第0章 核辐射探测基础知识

原子核内并不存在。
形成过程：原子核最外围的两个中子和两个质子形成α粒子。 当它们的结合能(28.3MeV)大于对原子核的分离能总和, α粒子 可能穿过核的位垒，可能出现α衰变。
5
1.α衰变 例2
226 88
Ra→ Rn+ He
222 86 4 2
226 88
α 4.602 MeV 5 % ↙ ↓γ 0.183MeV ↓
8
２. β衰变 137
β 衰变；
−
Cs →137 Ba + β − 55 56
137 55
Cs
30 年 0.51 MeV ↘ 92 % ↓γ 0.661 MeV ↓ 基态 β
β 8 %
↘ 1.17 MeV ↘ ↘ ↘ ↘
137 56
↘ Ba ↘
137 56
Ba
9
２. β衰变
β+
一个正电子
A Z
衰变:原子核内，一个质子转变成一个中子，放出
− 18
6 . 023 × 10 23 ×
238
30
1）测量结果的表示
当数学期望比较大时，可以用一次测量值N表示
68.3% 真值落在 N ± σ N = N ± N 95.5% N ± 2σ N 99.7% N ± 3σ N 2）测量精度----相对标准误差 σN N 1 = νN = = N N N N越大，精度越高
B At
当 t → 10 T1 / 2 , A时，第二项先趋于零 N max, B
λ A N 0 A −λ = e λ A − λB
Bt
按 λ B N B 规律衰变
27
2.放射性平衡
λA NA = λB NB = λC NC = ...Βιβλιοθήκη Baidu = λn Nn
寿命最长的子体核素的半衰期的10倍 铀系：寿命最长的子体核素为 U-234, 半衰期为2.44 X 105a，整个系列达平衡250 万年 钍系：寿命最长的子体核素为 Ra-228, 半衰期为5.75a，整个系列达平衡50多年
− dN / dt λ = N 2.半衰期 N0
N = T1 / 2 =
2 − Ln 1 / 2
= N 0 e − λ T1 / 2
λ
=
0 . 693
λ
22
N0 N= = N 0 e −λt 1000 1 − λt =e 1000 Ln1000 6.93 t= ≈ ≈ 10T1/ 2
λ
λ
经过十倍半衰期，只剩下1/1024。认为衰变完了
17
Po-214
7.687
2.钍系
核素 Th-232 Ra-224 Rn-220 Po-216 Pb-212 Bi-212 Po-212 Tl-208 α 射线 (MeV) 3.993 5.677 6.282 6.774 6.051 0.337 8.785 0.663 0.337 0.293 2.620 0.583 几率 0.197 0.030 --0.470 γ 射线 能量(MeV) 0.06 0.241 --0.239
2012年2月
1
1.放射性现象 2.放射性衰变种类 3.放射性系列及天然放射性元素射线谱 4.放射性衰变的基本规律 5.多种放射性元素衰变、积累规律 6.放射性测量中的统计误差 7.放射性测量统计误差 8.反射性测量的主要单位
2
1.放射性现象
定义：原子核自发的发生核结构的变化，由一个元素的 原子核转变为另一个元素的原子核，同时伴随放射出粒子或电磁 辐射的现象。称为放射性衰变
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关于剂量 剂量分为三类：照射剂量、吸收剂量、 剂量分为三类 ： 照射剂量 、 吸收剂量 、 相对生物效 应剂量。 应剂量。 现在用：照射量、 吸收剂量、 现在用：照射量、 吸收剂量、剂量当量
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1. 照射量
是对电离辐射产生电离能力的一种度量。 是对电离辐射产生电离能力的一种度量。是对辐照 场的定量描述。只适用于X、 射线。照射量（ ） 场的定量描述。只适用于 、γ射线。照射量（X）是 除以Δ 所得的商 ΔQ除以Δm所得的商 。 除以 即 X=ΔQ/Δm Δ Δ 式中： 是在质量为Δ 的空气中 的空气中， 式中 ： ΔQ是在质量为 Δm的空气中 ， 由光子释放的 是在质量为 全部电子（ 负电子）在空气中完全被阻止时， 全部电子 （ 正、 负电子） 在空气中完全被阻止时 ， 产 生一种符号的离子的总电荷的绝对值。 生一种符号的离子的总电荷的绝对值。 X单位：库仑每千克（C/kg） 单位： 单位 库仑每千克（ ） 曾 用 单 位 ： 伦 琴 （ R ） 1R=2.58×10-4C/kg=0.258 × mC/kg
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1.两个放射性元素相继衰变的规律
dN B = λA N A − λB N B dt t = 0, N 0 B = 0 NB
λ A N 0 A −λ t = e [1 − e − ( λ λB − λA
A
B
−λ A )t
]
24
1.两个放射性元素相继衰变的规律 1) λ A << λ B
N
B
=
λ
20
1.基本规律
在 t 到 t + dt 的时间间隔内，原子的衰变数 dN 与存在的原子总数 N 成正比。
− dN = λ Ndt dN = −λN dt
N
∫
N
0
dN N
t
= −
∫
0
λ dt
0
ln N = ln N N = N
0e −λt
− λt
21
1.衰变常数
每个原子在单位时间内衰变的几率， 量纲 t-1(秒-1、日-1、年-1）
Np- 237
14
15
16
1.铀系 铀系
核素 U-238 Th-234 Ra-226 Rn-222 Po-218 Pb-214 Bi-214 α 射线 (MeV) 4.185 4.761 5.482 6.002 --γ 射线 能量(MeV) 几率 能量 0.187 0.048 0.148 0.093 0.012 0.184 0.00064 0.51 0.377 0.352 0.189 0.295 0.052 2.204 0.163 1.764 0.166 1.120 0.471 0.609 0.1ms
X→
A Z −1
Y +β
+
27 14
Si → Al + β
27 13
+
10
3. K俘获 K-capture 或称轨道电子俘获 EC
原子核俘获一个轨道电子，核内一个质子变成中子
A Z
X + e→ Y
A Z −1
55 26
Fe + e→ Mn
55 25
11
3. K俘获 K-capture
例：
40 19 ↙ ↘
概率
3）多次测量结果的误差
σ
N
=
N
k N =
k次测量平均值的标准误差 k次测量平均值表示方法
k 1 k N = 1
N = N ±
ν
N
=
σ
N
N
∑
i
N
i
测量次数越多，误差越小 总计数相同，结果的统计误差相同（不论单次、多次 测量） 以精度确定总计数，分三次测量
活度
单位时间内的衰变次数，是放射性物质“量”的单位。它表示物 质的放射性强度。 贝可（Bq）:每秒发生一次衰变的放射性物质的活度。 曾用单位：居里。 1Ci = 3.7×1010 Bq 质量(W)与活度(A)的关系： (W) (A) A=λN N=WNA/M W=NM/NA=AM/λNA=AMT1/2/0.693 NA N为原子核数，NA阿佛加德罗常数, M为原子量 1 mCi 的短寿 32P 3.510-9g 14.282d 1 mCi 的长寿 238U 3 kg 4.468109 a
7
２. β衰变
放出 β粒子 beta particle 高速运动的电子
β + 衰变 分为 β 衰变；
−
β − 衰变
A Z
X→ Y +β
A Z +1
−
234 90
60 27
Th → 234 Pa + β 91
60 Co → 28 Ni + β −
−
n→ p+β
137 55
Cs →137 Ba + β − 56
28
怎样区分 Rn-222; Rn-220 ?
29
2.放射性平衡
与1克铀平衡时镭是多少？ λ N N Ra = U U λ Ra 226 Ra = × N Ra 23 6 . 023 × 10 λ N 226 = × U U 6 . 023 × 10 23 λ Ra
4 . 91 × 10 226 = × 23 6 . 023 × 10 1 . 37 × 10 − 11 = 3 . 4 × 10 − 7 克
放出的粒子： α粒子、β粒子、γ辐射、碎片
不受 物理的、化学的条件的影响 是一个随机过程
3
1.α衰变
放出 α粒子 （alpha particle） 2 He
4
A Z
X→
A− 4 Z −2
Y + He
4 2
234 90 4 2
例1
238 92
U → Th + He
4
1.α衰变 4 α粒子 2 He
基态 ↓γ 0.059MeV,99.7% ↘ β 0.31MeV ↓γ 1.17MeV 60 ↓γ 1.33MeV 28 Ni 基态
13
铀系
uranium series
U - 238
钍系
thorium
series
Th- 232
锕铀系
actinium uranium series U- 235
镎系
neptunium series
↙ ↙
1602年 ↙ ↙ α 4.785 MeV ↙ 95 %
222 86
Ra
↙ ↙
Rn
3.825天
6
1.α 1.α衰变
α射线能谱的精细结构： 射线能谱的精细结构： BiBi-212 5.48 MeV 0.016 % 5.603 1.1 5.622 0.15 5.765 1.7 6.047 69.9 6.086 27.2 Po-212 8.78 Po100.0 9.492 0.004 10.422 0.002 10.543 0.018
K
↘
1.26 * 109 年
e 11 %
↙
↙ ↓γ 1.461 MeV ↓ 基态 40 18
β 1.32 MeV ↘ 89 % ↘
基态
40 20
Ar
Ca
12
４. γ跃迁
60 27
γ- transition
Co
在α衰变 、 β衰变 过程中，伴随放出γ辐射 gamma radiation
例： ↘ β 1.54MeV↘ 0.3% ↘
33
1. 比活度 某种物质单位质量的放射性活度。 Bq /Kg。 含量与比活度的关系： 已知镭-226、钍-232、钾-40 放射性比活度时，可用下式估算样品铀、钍、 钾含量（视铀、镭处于放射性平衡） C(Ra)= 12.41×U C(Th)= 4.07×Th C(K )= 312.60× K 式中：C(Ra)、C(Th)、C(K)为比活度，单位：Bq/kg ；U、Th、K 为含量， 单位：10-6g/g。
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照射量率
单位时间内的照射量。 单位时间内的照射量。（C/kg·s） ） 曾用单位：微伦琴每小时（ 曾用单位：微伦琴每小时（μR/h）。简称伽玛（γ） ） 简称伽玛（ 1γ=1μR/h=2.58×10-10C/(kg·h) γ μ ×
37
吸收剂量（ ） 吸收剂量（D）
是定量描述射线对物质的作用和把能量传给物质情况的物理 量。也可以认为是度量介质在辐射场中吸收辐射能量的物理量。 也可以认为是度量介质在辐射场中吸收辐射能量的物理量。 吸收剂量反映了受照射物质吸收辐射能量的程度。 吸收剂量反映了受照射物质吸收辐射能量的程度。 吸收剂量(D)是 除以 除以Δ 所得的商 吸收剂量 是dE除以Δm所得的商 。 式中： 是电离辐射（包括X、 中子等各种辐射） 式中：dE 是电离辐射（包括 、γ、中子等各种辐射）给予质量 的物质的平均授予能量。 为 dm 的物质的平均授予能量 。 或单位质量的某物质所吸收的平 均能量。 均能量。 戈瑞（ ） （D）单位：焦耳每千克。 1戈瑞（Gy）。1 Gy=1 J/kg ）单位：焦耳每千克。 戈瑞 倍分单位： 倍分单位：n Gy。1 nGy=10-9Gy 。 曾用单位： 曾用单位：拉德 （red）1 red=10-2 Gy ） 1 毫拉德 毫拉德=10 微戈瑞 证： 1red=106mred=10-2 Gy=10-2×109μGy; 1mred=10μGy μ
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3.不成系列的天然放射性核素的射线谱 K-40 1.46 MeV T=1.3 X 109a Rb-87 T=5.0 X 1010a Sm-147 T=1.06 X 1011a
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1.天然放射性系列 1.天然放射性系列 2.Rn及其衰变子体 2.Rn及其衰变子体 3.天然放射性主要的谱线及 3.天然放射性主要的谱线及 与核素间的一一对应关系
A
N
B
λ
0 A
[1 − e
−λ
B
t
]
当 t → ∞ , N N
B
B
→ 极大 = N
∞
=
λ
A
N
可写为
λB λBN
0 A
B
= λ
A
N
0 A
≈ λ
A
N
A
称为达到放射性平衡，10 TB
25
1.两个放射性元素相继衰变的规律 λ < λ 2) λ
A B
N
B
=
λ
A
N
λ
0 A
e
−
A
t
B
− λ
[1 − e
− (λ
B
− λ
A
)t
]
A
B 元素达最大的时间： 1 λ t max = ln λ B − λ A λ N
B , max
B A
=
λ
A
N
B
λ
A
当 t → 10 T 1 / 2 , B N N
B A
=
λ λ
B
− λ
A
A
26
1.两个放射性元素相继衰变的规律 3) λ A > λ B
λ A N 0 A −λ t λ A N 0 A −λ − NB = e e λ A − λB λ A − λB