核辐射探测器概述

核辐射探测器概述
山东省卫生厅卫生监督所
刘
兵
提要

一、核辐射探测器概述。 二、核辐射探测器工作原理。


三、核辐射探测器的应用。
四、放射诊疗检测概述。

五、放射诊疗检测技术特点与结果分析。
一、核辐射探测器概述
（一）什么是辐射探测器？
对于辐射是不能感知的，因此人们必须借助于辐 射探测器探测各种辐射，给出辐射的类型、强度(数 量)、能量及时间等特性。即对辐射进行测量。
C
G
RL
K
气体探测器

G-M计数管：记录粒子个数
G-M计数管 G-M计数管是由盖革(Geiger)和弥勒(Mueller) 发明的一种利用自持放电的气体电离探测器。 G-M管的特点是： 制造简单、价格便宜、使用方便。灵敏度高、输出 电荷量大。 G-M管的缺点是： 死时间长，仅能用于计数。不能鉴别粒子的 类型和能量。
闪烁探测器

闪烁体：
闪烁探测器

闪烁体的物理特性
闪烁探测器

光电倍增管
闪烁探测器

光电倍增管的 光谱响应
闪烁探测器
闪烁探测器
（三）半导体探测器

工作原理
半导体探测器：
原理：是将辐射吸收在固态半导体中，当辐射与半导体 晶体相互作用时将产生电子—空穴对。由于产生电子 —空穴对的能量较低，所以该种探测器具有能量分辨 率高且线性范围宽等优点。 用法：用硅制作的探测器可用于 α 计数、 α 、 β 能谱测 定；用锗制作的半导体探测器可用于 γ 能谱测量，而 且探测效率高、分辨能力好。半导体探测器是近年来 迅速发展的一类新型核辐射探测仪器。
辐射探测器的定义：利用辐射在气体、液体或固体中 引起的电离、激发效应或其它物理、化学变化进行辐射 探测的器件称为辐射探测器。
（二）辐射探测器的发展历史


1927年，Wilson，发明云室；
1948年，Blackett，发展云室用于辐射研究；
1950年，Powell，发展核乳胶；
1960年，Glaser，发明气泡室； 1968年，Alvarez，发展气泡室； 1992年，Charpak，发明并发展多丝正比室。
主要用于测量现场的货物表 面有无放射性物质以及强度。 主要用于废物表面的α 、β 活度的测量或者用于物体表 面是否有放射性污染的判定。
（二）现场监测
（3）α 、β 表面污染监测仪
β本底的测量
实际测量值（
β+γ ）
实际测量值（γ
）
（二）现场监测
（3）α 、β 表面污染监测仪
测量一定面积下的结果（300cm2或500cm2） 1cm2 10Bq/cm2
（一）气体探测器

核辐射引起的气体电离

初级电离：入射粒子与气体分子或原子直接碰撞而导 致的气体电离；
次级电离：直接电离所产生的电子或紫外光及X射线而 导致的气体电离。 复合过程：正离子和电子或负离子复合成中性粒子的 过程。


气体探测器

电离室

脉冲电离室：记录单 个辐射粒子，主要用 于测量重带电粒子的 能量和强度。

辐射强度：单位时间在某一方向上通过的粒子数 带电粒子：电流单位 通量：单位时间通过单位面积上的粒子数

探测器的本征效率：
in
记录的脉冲数 入射的粒子数
核辐射量度

原因：A 带电粒子可能只在灵敏体积内损失一部分能量； B 电离过程是涨落的。 这样必将有一部分幅度低于甄别阈的信号脉冲未被 记录下来。 γ 粒子等中性粒子则取决于与介质作用产生次级带电 粒子的相互作用截面，以及次级带电粒子能否进入灵敏体 积。
（二）现场监测
1.现场监测常用仪器 (1)通道式放射性检测仪器 (2)便携式辐射仪 (3)α 、β 表面污染监测仪 2. 主要测定的放射性核素为： (1)α 放射性核素，226Ra、222Rn、235U等； (2)β 放射性核素，134Cs、137Cs、131I和60Co等
（二）现场监测 （1）通道式放射性检测仪器
气体探测器

气体探测器的特点： 探测器的灵敏体积大小和形状几乎不受限制；


没有辐射损伤或极易恢复；
经济可靠。
平板型电离室 高压 V0 外壳 灵敏 体积 绝缘子
K
C
G
高压极
收集极 保护极
RL
来自百度文库
负载电阻
气体探测器

脉冲波形

Nez U (t ) Cd

0 -Nez/Cd -Ne/C
t
电流电离室：记录大 量粒子平均效应，主 要用于测量X, g, b 和中子的强度或通量 。
-U0 d z 阳极 ++++++++ - - - - - - - 0 阴极

离子和电子在外加电场中的漂移
离子和电子除了与作热运动的气体分子碰撞而杂乱运动 和因空间分布不均匀造成的扩散运动外，还有由于外加 电场的作用沿电场方向定向漂移。 这种运动称为“漂移运动”，定向运动的速度为“漂移速 度”。
(二)现场监测 （2）便携式放射性检测仪器
主要的应用是测量γ 剂量率，现 场的主要用途： α 、β 、γ 和X射线，内置2英寸 的扁平GM探测器对α 和β 射线源 的灵敏度很高。数字显示器可以 根据需要选择mR/hr、 CPS或 m Sv/hr等不同单位。
（二）现场监测
（3）α 、β 表面污染监测仪
半导体探测器

金硅面垒探测器
半导体探测器
半导体探测器

高纯锗半导体探测器
（四）径迹探测器
原子核乳胶 Wilson云室 气泡室

径迹探测器

固体径迹探测器
（五）中子探测器

直接探测： 核反应转换：
7
10
B(n, ) Li U(n, f )
235
（六）微通道板
（七）核辐射量度
（三）辐射探测的基本过程
辐射粒子射入探测器的灵敏体积；
入射粒子通过电离、激发等效应而在探 测器中沉积能量； 探测器通过各种机制将沉积能量转换成 某种形式的输出信号。
（四）辐射探测的基本分类
按材料状态：气体、液体、固体探测器 按记录方式：收集电离电荷的探测器，如气体电离探测器、 半导体探测器； 收集退激荧光的探测器，如闪烁探测器、热释 光探测器； 显示离子集团径迹的探测器，如径迹探测器、 切伦科夫探测器等。
响应时间——反映当入射粒子流强度发生变化时，输出信号 的变化规律。
T就是累计电离室电流信号的响应时间对电流信号，其滞后 时间将最大为离子收集时间T。
对电压信号，它跟随辐射强度变化的响应时间主要决定于电 离室输出回路的时间常数R0C0值。 对t = 0时的阶跃变化，输出电压为：
V2 I1 R0 R0 ( I 2 I1 )(1 e
10cm2 1Bq/cm2 100cm2 0.1Bq/cm2
假设污染源为10Bq
（二）现场监测
3.监测结果
（1）计数率（CPS） 每秒探测到粒子的计数，最直接的表达方式。 通过各种校刻计数，表示为其它结果。 通道式放射性检测结果一般用CPS表示。
（二）现场监测
3.监测结果 （2）周围剂量当量率（Sv/h） 测量点单位时间内组织吸收的能量。 不能代表所测量物体的放射性强度， 需要考虑屏蔽、距离、物品量、校正。 （3）表面污染水平（Bq/cm2） 测量面积上单位面积的α 、β 活度值。 由于α 、β 射程很短，易被其他物质阻 挡，一定样品厚度以下的α 、β 射线无 法测量到。
气体探测器
线性范围——一定工作电压下，输出信号的幅 度与入射粒子流强度的保持线性关系的范围 (一般用辐射强度的范围表示) 。
只要电离室工作在饱和区，则信号电流与入射粒 子流强度一定成正比关系，即线性关系。 但是，当入射粒子流强度增大时，饱和电压将提 高。一旦当入射粒子流强度大到使饱和电压超过 了原来选好的工作电压 V0时，电离室将不再工作 于饱和区，信号电流将比预期值小。即出现非线 性。
一般需要5～7R0C0才能达到平衡。
t / R0C0
)
（二）闪烁探测器

工作原理
闪烁探测器
原理：是利用射线照射在某些闪烁体上而使它发生闪光的 原理进行测量的仪器。它具有一个闪烁体，当射线进入其 中时产生闪光，然后用光电倍增管将闪光讯号放大、记录 下来。 用法：该探测器以其高灵敏度和高计数率的优点而被用作 测量α 、β 、γ 辐射强度。由于它对不同能量的射线具有 很高的分辨率，所以又可作谱仪使用。通过能谱测量，鉴 别放射性核素，并且在适当的条件下，能够定量的分析几 种放射性核素的混合物。此外，这种仪器还能测量照射量 和吸收剂量。
主要是用来检测运动中的物 体或人员的γ 放射性 ，探 测器的灵敏体积很大，灵敏 度高。 用于货物放射性检测的初筛。
（二）现场监测
（2）便携式放射性检测仪器 主要的应用是测量γ 剂量率，有 些仪器有测量γ 谱的功能。 现场的主要用途： a.准确测量样品的γ 剂量率； b.判断现场所需要的防护水平；
c.有能谱功能，现场估计放射性 核素。
（三）常见实验室放射性检测
1.γ 能谱检测
γ能谱仪是通过测量分析γ能谱来对 被测物所含的放射性核素和含量。
探头材料为高纯锗半导体材料，能 量分辨力极好，测量时需要用液氮 或电制冷。测量时一般放置在铅室 中，能对样品中很低含量的放射性 核素进行准确地定性和定量。
核辐射量度

能谱： 绝对分辨率：半峰宽（FWHM)

相对分辨率：
E FWHM 100 % 100 % E E
核辐射量度

辐射剂量：单位体积的物质所接受的辐射能量
D dE dm

剂量当量：描述辐射所产生的实际效应
H NQD

（1Sv=1J/kg, 1rem=0.01Sv)
二、辐射探测器工作基本原理

根据射线与物质相互作用所致原子、分子的电离 和激发效应制成的。 通过测量射线在其中产生的脉冲数目、脉冲幅度 、平均电离电流或（和）累积的电荷总量等来确 定射线量。
辐射探测器工作基本原理要点
探测器的工作机制； 探测器的输出回路与输出信号； 探测器的主要性能指标； 探测器的典型应用。
电离室
原理：如果核辐射被电离室中的气体吸收，该气体将 发生电离。电离探测器即是通过收集射线在气体中产 生的电离电荷进行测量的。 仪器：常用的有电离室、正比计数管、盖革—弥勒计 数管（G-M管）。 用法：电离室是测量由电离作用而产生的电离电流， 适用于测量强放射性；正比计数管和盖革—弥勒计数 管则是测量由每一入射粒子引起电离作用而产生的脉 冲式电压变化，从而对入射粒子逐个计数，这适合于 测量弱放射性。
（二）现场监测
3.监测结果
（4）比活度（Bq/kg, Bq/L） 单位质量（体积）内某放射性核素或总α 、 β 的活度值。 是样品的固有属性，一般是通过实验室检测 得到的结果。用于合格判定，。
4.现场监测注意事项
首先使用通道式放射性检测仪，最好配有中子检测器； 配有多台便携式剂量率仪，以满足具体剂量率的测量 和确定可能的放射性危害程度； 配有一台便携式能谱仪，以满足现场放射性核素定性 的要求 ； 配有一台α 、β 表面污染监测仪，用于废物和放射性 物质污染的测量； 有条件的话，配有个人防护设备，包括个人剂量仪和 防护服、眼睛、口罩等。
剂量率：物质在单位时间内吸收的剂量
三、核辐射探测器的应用
（一）监测分类
1. 现场监测：对放射性物质生产或应用单位内部工作区域 所作的监测； 2.实验室检测：采集的样品经处理在实验室进行的测量； 3. 个人剂量监测：对放射性专业工作人员或公众作内照射 和外照射的剂量监测； 4. 环境监测：天然本底、核试验、核企业、生产和使用放 射性核素以及其它场所的监测。
U (t ) Ne Ee
C
Cw
-U
气体探测器

正比计数器：脉冲幅度正比于入射粒子能量。

电场强度：
U 0 rc (r ) ln r ra
-U0 rc

脉冲电压：
A Ne / C

2ra
R
多丝正比计数器：具有很高的空间分辨和时间 分辨本领
圆柱型电离室
V0
（四）核辐射探测器基本分类

气体探测器 闪烁探测器


半导体探测器
径迹探测器 中子探测器
（五）辐射探测器的基本特点
当前，辐射技术应用日益广泛，辐射种类越来越多。 辐射检测仪器也相应地不断增加。 但是，大多数检 测仪器的基本原理并未改变，只是在仪器性能、加工 工艺、仪器精度、仪器功能等方面不断改进。 虽然辐射检测仪器的种类已比较多，但是，仍然没有 一台仪器是通用于各种辐射测量的，每一类仪器都有其 适用范围和相对适用范围，放射检测工作者必须对辐射 探测技术、测量仪器和被检测的辐射样品和辐射场所的 辐射性能有比较全面的了解，选择合适的测量仪器和评 价方法，才能得出正确的检测结果。