2.10 核辐射式检测元件
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式中t m为测量时间；f n为射入检 为 测元件的粒子的平均频率；
检测元件的效率
1 r t m f n
思考题
• 如何用核辐射式检测元件实现材料厚度、 液体浓度、成份等的测量？
光阴极产生的电子数量与照射到它上面的光子 数量成正比例，即放射性同位素的量越多，在 闪烁体上引起闪光次数就越多，从而仪器记录 的脉冲次数就越多。 测量的结果可用计数率，即射线每分钟的计 数次数（简写为cpm）表示; 闪烁探测器是近几年来发展较快，应用最广泛 的核探测器，它的核心结构之一是闪烁体。闪 烁体在很大程度上决定了一台计数器的质量。
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 I I 0 I ，所以由 辐射源本身核衰变引起的相对误差为
I r 1 e t I
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
ln 2 / T0.5
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。
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。
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。
电离曲线
β射线的多电极电离室
1、2—端子；
3、4—圆柱电极；
来自百度文库
5、6－圆柱电极
2.闪烁计数器
•射线进入闪烁体时，使闪烁体的原子被电离和激发， 受激原子退激时会发光； •光透过闪烁体射到光电倍增管的阴极上，经过光电 倍增管的倍增，在其阳极上形成电流脉冲； •最后通过输出电路进行显示、分析。
探测原理
1 E mv 2 h A 2
γ射线通过物质时强度衰减
I I 0e
x
• 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。
粒子的性质
带电量 α粒子 β粒子 ＋2e -e 质量 4u 0.00055u 速度 20km/s 电离 贯穿 能力 能力 很强 很弱
200km/s 较弱 较强
γ射线
0
0
光速
极弱 极强
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
I I0e
• • • •
t
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
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
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
I I 0e
m x
• 式中 I 为穿过厚度为 x 的物质后的辐射强度； I0 为 m为物质的吸收系数 ； 射入物质前的辐射强度； 为物质的密度。
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
射线与被测物质的相互作用
激发
电离
吸收
散射
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
1－收集电极
2－高压电极
3－保护电极 4－绝缘层
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。
• 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
检测元件的效率
1 r t m f n
思考题
• 如何用核辐射式检测元件实现材料厚度、 液体浓度、成份等的测量？
光阴极产生的电子数量与照射到它上面的光子 数量成正比例，即放射性同位素的量越多，在 闪烁体上引起闪光次数就越多，从而仪器记录 的脉冲次数就越多。 测量的结果可用计数率，即射线每分钟的计 数次数（简写为cpm）表示; 闪烁探测器是近几年来发展较快，应用最广泛 的核探测器，它的核心结构之一是闪烁体。闪 烁体在很大程度上决定了一台计数器的质量。
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 I I 0 I ，所以由 辐射源本身核衰变引起的相对误差为
I r 1 e t I
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
ln 2 / T0.5
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。
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。
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。
电离曲线
β射线的多电极电离室
1、2—端子；
3、4—圆柱电极；
来自百度文库
5、6－圆柱电极
2.闪烁计数器
•射线进入闪烁体时，使闪烁体的原子被电离和激发， 受激原子退激时会发光； •光透过闪烁体射到光电倍增管的阴极上，经过光电 倍增管的倍增，在其阳极上形成电流脉冲； •最后通过输出电路进行显示、分析。
探测原理
1 E mv 2 h A 2
γ射线通过物质时强度衰减
I I 0e
x
• 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。
粒子的性质
带电量 α粒子 β粒子 ＋2e -e 质量 4u 0.00055u 速度 20km/s 电离 贯穿 能力 能力 很强 很弱
200km/s 较弱 较强
γ射线
0
0
光速
极弱 极强
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
I I0e
• • • •
t
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
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
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
I I 0e
m x
• 式中 I 为穿过厚度为 x 的物质后的辐射强度； I0 为 m为物质的吸收系数 ； 射入物质前的辐射强度； 为物质的密度。
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
射线与被测物质的相互作用
激发
电离
吸收
散射
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
1－收集电极
2－高压电极
3－保护电极 4－绝缘层
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。
• 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