第二讲核辐射与探测技术2

1回顾1、核技术的概念，分为广义和狭义。2、常用的核辐射类型，各种射线及其应用，核衰变规律，放射性活度3、射线与物质的相互作用，带电粒子（重带电粒子与轻带电粒子），射线，中子。射线与物质作用时的衰减规律。2第二讲核探测技术及应用2.1核探测器原理2.2核探测技术应用3•问题：核辐射眼睛看不见、耳朵听不着、双手摸不到，如何知道它的存在呢？•哈尔滨铱-192之谜•核探测器是核辐射的耳目！4•中国日报消息：由于担心恐怖分子利用海上进行核原料走私，美国与荷兰政府签署一项协议，自掏腰包为欧洲最大的海港鹿特丹港口安装核物质探测器。•这套价值300万美元的探测系统包括固定和手持的仪器，可以对通过港口的货物集装箱进行扫描，检查集装箱里是否装有核原料。每年大约有数千艘商船通过鹿特丹港口，很多货物都是从中东和世界其他地区经过这里转运到美国的。美国安全官员一直担心，恐怖分子会将核原料藏在集装箱偷运到美国，然后用这些核原料制造“脏弹”。“脏弹”是一种大规模破坏性武器，引爆后将放出大量有害的放射性物质，不仅会造成人员伤亡，而且会使遭到攻击的区域受到严重的放射性污染。5核探测器（粒子探测器）：能够指示、记录和测量核辐射的材料或装置。原理：辐射与核辐射探测器内的物质相互作用而产生某种信息（如电、光脉冲或材料结构的变化），经放大后被记录、分析，以确定粒子的数目、位置、能量、动量等。6•宇观——宏观——微观粒子（无穷大到无穷小）从1026m到10-18m；•物质的基本结构：由原子到夸克。夸克和轻子是物质的最基本组成；•微观粒子肉眼看不到，只能通过探测器探测到•人类对物质世界的认识不断深化，归功于实验和理论的相互促进，归功于粒子加速器和粒子探测器的不断建造和发展。使对物质世界的探索逐步走上现代实验科学的轨道。核探测技术随核物理的发展而发展7粒子源种类辐射源天外的：宇宙射线；天然的：自然界自然存在的放射性核素——铀、钋、镭、锕等；人工的：用加速器、反应堆产生的放射性核素——锝、钷、镎、钚、镅等。89•我们要知道有多少粒子，什么样的粒子，还要知道它们的物理性质，来源。为此，探测器要测量许多物理量。•计数和计数率：即粒子的通量或流强；•时间：粒子到达探测器时间或相对于某时刻时间间隔；•能量：尤其中性粒子（中子，光子，中微子等）的能量；•动量：主要是带电粒子的动量；•位置：粒子产生或衰变的位置，带电粒子在探测器内的位置和飞行的轨迹，中性粒子进入探测器的位置和飞行方向；•粒子的分辨：区别不同性质的粒子，特别需要分辨相同动量下不同质量的带电粒子；核探测器测量的基本物理量10•测量粒子与射线的基本性质，研究这些粒子之间的相互作用以及它们与宏观物质的相互作用等。•将这些粒子与射线作为微小的探针来研究微观或亚微观结构，如晶体结构，物质的表面结构，分子原子及核结构等。•因为这些粒子来源不同，有的来自地球，有的来自太阳，月亮或银河以外，它们会带有与源有密切关系的信息。通过这些粒子或射线来研究我们达不到的各种天体。•粒子与射线在工业，农业，地质，医疗，环保，航天等领域被广泛地应用，不可替代地获得对宏观物质的形态，结构，成分的测量与研究。粒子探测器用途：116位获诺贝尔奖的粒子探测器大师•C.T.R.Wilson发明云室，一种观测带电粒子径迹的方法和技术（1927年）•P.M.S.Blackett发展Wilson云室技术，在核物理与宇宙线研究中做出贡献（1948年）•C.F.Powell发明核乳胶技术，在宇宙线中发现介子（1950年）•D.A.Glaser发明气泡室（1960年）•L.W.Alvarez发展气泡室及数据处理技术，发现大量共振态（1968年）•G.Charpak发明多丝正比室并发展气体丝室技术（1992年）12丁肇中教授中国科大，中科院高能所，上硅所参加13TheAlphaMagneticSpectrometerDetector国际空间站的一个粒子物理实验（丁肇中教授领导）14粒子探测基本原理•粒子探测主要是指记录粒子数目，测定其强度，确定粒子的性质（能量、动量、飞行方向等）。•根据粒子的带电性质分类1.带电粒子：、p、e±、±、±、±等2.电磁辐射：x射线、射线3.中性粒子：n、0、0、等15（一）带电粒子探测基本原理•入射带电粒子与物质原子的轨道电子发生库仑相互作用而损失能量，轨道电子获得能量。当电子获得能量足以克服原子核的束缚，则电子就脱离原子成为自由电子。这就是电离。电离的结果形成一对正离子和自由电子。若内壳层电子被电离后，该壳层留下空穴，外层电子跃迁来填补，同时放出特征x射线或俄歇电子。•当电子获得能量较少，不足以克服原子核的束缚成为自由电子，将跃迁到较高的能级。这就是原子的激发。处于激发态的原子不稳定，作短暂停留后，将从激发态跃迁回到基态，这就是退激。退激时，释放的能量以荧光的形式发射出来。16利用电离或激发效应来记录入射粒子是绝大多数探测器的物理基础。它们的差别在于记录方式不同，大致分为：（1）收集电离电荷的探测器主要收集电离效应产生的大量正负离子，记录它们的电荷所形成的电压或电流脉冲。这类探测器必须加上适当的工作电压，形成电场以有效收集电荷。如气体探测器、半导体探测器。17（2）收集荧光的探测器被带电粒子激发的原子退激时发出荧光。由于荧光很弱，需要通过一定的转换放大，即把光脉冲转换成较大的电脉冲——光电倍增管。如闪烁计数器等。（3）利用离子集团作为径迹中心的探测器，径迹探测器。如核乳胶、云室、气泡室、火花室等。（4）收集切伦科夫辐射的探测器，切伦科夫探测器。•轫致辐射和同步辐射是附加产物，对高能电子探测器必须考虑它们的影响。18（二）射线的探测•射线与物质的相互作用主要有三个过程：•光电效应•康普顿效应•电子对效应19光电效应•光电效应：低能光子被介质原子吸收放出电子的效应。•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20•散射光子不能直接探测到•反冲电子可以被探测到入射光子核外电子出射电子E出射光子'EeE康普顿-吴有训效应21电子对效应•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-22•射线与物质原子发生光电效应的总截面1）重元素的光电效应比轻元素强得多；2）低能射线比高能射线强得多；3）当射线能量接近电子的结合能时，光电效应截面最大。23•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。三种效应相互竞争，可能同时存在。24•在三种效应中，每个光子都是在一次作用中就损失其全部能量或相当大部分能量，并发射出电子。正是这些电子使得探测射线成为可能。•光电效应和电子对效应所发射的次级电子的能量单一，因此射线探测器的物质应选用Z尽可能大的材料。入射光子原子光电子hv入射光子核外电子出射电子E出射光子入射光子原子核正负电子对EE+E-25（三）中子的探测•中子与物质相互作用主要是中子与原子核的强相互作用，即核反应。探测中子就是探测中子与原子核核反应产生的次级粒子。•中子不带电，不受库仑斥力影响，容易进入原子核发生核反应。•不同能量中子的探测原理和探测器不同。•中子能量的区分：（1）慢中子（2）中能中子（3）快中子1nEkeV1100nkeVEkeV0.110nMeVEMeV26一、核反冲法•核反冲法是记录中子与原子核弹性散射后的反冲核。在弹性散射过程中，中子运动方向改变，能量减少。这减少的能量传递给原子核，使原子核以一定的速度运动，该核称作反冲核。反冲核具有电荷，可以作为带电粒子记录。记录了反冲核，就探测到中子。•该方法主要用于探测快中子。•由能动量守恒，对En30MeV的中子，反冲核获得的动能224cos()nnnmMEEmM反冲En入射中子En’散射中子E反冲反冲核M原子核质量反冲角27若以质量数代替质量，则mn=1,M=A由此可见，反冲核越小获得的能量越大。当＝0，A＝1时，E反冲＝En，最大。•反冲质子法选用含氢物质做辐射体，此时反冲核就是质子。实际中常用石蜡、水等含氢物质作为中子慢化剂。•核反冲法探测中子时应选择轻核物质做靶材料。如氢、甲烷等气体，有机玻璃、有机晶体、塑料等固体。•核反冲可以测量快中子能量。当一定时，E反冲正比于En。实际中测量沿入射中子束方向张角为±10度的反冲质子，此时探测器接收到的质子数较多，反冲质子的能量粗略地等于入射中子能量。2224coscos(1)nnAEEEA反冲28二、核反应法•核反应法主要用于测量慢中子通量。•中子通量：单位时间通过单位面积的中子数。•原子核反应用方程式表示：a(入射粒子)+A(靶核)b(出射粒子)+B(剩余核)+Q或简写成A（a，b）B实验表明任何一个核反应，箭头两边的总电荷数Z和总质量数A必须相等；反应前后体系的总能量（静止能量和动能之和）不变，总动量不变。Q值0的反应，放热反应；Q值0的反应，吸热反应。29目前应用最多的三种核反应：都是放热反应，反应放出的能量变成次级粒子的动能。0是热中子的反应截面，都很大。•实际应用最广的是反应。因为硼材料比较容易得到，气态可选用BF3气体，固态有氧化硼、碳化硼等。天然硼中10B含量较高，易浓缩。中子与10B反应有两个过程333300.764532710(,)nHepTMeVHenpT，＝靶，636304.7809414,)nLiTMeVLinT，靶，（10710702.79238379,)nBLiMeVBnLi，＝靶，（107(,)BnLi7107772.792(6.1%)2.31(93.9%)(0.478)LiMeVnBLiMeVLiLiEMeV30三、核裂变法•核裂变法就是通过记录中子与重核作用产生的裂变碎片来探测中子的方法。•探测不同能量的中子选用不同的裂变材料对热中子和慢中子选235U(=528b)，239Pu(=743b)，233U(=531b)。裂变放出能量200MeV，两个裂变碎片带走170MeV的能量。入射中子能量远小于它，故该法不能测量中子能量，主要测中子通量。•核裂变法特点：放出反应能很大，所以本底对测量没有影响，可以在强本底下测量中子。•许多重核只有在入射中子能量大于某个阈值后才能发生裂变。利用一系列不同阈能的裂变元素来判断中子的能量，这种探测器称为阈探测器。31四、活化法•活化法是中子与原子核相互作用时，原子核吸收中子后形成一个处于激发态的复合核，复合核通过发射射线或射线回到基态。这种俘获中子，辐射射线或射线的过程称为辐射俘获，亦称活化。•用115In做激活材料，受中子照射后，新生成的核素一般都不稳定，116In就是放射性的，测量经中子辐照后材料的放射性，就可以知道中子强度。115116*116nInInIn116116InSn32总结根据射线的不同类型和能量等参数，选择不同的探测器内物质与射线相互作用，产生次级粒子，想办法记录这些粒子。33气体探测器的基本原理一、气体的电离•带电粒子通过气体时，与气体原子核外电子发生库仑作用，入射粒子损失部分能量，气体原子则电离或激发。轨道电子获得的能量足以