没有直接电离本领，效率很低。
盖格计数管 盖格计数器
1）气体探测器（c. 正比计数器） 正比计数器是充气型气体电离探测器，由气体作为入射射 线产生电离或激发的介质；外加一定电位的电场；
（电离室）有两个电极（丝-阳极；壳-阴极）， 当射线进入电离室穿过气体时与气体分子轨道上电子碰撞， 使气体分子电离而形成离子对，芯线旁电场密度高电子碰 撞被加速，在气体中获得足够能量使其它气体分子和原子 产生新的离子对。这一过程称为气体放大。
•
•
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
氦-4 碳-12 碳-13 碳-14
素 质子数
2 6 6 6
中子数 质量数 符 号
闪烁体种类 碘化钠晶体 Nal(Tl)
当闪烁体受到辐射时闪烁体内的原子受激发光，光透过 闪烁体射到光电倍增管的光阴极上，并激发出光电子；
光电倍增管是利用二次电子释放效应，高速电子撞击固 体表面，发出二次电子，将光电流在光电倍增管内进行 放大倍增，在阳极上形成可以测量的电流。输出电流脉 冲大小与入射射线能量成正比，脉冲多少与含量成比例。
(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
电磁波谱
波长
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F E
频率
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；
V: G-M工作区
2）闪烁计数器 闪烁计数器由闪烁体和光电倍 增管组成。光电倍增管只能放 大光信号不能直接放大射线信 号。 闪烁体先将辐射能变为光能， 光电倍增管再将光能变为电信 号进行探测放大。 物质受射线作用而被激发，受 激电子由激态跃迁到基态时发 射出脉冲状的光，这种现象称 为闪烁，而闪烁体就是一种能 产生这种现象的物质。
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。 ☻ 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
盖格计数管主要用于探测β 粒子和γ 射线，工作电压较低 。 由于盖格计数管放大作用，电流比电离室离子流大几千倍。 特性曲线：电压U一定时，射线入射越强电流 I 越大，输 出脉冲数N 越多，a、b段称“坪曲线”；I 为射线强度
坪曲线
G-M计数管的典型结构
• G-M管主要有圆柱型和钟罩型两种。 • 圆柱型主要用于 射线测量， • 而钟罩型由于有入射窗，主要用于，射线的测量。
U
辐 射
t
3）半导体探测器 半导体探测器是利用半导体材料制成的射线传感器； 主要结构类型有：结型、面垒型、锂漂移型和高纯鍺等。 图为结型半导体探测器结构，实质是一个大面积、大体积 的晶体二极管（约0.01-- 200cm3）。 在半导体材料上设置了一个阴极（高摻杂的P+层）和一个 阳极（高摻杂的N+层）。
1 MeV 的粒子穿透物质能力 α β
γ 4580本
1 页 60页/本
中子n 铅
中
子 铅室 源 地 下 1-2 米深
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。
☻ 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：
• 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
铅 罐
同位素辐射源 ： 辐射源的种类很多，一般选用半衰期较长的同位素，能 量、强度适合的辐射源。常用同位素源见下表：
放射源
半衰期
33.2年 470年 86年 5.26年 19.9年 2.7年
射线种类
能量
0.6614 Mev 5.48 Mev 27 Kev 12-21 Kev 50以上 0.31,1.17,1.33 Mev 0.54, 2.24 Mev 5.9 Kev
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； • 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。
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 哈 勃 望 远 镜
钱德拉X射线太空望远镜
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 • 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）
2 6 7 8 4 12 13 14
4He 12C 13C 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
0e
0
t

——t 时刻原子核数； ——t = 0 的原子核数； —— 衰减常数（不同核素衰减常数值不同）
1.007276 1.008665

质 子 中 子

p n
0
+1 0
自然界常见的核衰变示例
α 衰变
新元素Sg衰变为Rf鑪
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：
•
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
1）气体探测器（ b. G-M 盖格计数管） 盖格-弥勒计数管简称盖格计数管， 也称气体放电计数器。 一个密封玻璃管，中间阳极用钨丝 材料制作，玻璃管内壁涂一层导电 物质或用金属圆管作阴极，筒和丝 绝缘，内部抽空充惰性气体（氖、 氦）、卤族气体。 阳极与阴极间加高压。x、α、β 射线入射时引起激烈的气体 放大，离子沿丝传到整个计数管内，形成正离子鞘，在电场 作用下正离子鞘向阴极移动形成电流； 为避免到达阴极时造成连续放电现象，惰性气体灭掉放电。
充有气体
气体分子
计数器输出脉冲大小(幅值)正 比于辐射产生的电子、正离子 对的数目;电子和正离子对数目， 正比于气体吸收的放射线的能 量。能量大——幅值高！ 器件工作在气体电离放电伏安 特性曲线的正比区，有足够大 的气体放大倍数，能量分辨率 高，分辨时间短，可以进行快 速计数。
I : 复合区 III : 正比区 II : 饱和区 IV: 有限正比区 VI: 连续放电区
盖革管
正比计数器
半导体 探测器
1）气体探测器（a.电离室）
• 电离室是在空气中或充有惰性气体的装置中，设置一 个平行极板电容器，加几百伏高压。
• 高压在极板间产生电场，当粒子或射线射向两极板之 间的空气（气体）时，气体分子电离，在电场作用下 正离子趋向负极板，电子趋向正极板，产生电离电流。 在外电路接一电阻R 就可形成响应电压， 电阻R的电压降代表 辐射的强度。
11.3 核辐射传感器的应用 • • • 应用范围： α射线可实现气体分析，如气体压力、流量测量； β射线可进行带材厚度、密度检测； γ射线可探测材料缺陷、位置、元素、密度与厚度测量。
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：
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）。