核辐射传感器

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1、题 目:核辐射传感器 电子信息工程延安大学西安创新学院传感器技术作业专业名称 学生姓名 学生学号 指导教师核辐射传感器摘要:近年来，核辐射传感器由于具有众多优良特性，得到了广泛的关注。本文 从核辐射的基本性质开始阐述，系统的介绍了核辐射传感器的组成、原理以及几 种常见的核辐射传感器的工作原理。关键词: 核辐射 传感器 核辐射传感器 探测器 电离室Summary:In recent years, because of the nuclear radiation sensors many good qualities, received extensive attention. This arti

2、cle from the nuclear radiation basic properties to formulate, system introduced the nuclear radiation sensors component, the principle and several common gamma radiation sensor principle of work.Keywords: radiation transducer nuclear radiation transducer detector ionization chamber目录摘要1. 核辐射-3-1.1核辐

3、射的定义-3-1.2 辐射单位 -3-1.3核辐射的种类及性质-4-2. 核辐射传感器-4-2.1核辐射放射源-4-2.1.1核辐射强度J-5-2. 1. 2核辐射线与物质的相互作用-5-2.2核辐射探测器-6-2.2.1电离室-6-2. 2. 2气体放电计数管（盖格计数管） -8-2.2.3闪烁计数器-9-2 . 2 . 4正比计数管 -9-2. 3半导体探测器-10-3. 核辐射传感器的应用 -10-3.1核辐射厚度计-10-3.2核辐射液位计-12-3.3核辐射物位计-13-3.4 X荧光材料成分分析仪-14-4. 核辐射传感器的发展前景 -15-5. 放射性辐射的防护-15-参考文献-

4、17-正文1.核辐射核辐射,或通常称之为放射性，它存在于所有的物质之中，既包括我们所喝的 水和呼吸的空气之中。核辐射是原子核从一种结构或一种能量状态转变为另一种 结构或另一种能量状态过程中所释放出来的微观粒子流。1.1核辐射的定义各种物质都是由一些最简单的物质所组成的，人们把这些最简单的物质称为 元素，如碳、氢和氧等,组成每种元素的最基本单元就是原子。凡是在元素 周期表中占同一位置，原子序相同而原子质量不同的元素，这种元素称为同 位素。原子如果不是由于外来的原因，而是自发地发生原子核结构的变化， 则称为核衰变，具有这种核衰变性质的同位素叫做放射性同位素。在衰变中 释放出一种特殊的，带有一定能量

5、的粒子或射线，这种现象称为核辐射或放 射性。放射性同位素的核衰变是原子核的“本征”特性,实验表明，放射源的强度 是随着时间按指数定理而递减的，放射源强度衰变的速度取决于放射放射性衰变 常数入，入值越大则衰变越快，即：I=I e- t0 (1-1)式中：I0开始时(t=0)的放射源强度；I 经过时间t后的放射源强度；入放射性衰变常数；t 放射时间。1.2 辐射单位表1常用辐射单位物理量老单位新单位换算关系活度居里(Ci)贝克勒尔(Bq)1Ci=3.7X lOlOBq照射量伦琴(R)库仑/千克(C/kg)1R=2.58X10 -4C/kg吸收剂量拉德(rad)戈瑞(Gy)1Gy=100rad剂里当

6、里雷姆(rem)希沃特(Sv)1Sv=100rem1.3核辐射的种类及性质根据核辐射性质的不同，放射出的粒子或射线有a射线、B射线、入射线、 X射线等。1) a粒子一般具有41 OMeV能量。用a粒子电离气体比其他辐射强得多， 因此在检测中，a辐射主要用于气体分析，用来测量气体压力和流量等参 数。2) B粒子实际上是高速运动的电子，它在气体中的射程可达20m。在自 动检测仪表中，主要是根据B粒子的辐射和吸收来测量材料的厚度，密度 或重量；根据辐射的反应和散射来测量覆盖的厚度，利用B粒子很大的电 力能力来测量气体流量。3) 入射线是一种从原子核内发射出来的电磁辐射，它在物质中的穿透能 力比较强，

7、在其气体中的射程为数百纳米，能穿过几千米厚的固体物质。入 射线被广泛应用在各种检测仪表中，特别是需要辐射和穿透力前的情况， 如金属探伤，侧厚以及测量物体的密度等。4) X射线是由原子核外的内层电子被激发而放出的电磁波能量。1.4核辐射的危害当人们暴露于核辐射环境下，可能会得辐射病。这种病是有症状的。几小时 内你就会感到恶心呕吐，随后会出现腹泻、头痛或发烧等症状。在最初的症状过 去之后，可能会出现一个短暂的无症状期，但数周后就会出现新的、更严重的症 状。在更高的辐射剂量下，这些症状可能出现的更快，也更明显。同时，核辐射 会对人体内脏造成广泛的，很多时候甚至是致命的伤害。暴露在核辐射中，一半 的健

8、康成年人无法承受4戈雷的辐射剂量。2. 核辐射传感器核辐射传感器利用放射性同位素来进行测量的传感器，又称放射性同位素传 感器。核辐射传感器是基于被测物质对射线的吸收、反散射或射线对被测物质的 电离激发作用而进行工作的。核辐射传感器一般由放射源，探测器以及电信号转换电路组成，可以检测厚 度和物位等参数。放射源和探测器是核辐射传感器的重要组成部分，放射源由放 射性同位素物质组成。探测器即核辐射检测器，它可以探测出射线的强弱及变化。 随着核辐射技术的发展，核辐射传感器的应用越来越广泛。2.1核辐射放射源检测技术常用四种核辐射源：a, B,入射线源和X射线管。2.1.1核辐射强度J单位时间内在垂直于射

9、线前进方向的单位截面积上穿过的能量的大小，称为核辐射强度J。一个点源照射在面积为S的检测器上，其辐射强度J为KS(2-1)r辐射源到检测器之间的距离；0A 源强度；C 在源强度为1居里时,每秒放射出粒子数K 次裂变放射出的射线数；S 检测器的工作面积。如果知道粒子的能量,则辐射强度的计算公式为(2-2)J0 二 A - C - E x 1.6 x 10_13 W M 2E粒子的能量(MeV )2.1.2核辐射线与物质的相互作用1) 电离作用: 带电粒子和物质相互作用的主要形式。射程: 带电粒子在物质中穿行时其能量逐渐耗尽而停止运动,其穿行的一 段距离(起点和终点的距离)叫离子的射程。射程是表示

10、带电粒子在物质中被吸收 的一个重要参数。1E2 AE(2-3)E 带电粒子的能量；AE离子对的能量；A 源强度；C 在源强度为1居里时,每秒放射出的粒子数。2) 核辐射的吸收和散射 一个细的平行的射线束穿过物质层后其强度衰减经验公式：J = J e pmpx0(2-4)J穿过厚度为x mm的物质后辐射强度；J射入物质前的辐射强度；x 吸收物质的厚度；口m物质的质量吸收系数；P物质密度。B射线的质量吸收系数近似公示：2.2卩 ” 、mE 4J3（25）0 maxE B粒子的最大能量。3）散射问题B射线在物质中穿行是容易改变运动方向而产生散射现象。尤其是向 反方向的散射即反射。反射的大小取决于散射

11、物质的厚度和性质的原子序数Z 越大，则B粒子的散射百分比也越大。发射的大小与反射板的厚度有关：J(2-6)S maxJ 反射板为x mm时，放射线被反射的强度;SJ =f（z）当X趋于无穷大时的反射强度；（s）取决于辐射能量的常属。2.2核辐射探测器探测器就是核辐射的接收器，它是核辐射传感器的重要组成部分，是指能够 指示、记录和测量核辐射的材料或装置。其用途就是将核辐射信号转化成电信号, 从而探测出射线的强弱和变化。目前用于检测仪表上的主要有电离室，闪烁计数 器和盖格计数等。2.2.1电离室电离室是气体探测器中原理最简单的。电离室的正常工作是利用电场收集在 气体中直接电离所产生的全部电荷。2.

12、1电藍室电离室由两个基本电极组成，一个是高压 电极，另一个是收集电极，室内充有高压气体 氩气，外面是一个密封外壳。气体探测器的原理是，当探测器受到射线 照射时，射线与气体中的分子作用，产生由一 个电子和一个正离子组成的离子对。这些离子 向周围区域自由扩散。扩散过程中，电子和正离子可以复合重新形成中性分子。但是，若在构成气体探测器的收集极和高压极 上加直流的极化电压V，形成电场，那么电子和正离子就会分别被拉向正负两极, 并被收集。随着极化电压V逐渐增加，气体探测器的工作状态就会从复合区、 饱和区、正比区、有限正比区、盖革区（G- M区）一直变化到连续放电区。JHH I|1E图2.2电离室示意图图

13、2.2为电离室示意图。电离室两侧设有二块平行极板，对其加上极化 电压E使二极板间形成电场。当有粒子或射线射向二极板间空气时，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。测量此压降值即可得核辐射的强度。电离室主要用于探测 a、B粒子，它具有坚固、稳定、成本低、寿命长等优点，但输出电流很小。电离室的结构有各种类型，现已圆筒形电离室为例来说明其结果，如图 2.3所示收集极4绝缘必须好,如果绝缘不良，极微小的电离电流也会漏掉， 就可能测不到信号在收集极4和高压极5之间配有保护环2,保护环与收集 极和高压极之间是绝缘的，且保护环要接地，这是为了使高压不致漏

14、到收集极 去干扰有用信号。02.3區1筒形电离室结枸示意囹1,3绝煖物2保护开 4 收辜扱5高压极6外壳丁-膿铝薄篠电离室除了空气式外，还有密封充气的,一般充氩等惰性气体，气压可稍大 与大气压，这有助于增大电流，同时密封可以维护内部气压的恒定，减少受外界 气压波动而带来的影响.电离室的入射窗口通常用铝箱或其他塑料薄膜，它的密 度要尽可能小，以减少射线入射时在上面造成的能量损失，同时又要有足够的强 度，以承受内部的气压。电离室的结构必须非常牢固，尤其是电极结构更要牢固，否则会由于周围的振 动引起信号的波动而无法测量。由于a粒子、B粒子和Y射线性质各不相同，能量也不一样，所以用来探测的 电离室也互

15、不相同，不能互相通用。2.2.2气体放电计数管（盖格计数管）圏N4气体放电计数管示童国盖格计数管也是根据射线对气体的电 离作用而设计的辐射探测器.它与电离室 不同的地方主要在于工作在气体放电区 域，具有放大作用。其结构如右图所示. 计数管以金属圆筒为阴极，以筒中心的一 根钨丝或钼丝为阳极，筒和丝之间用绝缘 体隔开。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部或 在外壳内用金属筒作阴极。在盖格计数管中，阴极和阳极间施加 比计数管高的电压.X射线、a射线、B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央丝极传播到 整个计数管内。由于电子漂