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1、第13章 射线及微波检测传感器13.1 核辐射传感器13.2 超声检测13.3 红外辐射传感器13.4 微波传感器核辐射、红外、超声波、微波等新兴 检测技术在近年来获得飞速的发展，并 在很多领域得到越来越多的应用。本章 介绍它们在检测技术中实现非电量测量 的基本原理和应用实例。13.1 核辐射传感器 13.1.1 核辐射检测的物理基础1同位素原子序数相同，原子质量数不同的元素称作同位素。不须外因的作用，某些同位素的原子核会发生自动衰 变，并在衰变中放出射线，这类同位素称作“放射性同位 素”。衰减规律为 初始时原子核数t秒后原子核数衰变常数放射性同位素衰变的快慢，通常用“半衰期”来表示 。 半衰
2、期是指放射性同位素的原子核数衰变到其一半 所需的时间，一般将它作为该放射性同位素的寿命。如P(磷)32的半衰期是14.3天，就是说，假使原 来有100万个P(磷)32 原子，经过14.3天后，只剩下 50万个了。半衰期是放射性同位素的一特征常数，不同的放 射性同位素有不同的半衰期，衰变的时候放射出射 线的种类和数量也不同。2核辐辐射放射性同位素在衰变过变过 程中放出带带有一定能 量的粒子或射线线，这这种现现象称为为“核辐辐射”。核辐辐 射包括a、b、g三种射线线。其中a 射线线由带带正电电的a 粒子（即氦原子核）组组成；b 射线线由带带有一定能量 电电子组组成；g 射线线由光子组组成。放射性的
3、强弱称为为放射性强度，由单单位时间时间 内发发生衰变变的次数来表示。放射性强度也是按指数 规规律随时间时间 而减小，即 初始时放射性强度t秒后放射性强度放射性强度的单单位是居里（Ci）。1居里等于 放射源每秒钟发钟发 生3.71010次核衰变变。在检测仪检测仪 表 中，居里单单位太大，所以经经常使用的单单位是毫居里 （mCi）。在国际单际单 位制中，放射性强度单单位用贝贝柯勒 尔（becquerel）表示，简简称贝贝可，为为1秒钟钟内发发生 一次核衰变变，符号为为Bq。1Bq=2.70310-11Ci 3核辐辐射与物质间质间 的相互作用放射性同位素放射出的射线碰到各种 物质的时候，会产生各种效
4、应，它包括射 线对物质的作用和物质对射线的作用两个 相互联系的方面。对核射线来说，它是一种能量传递和 能量损耗过程，对受照射物质来说， 它是 一种对外来能量的物理性反应和吸收过程 。 1）电电离作用具有一定能量的带电带电 粒子在穿过过物 质时质时 在它们经过们经过 的路程上形成许许多离子 对对，称为电为电 离作用。电电离作用是带电带电 粒 子与物质质相互作用的主要形式。a 粒子由 于能量大，电电离作用最强，但射程较较短（ 所谓谓射程是指带电带电 粒子在物质质中穿行时时， 在能量耗尽停止运动动前所经过经过 的直线线距离 ）。b 粒子质质量小，电电离能力比同样样能量 的a 粒子要弱,由于粒子易于散
5、射，所以 其行程是弯曲的。g 粒子没有直接电电离的 作用。2）核辐辐射的散射与吸收a、b、g 射线线穿过过物质时质时 ，由于电电磁场场作用，原子中 的电电子会产产生共振。振动动的电电子形成向四面八方的电电磁波 源，使粒子和射线线的能量被吸收而衰减。能量的衰减规规律 ：式中J、J0分别为射线穿透物质前、后的辐射强度，h为 穿透物质的厚度，为物质的密度，am为物质的质量吸收系 数。三种射线线中，射线线穿透能力最强，射线线次之，射 线线最弱，射线线的穿透厚度比、要大得多。射线穿透物质时，容易改变其运动方向而产生散射 现象。当产生相反方向散射时，即出现了反射现象。反 射的大小取决于散射物质的性质和厚度
6、。射线的散射 随物质的原子序数增大而加大。当原子序数增大到极限 情况时，投射到反射物质上的粒子几乎全部反射回来。 反射的大小与反射物质的厚度有如下关系：式中：Jh 反射物质厚度为h(mm)时，放射线被反射 的强度；Jm 当h趋向无穷大时的反射强度，Jm与原子序 数有关；h 辐射能量的常数。当J0、am、Jm、h、等已知后，只要测出J或Jh就 可求出其穿透厚度h。另一方面，当J0、am、h等已知后， 只要测出J就可求物质的密度。核辐射与物质间的相互作用是进行核辐射检测的物 理基础。利用电离、吸收和反射作用并结合 、 b 和射 线的特点可以完成多种基础工作。 例如利用 射线实现气体分析、气体压力和
7、流量的测 量；射线由于贯穿本领强，可以用来检查金属内部有 没有沙眼或裂纹，所用的设备叫射线探伤仪。射线 的 电离作用很强，可以用来消除机器在运转中因摩擦而产 生的有害静电。利用b射线进线进 行带带材厚度、密度、覆盖层层厚度等的 检测检测 ；利用g射线线完成材料缺陷、物位、密度等检测检测 与 大厚度的测测量等。 13.1.2 核辐射传感器1电离室放射线传感器电离室放射线传感器如图所示。电离室两侧设有两 块平行极板，对其加上极化电压使两极板间形成电场。 当有粒子或射线射向两极板间空气时，空气分子被电离 成正、负离子。带电离子在电场作用下形成电离电流， 并在外接电阻R上形成压降。测量此压降值可得核辐
8、射的 强度。电离室主要用于探测、粒子。 电离室的窗口直径约100mm左右，不必 太大。射线的电离室同、的电离 室不太一样，由于射线不直接产生电 离，因而只能利用它的反射电子和增加 室内气压来提高光子与物质作用的有 效性，因此，射线的电离室必须密闭 。2盖格计数管盖格计数管又称为气体放电计数管，其中心有一根金属丝并与管子绝 缘，它是计数管的阳极；管壳内壁涂有导电金属层，为计数管的阴极，并 在两极间加上适当电压。计数管内充有氩、氮等气体。当核辐射进入计数 管内后，管内气体被电离。当电子在外电场的作用下向阳极运动时，由于 碰撞气体产生次级电子，次极电子又碰撞气体分子，产生新的次级电子， 这样次级电子
9、急剧倍增，发生“雪崩”现象使阳极放电。盖格计数管的特性曲线如下图所示。J1、J2代表入射的核辐射强度， 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， 盖格计数管内严生的脉冲N越多。盖格计数管常用于探测射线和粒子 的辐射量(强度)。 3闪烁计闪烁计 数器闪烁晶体是一种受激发光物质，有固态、液态、气 体三种和有机与无机两大类。有机闪烁闪烁 晶体的特点是发发 光时间时间 常数小，只有与分辨率高的光电电倍增管配合才能 获获得10-10s的分辨时间时间 ，并且容易制成较较大的体积积，常 用于探测测b粒子。无机闪烁闪烁 晶体的特点是对对入射粒子的 阻止本领领大，发发光效率高，有很高的
10、探测测效率，常用于 探测测g 射线线。闪烁计闪烁计 数器的组组成如图图所示。当核辐辐射进进 入闪烁闪烁 晶体时时，晶体原子受激发发光，透过过晶体射到光电电 倍增管的光阴极上，根据光电电效应应在光阴极上形成电电流 脉冲，从而得到与核辐辐射有关的电电信号。13.1.3 核辐射检测技术的应用核辐射传感器除了用于核辐射的测量外 ，也能用于气体分析、流量、物位、重量、 温度、探伤以及医学等方面。1核辐射在线测厚仪核辐射在线测厚仪是利用物质对射线的 吸收程度或核辐射散射与物质厚度有关的原 理进行工作的。下图是利用差动和平衡变换 原理测量镀锡钢带镀锡层的厚度测量仪。图中3、4为两个电离室，电离室外壳加上极性
11、相反 的电压，形成相反的栅极电流，使电阻R的压降正比于 两电离室核辐射强度的差值。电离室3的核辐射强度取 决于放射源2，放射线经镀锡钢带镀层后的反向散射； 电离室4的辐射强度取决于辅助放射源8的放射线经挡板 5的位置调制。利用R上的电压，经过放大后，控制电机 转动，以此带动挡板5位移，使两电离电流相等。如用 检测仪表测量出挡板5的移动位置，即可获得镀层的厚 度。1-锡层 2放射源 3、4-电离室 5-挡板 6-电机 7-滚子 8-辅助放射源 9-钢带透射式厚度计如下图所示，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 于被测物体的两侧，射线穿过被测物体后射入
12、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。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。 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。2核辐辐射物位计计不同介质对质对 g 射线线的吸收能力是不同的，固体吸收能 力最强，液体次之，气体最弱。若核辐辐射源和被测测介质质一 定，则则被测测介质质高度H与穿过过被测测介质质后的射线线强度I的 关系为为式中 I0、I穿过过被测测介质质前、后的射线线强度；m 被测测介质质的吸收系数。探测测器将穿
13、过过被测测介质质的I值检测值检测 出来，并通过仪过仪 表显显示H值值。目前用于测测量物位的核辐辐射同位素有Co60 及Cs137，因为为它们们能发发射出很强的g 射线线，半衰期较长较长 。g 射线线物位计计一般用于冶金、化工和玻璃工业业中的物 位测测量，有定点监视监视 型、跟踪型、透过过型、照射型和多 线线源型。g 射线线物位计计的特点是：1.可以实现实现 非接触测测量； 2.不受被测测介质质温度、压压力、流速等状态态的限制；3.能 测测量比重差很小的两层层介质质的界面位置；4.适宜测测量液 体、粉粒体和块块状介质质的位置。应用射线检测物位的方法有很多，下图给出了其中一些典 型的应用实例。 图
14、(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。 图 (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 (b)存在的上述缺点，可采用线状的射线源， 如 图(c)；或采用线状的探测器，如图(d)。虽然对射线源或探测
15、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。 3核辐辐射流量计计测测量气体流量时时，一般需将敏感元件插在被测测气流 中，这样这样 会引起压压差损损失，若气体具有腐蚀蚀性又会损损坏 敏感元件。应应用核辐辐射测测量流量即可避免上述问题问题 。核 辐辐射气体流量计计原理如图图所示。气流管壁中装有两个电电 位差不同的电电极。其中一个涂有放射性物质质，它放出的 粒子可以使气体电电离。当被测测气体流过电过电 离室时时，部分 离子被带带出电电离室，因而室内的电电离电电流减小。当气体 流动动速度加大时时，从电电离室带带出的离子数增多，电电离电电 流减小也越多。由于辐辐射强度、
16、离子迁移率等因素也会 影响电电离电电流，为为了提高测测量准确度，应应采用差动测动测 量 线线路。此法同样适合于其他流体流 量的测量。若在流动的液体中加 入少量放射性同位素，还可运用 放射性同位素跟踪法求取流体的 流量。4核辐辐射探伤伤放射源放在被测测管道内，沿着平行管道焊缝焊缝 与探 测测器同步移动动。当管道焊缝质焊缝质 量存在问题时问题时 ，穿过过管 道的g 射线线会产产生突变变，探测测器将收到的信号经过经过 放 大，然后送入记录仪记录记录仪记录 下来。 13.2 超声检测超声技术是一门以物理学、电子学、机械及材料科学 为基础、应用十分广泛的通用技术之一。在国民经济中， 对提高产品质量，保障生产安全和设备安全运行，降低生 产成本，提高生产效率等具有重要的意义。超声波具有聚束、定向及反射、散射、透射等特性。 按超声振动辐射大小不同大致可分为：利用
