(34)--核测量仪器-北京大学.ppt
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1、 放射化学放射化学Radiochemistry2023/12/29C.L.Liu核辐射探测探测核辐射的基本原理及方法;气体探测器;气体电离室的电流-电压曲线;电离室的结构;闪烁探测器;闪烁谱仪的射线能谱分析。2023/12/29C.L.Liu辐射的探测研究和应用放射性核素:1、需要了解荷电离子的种类、数量、能量及有关性质;2、要求对核辐射进行探测和记录。放射性测量装置通常由核辐射探测器和信号处理系统组成;核辐射探测器包括灵敏介质和结构部分;射线与灵敏介质相互作用并损失能量,该能量被灵敏介质转换为光、电、热或化学信号;光、电、热、或化学信号被处理系统分析和记录。2023/12/29C.L.Liu
2、核辐射探测核辐射探测器信号处理系统灵敏介质结构部分光、电、热、化学信号放射性测量装置框图2023/12/29C.L.Liu探测核辐射的基本原理及方法利用射线通过物质时的电离作用;(气体探测器和半导体探测器)射线通过某些物质时所产生的荧光、热释光或契伦科夫辐射;(闪烁探测器闪烁探测器,热释光探测器、玻璃探测器、契伦科夫辐射探测器)射线与某些物质的核反应或弹性碰撞产生的易于测量的次级粒子;(主要用于中子的探测。中子与含氢物质中的氢原子核弹性碰撞,将氢原子核从分子中击出。测量反冲质子的电离和激发推断中子的数量)2023/12/29C.L.Liu探测核辐射的方法射线所携带的电荷;(早期使用的验电器)射
3、线的能量在物质中所产生的热效应;(射线在物质中损失的能量最终可以转化为热能。量热计)射线与物质作用产生的化学变化 (径迹探测器、核乳胶及化学计量计)2023/12/29C.L.Liu气体探测器2023/12/29C.L.Liu气体探测器气体探测器以气体为探测介质。入射粒子使气体电离产生电子-正离子对;电子和正离子对在电场中迁移产生电信号。依据工作条件不同,气体探测器分为:电离室、正比计数器、盖革-弥勒(G-M)计数器和其他探测器。2023/12/29C.L.Liu气体探测器在核科学研究的早期,气体探测器起到了非常重要的作用,是当时主要使用的探测器;20世纪50年代后,由于闪烁探测器和半导体探测
4、器的发展,气体探测器被逐步取代;目前,气体探测器在高能物理、重粒子物理、辐射剂量学等领域仍然有广泛应用。2023/12/29C.L.Liu气体探测器Ion-pairs 粒子:104105/cm粒子:102103/cm射线:110/cm法诺因子:1/21/3法诺修正后的方差2023/12/29C.L.Liu气体探测器电离的统计涨落决定了探测器的固有的能量分辨率的下限。例如,对于能量为5MeV的粒子,在空气中平均产生的离子对数为5106/34.98=1.43105;取F=0.3,得到均方根偏差为:2.07102;则能量分辨率的下限为:2023/12/29C.L.Liu若干气体的平均电离能w和最低电
5、离电位I0气体电离能w/eV电离电位I0/eV粒子X、射线粒子ArN2O2CO2C2H2C2H4CH4BF3Air26.30.136.39 0.0432.3 0.134.1 0.127.3 0.728.03 0.0529.1 0.125.6 0.334.98 0.0526.2 0.234.6 0.331.8 0.332.9 0.325.70.426.3 0.327.3 0.333.73 0.1526.4 0.836.60.531.50.234.90.536.00.415.815.512.514.411.612.214.52023/12/29C.L.Liu气体探测器电离产生的正离子和电子的热运动
6、产生无规则碰撞;正离子和电子相遇可能复合为中性分子;电子可能被电负性大的气体分子(H2O,O2,X2)俘获,形成重负离子;如果外加电场,正离子将向阴极迁移,电子则向阳极迁移;正离子和电子迁移的结果在外电路形成电离电流;将该电流记录下来,可实现对辐射的探测。2023/12/29C.L.Liu气体探测器测测 量量 电电 离离 电电 流流 装装 置置 示示 意意 图图2023/12/29C.L.Liu气体电离室的电流-电压曲线在一个充有工作气体的密封容器内安装两个电极;中央为阳极,外壳为阴极,彼此绝缘;在两极间加电压V,测量流经负载R的电流I。I的大小与V有关。在恒定强度的辐射照射下,实验测得IV曲
7、线出现6个区段。2023/12/29C.L.Liu V(伏)电离电流-电压曲线2023/12/29C.L.Liu气体探测器I.线性关系区:(1)两极间电压较低时,正离子和电子迁移速度较慢,在被电极收集之前有可能复合。也可能形成重负离子。(2)随着电压的升高,复合的概率减小,电离电流I随电压V几乎直线上升。2023/12/29C.L.Liu气体探测器II.电离室区:(1)两极间电压继续升高,电离辐射在工作气体中产生的正离子和电子全部被收集,电子和正离子在到达电极之前的复合概率可忽略不计。(2)在C点之前,电压升高不能收集更多的正离子和电子,此时电离电流达到饱和值。2023/12/29C.L.Li
8、u气体探测器 II.电离室区:(3)本区称为饱和区或电离室区。(4)若进入电离室的射线的全部能量都损失在电离室内,而且相继进入电离室的两个粒子能被系统分开,则从负载电阻R上取出的电压脉冲信号由射线的能量决定。(5)电离室可用于射线计数、电离室可用于射线计数、能量测量和辐射剂量测量能量测量和辐射剂量测量2023/12/29C.L.Liu气体探测器III.正比区:(1)电压升高到C点以后D点以前,向阳极运动的电子在阳极附近的强电场的加速下获得的动能足以引起介质分子(气体分子)的电离(次级电离);(2)产生的次级电子被强电场加速,又可产生新的电离;(3)原来的一个电子可以繁殖出多个电子,此过程称为电
9、子雪崩;这种现象称为气体放大现象。2023/12/29C.L.Liu气体探测器III.正比区:(4)放大倍数M只与电压有关,与初级电离产生的粒子对数无关。放大倍数一般为104数量级。(5)从负载电阻上输出的电压信号正比于初级电离产生的离子对数。(6)正比区即可用于射线的计数,也可用于射线能量的测量。2023/12/29C.L.Liu 气体探测器IV.转变区(有限正比区):(1)电压继续升高,除发生电子雪崩外,高速运动的电子与气体分子碰撞,可使气体分子因激发而发射光子。(2)光子打在作为阴极的器壁上产生光电子,后者在奔向阳极的过程中又参与电子雪崩过程。(3)在本区间的放大倍数为105107,但在
10、给定电压下不是常数,而与初级电离数n有关。(4)n越大,A越小。(5)该区域不适合设计探测器。2023/12/29C.L.Liu气体探测器V.Geiger-Mller区(G-M区):(1)外电压越过转变区DE后,电子雪崩更加猛烈,并且扩展至整个容器空间。(2)电子很快被阳极收集,在阳极附近留下迁移速度慢得多的正离子,围绕阳极形成一个正离子鞘。(3)这些空间电荷产生的电场方向与原先的电场方向相反,于是在阳极和正离子鞘之间形成一个低电位区。2023/12/29C.L.Liu气体探测器V.Geiger-Mller区(G-M区):(4)电子雪崩积累的空间电荷最终使得电子在此低电位区内不能产生次级电离,
11、电子雪崩因此被终止。(5)正离子迁移至阴极约需10-7s的时间。(6)该区域的气体放大倍数为108。(7)工作于该区的工作于该区的G-M计计数器具有很高的灵敏度,适数器具有很高的灵敏度,适合于射线的计数,但对射线合于射线的计数,但对射线的能量无法分辨。的能量无法分辨。2023/12/29C.L.Liu气体探测器VI.连续放电区:电压继续升高,放电过程将连续进行,将导致气体探测器在短时间内损坏,故应避免。2023/12/29C.L.Liu电离室的结构2023/12/29C.L.Liu电离室的结构脉冲电离室:主要用于测量重带电粒子的能量和强度累计电离室:主要用于测量X、和中子辐射的注量率(注量)和
12、剂量率(剂量)。电离室的基本结构2023/12/29C.L.Liu电离室的种类2023/12/29C.L.Liu脉冲电离室用于带电粒子的计数和能量测量;要求射入电离室的带电粒子的能量全部损失在灵敏体积内;产生的离子对不发生复合及形成重负离子,也不扩散出灵敏区;相继进入电离室的两个粒子的时间间隔大于系统的分辨时间;可用于粒子及重带电粒子的能谱测量,能量分辨率约为0.2%;2023/12/29C.L.Liu脉冲电离室若在电离室中安装一个金硅面半导体探测器,用以测量穿过电离室灵敏区之后的能量E,就可知道粒子在穿过灵敏区时损失的能量E。由于每种粒子有其特征能损函数dE/dl=f(E);事先对装置进行刻
13、度,可用于粒子的鉴别。2023/12/29C.L.Liu电流电离室主要用于辐射注量或剂量率的测量;需要高灵敏和高稳定性的弱电流放大器;流气式电流电离室可用于气体放射性测量(222Rn,3H、14C的气体化合物)测量时,待测气体与工作气体按一定比例混合,以一定流速流过电离室。在电离室内壁覆盖一层235U,则可用于中子的测量。2023/12/29C.L.Liu累计电离室若事先将电离室的两极充电至一定电压,V1;该电压足以保证收集全部的电离电荷;将电离室暴露于X或辐射场中t时间后,极间电压因收集电离电荷而下降至V2。收集到的电荷Q=(V1-V2)C0,C0为极间电容。累计电离室一般做成笔形或顶针形,
14、便于佩戴,用来监督个人剂量。2023/12/29C.L.Liu正比计数器2023/12/29C.L.Liu正比计数器V为脉冲幅度,n为原电离产生的离子对数,C0为电离室的极间电容,M为气体放大倍数。输出脉冲与原电离成正比可用于粒子能量的测量能量分辨率稍低于脉冲电离室的主要用于、低能及低能X射线的能量和活度的测量2023/12/29C.L.Liu正比计数器粒子的初级电离比粒子高100倍,在固定的甄别阈下,粒子可在较低的工作电压下测量正比计数器测量正比计数器测量 和和 混合放射源的计数率与工作电压的关系混合放射源的计数率与工作电压的关系2023/12/29C.L.LiuG-M计数器灵敏度高;输出脉
15、冲的幅度大且与入射粒子的种类和能量无关;可不经放大直接纪录,使用方便,价格低廉。目前被广泛使用。按充气类型:有机G-M管(90%Ar+酒精或乙醚)卤素G-M管(90%Ne+Cl2或Br2)按用途划分:端窗型(钟罩型)或圆柱形。2023/12/29C.L.LiuG-M计数器为使G-M管正常工作,在工作气体中必须加入少量的酒精、乙醚、Cl2、Br2等淬灭气体。淬灭气体的电离电位比工作气体Ar的低。Ar+在到达阴极之前与淬灭气体分子碰撞,发生电荷交换。Ar+CH3CH2OH Ar+CH3CH2OH+G-M管的工作电压应选在坪的前1/31/2之间2023/12/29C.L.LiuG-M计数器到达阴极的
16、正离子都是CH3CH2OH+,它们从阴极拉出电子,再与电子结合生成激发态分子。这种激发态分子很容易分解,其分解的平均寿命(10-13s)比发射光子的平均寿命(10-7s)短得多。因此其发射光子的几率为10-6.光子从阴极上打出电子的几率为10-4,因此,CH3CH2OH+从阴极上打出电子的几率为10-10。2023/12/29C.L.LiuG-M计数器若到达阴极的CH3CH2OH+有108个,则造成假性计数的概率约为1%。随着G-M管外加电压的增加,正离子鞘中的正离子数目增加,假性计数的几率也增加,造成G-M计数器的工作坪有一定的斜度。随着CH3CH2OH消耗量的增加,坪的斜度增加,坪长缩短。
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