传感器原理及工程应用ppt第12章课件.ppt

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1、第12章 辐射式传感器 第12章 辐射式传感器 12.1 红外传感器红外传感器12.2 核辐射传感器核辐射传感器 第12章 辐射式传感器 12.1 红红 外外 传传 感感 器器 12.1.112.1.1红外辐射及红外辐射源红外辐射及红外辐射源1.红外辐射红外辐射 红外辐射俗称红外线，它是一种不可见光，由于是位于可见光中红色光以外的光线，故称红外线。它的波长范围大致在0.761000 m，红外线在电磁波谱中的位置如图12-1 所示。工程上又把红外线所占据的波段分为四部分，即近红外、中红外、远红外和极远红外。第12章 辐射式传感器 图12 1 电磁波谱图 第12章 辐射式传感器 红外辐射的物理本质

2、是热辐射，一个炽热物体向外辐射的能量大部分是通过红外线辐射出来的。物体的温度越高，辐射出来的红外线越多，辐射的能量就越强。红外光的本质与可见光或电磁波性质一样，具有反射、折射、散射、干涉、吸收等特性，它在真空中也以光速传播，并具有明显的波粒二相性。红外辐射和所有电磁波一样，是以波的形式在空间直线传播的。大气是红外辐射的主要传播介质，当红外线在大气中传播时，大气层对不同波长的红外线存在不同的吸收带，红外线气体分析器就是利用该特性工作的，空气中对称的双原子气体，如N2、O2、H2等不吸收红外线。而红外线在通过大气层时，有三个波段透过率高，它们是22.6m、35m和814m，统称它们为“大气窗口”。

3、这三个波段对红外探测技术特别重要，因此红外探测器一般都工作在这三个波段（大气窗口）之内。第12章 辐射式传感器 2.2.红外辐射源红外辐射源发射红外电磁波的物体和器件，皆称红外辐射源。它通常分为以下几类：标准辐射源，包括绝对黑体模型、能斯脱灯和硅碳棒等，常用于实验室中红外仪器和系统标定；工业用辐射源，包括碳弧灯、钨灯、电发光辐射器、电加热的杆状和面状辐射器、气体加热辐射器等；自然红外源，包括太阳、月球、行星、大气和云层等；发光二极管和半导体激光器、固体和气体激光器等；红外装置或系统需要探测的辐射源，包括飞机发动机、机壳或尾喷管的辐射、弹道火箭、航天飞机、人造地球卫星、机动车辆和人体等。第12章

4、 辐射式传感器 12.1.212.1.2红外探测器红外探测器红外传感器一般由光学系统、探测器、信号调理电路及显示等组成。红外探测器是红外传感器的核心。红外探测器是利用红外辐射与物质相互作用所呈现的物理效应来探测红外辐射的。红外探测器的种类很多，按探测机理的物理效应可分为两大类：一类是器件的某些性能参数随入射的辐射通量作用引起的温度变化的热探测器；另一类是利用各种光子效应的光子探测器，即入射到探测器上的红外辐射能以光子的形式与光电探测器材料的束缚电子相互作用，从而释放出自由电子和自由空穴参与导电的器件。第12章 辐射式传感器 1.1.热探测器热探测器热探测器是基于光辐射与物质相互作用的热效应制成

5、的器件。热探测器探测光辐射包括两个过程，一是吸收光辐射能量后，探测器的温度升高；二是把温度升高所引起的物理特性的变化转化成相应的电信号。热探测器的主要优点是响应波段宽，响应范围可扩展到整个红外区域，可以在常温下工作，使用方便，应用相当广泛。按热电转换原理的不同，热探测器器件主要有四类：热释电型、热敏电阻型、热电阻型和气体型探测器。而热释电探测器在热探测器中探测率最高，频率响应最宽，所以这种探测器倍受重视，发展很快，这里我们主要介绍热释电探测器。第12章 辐射式传感器 热释电型红外探测器是根据热释电效应制成的，即电石、水晶、酒石酸钾钠、钛酸钡等晶体受热产生温度变化时，其原子排列将发生变化，晶体自

6、然极化，在其两表面产生电荷的现象称为热释电效应。用此效应制成的“铁电体”，其极化强度（单位面积上的电荷）与温度有关。当红外辐射照射到已经极化的铁电体薄片表面上时引起薄片温度升高，使其极化强度降低，表面电荷减少，这相当于释放一部分电荷，所以叫做热释电型传感器。如果将负载电阻与铁电体薄片相连，则负载电阻上便产生一个电信号输出。输出信号的强弱取决于薄片温度变化的快慢，从而反映出入射的红外辐射的强弱，热释电型红外传感器的电压响应率正比于入射光辐射率变化的速率。第12章 辐射式传感器 2.2.光子探测器光子探测器光子探测器是利用光辐射与物质相互作用的光子效应制成的器件。光子探测器利用入射光辐射的光子流与

7、探测器材料中的电子的互相作用，改变电子的能量状态，从而引起各种电学现象。根据所产生的不同电学现象，可制成各种不同的光子探测器。光子探测器有内光电和外光电探测器两种，后者又分为光电导、光生伏特和光磁电探测器等三种。光子探测器的主要特点是灵敏度高，响应速度快，具有较高的响应频率，但探测波段较窄，一般需在低温下工作。第12章 辐射式传感器 12.1.312.1.3红外传感器的应用红外传感器的应用1.1.红外感应系统红外感应系统前面已阐述，红外辐射的物理本质是热辐射，温度低的物体辐射的红外线波长长，温度高的物体辐射的红外线波长短。在一般常温下，所有物体都是红外辐射的发射源，如火焰、汽车、动植物、人体等

8、都是红外辐射源，但发射的红外波长不同。红外感应实际就是根据物体因表面温度不同会发出不同波段的红外光这一特性进行检测的。第12章 辐射式传感器 在红外感应系统中采用热释电红外传感器。图122为热释电红外传感器的结构图，此传感器采用金属外壳封装，顶部开有窗口，窗口处的滤光片用于滤去无用的红外线，让有用的红外线进入窗口。由于敏感元件的输出阻抗极高，而且输出电压极其微弱，因此在传感器内部装有场效应管及偏置厚膜电阻(RG、RS)，构成信号放大及阻抗变换电路，其内部电路如图123所示。第12章 辐射式传感器 图122热释电红外传感器结构图 第12章 辐射式传感器 图123传感器内部电路 第12章 辐射式传

9、感器 热释电红外传感器多用于检测物体发射的红外线，其检测区呈球形，视角为70左右。热释电红外传感器自身的接收灵敏度较低，一般检测距离仅2m左右，但热释电红外传感器表面罩一块菲涅尔透镜后，可以提高传感器的灵敏度，扩大监视范围，检测距离可以由原来的2m增加到10m。图124为菲涅尔透镜检测示意图。在防盗报警系统中所采用的热释电传感器为双元型红外传感器，双元型红外传感器由两个极性相反的热释电元件反向串联。当移动物体发射的红外线进入透镜的监视范围时，就会产生一个交替的“盲区”和“高敏感区”，使传感器的两个反向串联的热释电元件轮流感受到运动物体，而物体的红外辐射以光脉冲的形式不断改变热释电元件的温度，使

10、它输出一串脉冲信号。若物体静止不动地站在热释电元件前，极性相反的敏感元件产生的热释电信号将相互抵消，它会无输出，这样也可以有效地防止因太阳光等红外线及环境温度变化而引起的误差，提高热释电红外传感器的抗干扰性能。第12章 辐射式传感器 图124菲涅尔透镜检测示意图 第12章 辐射式传感器 2.2.红外测温仪红外测温仪红外测温仪是利用热辐射体在红外波段的辐射通量来测量温度的。当物体的温度低于1000时，它向外辐射的不再是可见光而是红外光了，可用红外探测器检测其温度。如采用分离出所需波段的滤光片，可使红外测温仪工作在任意红外波段。图125是目前常见的红外测温仪方框图。它是一个包括光、机、电一体化的红

11、外测温系统，图中的光学系统是一个固定焦距的透射系统，滤光片一般采用只允许814m的红外辐射能通过的材料。步进电机带动调制盘转动，将被测的红外辐射调制成交变的红外辐射线。红外探测器一般为（钽酸锂）热释电探测器，透镜的焦点落在其光敏面上。被测目标的红外辐射通过透镜聚焦在红外探测器上，红外探测器将红外辐射变换为电信号输出。第12章 辐射式传感器 图125红外测温仪方框图 第12章 辐射式传感器 红外测温仪的电路比较复杂，包括前置放大、选频放大、温度补偿、线性化、发射率（）调节等。目前已有一种带单片机的智能红外测温器，利用单片机与软件的功能，大大简化了硬件电路，提高了仪表的稳定性、可靠性和准确性。红外

12、测温仪的光学系统可以是透射式，也可以是反射式。反射式光学系统多采用凹面玻璃反射镜，并在镜的表面镀金、铝、镍或铬等对红外辐射反射率很高的金属材料。第12章 辐射式传感器 红外测温仪的电路比较复杂，包括前置放大、选频放大、温度补偿、线性化、发射率（）调节等。目前已有一种带单片机的智能红外测温器，利用单片机与软件的功能，大大简化了硬件电路，提高了仪表的稳定性、可靠性和准确性。红外测温仪的光学系统可以是透射式，也可以是反射式。反射式光学系统多采用凹面玻璃反射镜，并在镜的表面镀金、铝、镍或铬等对红外辐射反射率很高的金属材料。第12章 辐射式传感器 3.3.红外线气体分析仪红外线气体分析仪红外线气体分析仪

13、是根据气体对红外线具有选择性吸收的特性来对气体成分进行分析的。不同气体其吸收波段（吸收带）不同，图126给出了几种气体对红外线的透射光谱，从图中可以看出，CO气体对波长为4.65m附近的红外线具有很强的吸收能力，CO2气体则发生在2.78m和4.26m附近以及波长大于13m的范围对红外线有较强的吸收能力。如分析CO气体，则可以利用4.26m附近的吸收波段进行分析。第12章 辐射式传感器 图126几种气体对红外线的透射光谱 第12章 辐射式传感器 图127是工业用红外线气体分析仪的结构原理图。该分析仪由红外线辐射光源、气室、红外探测器及电路等部分组成。图127红外线气体分析仪结构原理图 第12章

14、 辐射式传感器 光源由镍铬丝通电加热发出310m的红外线，切光片将连续的红外线调制成脉冲状的红外线，以便于红外线检测器信号的检测。测量气室中通入被分析气体，参比气室中封入不吸收红外线的气体（如N2等）。红外探测器是薄膜电容型，它有两个吸收气室，充以被测气体，当它吸收了红外辐射能量后，气体温度升高，导致室内压力增大。测量时（如分析CO气体的含量），两束红外线经反射、切光后射入测量气室和参比气室，由于测量气室中含有一定量的CO气体，该气体对4.65m的红外线有较强的吸收能力，而参比气室中气体不吸收红外线，这样射入红外探测器的两个吸收气室的红外线光造成能量差异，使两吸收室压力不同，测量边的压力小，于

15、是薄膜偏向定片方向，改变了薄膜电容两电极间的距离，也就改变了电容C。如被测气体的浓度愈大，两束光强的差值也愈大，则电容的变化量也愈大，因此电容变化量反映了被分析气体中被测气体的浓度。第12章 辐射式传感器 图127所示结构中还设置了滤波气室，其目的是为了消除干扰气体对测量结果的影响。所谓干扰气体，是指与被测气体吸收红外线波段有部分重叠的气体，如CO气体和CO2在45m波段内红外吸收光谱有部分重叠，则CO2的存在对分析CO气体带来影响，这种影响称为干扰。为此在测量边和参比边各设置了一个封有干扰气体的滤波气室，它能将与CO2气体对应的红外线吸收波段的能量全部吸收，因此左右两边吸收气室的红外能量之差

16、只与被测气体（如CO）的浓度有关。第12章 辐射式传感器 12.2 核辐射传感器核辐射传感器 12.2.1 核辐射及其性质核辐射及其性质 众所周知，各种物质都是由一些最基本的物质所组成。人们称这些最基本的物质为元素。组成每种元素的最基本单元就是原子，每种元素的原子都不是只存在一种。具有相同的核电荷数Z而有不同的质子数A的原子所构成的元素称同位素。假设某种同位素的原子核在没有外力作用下，自动发生衰变，衰变中释放出射线、射线、射线、X射线等，这种现象称为核辐射。而放出射线的同位素称为放射性同位素，又称放射源。第12章 辐射式传感器 实验表明，放射源的强度是随着时间按指数定理而减低的，即(12-1)

17、式中：J0开始时的放射源强度；J经过时间为t以后的放射源强度；放射性衰变常数。第12章 辐射式传感器 放射性同位素种类很多，由于核辐射检测仪表对采用的放射性同位素要求它的半衰期比较长(半衰期是指放射性同位素的原子核数衰变到一半所需要的时间，这个时间又称为放射性同位素的寿命)，且对放射出来的射线能量也有一定要求，因此常用的放射性同位素只有20种左右，例如Sr90（锶）、Co60（钴）、Cs137（铯）、Am241（镅）等。第12章 辐射式传感器 1.射线射线 放射性同位素原子核中可以发射出粒子。粒子的质量为4.002 775u(原子质量单位)，它带有正电荷，实际上即为氦原子核，这种粒子流通常称作

18、射线。放射出粒子后同位素的原子序数将减少两个单位而变为另一个元素。一般粒子具有40100MeV的能量，平均寿命为几微秒到1010年。它从核内射出的速度为20km/s，粒子的射程长度在空气中为几厘米到十几厘米。第12章 辐射式传感器 射线通过气体时，使其分子或原子的轨道电子产生加速运动，如果此轨道电子获得足够大的能量，就能脱离原子成为自由电子，从而产生一对由自由电子和正离子组成的离子对，这种现象称为电离。如在相互作用中，轨道电子获得的能量还不足以使它脱离原子成为自由电子，仅使电子从低能级跃迁至较高能级，则称这种相互作用为激发。离子在穿经物质时，由于激发和电离，损失其动能，最后停滞在物体之中，与其

19、中两个电子结合，成为中性的氦原子。一般说来，其电离效应较激发效应显著。第12章 辐射式传感器 离子在物质中运动时会改变运动方向，这种现象称为散射。由于散射效应，按原来方向进行的粒子的数目将减少，但远小于电离和激发效应引起的粒子的数目的减少。在检测技术中，射线的电离效应、透射效应和散射效应都有应用，但以电离效应为主，用粒子来使气体电离比其它辐射强得多。第12章 辐射式传感器 2.射线射线 粒子的质量为0.000 549 u，带有一个单位的电荷。它所带的能量为100 keV几兆电子伏特。粒子的运动速度均较粒子的运动速度高很多，在气体中的射程可达20m。和粒子一样，粒子在穿经物质时，会使组成物质的分

20、子或原子发生电离，但与射线相比射线的电离作用较小。由于粒子的质量比粒子小很多，因此更易被散射。粒子在穿经物质时，由于电离、激发、散射和激发次级辐射等作用，使粒子的强度逐渐衰减，衰减情况大致服从如下的指数规律：J=J0e-h(12-2)第12章 辐射式传感器 式中：J0和J粒子穿经厚度为h、密度为的吸收体前后的强度；线性吸收系数。射线与射线相比，透射能力大，电离作用小。在检测中主要是根据辐射吸收来测量材料的厚度、密度或重量，根据辐射的反射来测量覆盖层的厚度，利用粒子很大的电离能力来测量气体流的。第12章 辐射式传感器 3.射线射线 原子核从不稳定的高能激发态跃迁到稳定的基态或较稳定的低能态，并且

21、不改变其组成过程称为衰变（或称跃迁）。发生跃迁时所放射出的射线称射线或光子。对于放射性同位素核衰变时放射的射线，或者内层轨道电子跃迁时发射的X射线，它们和物质作用的主要形式为光电效应。当一个光子和原子相碰撞时，将其能量全部交给某一轨道电子，使它脱离原子，光子则被吸收，这种现象称为光电效应。光电效应也伴随有次级辐射产生。当射线通过物质时，由于发生光电等效应的结果，它的强度将减弱，它也遵循如式(12-2)所示的指数衰减规律。第12章 辐射式传感器 与射线相比，射线的吸收系数小，它透过物质的能力最大，在气体中的射程为几百米，并且能穿透几十厘米的固体物质，其电离作用最小。在测量仪表中，根据辐射穿透力强

22、这一特性来制作探伤仪、金属厚度计和物位计等。第12章 辐射式传感器 12.2.2 核辐射探测器核辐射探测器 核辐射探测器又称核辐射接收器，它是核辐射传感器的重要组成部分。核辐射探测器的作用是将核辐射信号转换成电信号，从而探测出射线的强弱和变化。由于射线的强弱和变化与测量参数有关，因此它可以探测出被测参数的大小及变化。这种探测器的工作原理或者是根据在核辐射作用下某些物质的发光效应，或者是根据当核辐射穿过它们时发生的气体电离效应。当前常用的核辐射探测器有：电离室、正比计数管、盖革弥勒计数管、闪烁计数器和半导体探测器等。第12章 辐射式传感器 1.电离室电离室 电离室是利用射线对气体的电离作用而设计

23、的一种辐射探测器，它的重要部分是两个电极和充满在两个电极间的气体。气体可以是空气或某些惰性气体。电离室的形状有圆柱体和方盒状。第12章 辐射式传感器 如图12-8所示，在电离室两侧放置相互绝缘的板电极，电极间加上适当电压，放射线进入电极间的气体中，在核辐射的作用下，电离室中的气体介质即被电离，离子沿着电场的作用线移动，这时在电离室的电路中产生电离电流。核辐射强度越大,在电离室产生的离子对越多，产生的电流亦越大。电流I与两个电极间所加的电压U的关系曲线如图12-9所示（曲线1、2和3分别代表不同的辐射强度下的特性曲线）。图中线段OU1称为线性段，在这一线段上，当电压不大时，电离室中的离子的移动速

24、度亦不大，有部分离子在移动时就重新复合，而只有余下的部分离子能够到达电极上。电极上电压愈高，离子移动速度越快，离子复合就愈为减少，电流就会增加。线段U1U2称为饱和段，在这段上的工作电压很大，所以实际上全部生成的离子都能到达电极上。此时电流将与所加电压无关。一般电离室工作在特性曲线的饱和段，其输出电流正比于射到电离室上的核辐射强度。第12章 辐射式传感器 图12 8 电离室的结构示意图 第12章 辐射式传感器 图12 9 电离室的特性曲线 第12章 辐射式传感器 图12 10 差分电离室 第12章 辐射式传感器 电离室内所充气体的压力、极板的大小和两极间的距离对电离电流都有较大的影响，例如增大

25、气体压力或增大电极面积都会使电离电流增大，电离室的特性曲线也将向增大电离电流的方向移动。在核辐射检测仪表中，有时用一个电离室，有时用两个电离室。为了使两个电离室的特性一样，以减少测量误差，通常设计成差分电离室，如图12-10所示。在高电阻上流过的电流为两个电离室收集的电流之差，这样可以避免高电阻、放大器、环境温度等变化而引起的测量误差。第12章 辐射式传感器 电离室主要用来探测、粒子。在同样条件下，进入电离室的粒子比粒子所产生的电流大100多倍。利用电离室测量、粒子时，其效率可以接近100%，而测量射线时，则效率很低。这是因为射线没有直接电离的本领，它是靠从电离室的壁上打出二次电子，而二次电子

26、起电离作用，因此,射线的电离室必须密闭。一般电离室的效率只有1%2%。第12章 辐射式传感器 图12 11 正比计数管的结构模型 第12章 辐射式传感器 2.正比计数管正比计数管 正比计数管的结构如图12-11所示。它是由圆筒形的阴极和作为阳极的中央芯线组成的，内封有稀有气体、氮气、二氧化碳、氢气、甲烷、丙烷等气体。当放射线射入使气体产生电离时，由于在芯线近旁电场密度高，电子碰撞被加速，在气体中获得足够的能量，碰撞其它气体分子和原子而产生新的离子对；此过程反复进行而被放大，人们将此过程称为气体放大。放大作用仅限于芯线近旁，所以可得到与放射线的入射区域无关的一定的放大倍数。由于放大而产生的阳离子

27、迅速离开气体放大区域而产生输出脉冲。输出脉冲的大小正比于因放射线入射而产生电子、正离子对的数目，而电子、正离子对数正比于气体吸收的放射线的能量。因此，正比计数管可以探测入射放射线的能量。第12章 辐射式传感器 正比计数管大多数是圆柱形或者球形、半球形。其阳极很细，阴极直径较大，这主要是为了在外加电压较小的情况下，使阳极附近仍能有很强的电场，以便有足够大的气体放大倍数。正比计数管可以在很宽的能量范围内测定入射粒子的能量，能量分辨率相当高，分辨时间很短，并且可作快速计数。第12章 辐射式传感器 图12 12 盖革-弥勒计数管 第12章 辐射式传感器 3.盖革盖革-弥勒计数管弥勒计数管 盖革-弥勒计

28、数管也是根据射线对气体的电离作用而设计的辐射探测器。它与电离室不同的地方主要在于工作在气体放电区域，具有放大作用。其结构如图12-12所示。计数管以金属圆筒为阴极，以筒中心的一根钨丝或钼丝为阳极，筒和丝之间用绝缘体隔开。计数管内充有氩、氦等气体。为了便于密封，计数管常用玻璃作外壳，而阴极用金属或石墨涂覆于玻璃表面内部或在外壳内用金属筒作阴极。第12章 辐射式传感器 在盖革-弥勒计数管中，阴极和阳极间施加比计数管高的电压。X射线、射线、射线入射使产生比正比计数管激烈的气体放大，原离子所在区域沿中央丝极传播到整个计数管内。由于电子漂移速度很快，很快地被收集，于是在中央丝极周围形成一层正离子，称为正

29、离子鞘。正离子鞘的形成使阳极附近的电场变弱，直到不再能产生离子的增殖，此时原始电离的放大过程就停止了。放大过程停止后，在电场作用下，正离子鞘向阴极移动，给出一个与正离子鞘的总电荷有关，而与原始电离无关的脉冲输出。在第一次放大过程停止以及电压脉冲出现后，计数管并不回到原始的状态。第12章 辐射式传感器 由于正离子鞘到达阴极时得到一定的动能，所以正离子也能从阴极中打出次级电子。同时由于正离子鞘到达了阴极，中央阳极电场已恢复，因此这些次级电子又能引起新的离子增殖，像原先一样再产生离子鞘，再产生电压脉冲，造成所谓连续放电现象。为了克服这个问题，必须采取特殊的方法使放电猝灭。猝灭放电的方法有两种：一种是

30、采用猝灭电路，用来降低中央丝极的电压，使其降低到发生碰撞电离所需电压以下；另一种方法是在计数管中放入少量猝灭性气体。这种自猝灭型计数管又可分为两种：一种是充惰性气体和少量酒精、乙醚或石油醚的蒸气，称为有机管；另一种是管内充惰性气体和卤素气体，称为卤素管。第12章 辐射式传感器 图12 13 盖革-弥勒计数管特性曲线 第12章 辐射式传感器 盖革-弥勒计数管由于有气体放大作用，所产生的电流比电离室的离子流大好几千倍，因此它不需要高电阻，其负载电阻一般不超过1，输出的脉冲一般为几伏到几十伏。图12-13为计数管的特性曲线，在一定的核辐射照射下，当增加二极间的电压时，在一定范围内只能增加脉冲的幅度U

31、，而计数率N只有微弱的增加。图中ab段对应的曲线称为计数管的坪。J1、J2代表入射的核辐射强度，且J1J2。由图可知，在外电压U相同的情况下，入射的核辐射强度越强，盖革-弥勒计数管内产生的脉冲数N越多。计数管所加电压由所加气体决定，卤素计数管为280400 V，有机计数管为8001000 V。第12章 辐射式传感器 4.闪烁计数器闪烁计数器 物质受放射线的作用而被激发，在由激发态跃迁到基态的过程中，发射出脉冲状的光的现象称为闪烁现象。能产生这样发光现象的物质称为闪烁体。闪烁计数器先将辐射能变为光能，然后再将光能变为电能而进行探测，它由闪烁体和光电倍增管两部分组成，如图12-14所示。第12章

32、辐射式传感器 图12 14 闪烁计数器 第12章 辐射式传感器 闪烁晶体的种类很多，按化学组成成分可分为有机和无机两大类，按物质形态分则可分为固态、液态和塑料等类型。通常使用固态闪烁体，其中有银激活的硫化锌ZnS(Ag)、铊激活的碘化钠NaI(T1)、铊激活的碘化铯CsI(T1)、金激活的碘化锂LiI(Au)等。有机闪烁体中应用最广的有蒽、芪、三联苯和萘等。通常使用的物质列于表12-1。第12章 辐射式传感器 表表12 1 主要的闪烁晶体及检测对象主要的闪烁晶体及检测对象 第12章 辐射式传感器 光电倍增管的作用为接受闪烁体发射的光子将其变为电子并将这些电子倍增放大为可测量的脉冲。光电倍增管可

33、以分为电场聚焦型和无聚焦型两类。在每一类中，按照次阴极的几何形状及排列方式的不同又分为几种。放射性同位素检测仪表中常用的GDB-19和GDB-10分别为直线聚焦型和百叶窗式无聚焦型。光电倍增管的基本特性有光特性、阳极的电流电压特性、光阴极的光谱响应等。入射到光阴极上的光通量F与阳极电流ia之间的关系称为此光电倍增管的光特性，一般光电倍增管的ia与光通量F成正比。在一定的光通量F中，光电倍增管的阳极电流与工作电压的关系是电流随工作电压的增加而急剧上升，上升到某一值后达到饱和。光谱响应是指光阴极发射光电子的效率随入射光波长而变化的关系。在组合闪烁计数器时，光电倍增管的光谱灵敏度范围必须和闪烁晶体发

34、出的光谱相配合。第12章 辐射式传感器 闪烁计数器负载电阻上产生脉冲，其幅度一般为零点几伏到几伏，较盖革-弥勒计数管的输出脉冲的幅度为小。闪烁计数器的输出脉冲与入射粒子的能量成正比，它探测射线的效率在20%30%以上，比盖革-弥勒计数管和离子室高很多；它探测、射线的效率接近100%。由于闪烁体中一次闪烁的持续时间很短,故最大计数率一般为106108数量级。若输出采用电流法，则记录的辐射强度不受限制。第12章 辐射式传感器 5.半导体探测器半导体探测器 半导体探测器是近年来迅速发展起来的一种射线探测器。我们知道荷电粒子一入射到固体中就与固体中的电子产生相互作用并失去能量而停止。入射到半导体中的荷

35、电粒子在此过程产生电子和空穴对。而X射线或射线由于光电效应、康普顿散射、电子对生成等而产生二次电子，此高速的二次电子经过与荷电粒子的情况相同的过程而产生电子和空穴。若取出这些生成的电荷，可以将放射线变为电信号。就半导体而言，主要使用的是Si和Ge，对GaAs、CdTe等材料也进行了研究。目前,开发的半导体传感器有PN结型传感器、表面势垒型传感器、锂漂移型传感器、非晶硅传感器等。第12章 辐射式传感器 12.2.3 核辐射传感器的应用核辐射传感器的应用 1.核辐射厚度计核辐射厚度计 透射式厚度计如图12-15所示，它是利用射线穿透物质的能力来制成的检测仪表。它的特点是放射源和核辐射探测器分别置于

36、被测物体的两侧，射线穿过被测物体后射入核辐射探测器。由于物质的吸收，使得射入核辐射探测器的射线强度降低，降低的程度和物体的厚度等参数有关。如前所述，射到探测器的透射射线强度J和物体厚度t的关系为 J=J0e-t(12-3)第12章 辐射式传感器 或(12-4)式中：被测材料的密度；被测材料对所用射线的质量吸收系数；J0没有被测物体时射到探测器处的射线强度。第12章 辐射式传感器 图12 15 透射式厚度计 第12章 辐射式传感器 图12 16 零位法透射式厚度计 第12章 辐射式传感器 对于一定的放射源和一定的材料就有一定的和，则测出J和J0即可计算确定该材料的厚度t。放射源一般用、或射线。图

37、12-16所示为零位法的透射式厚度计。放射源的射线穿过被测物体射入测量电离室1，射线也穿过补偿楔射入补偿电离室2。这两个电离室接成差式电路，流过电阻上的电流为两个电离室的输出电流之差。该电流差在电阻上产生的电压降，使振荡器振荡，变为交流输出，在经放大后加在平衡电动机上，使电动机正转或反转，带动补偿楔移动，直到两个电离室接受的射线强度相等，使电阻上电压降等于零为止；根据补偿楔的移动量可测知厚度。第12章 辐射式传感器 还可以用散射法测量厚度。散射法是指利用核辐射被物体后向散射的效应制成的检测仪器。这种仪器的特点是放射源和核辐射探测器可置于被测物质的同一侧，射入的被测物质中的射线，由于和被测物质的

38、相互作用，而使得其中的一部分射线反向折回，并进入位于与放射源同侧的核辐射探测器而被测量。射到核辐射探测器处的后向散射射线强度与放射源至被测物质的距离，以及与被测物质的成分、密度、厚度和表面状态等因素有关，因此改变其中一个参数而保持其它参数不变，则测得的射线强度将仅随该参数而变化。利用这种方法可测量薄板的厚度、覆盖层厚度、材料的成分、密度等参数。这种方法的优点为非接触测量，且不损坏被测物质。第12章 辐射式传感器 后向散射测量厚度的示意图如图12-17所示。射线强度与散射体厚度之间的关系式为 J散=J饱和（1-e-kt）(12-5)式中：t和散射体的厚度和密度；J散和J饱和厚度为t和厚度为“无限

39、大”时的后向散射射线强度；k与射线能量有关的系数。第12章 辐射式传感器 图12 17 散射式厚度测量 第12章 辐射式传感器 2.辐射式物位计辐射式物位计 可以应用射线检测物位。测量物位的方法有很多，图12-18给出了其中一些典型的应用实例。图12-18(a)是定点测量的方法。将射线源I0与探测器安装在同一平面上，由于气体对射线的吸收能力远比液体或固体弱，因而当物位超过和低于此平面时，探测器接收到的射线强度发生急剧变化。可见，这种方法不能进行物位的连续测量。第12章 辐射式传感器 图12-18(b)是将射线源和探测器分别安装在容器的下部和上部，射线穿过容器中的被测介质和介质上方的气体后到达探

40、测器。显然，探测器接收到的射线强弱与物位的高度有关。这种方法可对物位进行连续测量，但是测量范围比较窄(一般为300500 mm)，测量准确度较低。为了克服图12-18(b)存在的上述缺点，可采用线状的射线源，如图12-18(c)；或采用线状的探测器，如图12-18(d)。虽然对射线源或探测器的要求提高了，但这两种方法既可以适应宽量程的需要，又可以改善线性特性。第12章 辐射式传感器 图 12 18 辐射式物位计的测量原理框图 第12章 辐射式传感器 3.X荧光材料成分分析仪荧光材料成分分析仪 射到物质上的核辐射所产生的次级辐射称为次级荧光射线（如特征X射线），荧光射线的能谱和强度与物质的成分、

41、厚度及密度等有关。利用荧光效应可以检测覆盖层厚度、物质成分、密度和固体颗粒的粒度等参数。荧光式材料成分分析仪具有分析速度快，精度高，灵敏度高，应用范围广，成本低，易于操作等优点，已经得到广泛应用。第12章 辐射式传感器 能量色散X射线荧光成分分析仪是根据初级射线从样品中激发出来的特征X射线荧光对材料成分进行定性分析和定量分析的。即初级射线从样品中激发出来的多种能量的各组成元素的特征X射线射入探测器，该探测器输出一个和射入其中的X射线能量成正比的脉冲，这些脉冲输给脉冲高度分析器、定标器和显示记录仪器，给出以X射线荧光能量为横坐标的能谱曲线，由能谱曲线的峰位置及峰面积的大小，就可以求出样品中含有什

42、么元素及它的质量含量。第12章 辐射式传感器 能量色散型X射线荧光分析仪的探头部分如图12-19所示。它由放射源、探测器、样品台架孔板、滤光片和安全屏蔽快门等组成。在X荧光分析仪中，低能射线源和X射线源用得最多。常用的探测器有正比计数管、闪烁计数管和锂漂移硅半导体探测器。要根据具体的场合，合理地选用。放射源、样品和探测器间的几何布置也是一个重要问题。如图12-20所示，将放射源表面中心点和样品表面中心点的连线方向与表面中心点的连线方向间的夹角当作散射角，散射角的选择取决于所用射线能量、探测器形式和所测样品。选择合适的散射角可以使能谱曲线上的散射峰和散射光子的逃逸峰对所测荧光峰的干扰最小。最常用的散射角为90180，这种布置可使探头结构简单、尺寸较小、使用方便。第12章 辐射式传感器 图12 19 X射线荧光分析仪的探头示意图 第12章 辐射式传感器 图1220散射角示意图