11辐射传感器

第11章射线式传感器传感器原理与应用传感器原理及应用第11章波与射线传感器主要内容11.1核辐射物理基础11.2核辐射传感器11.3核辐射传感器的应用辐射可分为：电离辐射和非电离辐射•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800-1800MHz能量﹤0.01eV(所以没有电离作用）传感器原理及应用第11章波与射线传感器11.0概述•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(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)地球环境第11章波与射线传感器传感器原理及应用电磁波谱频率能量低高FE波长11.0概述核辐射测量主要应用领域：断层扫描computedtomograhy（工业CT、医疗CT）、无损检测、炉前分析、现场元素分析、在线监测、环境监测、探伤等等。传感器原理及应用医疗CTX线管检测仪第11章波与射线传感器11.0概述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）。第11章波与射线传感器传感器原理及应用11.0概述第11章波与射线传感器传感器原理及应用1895,伦琴（Roentgen）发现X射线世界上第一张X射线照片现代X射线照片11.0概述射线传感器用于工业检测：高解析度X射线检测仪（X-ray）利用X射线技术与CCD技术获得高清图像第11章波与射线传感器传感器原理及应用11.0概述工业CT工业CT-无损检测元素分析，无损检测：牛津仪器X-MET5100–跨越轻元素检测!•手持式硅漂移探测器X射线荧光分析仪第11章波与射线传感器传感器原理及应用11.0概述环境监测：X射线荧光分析仪，γ能谱仪第11章波与射线传感器传感器原理及应用11.0概述探伤第11章波与射线传感器传感器原理及应用11.0概述电子帘150keV/3KW涂层固化表面处理电子直线10MeV系列医疗用品、食品材料改性地纳米3MeV/50KW电线电缆聚乙烯热塑管等11.0概述海关用伽玛射线或X射线扫描仪第11章波与射线传感器安检图为移动CT扫描器，亚特兰大奥运会期间（从美国海关租用的）用来检查奥运场所可能存在的爆炸、枪支、毒品等。传感器原理及应用11.0概述X射线集装箱检查系统扫描装置图象检查舱辐射防护设施X射线源6MeV电子直线加速器100mm钢板;分辨率:1.5mm最大穿透力:300mm通过率:25个40英尺标准集装箱/小时11.0概述11.0概述安检安检第11章波与射线传感器传感器原理及应用11.0概述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第11章波与射线传感器传感器原理及应用哈勃望远镜康普顿伽玛射线太空望远镜钱德拉X射线太空望远镜XMM-牛顿X射线太空望远镜第11章波与射线传感器传感器原理及应用威尔金森微波各向异性探测器2001年詹姆斯·韦伯太空望远镜2013年斯皮策太空望远镜2003年费米伽马射线太空望远镜2008年11.1核辐射物理基础第11章波与射线传感器传感器原理及应用♣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。核辐射测量是一种完美的测量方法核幅射（人工、天然）电信号能量转换☻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。11.1.1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；•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”。（1）放射性同位素第11章波与射线传感器传感器原理及应用11.1核辐射物理基础•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。核素表示符号核素质子数中子数质量数符号氦-42244He碳-12661212C碳-13671313C碳-14681414C第11章波与射线传感器传感器原理及应用（1）放射性同位素放射性衰减规律可表示为0te0——t=0的原子核数；——t时刻原子核数；——衰减常数（不同核素衰减常数值不同）（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第11章波与射线传感器传感器原理及应用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，（2）核衰变与核辐射第11章波与射线传感器传感器原理及应用一般用10倍半衰期表示放射性核素的寿命。第11章波与射线传感器11.1.2核辐射与物质间的相互作用☻放射性同位素在衰变过程中能放出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）。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”。传感器原理及应用11.1核辐射物理基础第11章波与射线传感器传感器原理及应用1.0086650n中子1.007276+1p质子005.486×10-4±1e±β4.00279+24Heα质量(u)电荷（e)符号种类核辐射的基本粒子和射线性质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’，O变氧衰变Dy镝放出γ射线，能态变化，原子量、原子序数不变自然界常见的核衰变示例第11章波与射线传感器传感器原理及应用•放射性强度也是随时间按指数规律减小：0tIIeI0——初始强度；I——t时间后的强度；1Ci=3.7×1010（次核衰变）/秒11/Bq（次核衰变）秒放射性活度单位：贝可（Bq）第11章波与射线传感器放射性活度（强度）单位放射性强度单位：居里（Ci）,毫居里(mCi)传感器原理及应用•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)。核辐射的强弱用放射性强度表示11.1.2核辐射与物质间的相互作用11.1.2核辐射与物质间的相互作用☻核辐射与物质间的相互作用主要是通过电离、吸收、反射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；•γ粒子没有直接电离作用。第11章波与射线传感器传感器原理及应用αβ吸收、反射α、β、γ射线穿透物质时，由于磁场作用，原子中电子会产生共振，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：第11章波与射线传感器•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。传感器原理及应用1MeV的粒子穿透物质能力α1页β60页/本铅铅室γn4580本中子源地下1-2米深α、β、γ射线穿透物质能力α、β、γ射线分别穿透人体皮肤情况11.2射线传感器射线式仪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)和这三个量的总量，称γ能谱仪；•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。•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。第11章波与射线传感器传感器原理及应用射线源结构一般为丝状、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。X射线管激发的射线源。可以用铅进行射线屏蔽，铅有极强的抗辐射穿透能力。第11章波与射线传感器点源结构11.2.1辐射源传感器原理及应用铅罐11.2射线传感器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：放射源半衰期射线种类能量（铯）33.2年、0.6614（镅）470年、5.4827（钚）86年12-2150以上（钴）5.26年、0.31,1.17,1.33（锶）19.9年0.54,2.24（铁）2.7年5.9137SC241Am238Pu60Co90SrXX55FeMevKevMevKevKevMevMev第11章波与射线传感器传感器原理及应用11.2.1辐射源世界发生的核事故和放射事故主要国家分布国家事故（起）核事故（起）放射事故（起）美国48840前苏联19910英国66德国716法国33中国1010合计931875国内外核事故与放射事故IAEA公布的事故中发生在中国的放射事故时间地点放射源受照剂量受照人数死亡人数1963安徽60Co0.2—80Gy621966新疆核试验污染区2—3Gy21972武汉60Co0.4--5Gy201980上海60Co5（局部）11985上海电子加速器不清（局部）21985南京198Au(治疗失误)不清（内照射）211985新疆137Cs8—10Gy31986河南60Co2—3Gy21987河南60Co1Gy11992忻州60Co0.25--10Gy83合计476切尔诺贝利核电厂事故切尔诺贝利核电厂事故放射线警示标记第11章波与射线传感器传感器原理及应用核潜艇反应堆核电站航空母舰放射线来源：天然、同位素、核设施……价值24亿美金的核反应堆第11章波与射线传感器核潜艇传感器原理及应用伊朗的核反应堆我国的核反应堆核棒（核然料）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。第11章波与射线传感器正比计数器闪烁计数器多道谱仪传感器原理及应用11.2.2射线传感器（探测器）盖革管半导体探测器11.2.2射线传感器•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。第11章波与射线传感器•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。1）气体探测器（a.电离室）传感器原理及应用高压极收集极保护极0VKCGLR高压RL负载电阻外壳灵敏体积电场方向绝缘子C0VLRKG圆柱型电离室RL负载电阻•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。第11章波与射线传感器•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。传感器原理及应用1）气体探测器（a.电离室）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。第11章波与射线传感器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。传感器原理及应用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