核辐射传感器

     核辐射物理基础

• 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，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”

放射性衰减规律为：

、t=0的原子核数，t 时刻原子核数

衰减常数（不同同位素值不同）

上式可见，放射性同位素的原子核数按指数规律随时间衰减，衰减速度用半衰期表示。半衰期是指放射性同位素的原子核数衰减到一半时所需时间，一般用半衰期作同位素的寿命。

• 核辐射

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”。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 射线由中性的光子组成。

一般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。放射性强度也是随时间按指数规律减小：

I0初始强度；I时间t后的强度；

放射性强度单位：居里（Ci）,毫居里(mCi)，1Ci=3.7*1010/秒次核衰变

• 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由电离、吸收与反射；

• 电离作用

具有一定能量的带电粒子在穿透物质时会产生电离作用，在它们经过的路程上形成许多

离子对。

α粒子能量大，电离最强，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。

• 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。

α 射线穿透能力最弱；

β 射线次之，穿行时易改变方向，产生散射形成反射；

γ 射线穿透能力最强，能穿透几十厘米厚的固体物质，在气体中可穿透几百米，因此γ射线广泛用于金属探伤。

• 应用：

α 射线可实现气体分析，如气体压力、流量测量；

β 射线可进行带材厚度、密度检测；

γ 射线可探测材料缺陷、位置、密度与厚度测量。

10．3．2射线式传感器

射线式传感器通常有两种主要形式，一种是测量天然或自然的放射线，例如测量天然放射性的U、Th、K和这三个量的总量；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。后者射线式传感器主要由放射源和探测器组成。

• 辐射源

利用射线进行测量必须有辐射源发出α、β、γ射线。辐射源的种类很多，一般选用半衰期较长的同位素，强度合适的辐射源。常用同位素源有：

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12-21

（钴）5.26年、0.31,1.17,1.33

（锶）19.9年0.54,2.24

（铁）2.7年5.9

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计量，减少对人体的危害。其它方向可以用铅进行屏蔽，铅有极强的抗辐射穿透能力。射线源结构一般为丝状、圆拄壮、圆片壮。

图10—13辐射源的结构

• 探测器

探测器是辐射的接收器，常用的有电离室、闪烁计数器、盖格计数管、正比计数器、半导体探测器。

• 电离室

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时，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。若在外电路接一电阻R，就可形成响应电压，电阻R的电压降代表辐射的强度。电离室主要用于探测α、β射线。

电离室外加电压增大，电流趋于饱和，一般工作在饱和区，使输出电流与外加电压无关，输出只正比于射线到电离室的辐射强度。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。γ射线没有直接电离本领，主要靠打出二次电子电离作用，γ射线电离室必须密闭。

电离室的优点：成本低电离室、寿命长；缺点：检出电流小。

图10—14电离室结构及输出特性

• 盖格计数管

盖格计数管也称气体放电计数器。一个密封玻璃管，中间是阳极用钨丝材料制作，玻璃管内壁涂一层导电物质，或是一个金属圆管作阴极，内部抽空充惰性气体（氖、氦）、卤族气体。特点是，工作电压低。

工作原理：射线进入计数管后气体被电离，负离子由阳极吸引移向阳极时，离子又与其它气体分子碰撞后产生多哥次级电子，快到阳极时次极电子急剧倍增产生雪崩现象。雪崩引起阳极整条线上雪崩，发生放电，放电后空间电子又被中和，剩下许多正离子包围阳极，形成正离子鞘。正离子鞘和阳极间的电场因正离子的存在而减弱。此时若有电子运动到该区域，也会产生雪崩放电，这段时间不能计数，称“死时间”。正离子打到阴极时会产生（打出）电子，电子被电场加速，又引起计数管放电产生正离子鞘，这一过程循环出现。

计数管上电压U一定时，射线入射越强电流I 越大，输出脉冲数N越大，a、b段称“坪”，盖格计数管主要用于探测β粒子和γ射线。

图10—15盖格计数管工作原理示意图图10—16盖格计数管坪曲线

• 闪烁计数器

闪烁计数器有闪烁体和光电倍增管组成，当闪烁体受到辐射时闪烁体的原子受激发光，光透过闪烁体射到光电倍增管的阴极上，激发出电子在光电倍增管中倍增，在阳极上形成电流。

图10—17闪烁计数器电路原理示意图

• 正比计数器

正比计数器是一种充气型辐射探测器，工作在气体电离放电伏安特性曲线的正比区，为获得好的能量分辨率，大多数采用圆筒形、鼓形，有均匀的电场分布，可使射线入射窗作得很大。阳极丝加正高压，金属壳为阴极，面对入射窗设置一个出射窗，好让未被气体吸收的光子穿出。

正比计数器接收一个X、γ光子后就输出一个电脉冲，幅度与光子能量成正比，输出脉冲的大小正比于入射产生的电子和正离子对数目，电子和正离子对数目正比于气体吸收的放射线的能量。放射线能量越大，电离电子获得能量大，碰撞产生的离子对越多。

图10—18正比计数器内部结构图10—19正比计数器外形

• 半导体探测器

荷电粒子入射到半导体中时，会产生电子—空穴对，X射线、γ射线由于光电效应、康普顿效应、电子对生成等产生二次电子；高速二次电子产生更多电子—空穴对，将电荷转换为电信号输出。

在P-N结空间电荷区加足够高的偏压，因射线而电离的载流子加速产生的电子—空穴使载流子不断倍增，在输出形成一个放大了的脉冲信号。

半导体探测器的特点：输出信号小，分辨率高。类型主要有，Si（硅）、Ge（锗）探测器，分别测量不同能量段的放射线。

10．3．3核辐射传感器的应用

• 测厚
  
• 透射式测厚

透射式测厚常用电离室做探测器，γ射线穿透能力较强，输出电流与辐射强度成正比。在辐射穿过物质时，物体吸收作用损失部分能量，能

量的强度按指数规律变化：图10—20透射式测厚结构原理

式中：

I0入射强度

I穿过h厚度后强度

μ 吸收系数

吸收系数μP =μ/ρ与化学成份无关，

所以：

质量厚度：

根据质量厚度X可得出测量厚度h，测量之前用标准厚度进行标定，由工作曲线求出待测厚度。

• 散射测厚

散射测厚时β放射源与探测器在同一恻，利用核辐射被物体后向散射的效应。散射强度与被测距离、物质成份、密度、厚度表面状态等因素有关：

K 是与射线能量有关的常数。

这种方式可用于测薄板厚度、镀层厚度。图10—21散射式测厚结构原理

• 物位测量

利用介质对γ射线的吸收作用，不同介质对γ射线的吸收能力不同，固体吸收能力最强，液体居中，气体最弱。

辐射源与被测介质一定，被测介质高度H与穿过被测介质的射线强度I成正比关系。图10—21透射式测厚结构原理

I0入射强度

其中：I0、I分别为入射前和穿透的强度；

μ为被测体吸收系数。

• 流量计（气体）

在气流管中装两个电极（电极电位不同），放射源S的射线使气体电离，工作状态相当于一个电离室。当被测气体被电离时，离子被带出电离室，室内电流减小，气体流速增加带出的离子增多，电离室电流进一步减小，由电流的变化检测气流流速和流量。图10—22流量原理

• 探伤

探测器与放射源放在管道内，沿焊接缝同步移动，当焊缝存在问题时，穿透管道的γ射线会产生突变，正常时输出曲线趋于直线。

图10—23放射性探伤原理

• X射线荧光分析仪

X射线荧光基于光电效应，分为两种：波长色散（有专用的X光管产生X射线，关闭电源时辐射消失）、能量色散分析仪（由同位素源产生γ射线，其它物质上的次级辐射称荧光射线）。X荧光射线的能量谱和强度与物质的成份、厚度、密度有关。

X射线荧光分析是一种仪器分析方法，与化学分析相比其特点是：速度快、成本低、人为因素小、无须取样的非破坏性（无损）检测，可在现场直接进行多元素分析，对在线、载流过程分析和自动控制提供了可以实时检测的手段。

在地质普查、找矿；矿山选矿，品位监测（原、精、尾矿）；井下现场的巷壁快速测定，计算产量；各种镀层、涂层、磁带、纸张厚度均匀性检测；各种钢材的无损检测；钢铁厂的钢水炉前分析；水泥厂的钙、铁分析等等。

X射线荧光分析仪器探测器，接收到从样品中被激发出来的X荧光射线，以光子的形式被探测器接收。探测器将光信号转换为电脉冲，脉冲幅度与元素的特征X射线能量成正比，不同元素脉冲幅度不同，能量E大脉冲幅度越高，通过幅度分析器检测出不同元素，实现元素的定性分析。而脉冲的多少与样品的含量成正比，含量越高脉冲计数越多，通过每秒的计数率检测样品的含量，实现元素的定量分析。

图10—24 X射线荧光分析仪原理框图