第一讲核辐射与辐射技术

1核技术应用主讲人：杨志达核科学与技术学院2011.82课程安排•通识教育选修课，为全校学生开设；•特点是涉及范围广泛，不追求深度；•课堂教学共8次课，计16学时；•讲授完即考试，考试时间2小时，开卷；•参考资料：课堂PPT+《核能与核技术概论》（修订版）清华大学工程物理系•考试成绩60%+平时出勤40%3核技术概念核能涵盖三类技术：1）产生核爆炸所需的技术；2）使反应堆的水加热驱动汽轮机的技术；3）核技术应用4核技术是核科学的技术应用，是当代最新的尖端技术和社会现代化的标志之一。——国家自然科学基金委员会广义核技术--核武器、核动力，及同位素技术与辐射技术狭义核技术--同位素技术与辐射技术5同位素技术与辐射技术的基本内涵1).辐射技术－－即利用辐射源放出的辐射，如γ、χ射线、中子等与物质相互作用的特点，实现测量客体的分析、成像、改性等功能。主要有：辐射检测仪表；辐射和离子束加工；辐射成像技术；核分析技术等。2).同位素技术－－利用放射性同位素的物理、化学特征，尤其是放射性便于探测的特点，实现放射性核素示踪物的测量。主要有：放射性核素年代学；同位素示踪；同位素药物及标记化合物；同位素能源等。注：同位素是指质子数相同而中子数不同的核素。6核技术应用的三性：广泛性、渗透性及某些场合下的不可取代性。典型应用举例：*热（冷）轧钢板测厚仪---快速、高温、非接触测量等；*核医学--现代医学的标志；*以电子束烟气脱硫技术为代表的环保应用；7无人知道的事实美国日本中国核技术年产值（亿）35001500386核能700（20%）750（50%）86（22.3%）非核能2800（80%）750（50%）300（77.7%）据报导（2003年）美国和日本的国民经济总产值中，核技术的贡献约占3%-4%。非核能技术的应用—举足轻重的作用这说明我国核技术应用有着一个很大的市场空间和很好的发展前景8核辐射与辐射技术（一）•1.1常用的核辐射类型及特征•1.2射线与物质的相互作用9耶稣裹尸布真伪之争加速器质谱技术10包公遗骨之谜嘉佑七年五月已未（13日），方视事，疾作以归。上遣使赐良药。辛未（25日），遂以不起闻。——包拯墓志铭同步辐射x射线荧光分析技术11两个故事的共同点：1、射线产生2、射线与靶物质发生作用3、核探测分析手段12辐射类型射线:是指各种快速粒子束。•阿尔法射线：•贝塔射线：，•X射线•伽玛射线•中子•质子•…….13射线氦核——两个中子，两个质子谱线为分立谱应用举例：1、原子核的发现2、1967年“探险者V”的“散射探测器”42AAZZXY2262228886RaRn14射线•本质上是电子•分为两种：是连续谱•核电荷改变而核子数不变•应用：阴极射线管成像1AAZZXYev15X射线•X射线本质上是核外电子产生的短波电磁辐射，因而穿透能力很强。1、连续谱——轫致辐射（刹车辐射）2、壳层电子的跃迁——特征辐射3、俄歇电子1617X射线谱轫致辐射连续谱壳层电子跃迁特征谱18X特征辐射特征x射线谱是元素的“指纹”，成为元素分析的工具，包括：（1）电子x荧光分析（2）质子x荧光分析（3）离子x荧光分析（4）x荧光分析应用：包公遗骨之谜19射线•原子核从激发态向低激发态或基态越迁，同时放出射线，穿透能力极强。•产生方式与X射线的区别•例子：•应用：射线照相机等605912CoNi20中子•特点：不带电，与质子质量相当，自由中子不稳定。•产生方式：（1）同位素中子源：利用放射性同位素的射线轰击某些稳定的轻元素物质（靶物质），发生核反应放出中子。重核裂变也可以产生，锎252。（2）反应堆中子源：以铀-235等为裂变材料，以中子为媒介，维持可控的链式裂变反应的装置。优点是通量大。（3）加速器中子源：利用各类加速器加速带电粒子轰击某些靶核，以其发射中子的反应。中子强度能准确确定，不运行时放射性很小。•应用：中子散射技术，中子活化分析21核衰变•一种核素的原子核能自发的放出某种射线（粒子）而转变为另一种核素的原子核或另一种能量状态的原子核，这个过程称为核衰变。主要有：•放射性核素衰变规律是核技术应用的重要基础,,衰变衰变衰变等22核素的衰变规律•指数衰变：在dt时间内发生的衰变数目为-dN，正比于当时存在的原子核数目N，也正比于时间dt。•衰变常数：，单位时间内一个原子核的衰变几率。•半衰期：，衰变到原有核素一半的时间0N=Nte1/2ln2/TdNNdt23放射性活度及其单位•定义：放射性物质在单位时间内发生衰变的原子核数称为该物质的放射性活度。•居里：•贝克勒尔：00ttdNANNeAedt1013.710/Ci次核衰变秒1Bq1/次核衰变秒24•居里夫人贝克勒尔•1903年第三届诺贝尔物理学奖25放射性活度与质量的关系•通过测量放射性活度可计算无载体放射性核素的质量。原理如下：设放射性活度为A,无载体放射性核素样品质量为m,原子量为An,阿伏加德罗常数Na也已知。根据放射性活度A与放射性原子数N的关系得：120.693anmNNAANNT26•核仪器可以测出1Bq的放射性，其质量相当于克，这比良好的天平克，微量化学分析，光谱分析克都灵敏得多。32P16106109101010271.2射线与物质的相互作用重要性：原子核衰变和核反应所产生的各种射线通过物质时，与物质相互作用而逐步损失能量，最终被物质吸收。物质吸收了射线的能量，产生一系列物理、化学变化和生物效应。所以，射线与物质的相互作用是核辐射探测、核物理实验、辐射防护和核技术应用的基础。28主要有：（1）带电粒子与物质的相互作用（2）X、射线与物质的相互作用（3）中子与物质的相互作用29（1）带电粒子与物质的作用•根据动能动量守恒定律，分为四种：（1）与原子核的弹性碰撞（2）与核外电子的弹性碰撞（3）与原子核的非弹性碰撞（4）与核外电子的非弹性碰撞30带电粒子与物质的相互作用（一）电离和激发带电粒子与物质的相互作用主要是电离和激发。带电粒子射入物质，与它周围原子的壳层电子发生库仑作用，电子获得足够能量克服原子的束缚而成为自由电子，此时原子被分离成一个自由电子和一个正离子，此过程称为电离。如果电子获得的能量不足以克服原子束缚，它就会被激发到能量较高的状态，此过程称为激发。31带电粒子与物质的相互作用由原入射带电粒子直接与原子作用产生的电离称为直接电离或初级电离。电离过程中，带电粒子与原子碰撞打出能量比较高的电子能进一步使物质的原子电离和激发，称为次级电离。射线在物质中产生一个离子对所消耗的平均能量称为平均电离能。32带电粒子与物质的相互作用（二）散射带电粒子与原子核发生弹性碰撞，带电粒子受原子核库仑场作用，只改变其运动方向，但不辐射光子，也不激发原子核，这个过程称为弹性散射。33带电粒子与物质的相互作用（三）轫致辐射当高速运动的电子靠近原子核时，由于库仑力的作用，电子发生骤然减速，这时电子能量的一部分或全部转变为连续能量的电磁辐射发射出来，称为轫致辐射。应用：X射线探伤34带电粒子与物质的相互作用（四）契伦科夫辐射高速运动的电子通过折射率n1的透明物质时，若其速度大于光在该介质中的传播速度c/n，这时高速运动着的电子将损失能量，并沿一定方向发射出接近紫外波长范围的微弱可见光，称为契伦科夫辐射。应用：契伦科夫探测器35带电粒子与物质的相互作用（五）湮没辐射正电子与物质相互作用，其能量耗尽时和物质中的负电子相结合，正负电子的静止质量立即转化为两个运动方向相反，能量各为0.511MeV的光子而自身消失，这种现象称为湮没辐射应用：正电子成像（第三代成像技术）36重带电粒子与物质的相互作用重带电粒子通过物质时逐渐损失动能，最后俘获物质中的电子形成中性原子，即被吸收。重带电粒子能量较大时，失去动能的方式主要是与靶原子的轨道电子做非弹性碰撞产生电离和激发。能量极低时，可与靶原子核发生弹性碰撞。电离和激发是重带电粒子与物质作用的导致能量损失的主要方式。37重带电粒子与靶原子核碰撞应用•溅射：粒子束轰击样品时，如果靶原子获得能量而逃出样品表面，称这种过程为溅射。会导致固体表面原子的损失或化合物成分的改变。在表面分析、溅射镀膜技术、离子蚀刻微细加工等方面有重要应用。•离子注入：一定能量的入射离子通过与物质相互作用而损失能量，最终停止在物质中，称为离子注入。可改变注入层的化学成分和性质，广泛应用于半导体器件的生产和新材料的合成。38•背散射分析：入射粒子与靶原子核发生弹性碰撞后，发生大角度散射（背散射）,散射截面与入射粒子的能量、角度、种类及靶原子的种类有关。测量背散射时粒子的能量和数量可以对靶原子进行定性、定量分析。•辐射加工：粒子束对材料的辐射可引起物理和化学性质的变化。在新材料开发、辐射消毒、航天材料的辐射损伤研究有应用。重带电粒子与靶原子核碰撞应用39重带电粒子的射程粒子在物质中运行沿着入射方向所能达到的最大直线距离，叫做入射粒子在该物质中的射程。很显然，重带电粒子的质量大，所以轨迹基本上是直线，只是在末端稍有弯曲，所以其平均射程与它的轨迹平均值是一样的。40轻带电粒子与物质的相互作用主要是电子，由于质量轻，速度快，因而在与物质作用时，其能量损失和运动轨迹与重带电粒子不同。电离与激发是一般能量的轻带电粒子损耗动能的主要形式；轫致辐射是高能轻带电粒子损耗动能的主要形式；弹性散射是很低能的轻带电粒子损失动能的主要形式。41（2）射线与物质的相互作用射线属于电磁辐射，波长短因而能量高，所以贯穿本领强。与物质作用时通过三种效应——光电效应、康普顿效应和电子对效应产生次级电子而使原子电离或激发。与物质作用时，一次可失去全部能量（如光电效应，电子对效应）或大部分（康普顿效应），并将失去的能量转移给电子。42光电效应•光电效应低能光子被介质原子吸收而放出电子的效应。•光电子能量hv为入射光子能量，Ei为第i壳层电子的结合能•原子退激发时发射特征X射线或俄歇电子。入射光子原子光电子hv俄歇电子LK原子核eiEhE43光电效应的特点•光子能量必须大于壳层电子结合能时才能发生光电效应。•电子在原子中束缚越紧，就越容易使原子核参与相互作用，发生光电效应的概率就越大。K壳层概率最大。•光电效应过程伴随特征X射线或俄歇电子的发射。44射线与物质的相互作用康普顿效应：光子与靶物质的一个轨道电子相互作用，将部分能量传递给轨道电子使其发射出去，光子散射，波长变长。入射光子核外电子出射电子E出射光子康普顿效应45•电子对效应：光子从原子核旁经过，当光子能量超过2个电子静止质量之和即1.02MeV时，在原子核库仑场作用下，光子转化为正负电子对，正负电子能量之和等于入射光子能量。•对一定能量的入射光子电子对效应产生的正负电子的动能之和为常数，但就电子或负电子而言其动能从0－2mec2都有可能，动能分配是任意的。入射光子能量越大，正负电子的发射方向越前倾。入射光子原子核正负电子对EE+E-22eeeEEEmce+e-电子对效应46光电效应、康普顿效应是光子与核外电子的作用结果，电子对效应是光子与原子核电磁场的作用结果。三种效应相互竞争，可能同时存在。三种效应的相对重要性对低能射线和原子序数高的物质光电效应占优势；对中能射线和原子序数低的物质康普顿效应占优势；对高能射线和原子序数高的物质电子对效应占优势。47单色窄束伽玛射线的衰减设：为单色窄束光子未通过介质时的注量率（射线强度）；为介质深度为x处的注量率；dx为介质薄层厚度，为光子通过dx时的减弱量；为线性衰减系数；所以有：积分得：0IIdIdIIdx0dIIe48射线的吸收和应用吸收特点：•强度按指数规律衰减，沿入射方向透过的射线能量不变。•比带电粒子穿透本领大，因而屏蔽和防护比带电粒子困难。•与物质作用产生的次级粒子将继续与靶物质发生各种相互作用，直到能量耗尽或