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核辐射测量原理王玲核工程技术学院2011-08-302A辐射可以分为如下四种类型：带电粒子辐射快电子重带电粒子非带电辐射中子X射线、γ射线3B对于我们所关注的辐射，其主要不同在于他们的“硬度”或者说穿透物质的厚度；软辐射:如α射线,x射线(低能),仅能穿透很薄的物质。微米量级；硬辐射:如γ射线,中子；几毫米~几厘米；介于两者之间的辐射:如β射线。零点几毫米；4辐射源探测器辐射源5辐射源基本概念和分类重带电粒子与物质的相互作用快电子与物质的相互作用γ射线与物质的相互作用中子与中子探测概率论基础知识，放射性测量中的统计学气体电离探测器闪烁探测器半导体探测器其它探测器及进展放射性样品的活度测量核物理实验中的符合法带电粒子和γ射线的能谱测量理论课内容安排：6周次实验内容实验一：放射性衰变涨落的统计规律实验二：物质对γ射线的吸收实验三：放射性核素的衰变规律及半衰期的测定实验四：放射性核素的γ射线仪器谱的测定实验五：γ射线通过物质后的能谱变化实验六：点状镭源刻度γ辐射仪实验七：α粒子的能量损失实验八：特征X射线谱认识实验内容安排：7教材：《原子核物理实验方法》.清华大学，复旦大学等三校合编，原子能出版社.参考书：（1）RadiationDetectionandMeasurement,GFKnoll,JohnWiley&Sons,NewYork,1989.（2）《核辐射物理及探测学》，清华大学工程物理系，2008（内部使用）。（3）《核辐射探测器与核电子学》，赖万昌.成都理工大学03年5月（内部使用）（4）《核辐射测量原理》.汤彬（内部使用）.8（1）每章一次书面作业；（2）作业、考勤及课堂表现20%；实验20%；期末考试60%；作业：9SP:downloadhere09@163.comSI:heredownload10第一章辐射源11放射源的生产和制造例如:γ放射源1）60CoT1/2=5.27年2）137CsT1/2=30.17年121.1定义和单位1.2快电子源1.3重带电粒子源1.4γ射线源和X射线源1.5中子源13定义：单位时间内某种核素的原子核发生衰变的数目，常用A来表示。A=-dN/dt=λN0e-λt=A0e-λt1.1.1放射性活度1.1定义和单位14放射性活度单位放射性活度单位早期单位：居里(Ci):1Ci=3.7×1010s-11mCi=3.7×107s-11μCi=3.7×104s-1卢瑟福(Rd):1Rd=1×106s-1现在单位：贝克勒尔(Bq):1Bq=1s-11Ci=3.7×1010Bq1Rd=1.0×106Bq15放射性强度放射性强度定义：放射源在单位时间内放出某种粒子的个数，可以用I来表示。与A的关系：活度是针对放射性核素的原子核的，而强度是针对放射出的射线的；举例：60Co源一次衰变释放2个γ光子，因此60Co源的γ射线强度是放射性活度的2倍。161.1.2能量辐射能量测量的单位常用电子伏eV,(keV,MeV).国际单位制（SI）中的能量单位是焦耳(J)1fJ(10-15J)=6.241*103eVX射线或γ光子的能量与其辐射频率有关:E=hν这里：h=普朗克常数(6.602x10-34Js或4.135x10-15eVs).v=辐射频率光量子的波长λ为：×-61.2410λ=E其中λ的单位是米（m)，E的单位是电子伏(eV)171.2快电子源1.2.1β衰变在辐射测量中常用的快电子源是放射性同位素经β-衰变得到的−→AAZZ+1XY+β+ν这里：X,Y是衰变前后的核素类型.是反中微子ν每种类型的β衰变都有固定的衰变能或Q值(β极限能).衰变过程中β粒子的能量范围可从0变化到Q值。18Table1-1Some“Pure”Beta-MinusSourcesNullideHalf-lifeEndpointenergy/MeV3H12.26y0.018614C5730y0.15632P14.28d1.71033P24.4d0.24835S87.9d0.16736Cl3.08×105y0.71445Ca165d0.25263Ni92y0.06790Sr/90Y27.7y/64h0.546/2.2799Tc2.12×105y0.292147Pm2.62y0.224204Tl3.81y0.7661914C→14N+e-+(6,14)(7,14)(-1,0)(0,0)考古测年20211.2.2内转换β-衰变源的能量连续分布----电子探测器能量刻度？-exbeE=E-EEex原子核处于激发态时的能量Eb电子在原来壳层中的结合能2223俄歇电子与内转换电子有些类似，只是激发能量来自原子而非原子核；俄歇电子能谱是与各初态和终态相对应的几组分离谱。一般情况下，俄歇电子的能量比β粒子和内转换电子的能量低；1.2.3俄歇电子241.3重带电粒子源1.3.1α衰变→AA-44ZZ-22XY+α衰变机理服从量子力学中的势垒贯穿理论，常用α源的半衰期从几天到几千年不等。25Notes:1）α粒子具有一个或几个能量组，每组能量都是单能的；2）α粒子能量范围在4~7MeV之间；3）241Am是最常用的α粒子刻度源；4）常用探测器是硅固体探测器。2627裂变过程是产生质量大于α粒子的、具有相当能量的重带电粒子的唯一天然源，因此裂变碎片广泛用于刻度和检验重粒子探测器；最广泛应用的自发裂变源是252Cf；seefig.1-4(a)(b).1.3.2自发裂变28291.4.1伴随β衰变的γ辐射受激态原子核向较低核能级跃迁时发射γ辐射1.4γ射线源和X射线源Notes：1）受激核态在放射性母核衰变过程中形成，每一种情况都有一定形式的β衰变达到子核的受激态；2）γ射线的能量是单能的；3）基于β衰变的γ射线源能量一般低于2.8MeV。30辐射监测器注入放射源31当母核经受β+衰变时还伴有另外的电磁辐射，起因在于初级衰变过程中产生的正电子的湮没。湮没辐射：正电子在接近其射程末端时，与吸收材料中的电子相结合，原来的正电子和电子消失，代之以向相反发射的0.511MeV的γ光子例:22Na衰变1.4.2湮没辐射32nCBe10*1269442+→+αC126nOC10*16813642+→+αO1681.4.3伴随核反应的γ射线如果所需要的γ射线的能量高于β放射性同位素所能达到的能量，就需要另外一些过程；例1:γ~4.44MeV例2:γ~6.130MeV331)对于在靶物质中减速并停止的单能电子，韧致辐射能谱是连续谱，光子能量一直延续到电子本身的能量。2)通过过滤，即穿过适当的吸收物质，可使由X射线管所产生的能谱形状得到改善。3)韧致辐射源可由包括β粒子在内的其它快电子源产生。1.4.4韧致辐射当快电子与物质相互作用时，其部分能量将转换成韧致辐射；34如果原子中的轨道电子的正常组态被某种激发过程打乱，该原子可能在短暂的时间内处于受激态。电子的自然趋向是重新排列，以使原子恢复到最低能态或基态，在固态物质中电子重新排列的时间不超过１ns。在从激发态到基态的跃迁中以特征X射线光子的形式释放能量，该光子的能量等于初态与终态间的能量差。1.4.5特征X射线351.5.1自发裂变1)常用的自发裂变源是252Cf;2)半衰期:2.65y;3)主要衰变机理是α衰变;1/2-E/TdN=EedE1.5中子源36在放射性衰变中容易得到的α粒子的能量可使几种靶物质产生(α,n)反应1)选用铍靶时可得到最大中子产额nCBe101269442+→+α2)239Pu/Be源是最常用的(α,n)中子源。1.5.2放射性同位素(α,n)源其Q值:5.71MeV.3738某些放射性γ发射体与适当的靶材料相结合也可用来产生中子.这种光致中子源的依据是，通过吸收一个γ光子为把材料提供足以发射自由中子的激发能。只有两种靶核,9Be和2H对放射性同位素光致中子源有实际意义。1.5.3光致中子源→981440Be+hνBe+nQ=-1.666MeV→211110H+hνH+nQ=-2.226MeV39相应的中子能量可由下式计算：[]≅1/2γγλn1/2M(E+Q)E(2mM)(m+M)(E+Q)E(θ)+cosθm+M(m+M)这里:θ–γ光子与中子方向间的夹角;Eγ–γ射线的能量(假定931MeV)M–反冲核质量×c2.m–中子质量×c2.401）光致中子源的优点：当γ射线为单能时中子也接近单能;2）缺点：要产生足够的强度必须使用非常大的γ放射性活度，本底较高；一个γ光子(105or106)→一个中子3）常用的γ发射体有：226Ra,124Sb,72Ga,140La和24Na.Notes:414243α粒子是可由放射性同位素方便地得到的唯一的低z的重带电粒子；入射粒子为质子、氘等的反应必须依靠人工加速，最常用的反应有：1.5.4加速的带电粒子引起的反应nHeHH10322121+→+3.26MeV(Q-value)nHeHH10423121+→+D—T17.6MeV(Q-value)1)1mAD(加速电压100~300keV)→109n/s(D-D),1011n/s(D-T).2)其它的中子发生器(高能):9Be(d,n),7Li(p,n),3H(p,n)Notes:D—D4445作业：简述你所感兴趣的一种辐射源。