辐射式传感器课件.ppt
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1、第九章第九章 辐射式传感器辐射式传感器关于辐射式传感器关于辐射式传感器现在学习的是第1页,共44页第九章第九章 辐射式传感器辐射式传感器 1.1.射线射线二、核辐射的种类二、核辐射的种类质量质量为为4.002 775u(4.002 775u(原子质量单位原子质量单位);带有带有正电荷正电荷,即,即氦原子核氦原子核;具有具有4040100MeV100MeV的能量;的能量;平均寿命为几微秒到平均寿命为几微秒到10101010年;年;从核内射出从核内射出速度为速度为20km/s20km/s;射程长度在空气中为射程长度在空气中为几厘米到十几厘米几厘米到十几厘米。衰变衰变12C原子质量原子质量1.992
2、710-26kg,其质量的十二其质量的十二分之一分之一 1.660610-27kg现在学习的是第2页,共44页第九章第九章 辐射式传感器辐射式传感器 2.2.射线射线 质量质量为为0.000 549 u0.000 549 u;带有带有一个单位的电荷一个单位的电荷;能量为能量为100 keV100 keV几兆电子伏特;几兆电子伏特;运动速度较运动速度较粒子高很多;粒子高很多;在气体中的射程可达在气体中的射程可达20m20m。-衰变衰变+衰变衰变现在学习的是第3页,共44页第九章第九章 辐射式传感器辐射式传感器 3.3.射线射线4.X4.X射线射线 原子核外的内层电子被激发射出来的电磁波能量。原子
3、核外的内层电子被激发射出来的电磁波能量。原原子子核核从从不不稳稳定定的的高高能能激激发发态态跃跃迁迁到到稳稳定定的的基基态态或或较较稳稳定定的的低低能能态态,并并且且不不改改变变其其组组成成过过程程称称为为衰衰变变(或或称称跃跃迁),发生迁),发生跃迁时所放射出的射线称跃迁时所放射出的射线称射线或射线或光子,是光子,是以光以光速运动的光子流,不带电。速运动的光子流,不带电。衰变衰变现在学习的是第4页,共44页第九章第九章 辐射式传感器辐射式传感器1 1、射线与物质的相互作用射线与物质的相互作用(1 1)电离)电离 当当、射线穿过物质时,使其分子或原子的轨道电射线穿过物质时,使其分子或原子的轨道
4、电子产生加速运动,如果此轨道电子获得足够大的能量,就子产生加速运动,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,从而产生一对自由电子和正离能脱离原子成为自由电子,从而产生一对自由电子和正离子组成的离子对。这种现象称为电离。子组成的离子对。这种现象称为电离。粒子粒子质量大,电荷量多,电离能力最强,但射程短;质量大,电荷量多,电离能力最强,但射程短;粒子粒子质量小,电离较弱;质量小,电离较弱;粒子粒子没有直接电离作用。没有直接电离作用。三、核辐射与物质的相互作用三、核辐射与物质的相互作用现在学习的是第5页,共44页第九章第九章 辐射式传感器辐射式传感器(2 2)激发)激发 若在相互作
5、用中,轨道电子获得的能量还不足若在相互作用中,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,仅使自由电子从低以使它脱离原子成为自由电子,仅使自由电子从低能级跃迁到高能级,这种相互作用称为激发。能级跃迁到高能级,这种相互作用称为激发。现在学习的是第6页,共44页第九章第九章 辐射式传感器辐射式传感器2 2、射线与物质的相互作用射线与物质的相互作用(1 1)光电效应)光电效应当当一一个个光光子子和和原原子子相相碰碰撞撞时时,将将其其能能量量全全部部交交给给某某一一轨轨道道电电子子,使使它它脱脱离离原原子子,光光子子则则被被吸吸收收,这这种种现现象象称称为为光电效应。光电效应。光光电电效效应应
6、也也伴伴随随有有次次级级辐辐射射产产生生。当当射射线线通通过过物物质质时时,由由于于发发生生光光电电等等效效应应的的结结果果,它它的的强强度度将将减减弱弱,它也遵循指数衰减规律。它也遵循指数衰减规律。现在学习的是第7页,共44页第九章第九章 辐射式传感器辐射式传感器(2 2)康普顿效应)康普顿效应入射入射光子光子原子原子光子光子电子电子 入入射射光光子子与与介介质质中中的的电电子子发发生生碰碰撞撞,光光子子偏偏离离原原来来的的方方向向,同同时时将将一一部部分分能能量量转转移移给给电电子子,使使电电子子按按射射出。出。现在学习的是第8页,共44页第九章第九章 辐射式传感器辐射式传感器3 3、核辐
7、射线的特点、核辐射线的特点 、射线穿透物质时,由于与物质发生作用损失能射线穿透物质时,由于与物质发生作用损失能量而最终被吸收而造成衰减。量而最终被吸收而造成衰减。射线射线穿透能力最弱,在空气中运行轨迹为穿透能力最弱,在空气中运行轨迹为直线直线;射线射线次之,穿行时由于与物质原子发生能量交换而次之,穿行时由于与物质原子发生能量交换而改变方向产生改变方向产生散射散射,在空气中运行轨迹为,在空气中运行轨迹为折线折线;射线射线穿透能力最强,能穿透几十厘米厚固体物质,在气体穿透能力最强,能穿透几十厘米厚固体物质,在气体中可穿透数米,因此中可穿透数米,因此射线广泛用于射线广泛用于医疗诊断、金属探伤等医疗诊
8、断、金属探伤等。现在学习的是第9页,共44页第九章第九章 辐射式传感器辐射式传感器1 1、电离室、电离室 四、核辐射传感器四、核辐射传感器 常常用用的的核核辐辐射射探探测测器器有有:电电离离室室、正正比比计计数数管管、盖盖革革弥勒计数管、闪烁计数器和半导体探测器弥勒计数管、闪烁计数器和半导体探测器等。等。现在学习的是第10页,共44页第九章第九章 辐射式传感器辐射式传感器 电离室外加电压增大,电流趋于饱和,一般工作在饱和区,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,输出只正比于入射到电离室使输出电流与外加电压无关,输出只正比于入射到电离室的辐射强度。的辐射强
9、度。、电离室不能通电离室不能通用,不同粒子相同条件下用,不同粒子相同条件下效率相差很大。效率相差很大。电离室主要用于探测电离室主要用于探测、射线。射线。现在学习的是第11页,共44页第九章第九章 辐射式传感器辐射式传感器 2.2.正比计数管正比计数管 放放大大作作用用仅仅限限于于芯芯线线近近旁旁,所所以以可可得得到到与与放放射射线线的的入入射射区区域域无无关关的的一一定定的的放放大大倍倍数数。由由于于放放大大而而产产生生的的阳阳离离子子迅迅速速离离开开气气体体放放大大区区域域而而产产生生输输出出脉脉冲冲。输输出出脉脉冲冲的的大大小小正正比比于于因因放放射射线线入入射射而而产产生生电电子子、正正
10、离离子子对对的的数数目目,而而电电子子、正正离离子子对对数数正正比比于于气气体体吸吸收收的的放放射射线线的的能能量量。因因此此,正正比计数管可以探测入射放射线的能量。比计数管可以探测入射放射线的能量。现在学习的是第12页,共44页第九章第九章 辐射式传感器辐射式传感器 正比计数器正比计数器 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。电离放电伏安特性曲线的正比区。计数器接收一个计数器接收一个X X、光子后就输出一个电脉冲,光子后就输出一个电脉冲,幅度幅度与光子能量成正比与光子能量成正比,输出,输出脉冲的大小正比于入射产生
11、的电脉冲的大小正比于入射产生的电子和正离子对数目子和正离子对数目,电子和正离子对数目正比于气体吸,电子和正离子对数目正比于气体吸收的放射线的能量。收的放射线的能量。现在学习的是第13页,共44页第九章第九章 辐射式传感器辐射式传感器正比计数器工作原理正比计数器工作原理使气体原使气体原子电离子电离初级射线初级射线高压高压现在学习的是第14页,共44页第九章第九章 辐射式传感器辐射式传感器 3.3.盖革盖革-弥勒计数管弥勒计数管盖格计数管也称气体放电计数器。一个密封玻璃管,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,玻璃管内壁中间是阳极用钨丝材料制作,玻璃管内壁涂一层导
12、电物质或是涂一层导电物质或是一个金属圆管作阴极,一个金属圆管作阴极,内部抽真空充惰性气内部抽真空充惰性气体(氖、氦)、卤族体(氖、氦)、卤族气体。气体。现在学习的是第15页,共44页第九章第九章 辐射式传感器辐射式传感器 计数管内充有氩、氦等气体。为了便于密封,计数管计数管内充有氩、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。部或在外壳内用金属筒作阴极。在盖革在盖革-弥勒计数管中,阴弥勒计数管中,阴极和阳极间施加比计数管高的电压。极和阳极间施加比计数管高的电压。X X射线、射线、射
13、线、射线、射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。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,由于电子漂移速度很快,很快地被收集,很快地被收集,于是在中央丝极周围形成一层正离子,于是在中央丝极周围形成一层正离子,称为正离子鞘。正离子鞘的形成使阳极附近的电场变弱,称为正离子鞘。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,正离子鞘向阴停止了。放大过程停止后,在电
14、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,出现后,计数管并不回到原始的状态。计数管并不回到原始的状态。现在学习的是第16页,共44页第九章第九章 辐射式传感器辐射式传感器 由由于于正正离离子子鞘鞘到到达达阴阴极极时时得得到到一一定定的的动动能能,所所以以正正离离子子也也能能从从阴阴极极中中打打出出次次级级电电子子。同同时时由由于于正正离离子子鞘鞘到到达达了了阴阴极极,中中央央阳阳极极电电场场已已恢恢复复,因因
15、此此这这些些次次级级电电子子又又能能引引起起新新的的离离子子增增殖殖,像像原原先先一一样样再再产产生生离离子子鞘鞘,再再产产生生电电压压脉脉冲冲,造造成成所所谓谓连连续续放放电电现现象象。克克服服这这个个问问题题必必须须采采取取特特殊殊的的方方法法使使放放电电猝猝灭灭。猝猝灭灭放放电电的的方方法法有有两两种种:一一种种是是采采用用猝猝灭灭电电路路,用用来来降降低低中中央央丝丝极极的的电电压压,使使其其降降低低到到发发生生碰碰撞撞电电离离所所需需电电压压以以下下;另另一一种种方方法法是是在在计计数数管管中中放放入入少少量量猝猝灭灭性性气气体体。这这种种自自猝猝灭灭型型计计数数管管又又可可分分为为
16、两两种种:一一种种是是充充惰惰性性气气体体和和少少量量酒酒精精、乙乙醚醚或或石石油油醚醚的的蒸蒸气气,称称为为有有机机管管;另另一一种种是是管管内内充充惰惰性性气气体体和和卤卤素素气气体体,称称为卤素管。为卤素管。现在学习的是第17页,共44页第九章第九章 辐射式传感器辐射式传感器 盖格计数管上电压盖格计数管上电压U U一定时,入射射线越强,电一定时,入射射线越强,电 流流I I越大,输出脉冲数越大,输出脉冲数N N越大,越大,a a、b b段称段称“坪坪”;盖格计数管主要用于探测盖格计数管主要用于探测粒子和粒子和射线。射线。现在学习的是第18页,共44页第九章第九章 辐射式传感器辐射式传感器
17、 4.4.闪烁计数器闪烁计数器 物物质质受受放放射射线线的的作作用用而而被被激激发发,在在由由激激发发态态跃跃迁迁到到基基态态的的过过程程中中,发发射射出出脉脉冲冲状状的的光光的的现现象象称称为为闪闪烁烁现现象象。能能产产生生这这样样发发光光现现象象的的物物质质称称为为闪闪烁烁体体。闪闪烁烁计计数数器器先先将将辐辐射射能能变变为为光光能能,然然后后再再将将光光能能变变为为电电能能而而进进行行探探测测,它它由由闪闪烁烁体体和和光电倍增管两部分组成。光电倍增管两部分组成。负负载载电电阻阻产产生生脉脉冲冲幅幅度度一一般般为为零零点点几几伏伏到到几几伏伏,较较盖盖革革-弥弥勒勒计计数数管管的的幅幅度度
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