第九章辐射式传感器.ppt

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1、第九章辐射式传感器第九章辐射式传感器现在学习的是第1页，共40页 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1.992710-26kg,其质量的十二分其质量的十二分之一之一 1.660610

2、-27kg现在学习的是第2页，共40页 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40页 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

3、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40页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

4、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40页（2 2）激发）激发 若在相互作用中，轨道电子获得的能量还不足以使若在相互作用中，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，仅使自由电子从低能级跃迁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。到高能级，这种相互

5、作用称为激发。现在学习的是第6页，共40页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为光电效应。称为光电效应。光光电电效效应应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，它它也遵循指数衰减规律。也遵循指数衰减规律。现在学习的是第7页，共40页（2 2）康普顿效应）康普顿效应入

6、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出。射出。现在学习的是第8页，共40页3 3、核辐射线的特点、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。能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改变次之，穿行时由于与物质原子发生能量交换而改

7、变方向产生方向产生散射散射，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，因此体中可穿透数米，因此射线广泛用于射线广泛用于医疗诊断、金属探伤医疗诊断、金属探伤等等。现在学习的是第9页，共40页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、盖盖革革弥弥勒计数管、闪烁计数器和半导体探测器勒计数管、闪烁计数器和半导体探测器等。等。现在学习的是第10页，共40页 电离室外加电压增大，电流趋于饱和，一般

8、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。的辐射强度。、电离室不能通用，电离室不能通用，不同粒子相同条件下效率相不同粒子相同条件下效率相差很大。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40页 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

9、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，正比计数管可以探测入射放射线的能量。正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40页 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，工作在气体电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。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

10、一个电脉冲，光子后就输出一个电脉冲，幅幅度与光子能量成正比度与光子能量成正比，输出，输出脉冲的大小正比于入射产生的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，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40页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40页 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

11、极用钨丝材料制作，玻璃管内壁涂一层导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40页 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、射线

12、、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。央丝极传播到整个计数管内。由于电子漂移速度很快，很快由于电子漂移速度很快，很快地被收集，地被收集，于是在中央丝极周围形成一层正离子，称为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，直到正离子鞘。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停止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，正离子鞘向阴极移了。放大过程停止后，在

13、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，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40页 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，因因此此这这些些次次级级电电子子又又能能引引

14、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两两种种：一一种种是是充充惰惰性性气气体

15、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；另一种是管内充惰性气体和卤素气体，管；另一种是管内充惰性气体和卤素气体，称为卤素管。称为卤素管。现在学习的是第17页，共40页 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40页 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

16、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小小。输输出出脉脉冲冲与与入入射射粒粒子子的的能能量量成成正正比比，探探测测射射线线的的效效率率在在2 20 0

17、%3 30 0%以以上上，比比盖盖革革-弥弥勒勒计计数数管管和和离离子子室室高高很很多多；探探测测、射射线线的的效效率率接接近近1 10 00 0%。由由于于闪闪烁烁体体中中一一次次闪闪烁烁的的持持续续时时间间很很短短,故故最最大大计计数数率率一一般般为为1 10 06 61 10 08 8数数量量级级。若若输输出出采采用用电电流流法法，则则记记录录的的辐辐射射强强度度不不受受限限制制。现在学习的是第19页，共40页 闪烁计数器闪烁计数器 当当闪闪烁烁体体受受到到辐辐射射时时闪闪烁烁体体的的原原子子受受激激发发光光，光光透透过过闪闪烁烁体体射射到到光光电电倍倍增增管管的的阴阴极极上上激激发发出

18、出电电子子，在在光光电电倍倍增增管管中中倍倍增增，在阳极上形成电流。在阳极上形成电流。现在学习的是第20页，共40页1200V闪烁探测器测量射线信号的基本特征闪烁探测器测量射线信号的基本特征入射入射射线射线EhV输出端电信号输出端电信号输出信号幅度：输出信号幅度：VE脉冲信号产生率脉冲信号产生率单位时间进入探测器射线数单位时间进入探测器射线数NaI(Tl)gdB通过分辩通过分辩信号幅度信号幅度，可以分辩，可以分辩射线能量射线能量；通过测量通过测量脉冲信号数脉冲信号数，可以测定，可以测定射线强弱射线强弱。现在学习的是第21页，共40页 5 5、半导体探测器、半导体探测器 荷电粒子一入射到固体中就

19、与固体中的电子产生相互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电粒子在此作用并失去能量而停止。入射到半导体中的荷电粒子在此过程产生电子和空穴对。而过程产生电子和空穴对。而X X射线或射线或射线由于光电效应、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。穴。若取出这些生成的电荷，可以将放射线变为电信号。主要使用的是主要使用的是SiS

20、i和和GeGe，对，对GaAsGaAs、CdTeCdTe等材料。等材料。开发的开发的半导体传感器有半导体传感器有PNPN结型传感器、结型传感器、表面势垒型传感器、锂表面势垒型传感器、锂漂移型传感器、非晶硅传感器等。漂移型传感器、非晶硅传感器等。现在学习的是第22页，共40页射线可实现气体分析，如气体压力、流量测量；射线可实现气体分析，如气体压力、流量测量；射线可进行带材厚度、密度检测；射线可进行带材厚度、密度检测；射线可探测材料缺陷、位置、密度与厚度测量。射线可探测材料缺陷、位置、密度与厚度测量。五、核辐射传感器的应用五、核辐射传感器的应用现在学习的是第23页，共40页（1）测厚 透射式测厚透

21、射式测厚透透射射式式测测厚厚常常用用闪闪烁烁探探测测器器，闪闪烁烁探探测测器器记记录录穿穿透透物物体体的的射射线线的的强强度度，其其输输出出电电流流与与辐辐射射强强度度成成正正比比。在在辐辐射射穿穿过过物物质质时时，由由于于物物体体吸吸收收作作用用损损失失部部分分强强度度，强强度度按按指指数数规律变化：规律变化：现在学习的是第24页，共40页透透射射式式厚厚度度计计 1.1.核辐射厚度计核辐射厚度计 现在学习的是第25页，共40页 散射式测厚散射式测厚 散散射射测测厚厚时时放放射射（或或低低能能X X射射线线）源源与与探探测测器器在在同同一一侧侧，利利用用核核辐辐射射被被物物体体后后向向散散射

22、射的的效效应应。散散射射强强度度与与被被测测距离、物质成份、密度、厚度表面状态等因素有关：距离、物质成份、密度、厚度表面状态等因素有关：利利用用这这种种方方法法可可测测量量薄薄板板的的厚厚度度、覆覆盖盖层层厚厚度度、材材料料的的成成分分、密密度度等等参参数数。这这种种方方法法的的优优点点为为非非接接触触测测量量，且且不不损损坏坏被被测测物物质。质。现在学习的是第26页，共40页射射线线强强度度与与散散射射体体厚厚度度之之间间的关系式为的关系式为 J散散=J饱和饱和（1-e-kt）式中：式中：t t和和散射体的厚度和密度；散射体的厚度和密度；J J散散和和J J饱饱和和厚厚度度为为t t和和厚厚

23、度度为为“无无限限大大”时时的的后后向向散散射射射线强度；射线强度；kk与射线能量有关的系数。与射线能量有关的系数。现在学习的是第27页，共40页（2）物位测量 利用介质对利用介质对射线的吸收作用，不同介质对射线的吸收作用，不同介质对射线的射线的吸收能力不同，固体吸收能力最强，液体居中，气体最吸收能力不同，固体吸收能力最强，液体居中，气体最弱。弱。辐辐射射源源与与被被测测介介质质一一定定，被被测测介介质质高高度度H H与与穿穿过过被被测测介质的射线强度介质的射线强度I I成正比关系。成正比关系。现在学习的是第28页，共40页 图图 (b)(b)将将射射线线源源和和探探测测器器分分别别安安装装在

24、在容容器器的的下下部部和和上上部部，射射线线穿穿过过容容器器中中的的被被测测介介质质和和介介质质上上方方的的气气体体后后到到达达探探测测器器。显显然然，探探测测器器接接收收到到的的射射线线强强弱弱与与物物位位的的高高度度有有关关。这这种种方方法法可可对对物物位位进进行行连连续续测测量量，但但是是测测量量范范围围比比较较窄窄(一一般般为为300500 300500 mm)mm)，测量准确度较低。测量准确度较低。现在学习的是第29页，共40页辐射式物位计辐射式物位计(射线射线)图图 (a)(a)定定点点测测量量:将将射射线线源源I0I0与与探探测测器器安安装装在在同同一一平平面面上上，由由于于气气

25、体体对对射射线线的的吸吸收收能能力力远远比比液液体体或或固固体体弱弱，因因而而当当物物位位超超过过和和低低于于此此平平面面时时，探探测测器器接接收收到到的的射射线线强强度度发发生生急急剧剧变变化化。可可见见，这这种种方方法法不不能能进进行行物物位位的的连连续测量。续测量。现在学习的是第30页，共40页（3）流量计（气体）在气流管中装两个电极（电极电位不同）放射源在气流管中装两个电极（电极电位不同）放射源S S的射线使的射线使气体电离，工作状态相当于一个电离室。气体电离，工作状态相当于一个电离室。当被测气体被电当被测气体被电离时，离子被带离时，离子被带出电离室，室内出电离室，室内电流减小，气体电

26、流减小，气体流速增加带出的流速增加带出的离子增多电离室离子增多电离室电流进一步减小，电流进一步减小，由电流的变化检由电流的变化检测气流流速和流量。测气流流速和流量。放射源放射源电极电极电极电极气流气流EA现在学习的是第31页，共40页（4）探伤 探测器与放射源放在管道内，沿焊接缝同步移动，探测器与放射源放在管道内，沿焊接缝同步移动，探测器与放射源放在管道内，沿焊接缝同步移动，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，穿透管道的当焊缝存在问题时，穿透管道的当焊缝存在问题时，穿透管道的当焊缝存在问题时，穿透管道的射线会产生突变，射线会产生突变，射线会产生突变，射线会产生突变，正

27、常时输出曲线趋于直线。正常时输出曲线趋于直线。正常时输出曲线趋于直线。正常时输出曲线趋于直线。现在学习的是第32页，共40页X X荧光射线的能量谱和荧光射线的能量谱和强度强度与物质的与物质的成份、厚度、密度成份、厚度、密度有关。有关。探测器将光信号转换为电脉冲，脉冲幅度与元素的特探测器将光信号转换为电脉冲，脉冲幅度与元素的特征征X X射线能量成正比，射线能量成正比，不同元素脉冲幅度不同不同元素脉冲幅度不同，能量，能量E E大脉大脉冲幅度越高，通过幅度分析器检测出不同元素，实现元冲幅度越高，通过幅度分析器检测出不同元素，实现元素的定性分析。素的定性分析。而而脉冲的多少与样品的含量成正比脉冲的多少

28、与样品的含量成正比，含量越高脉冲计数，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。的定量分析。现在学习的是第33页，共40页野外现场野外现场快速测量快速测量现在学习的是第34页，共40页井下现场井下现场快速测量快速测量钢牌号快速分析钢牌号快速分析现在学习的是第35页，共40页（5）X射线荧光分析仪X X射线荧光基于射线荧光基于光电效应光电效应，能量色散的荧光分析方法由，能量色散的荧光分析方法由同位素源产生同位素源产生射线，其它物质上的次级辐射称荧光射射线，其它物质上的次级辐射称荧光射线；线；波长色散荧光分析方法由波长色

29、散荧光分析方法由X X光射线管产生光射线管产生X X射线。射线。现在学习的是第36页，共40页Si(Li)探测器探测器（6）中子活化分析现在学习的是第37页，共40页元素能量谱线元素能量谱线现在学习的是第38页，共40页（7）医学应用-CT常规常规X X射线摄影利用透射原理，把三维的人体投影显示射线摄影利用透射原理，把三维的人体投影显示在一个二维的平面上。这就使得图像失去纵深方向的在一个二维的平面上。这就使得图像失去纵深方向的分辨能力，前后结构互相重叠，引起图像混淆，容易分辨能力，前后结构互相重叠，引起图像混淆，容易造成误诊和漏诊。造成误诊和漏诊。X线管线管荧光屏荧光屏现在学习的是第39页，共40页如果把人体分成一系列薄片，单独对每一切片（二如果把人体分成一系列薄片，单独对每一切片（二维图像）进行观察，就能消除临近各层的影响，没维图像）进行观察，就能消除临近各层的影响，没有重叠混淆，图像变清晰，容易辨别细微的异常结有重叠混淆，图像变清晰，容易辨别细微的异常结构。构。现在学习的是第40页，共40页