核反应堆仪表6综述

《核反应堆仪表6综述》由会员分享，可在线阅读，更多相关《核反应堆仪表6综述（75页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、School of Nuclear Science and Technology 核反应堆无论正常运行还是出事故时，都存在 核辐射和排出一定量的放射性物质。 为确保工作人员的安全，需要建立一整套核辐 射检测系统，及时监测辐射场，定量分析排 出物的放射性。 第5章 核辐射剂量监测仪表 School of Nuclear Science and Technology 5.1 核辐射剂量监测方法和仪表 5.2 核电厂的辐射剂量监测 第5章 核辐射剂量监测仪表 School of Nuclear Science and Technology 核辐射看不见，摸不着，无色，无味，然而，它对人体 的伤害很大

2、，因此，辐射探测尤其重要。 如何测量呢？ 根据辐射与物质的相互作用所呈现出的物理、化学变化 进行观察和检测。 核辐射检测装置通常由核辐射探测器、信号处理仪器和 一些附属设备组成。 核辐射探测器的作用是把进入探测器灵敏区的核辐射转 换成信号处理仪器能够觉察出来的信号，如电信号、 光信号、声信号和热信号等。 5.1 核辐射剂量监测方法和仪表 School of Nuclear Science and Technology 用的最多的三类探测器是：气体探测器、闪烁探测器、 半导体探测器。都是把核辐射转换成电信号，再由电 信号处理设备进行分析和处理。 电信号处理设备主要是核电子学仪器（如：放大器、甄

3、别器、计数器、计数率计、脉冲幅度分析器（单道或 多道）、符合和反符合单元等）和计算机。 5.1 核辐射剂量监测方法和仪表 School of Nuclear Science and Technology 核辐射探测器是完成辐射测量任务的关键部件，整个测 量系统的技术指标首先取决于探测器。 探测器如何测量辐射？ 带电粒子：使探测器介质中的原子电离，产生电子离子 对；电子离子对在电场作用下做定向移动，在探测器 外部负载电路中给出电流信号，称为探测器的本征电 流信号。完全取决于核辐射在探测器内转变成电信号 的物理过程。 不带电的光子：与探测介质作用产生次级电子，形成 离子对。 不带电的中子：与探测介

4、质或转换靶作用产生次级带电 粒子，再使探测介质电离产生电子离子对。 5.1 核辐射剂量监测方法和仪表 School of Nuclear Science and Technology 5.1.1 气体探测器 气体探测器是一个内部充有气体、两电极间（高压极和 收集极）加有电场的小室，通过收集辐射在气体中产 生的电离电荷来测量核辐射的。 入射带电粒子通过气体时，使气体分子电离或激发，并 在粒子通过的径迹上生成大量的离子对（电子和正离 子），离子对在电场中漂移形成电信号。 气体探测器有平行板和圆柱形两种，常见的是两个同轴 的圆柱形电极，两个电极由绝缘体隔开并密封于容器 内。电极间充气体并外加一定的电

5、压，如图所示。 5.1 核辐射剂量监测方法和仪表 School of Nuclear Science and Technology 5.1.1 气体探测器 在恒定强度的辐射照射下，电极收集的离子对数目与外 加电压的关系，如下图所示。曲线明显分为五个区段 。 5.1 核辐射剂量监测方法和仪表 复合区 饱和区或电离室区 正比区 有限正比区 GM区 School of Nuclear Science and Technology 5.1.1 气体探测器 工作于不同区就构成了电离室、正比计数器和GM计数 器。基本结构和组成部分是相似的，只是工作电压不 同使性能有差别，从而适用于不同的场合，在设计上 也

6、有各自的要求。 电离室： 正比计数器： 5.1 核辐射剂量监测方法和仪表 School of Nuclear Science and Technology 5.1.1 气体探测器 正比计数器： 正比计数器的工作气体通常是一些多原子分子气体，它 们在气体放大过程中会分解而改变工作气体成分，使 计数器性能变坏。(?) 流气式正比计数器：让新的气体连续不断地流过计数管 的灵敏体积，以保持体成分不变。 流气式正比计数器主要用于精确的放射性测量。 5.1 核辐射剂量监测方法和仪表 School of Nuclear Science and Technology 5.1.1 气体探测器 GM计数器： 当M

7、105时，电子雪崩持续发展成自激放电，此时增殖 的离子对总数就与原电离无关了。 不管初电离发生在管内何处，雪崩放电都会逐渐包围整 个阳极丝。在阳极丝附近的大量电子很快漂移到阳极 而留下大量的正离子包围着阳极丝，形成一个“正离 子鞘”。它使GM计数器中心阳极周围的电场强度减 弱，以致于抑制电子增殖，最终使雪崩放电结束，G M计数器输出一个电脉冲。 GM计数器内每次放电都以管内产生大致相同的总电荷 Q而结束，所以GM计数器输出的脉冲幅度都是相同 。 5.1 核辐射剂量监测方法和仪表 School of Nuclear Science and Technology 5.1.1 气体探测器 GM计数器

8、的优点： 1）灵敏度高：不论何种类型的射线，如果能在计数器的灵敏区 内产生一对离子，便可能引起放电而被记录。低辐射场测量 2）脉冲幅度大：可达几伏甚至几十伏，可以不必经放大器或只 需单级放大器便能触动记录电路。 3）稳定性高：不受外界电磁场的干扰，而且对电源的稳定度要 求不高，一般好于1即可。 4）计数器的大小和几何形状可按探测粒子的类型和测量的要求 在较大的范围内变动。如，外径可从2mm到数cm，长度可以从 1cm到1m左右。 5）使用方便、成本低廉、制作的工艺要求和仪器电路均较简单 。整个测量系统可以做得轻巧灵便，适于携带。 5.1 核辐射剂量监测方法和仪表 School of Nucle

9、ar Science and Technology 5.1.1 气体探测器 GM计数器的缺点： 不能鉴别粒子的类型和能量； 分辨时间长，约102s，不能用于快速计数，测量强 辐射时有漏计数； 正常工作的温度范围较小； 有乱真计数。 探测效率：一个粒子通过计数管的灵敏区能产生脉冲输 出的几率。 G-M计数管对带电粒子的探测效率为100%，对射线约 为1%。 5.1 核辐射剂量监测方法和仪表 School of Nuclear Science and Technology 5.1.1 气体探测器 1）计数曲线与坪特性 探测器以脉冲工作方式工作时，通过电子仪器记录的脉 冲计数率随探测器所加电压的变化

10、曲线称为探测器的 坪曲线。 坪特性： 起始电压、坪长、 坪斜：电压增加100V (或1V)，计数率增长的 百分率。 0.1% 5.1 核辐射剂量监测方法和仪表 School of Nuclear Science and Technology 5.1.1 气体探测器 2） 死时间 几乎在所有的探测系统中，都存在一个最小时限，两个 事件之间的时间间隔大于此时限才能被分辨开而记录 为两个单独的脉冲，这个最小时限通常称为探测系统 的死时间。 死时间由探测器本身的过程所决定（如GM计数管） ，也可能由电子学线路所决定。 5.1 核辐射剂量监测方法和仪表 n0=n/(1-n) School of Nucl

11、ear Science and Technology 5.1.2 闪烁探测器 利用某些物质在核辐射作用下会发光的特性来探测核辐 射的探测器。 这些物质称为闪烁体或荧光物质。 组成？ 闪烁探测器是通过辐射打在闪烁体上，使原子（分子） 电离、激发，在退激过程中发光，经过光电器件（如 光电倍增管）将光信号变成可测的电信号来测量核辐 射。 闪烁探测器由闪烁体、光电倍增管和相应的电子仪器三 个主要部分组成。 5.1 核辐射剂量监测方法和仪表 School of Nuclear Science and Technology 5.1.2 闪烁探测器 闪烁探测器的工作可分为五个相互联系的过程： 1）射线进入闪

12、烁体，与之发生相互作用，闪烁体吸收 辐射能量而使原子、分子电离和激发； 2）受激原子、分子退激时发射荧光光子； 3）利用反射物和光导将闪烁光子尽可能多地收集到光 电倍增管的光阴极，由于光电效应，光子在光阴极上 击出光电子； 4）电子在光电倍增管中倍增，数量由一个增加到104 109个，电子流在阳极负载上产生电信号； 5）此信号由电子仪器记录和分析。 5.1 核辐射剂量监测方法和仪表 School of Nuclear Science and Technology 5.1.2 闪烁探测器 闪烁体按其化学性质可分为两大类： 一类是无机晶体闪烁体。 通常是含有少量杂质（称为“激活剂”）的无机盐晶体，

13、 常用的有碘化钠（铊激活）单晶体，即NaI(Tl)；碘化 铯（铊激活）单晶体即CsI(Tl)；硫化锌（银激活）多 晶体，即ZnS(Ag)等。 另一种是玻璃体，如铈激活锂玻璃LiO22SiO2(Ce)。 此外，近年来还开发了不掺杂的纯晶体，如锗酸铋（简 称BGO）；钨酸镉（CdWO4，简称CWO）和氧化钡 等。 5.1 核辐射剂量监测方法和仪表 School of Nuclear Science and Technology 5.1.2 闪烁探测器 闪烁体分为两大类： 另一类是有机闪烁体。它们都是环碳氢化合物。 又可分为三种： 1)有机晶体闪烁体。例如蒽、芪、萘、对联三苯等。 2)有机液体闪烁体

14、。在有机液体溶剂（如甲苯、二甲苯）中 溶少量发光物质（如对联三苯），称第一发光物质，另外 再溶入一些光谱波长转换剂（如POPOP化合物）称为第 二发光物质，组成有闪烁体性能的液体。 3)塑料闪烁体。它是在有机液体苯乙烯中加入第一发光物质 对联三苯和第二发光物质POPOP后，聚合而成的塑料 除这两大类外，还有利用氩、氙等惰性气体作为气体闪烁体 ，常作为记录裂变产物和重粒子的探测器。 5.1 核辐射剂量监测方法和仪表 School of Nuclear Science and Technology 5.1.2 闪烁探测器 闪烁体的特性： 1）发光效率C发光 发光效率表示闪烁体将所吸收的核辐射能量转

15、变为所 发射光子的总能量的性能。 显然1S表示每产生一个光子，核辐射所损失的能量 相当于气体探测器和半导体探测器中的平均电离能。 常用无机闪烁体NaI(Tl)的1S300 eV，它比半导体和 气体的平均电离能都大。 5.1 核辐射剂量监测方法和仪表 School of Nuclear Science and Technology 5.1.2 闪烁探测器 闪烁体的特性： 2）发光光谱 闪烁体受核辐射照射时所发射的荧光不是单色的，且 不同波长的光子数目也不一样。 光子数随波长的分布曲线称为闪烁体的发光光谱。 选用的闪烁体的发光光谱要与所用光电倍增管的光谱响 应相匹配，才能在光阴极上产生较多的光电子

16、。 3）发光衰减时间 4)光衰减长度 光子数衰减到原来1/e时,光子在闪烁体中通过的路程长 度称为光衰减长度。标志着闪烁体所能使用的最大尺 度。 5.1 核辐射剂量监测方法和仪表 School of Nuclear Science and Technology 5.1.2 闪烁探测器 闪烁体的选用： 1）所选闪烁体的种类和尺寸应适应于所探测射线的种类、 强度及能量，也就是说使选用闪烁体在测量一种射线时能 排除其它射线的干扰。 一般测量强度时用ZnS（Ag）闪烁体或CsI（Tl）晶体。 测量射线和中子时用有机闪烁体，大都用塑料闪烁体， 或液体有机闪烁体。测量射线用Nal（Tl）或CsI（Tl） 晶体，对低能X射线或高能则可用BGO。 2）闪烁体的发射光谱应尽可能好地和所用光电倍增管的光 谱响应配合，以获得高的光电产额。 5.1 核辐射剂量监测方法和仪表 School of Nuclear Science and Technology 5.1.2 闪烁探测器 闪烁体的选用： 3）闪烁体对所测的粒子有较大的阻止本