核辐射测量方法-第一章
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14 7 4 1 N +2 He→18 O + 8 1H
1932年，发现中子（neutron)。 1934年，人工放射性核素合成成功。
核技术与自动化工程学院 —葛良全—
单位和定义 (unit and definition )
1. 放射性活度
放射性核素的衰变率
dN = λNdt dN = λN dt
地-空界面上伽玛射线的来源
从空间分布角度
人工放射性 7.2%
宇宙射线 12.8% 电离成份 10.5%
大气核试验 核工业与核技 术应用 核医学诊断
中子 2.3%
陆地放射性 80.0% 铀系列核素
钍系列核素
钾-40 其它核素
核技术与自动化工程学院 —葛良全—
一些核辐射的特征:
1.1 β 衰变 反应式
fast electron source
beta decay
A Z
X → Y + β +ν
A Z+ 1
initial final antineutrinos nuclide nuclide 反冲核（recoil nuclide ) : E几乎为0 小于电离阈能 中微子： 与β 粒子分配衰变能Q值。 β 粒子的能量是连续的 缺点：不是单能电子源（monoenergetic electrons)
Type of particle neutron Proton Deuteron Triton Alpha particle positron Electrons or beta particle µmeson symbol n p d t a β+ e+ βµ eCharge (relative) 0 1 1 1 2 1 -1 ±1 Approximate rest mass 1 1 2 3 4 1/1840 1/1840 210/1840 Rest mass 1.008982 1.007593 2.014187 3.01645 4.002777 0.000549 0.000549 0.115
入射粒子 光电子 特征X射线
核技术与自动化工程学院 —葛良全—
1.4 电子加速器 Accelerator
灯丝加热是丰富的电子源 电子从表面逸出时，起能量小于1ev
电压差
1 V
电子获得的能量
1eV
1000V
2000V
10keV
20keV
大型电子加速器能加速到几 MeV
核技术与自动化工程学院 —葛良全—
1898年，施密特发现钍（Th）具有与铀矿石相同的特征。 1899年，卢瑟福（Rutherford）和欧文斯（Owens）发现 射气（emanation)现象。 1901年，Pierre 和Marie Curie发现镭（Ra）之后又发现了 钋（Po）。通过研究铀钍矿石的放射性，发现 Ra比铀钍具 有更强的放射性，于是从沥青中提炼出镭 1903年， Becquerel 和Marie Curie夫妇分别获得物理诺贝 尔奖。 1911年， Marie Curie 获得化学 Nobel Prize for isolatiing radium（ Pierre died in 1906）。 Marie Curie died in 1934 at the age of 67 years as a result of prolonged exposure to radioactivity Ra.
2 重带电粒子源
2.1 α 衰变
A Z
Alpha decay
A 4 Z 2
X→
Y + He
特点：1）能量单一 2 ）封装薄 金属箔
4 2
238 94
Pu
5.358Mev 0.09% 0.143 5.456Mev 28% 0.043 5.49Mev 72%
234 92
U
核技术与自动化工程学院 —葛良全—
核技术与自动化工程学院 —葛良全—
基本问题
按x的定义,累计次级电子的电离电荷量一直到次级电子路径终止. ② 距单位放射活度的源在已知点的照射量(点源). a) 源足够小,能保持球形条件,光子通量不随1/d2而减小. b) x , γ射线在源和测量点之间的空气或其他物质没有 吸收 c) 只有从源到测量点的光子才有贡献,忽略周围介质物 质中的散射光子
2.2 自发裂变 spontaneous fission
①
原则上所有重核都可能自发地裂变成两个轻
核碎片。
②
③
超铀元素自发裂变几率高
动量守恒原理 两个碎片相向发射
④
⑤
能量由两碎片带走
伴随产生中子 、 γ射线
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3
电磁辐射源
3.1 伴随β 衰变的γ辐射 x rays following beta decay γ射线的产生： 受激态原子核向较低能级跃迁时产生
2
能量 energy
传统: 电子伏(eV ) KeV MeV
一个电子经过1伏电压差加速所达到的动能 国际单位SI: 焦耳 J joule
1 eV =1.602×10-19 J
光子能量与辐射频率的关系:
E = ν
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3 辐射照射量
在辐射防护中的物理量
γ射线照射量 def: γ射线在质量为dm的空气体积元内形成的次级电子 (负,正电子)完全被阻止在空气中时所产生的电离电荷dQ X=dQ/dm SI 单位 库仑/kg C/kg 历史单位 伦琴 R 1R=2.58×10-4 C/Kg 辐射量描述的是空间某一点(无源) γ射线强度,是通过一定通 量的γ射线对空气体积元的作用来定义的.
单位: /s Becquerel(国际单位) Curie (Ci): 1g 纯Ra的活度 1Bq=3.7×1010 Ci
放射性比活度 specific activity 描述单位质量的放射性同位素样品的放射性活度 specific activity= A λΝ λL = = M M Ν M L
核技术与自动化工程学院 —葛良全—
核技术与自动化工程学院 —葛良全—
3.5 特征x 射线
产生： 原子壳层电子跃迁-- 原子退激 时间ns级 Auger electron 竞争过程 荧光产额 fluorescent field 光子能量
产生方式： a) exciting by Radioactive decay ① 电子俘获 electron capture ② 内转换 internal conversation b) 外部辐射激发 excited by external radiation c) 同步辐射 synchrotron radiation
①
A X= δ 2 d
表示所有从辐射源发出的能量大于 的光子都对剂量有贡献. 而能量小于 的光子由于吸收等而无实际意义。
核技术与自动化工程学院 —葛良全—
典型同位素源的 δ 值 Cesium 3.3 Cobalt -57 0.9 Cobalt -60 13.2 Radium-226 8.25 Sadium-24 18.4
核技术与自动化工程学院 —葛良全—
③
④
湮没辐射的时间极短。
0.511MeV的光子与原γ辐射在探测器中相叠加形成能 量较大的光电源。
⑤
一般β+源的封装材料都能阻止正电子。
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3.3 伴随核反应产生的γ射线
follow nuclear reaction
例如：
4 2
He+ Be → C + n
Er =4.44Mev
第一章 核辐射测量基础知识
1 核辐射 (nuclear radiation )
核的变换
来源
nuclide transformation
粒子加速器 particle acceleration 宇宙射线 cosmic ray from outer space
产生机理角度
核技术与自Leabharlann Baidu化工程学院 —葛良全—
效应的适当量度。
介质：空气 测量介质中的D γ射线 1C/Kg 34.5J/Kg(Gy)
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5 剂量当量 （H）
用适当的修正因数对吸收剂量进行加权,使得修 正后吸收剂量能更好地和辐射所引起的有害效应联 系起来.定义为在组织内所关心的点上的D、Q、Ｎ和 乘积。 H=DQN D： Absorbed dose Q: Quality factor 描述射线的生物效应 N：所有其它修正因素的乘积,ICRP定义:N=1 单位 : Ｄ（拉德） Ｈ 雷姆 ( rem ) 戈瑞 Ｈ 希沃特（ Sv）
核技术与自动化工程学院 —葛良全—
1.2 内转换电子 internal conversion
过程： β 衰变
母核
母核：处于激发态
发射光子
内转换
能量是单能的
核技术与自动化工程学院 —葛良全—
1.3 俄歇电子 Auger electron
特征x射线 原子壳层中的电子空位 俄歇电子
特点：能量较小
俄歇电子
9 4
12 6
1 0
4 2
He+ C → O + n +6.13Mev
时间长 2×1011s 单能
13 6
16 8
m
1 0
核技术与自动化工程学院 —葛良全—
3.4 轫致辐射
1） 产生：高速电子受核库仑场阻止而改 变方向产生 2） 连续谱 continue spectrum
从 0～E max （最大电子能量）
∏
Gamma ray neutrino Fission fragment
∏
γ v
±1
276/1840
0.152
20
95
核技术与自动化工程学院 —葛良全—
2 核辐射的分类
快电子
带点粒子辐射 重电子粒子
γ ray
电磁辐射 x ray 非带电辐射 中子
核技术与自动化工程学院 —葛良全—
辐射源
1 快电子源
22Na
1） 发生的时间 ns级以下
2）单能 3）β 衰变的半衰期较长
EC10% β 1.274
+
90%
excided nuclide state 4 ） 核的退激 γ1 transformation ground state
核技术与自动化工程学院 —葛良全—
3.2 湮没辐射 Annihilation radiation ① ② 与β-衰变相伴随 正电子失去动能之后与负电子相结合产生两个方向相 反的0.511MeV的光子。
核技术与自动化工程学院 —葛良全—
4 吸收剂量 Absorbed Dose
def: D= dE/dm
J/Kg Gray (G y)=1 J/Kg 废除单位： Rad(拉德)=100尔格/克 1 Gy= 100 Rad
SI单位：
核技术与自动化工程学院 —葛良全—
讨论问题
1. 两种不同的物质受到相同的γ射线照射量，则吸收剂量 不一定相同。 原因：物理性质的变化诱发化学反应 2. 3. 4. D是一定的辐射照射量在吸收物质中产生的化学和物理
核技术与自动化工程学院 —葛良全—
1911年，卢瑟福（Rutherford）用α 射线轰击各种原子， 观测到α 射线发生偏折，从而确定了核结构，并提出了原 子结构的行星模型，从而奠定了原子结构和原子核结构的 研究基础。 此后不久，玻尔提出了原子的壳结构和电子在原子中的运 动规律，同时建立了描述微观世界的量子力学。 1919年，在卡文迪许实验室，实现了人工核蜕变核反应， 它是用α 粒子轰击氦核能放出质子，反应式如下：
核技术与自动化工程学院 —葛良全—
放射性的历史
放射性(radioactivity)这一名词首次首次被利用是Marie Curie。在1898,她首先用来描述能发出电离辐射(ionizing radiation)的物质的外部特征,进一步证明了电离辐射与电 磁辐射的差别。 放射性的最早研究者：伦琴（Roentgen); 1895年，伦琴 用阴极射线（电子束）在放电管壁上的作用产生x射线（x –ray)。 首先发现放射性：1896年，贝可勒尔(Becquerel)发现铀矿 石使胶卷暴光，称之为radiation actives。
1932年，发现中子（neutron)。 1934年，人工放射性核素合成成功。
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单位和定义 (unit and definition )
1. 放射性活度
放射性核素的衰变率
dN = λNdt dN = λN dt
地-空界面上伽玛射线的来源
从空间分布角度
人工放射性 7.2%
宇宙射线 12.8% 电离成份 10.5%
大气核试验 核工业与核技 术应用 核医学诊断
中子 2.3%
陆地放射性 80.0% 铀系列核素
钍系列核素
钾-40 其它核素
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一些核辐射的特征:
1.1 β 衰变 反应式
fast electron source
beta decay
A Z
X → Y + β +ν
A Z+ 1
initial final antineutrinos nuclide nuclide 反冲核（recoil nuclide ) : E几乎为0 小于电离阈能 中微子： 与β 粒子分配衰变能Q值。 β 粒子的能量是连续的 缺点：不是单能电子源（monoenergetic electrons)
Type of particle neutron Proton Deuteron Triton Alpha particle positron Electrons or beta particle µmeson symbol n p d t a β+ e+ βµ eCharge (relative) 0 1 1 1 2 1 -1 ±1 Approximate rest mass 1 1 2 3 4 1/1840 1/1840 210/1840 Rest mass 1.008982 1.007593 2.014187 3.01645 4.002777 0.000549 0.000549 0.115
入射粒子 光电子 特征X射线
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1.4 电子加速器 Accelerator
灯丝加热是丰富的电子源 电子从表面逸出时，起能量小于1ev
电压差
1 V
电子获得的能量
1eV
1000V
2000V
10keV
20keV
大型电子加速器能加速到几 MeV
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1898年，施密特发现钍（Th）具有与铀矿石相同的特征。 1899年，卢瑟福（Rutherford）和欧文斯（Owens）发现 射气（emanation)现象。 1901年，Pierre 和Marie Curie发现镭（Ra）之后又发现了 钋（Po）。通过研究铀钍矿石的放射性，发现 Ra比铀钍具 有更强的放射性，于是从沥青中提炼出镭 1903年， Becquerel 和Marie Curie夫妇分别获得物理诺贝 尔奖。 1911年， Marie Curie 获得化学 Nobel Prize for isolatiing radium（ Pierre died in 1906）。 Marie Curie died in 1934 at the age of 67 years as a result of prolonged exposure to radioactivity Ra.
2 重带电粒子源
2.1 α 衰变
A Z
Alpha decay
A 4 Z 2
X→
Y + He
特点：1）能量单一 2 ）封装薄 金属箔
4 2
238 94
Pu
5.358Mev 0.09% 0.143 5.456Mev 28% 0.043 5.49Mev 72%
234 92
U
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基本问题
按x的定义,累计次级电子的电离电荷量一直到次级电子路径终止. ② 距单位放射活度的源在已知点的照射量(点源). a) 源足够小,能保持球形条件,光子通量不随1/d2而减小. b) x , γ射线在源和测量点之间的空气或其他物质没有 吸收 c) 只有从源到测量点的光子才有贡献,忽略周围介质物 质中的散射光子
2.2 自发裂变 spontaneous fission
①
原则上所有重核都可能自发地裂变成两个轻
核碎片。
②
③
超铀元素自发裂变几率高
动量守恒原理 两个碎片相向发射
④
⑤
能量由两碎片带走
伴随产生中子 、 γ射线
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3
电磁辐射源
3.1 伴随β 衰变的γ辐射 x rays following beta decay γ射线的产生： 受激态原子核向较低能级跃迁时产生
2
能量 energy
传统: 电子伏(eV ) KeV MeV
一个电子经过1伏电压差加速所达到的动能 国际单位SI: 焦耳 J joule
1 eV =1.602×10-19 J
光子能量与辐射频率的关系:
E = ν
核技术与自动化工程学院 —葛良全—
3 辐射照射量
在辐射防护中的物理量
γ射线照射量 def: γ射线在质量为dm的空气体积元内形成的次级电子 (负,正电子)完全被阻止在空气中时所产生的电离电荷dQ X=dQ/dm SI 单位 库仑/kg C/kg 历史单位 伦琴 R 1R=2.58×10-4 C/Kg 辐射量描述的是空间某一点(无源) γ射线强度,是通过一定通 量的γ射线对空气体积元的作用来定义的.
单位: /s Becquerel(国际单位) Curie (Ci): 1g 纯Ra的活度 1Bq=3.7×1010 Ci
放射性比活度 specific activity 描述单位质量的放射性同位素样品的放射性活度 specific activity= A λΝ λL = = M M Ν M L
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核技术与自动化工程学院 —葛良全—
3.5 特征x 射线
产生： 原子壳层电子跃迁-- 原子退激 时间ns级 Auger electron 竞争过程 荧光产额 fluorescent field 光子能量
产生方式： a) exciting by Radioactive decay ① 电子俘获 electron capture ② 内转换 internal conversation b) 外部辐射激发 excited by external radiation c) 同步辐射 synchrotron radiation
①
A X= δ 2 d
表示所有从辐射源发出的能量大于 的光子都对剂量有贡献. 而能量小于 的光子由于吸收等而无实际意义。
核技术与自动化工程学院 —葛良全—
典型同位素源的 δ 值 Cesium 3.3 Cobalt -57 0.9 Cobalt -60 13.2 Radium-226 8.25 Sadium-24 18.4
核技术与自动化工程学院 —葛良全—
③
④
湮没辐射的时间极短。
0.511MeV的光子与原γ辐射在探测器中相叠加形成能 量较大的光电源。
⑤
一般β+源的封装材料都能阻止正电子。
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3.3 伴随核反应产生的γ射线
follow nuclear reaction
例如：
4 2
He+ Be → C + n
Er =4.44Mev
第一章 核辐射测量基础知识
1 核辐射 (nuclear radiation )
核的变换
来源
nuclide transformation
粒子加速器 particle acceleration 宇宙射线 cosmic ray from outer space
产生机理角度
核技术与自Leabharlann Baidu化工程学院 —葛良全—
效应的适当量度。
介质：空气 测量介质中的D γ射线 1C/Kg 34.5J/Kg(Gy)
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5 剂量当量 （H）
用适当的修正因数对吸收剂量进行加权,使得修 正后吸收剂量能更好地和辐射所引起的有害效应联 系起来.定义为在组织内所关心的点上的D、Q、Ｎ和 乘积。 H=DQN D： Absorbed dose Q: Quality factor 描述射线的生物效应 N：所有其它修正因素的乘积,ICRP定义:N=1 单位 : Ｄ（拉德） Ｈ 雷姆 ( rem ) 戈瑞 Ｈ 希沃特（ Sv）
核技术与自动化工程学院 —葛良全—
1.2 内转换电子 internal conversion
过程： β 衰变
母核
母核：处于激发态
发射光子
内转换
能量是单能的
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1.3 俄歇电子 Auger electron
特征x射线 原子壳层中的电子空位 俄歇电子
特点：能量较小
俄歇电子
9 4
12 6
1 0
4 2
He+ C → O + n +6.13Mev
时间长 2×1011s 单能
13 6
16 8
m
1 0
核技术与自动化工程学院 —葛良全—
3.4 轫致辐射
1） 产生：高速电子受核库仑场阻止而改 变方向产生 2） 连续谱 continue spectrum
从 0～E max （最大电子能量）
∏
Gamma ray neutrino Fission fragment
∏
γ v
±1
276/1840
0.152
20
95
核技术与自动化工程学院 —葛良全—
2 核辐射的分类
快电子
带点粒子辐射 重电子粒子
γ ray
电磁辐射 x ray 非带电辐射 中子
核技术与自动化工程学院 —葛良全—
辐射源
1 快电子源
22Na
1） 发生的时间 ns级以下
2）单能 3）β 衰变的半衰期较长
EC10% β 1.274
+
90%
excided nuclide state 4 ） 核的退激 γ1 transformation ground state
核技术与自动化工程学院 —葛良全—
3.2 湮没辐射 Annihilation radiation ① ② 与β-衰变相伴随 正电子失去动能之后与负电子相结合产生两个方向相 反的0.511MeV的光子。
核技术与自动化工程学院 —葛良全—
4 吸收剂量 Absorbed Dose
def: D= dE/dm
J/Kg Gray (G y)=1 J/Kg 废除单位： Rad(拉德)=100尔格/克 1 Gy= 100 Rad
SI单位：
核技术与自动化工程学院 —葛良全—
讨论问题
1. 两种不同的物质受到相同的γ射线照射量，则吸收剂量 不一定相同。 原因：物理性质的变化诱发化学反应 2. 3. 4. D是一定的辐射照射量在吸收物质中产生的化学和物理
核技术与自动化工程学院 —葛良全—
1911年，卢瑟福（Rutherford）用α 射线轰击各种原子， 观测到α 射线发生偏折，从而确定了核结构，并提出了原 子结构的行星模型，从而奠定了原子结构和原子核结构的 研究基础。 此后不久，玻尔提出了原子的壳结构和电子在原子中的运 动规律，同时建立了描述微观世界的量子力学。 1919年，在卡文迪许实验室，实现了人工核蜕变核反应， 它是用α 粒子轰击氦核能放出质子，反应式如下：
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放射性的历史
放射性(radioactivity)这一名词首次首次被利用是Marie Curie。在1898,她首先用来描述能发出电离辐射(ionizing radiation)的物质的外部特征,进一步证明了电离辐射与电 磁辐射的差别。 放射性的最早研究者：伦琴（Roentgen); 1895年，伦琴 用阴极射线（电子束）在放电管壁上的作用产生x射线（x –ray)。 首先发现放射性：1896年，贝可勒尔(Becquerel)发现铀矿 石使胶卷暴光，称之为radiation actives。