核辐射与辐射技术

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1、核技术应用主讲人：杨志达主讲人：杨志达核科学与技术学院核科学与技术学院 2011.81课 程 安 排通识教育选修课，为全校学生开设；通识教育选修课，为全校学生开设；特点是涉及范围广泛，不追求深度；特点是涉及范围广泛，不追求深度；课堂教学共课堂教学共8次课，计次课，计16学时；学时；讲授完即考试，考试时间讲授完即考试，考试时间2小时，开卷；小时，开卷；参考资料：课堂参考资料：课堂PPT+PPT+核能与核技术概论核能与核技术概论（修订版）清华大学工程物理系（修订版）清华大学工程物理系考试成绩考试成绩60%+60%+平时出勤平时出勤40%40%2核技术概念核能涵盖三类技术：核能涵盖三类技术：1 1）

2、产生核爆炸所需的）产生核爆炸所需的技术；技术；2 2）使反应堆的水加热）使反应堆的水加热驱动汽轮机的技术；驱动汽轮机的技术；3 3）核技术应用核技术应用3 核技术核技术是核科学的技术应用，是核科学的技术应用，是当代最新的尖端技术和社会是当代最新的尖端技术和社会现代化的标志之一。现代化的标志之一。 国家自然科学基金委员会国家自然科学基金委员会广义核技术广义核技术-核武器、核动力，核武器、核动力，及同位素技术及同位素技术与辐射与辐射技术技术狭义核技术狭义核技术-同位素技术与辐同位素技术与辐射技术射技术4 同位素技术与辐射技术的基本内涵同位素技术与辐射技术的基本内涵1).1).辐射技术辐射技术即利用

3、辐射源放出的辐射，如即利用辐射源放出的辐射，如、射线、中子等与物质相互作用的特点，实现测量客体射线、中子等与物质相互作用的特点，实现测量客体的分析、成像、改性等功能。的分析、成像、改性等功能。 主要有：辐射检测仪表；辐射和离子束加工；辐射主要有：辐射检测仪表；辐射和离子束加工；辐射成像技术；核分析技术等。成像技术；核分析技术等。 2).2).同位素技术同位素技术利用放射性同位素的物理、化学利用放射性同位素的物理、化学特征，尤其是放射性便于探测的特点，实现放射性核素特征，尤其是放射性便于探测的特点，实现放射性核素示踪物的测量。示踪物的测量。主要有：放射性核素年代学；同位素示踪；同位素主要有：放射

4、性核素年代学；同位素示踪；同位素药物及标记化合物；同位素能源等。药物及标记化合物；同位素能源等。 注：同位素是指质子数相同而中子数不同的核素。注：同位素是指质子数相同而中子数不同的核素。 5核技术应用的三性：核技术应用的三性：广泛性、渗透性及广泛性、渗透性及某些场合下的不可取代性。某些场合下的不可取代性。典型应用举例：典型应用举例：* *热（冷）轧钢板测热（冷）轧钢板测厚仪厚仪-快速、高温快速、高温、非接触测量等；、非接触测量等；* *核医学核医学-现代医学现代医学的标志；的标志；* *以电子束烟气脱硫以电子束烟气脱硫技术为代表的环保应用技术为代表的环保应用；6无人知道的事实美国美国日本日本中

5、国中国核技术年产值（亿）核技术年产值（亿）35001500386核能核能700（20%）750（50%）86（22.3%）非非核能核能2800（80%）750（50%）300（77.7%）据据报导（20032003年）年）美国和日本的国民美国和日本的国民经济总产值中，核技中，核技术的的贡献献约占占3%-4%3%-4%。非核能技术的应用非核能技术的应用举足轻重的作用举足轻重的作用 这说明我国核技术应用有着一个很大的市场空间和很好的发展前景这说明我国核技术应用有着一个很大的市场空间和很好的发展前景 7核辐射与辐射技术（一）1.1 常用的核辐射类型及特征常用的核辐射类型及特征1.2 射线与物质的相互

6、作用射线与物质的相互作用8耶稣裹尸布真伪之争 加速器质谱技术9包公遗骨之谜 嘉佑七年五月已未（嘉佑七年五月已未（13日），日），方视事，疾作以归。上遣使赐方视事，疾作以归。上遣使赐良药。辛未（良药。辛未（25日），遂以不日），遂以不起闻。起闻。 包拯墓志铭包拯墓志铭同步辐射x射线荧光分析技术10两个故事的共同点：两个故事的共同点： 1、射线产生、射线产生 2、射线与靶物质发生作用、射线与靶物质发生作用 3、核探测分析手段、核探测分析手段11辐射类型 射线射线: :是指各种快速粒子束。是指各种快速粒子束。阿尔法阿尔法射线射线：贝塔贝塔射线射线： ， X X射线射线伽玛伽玛射线射线中子中子质子质子

7、.12射线氦核氦核两个中子，两个质子两个中子，两个质子谱线为分立谱谱线为分立谱应用举例：应用举例：1、原子核的发现、原子核的发现 2、1967年年“探险者探险者V V”的的“ 散射探测器散射探测器”13射线本质上是电子本质上是电子分为两种：分为两种： 是连续谱是连续谱核电荷改变而核子数不变核电荷改变而核子数不变应用：阴极射线管成像应用：阴极射线管成像14X射线X射线本质上是核外电子产生的短波电磁辐射线本质上是核外电子产生的短波电磁辐射，因而穿透能力很强。射，因而穿透能力很强。1、连续谱、连续谱轫致辐射（刹车辐射）轫致辐射（刹车辐射）2、壳层电子的跃迁、壳层电子的跃迁特征辐射特征辐射3、俄歇电子

8、、俄歇电子1516X射线谱轫致辐射连续谱壳层电子跃迁特征谱17X特征辐射 特征特征x射线谱是元素的射线谱是元素的“指纹指纹”，成为元，成为元素分析的工具，包括：素分析的工具，包括： （1）电子）电子x荧光分析荧光分析 （2）质子）质子x荧光分析荧光分析 （3）离子）离子x荧光分析荧光分析 （4） x荧光分析荧光分析应用：包公遗骨之谜应用：包公遗骨之谜18射线原子核从激发态向低激发态或基态越迁，同时放原子核从激发态向低激发态或基态越迁，同时放出出 射线，穿透能力极强。射线，穿透能力极强。产生方式与产生方式与X射线的区别射线的区别例子：例子：应用：应用： 射线照相机等射线照相机等19中子特点：不带

9、电，与质子质量相当，自由中子不稳定。特点：不带电，与质子质量相当，自由中子不稳定。产生方式：产生方式： （1）同位素中子源同位素中子源：利用放射性同位素的射线轰击某些稳：利用放射性同位素的射线轰击某些稳定的轻元素物质（靶物质），发生核反应放出中子。重核定的轻元素物质（靶物质），发生核反应放出中子。重核裂变也可以产生，锎裂变也可以产生，锎252。 （2）反应堆中子源反应堆中子源：以铀：以铀-235等为裂变材料，以中子为媒等为裂变材料，以中子为媒介，维持可控的链式裂变反应的装置。优点是通量大。介，维持可控的链式裂变反应的装置。优点是通量大。 （3）加速器中子源加速器中子源：利用各类加速器加速带电粒

10、子轰击某：利用各类加速器加速带电粒子轰击某些靶核，以其发射中子的反应。中子强度能准确确定，不些靶核，以其发射中子的反应。中子强度能准确确定，不运行时放射性很小。运行时放射性很小。应用：中子散射技术，中子活化分析应用：中子散射技术，中子活化分析20核衰变一种核素的原子核能自发的放出某种射线一种核素的原子核能自发的放出某种射线（粒子）而转变为另一种核素的原子核或另（粒子）而转变为另一种核素的原子核或另一种能量状态的原子核，这个过程称为核衰一种能量状态的原子核，这个过程称为核衰变。主要有：变。主要有：放射性核素衰变规律是核技术应用的重要基放射性核素衰变规律是核技术应用的重要基础础21核素的衰变规律指

11、数衰变：指数衰变： 在在dt时间内发生的衰变数目为时间内发生的衰变数目为-dN，正比于当时，正比于当时存在的原子核数目存在的原子核数目N，也正比于时间，也正比于时间dt。衰变常数：衰变常数： ，单位时间内一个原子核的衰变几率。，单位时间内一个原子核的衰变几率。半衰期：半衰期： ，衰变到原有核素一半的时间，衰变到原有核素一半的时间22放射性活度及其单位定义：放射性物质在单位时间内发生衰变定义：放射性物质在单位时间内发生衰变的原子核数称为该物质的放射性活度。的原子核数称为该物质的放射性活度。居里：居里：贝克勒尔：贝克勒尔：23居里夫人居里夫人 贝克勒尔贝克勒尔1903年第三届诺贝尔物理学奖年第三届

12、诺贝尔物理学奖24放射性活度与质量的关系通过测量放射性活度可计算无载体放射性核素的质量。原理如下： 设放射性活度为A,无载体放射性核素样品质量为m,原子量为An,阿伏加德罗常数Na也已知。根据放射性活度A与放射性原子数N的关系得： 25核仪器可以测出核仪器可以测出1Bq的的 放射性，其质量放射性，其质量相当于相当于 克，这比良好的天平克，这比良好的天平 克，微量克，微量化学分析化学分析 ，光谱分析，光谱分析 克都灵敏得多。克都灵敏得多。261.2射线与物质的相互作用重要性：重要性： 原子核衰变和核反应所产生的各种射线原子核衰变和核反应所产生的各种射线通过物质时，与物质相互作用而逐步损失通过物质

13、时，与物质相互作用而逐步损失能量，最终被物质吸收。物质吸收了射线能量，最终被物质吸收。物质吸收了射线的能量，产生一系列物理、化学变化和生的能量，产生一系列物理、化学变化和生物效应。所以，射线与物质的相互作用是物效应。所以，射线与物质的相互作用是核辐射探测、核物理实验、辐射防护和核核辐射探测、核物理实验、辐射防护和核技术应用的基础。技术应用的基础。27主要有：主要有：（1）带电粒子与物质的相互作用）带电粒子与物质的相互作用 （2）X、 射线与物质的相互作用射线与物质的相互作用 （3）中子与物质的相互作用）中子与物质的相互作用28（1）带电粒子与物质的作用根据动能动量守恒定律，分为四种：根据动能动

14、量守恒定律，分为四种： （1）与原子核的弹性碰撞）与原子核的弹性碰撞 （2）与核外电子的弹性碰撞）与核外电子的弹性碰撞 （3）与原子核的非弹性碰撞）与原子核的非弹性碰撞 （4）与核外电子的非弹性碰撞）与核外电子的非弹性碰撞29带电粒子与物质的相互作用（一）电离和激发（一）电离和激发 带电粒子与物质的相互作用主要是带电粒子与物质的相互作用主要是电离电离和和激发激发。 带电粒子射入物质，与它周围原子的壳层电带电粒子射入物质，与它周围原子的壳层电子发生库仑作用，电子获得足够能量克服原子的子发生库仑作用，电子获得足够能量克服原子的束缚而成为自由电子，此时原子被分离成一个自束缚而成为自由电子，此时原子被

15、分离成一个自由电子和一个正离子，此过程称为由电子和一个正离子，此过程称为电离电离。如果电。如果电子获得的能量不足以克服原子束缚，它就会被激子获得的能量不足以克服原子束缚，它就会被激发到能量较高的状态，此过程称为发到能量较高的状态，此过程称为激发激发。30带电粒子与物质的相互作用 由原入射带电粒子直接与原子作用产生由原入射带电粒子直接与原子作用产生的电离称为的电离称为直接电离直接电离或或初级电离初级电离。电离过。电离过程中，带电粒子与原子碰撞打出能量比较程中，带电粒子与原子碰撞打出能量比较高的电子能进一步使物质的原子电离和激高的电子能进一步使物质的原子电离和激发，称为发，称为次级电离次级电离。射

16、线在物质中产生一。射线在物质中产生一个离子对所消耗的平均能量称为个离子对所消耗的平均能量称为平均电离平均电离能能。31带电粒子与物质的相互作用（二）散射（二）散射 带电粒子与原子核发生弹性碰撞，带电带电粒子与原子核发生弹性碰撞，带电粒子受原子核库仑场作用，只改变其运动粒子受原子核库仑场作用，只改变其运动方向，但不辐射光子，也不激发原子核，方向，但不辐射光子，也不激发原子核，这个过程称为这个过程称为弹性散射。弹性散射。32带电粒子与物质的相互作用（三）轫致辐射（三）轫致辐射 当高速运动的电子靠近原子核时，由于当高速运动的电子靠近原子核时，由于库仑力的作用，电子发生骤然减速，这时库仑力的作用，电子

17、发生骤然减速，这时电子能量的一部分或全部转变为连续能量电子能量的一部分或全部转变为连续能量的电磁辐射发射出来，称为的电磁辐射发射出来，称为轫致辐射轫致辐射。应用：应用：X射线探伤射线探伤33带电粒子与物质的相互作用（四）契伦科夫辐射（四）契伦科夫辐射 高速运动的电子通过折射率高速运动的电子通过折射率n1的透明的透明物质时，若其速度大于光在该介质中的传物质时，若其速度大于光在该介质中的传播速度播速度c/n，这时高速运动着的电子将损失这时高速运动着的电子将损失能量，并沿一定方向发射出接近紫外波长能量，并沿一定方向发射出接近紫外波长范围的微弱可见光，称为范围的微弱可见光，称为契伦科夫辐射。契伦科夫辐

18、射。 应用：契伦科夫探测器应用：契伦科夫探测器34带电粒子与物质的相互作用（五）湮没辐射（五）湮没辐射 正电子与物质相互作用，其能量耗尽时和物质正电子与物质相互作用，其能量耗尽时和物质中的负电子相结合，正负电子的静止质量立即转中的负电子相结合，正负电子的静止质量立即转化为两个运动方向相反，能量各为化为两个运动方向相反，能量各为0.511MeV的的 光子而自身消失，这种现象称为光子而自身消失，这种现象称为湮没辐射湮没辐射应用：正电子成像（第三代成像技术）应用：正电子成像（第三代成像技术）35重带电粒子与物质的相互作用 重带电粒子通过物质时逐渐损失动能，重带电粒子通过物质时逐渐损失动能，最后俘获物

19、质中的电子形成中性原子，即最后俘获物质中的电子形成中性原子，即被吸收。重带电粒子能量较大时，失去动被吸收。重带电粒子能量较大时，失去动能的方式主要是与靶原子的轨道电子做非能的方式主要是与靶原子的轨道电子做非弹性碰撞产生电离和激发。能量极低时，弹性碰撞产生电离和激发。能量极低时，可与靶原子核发生弹性碰撞。可与靶原子核发生弹性碰撞。电离电离和和激发激发是重带电粒子与物质作用的导致能量损失是重带电粒子与物质作用的导致能量损失的主要方式。的主要方式。36重带电粒子与靶原子核碰撞应用溅射溅射：粒子束轰击样品时，如果靶原子获得能量：粒子束轰击样品时，如果靶原子获得能量而逃出样品表面，称这种过程为溅射。会导

20、致固而逃出样品表面，称这种过程为溅射。会导致固体表面原子的损失或化合物成分的改变。在表面体表面原子的损失或化合物成分的改变。在表面分析、溅射镀膜技术、离子蚀刻微细加工等方面分析、溅射镀膜技术、离子蚀刻微细加工等方面有重要应用。有重要应用。离子注入离子注入：一定能量的入射离子通过与物质相互：一定能量的入射离子通过与物质相互作用而损失能量，最终停止在物质中，称为离子作用而损失能量，最终停止在物质中，称为离子注入。可改变注入层的化学成分和性质，广泛应注入。可改变注入层的化学成分和性质，广泛应用于半导体器件的生产和新材料的合成。用于半导体器件的生产和新材料的合成。37背散射分析背散射分析：入射粒子与靶

21、原子核发生弹性碰撞入射粒子与靶原子核发生弹性碰撞后，发生大角度散射（背散射）后，发生大角度散射（背散射）,散射截面与入射散射截面与入射粒子的能量、角度、种类及靶原子的种类有关。测粒子的能量、角度、种类及靶原子的种类有关。测量背散射时粒子的能量和数量可以对靶原子进行定量背散射时粒子的能量和数量可以对靶原子进行定性、定量分析。性、定量分析。辐射加工辐射加工：粒子束对材料的辐射可引起物理和化粒子束对材料的辐射可引起物理和化学性质的变化。在新材料开发、辐射消毒、航天材学性质的变化。在新材料开发、辐射消毒、航天材料的辐射损伤研究有应用。料的辐射损伤研究有应用。重带电粒子与靶原子核碰撞应用重带电粒子与靶原

22、子核碰撞应用38重带电粒子的射程重带电粒子的射程 粒子在物质中运行沿着入射方向所能达粒子在物质中运行沿着入射方向所能达到的最大直线距离，叫做入射粒子在该物到的最大直线距离，叫做入射粒子在该物质中的质中的射程。射程。 很显然，重带电粒子的质量大，所以轨很显然，重带电粒子的质量大，所以轨迹基本上是直线，只是在末端稍有弯曲，迹基本上是直线，只是在末端稍有弯曲，所以其平均射程与它的轨迹平均值是一样所以其平均射程与它的轨迹平均值是一样的。的。39轻带电粒子与物质的相互作用轻带电粒子与物质的相互作用 主要是电子，由于质量轻，速度快，因而主要是电子，由于质量轻，速度快，因而在与物质作用时，其能量损失和运动轨

23、迹在与物质作用时，其能量损失和运动轨迹与重带电粒子不同。电离与激发是一般能与重带电粒子不同。电离与激发是一般能量的轻带电粒子损耗动能的主要形式；轫量的轻带电粒子损耗动能的主要形式；轫致辐射是高能轻带电粒子损耗动能的主要致辐射是高能轻带电粒子损耗动能的主要形式；弹性散射是很低能的轻带电粒子损形式；弹性散射是很低能的轻带电粒子损失动能的主要形式。失动能的主要形式。40（2）射线与物质的相互作用 射线属于射线属于电磁辐射电磁辐射，波长短因而能量高，波长短因而能量高，所以贯穿本领强。与物质作用时通过三种效所以贯穿本领强。与物质作用时通过三种效应应光电效应、康普顿效应和电子对效应光电效应、康普顿效应和电

24、子对效应产生次级电子而使原子电离或激发。与物质产生次级电子而使原子电离或激发。与物质作用时，一次可失去全部能量（如光电效应，作用时，一次可失去全部能量（如光电效应，电子对效应）或大部分（康普顿效应），并电子对效应）或大部分（康普顿效应），并将失去的能量转移给电子。将失去的能量转移给电子。41光电效应光电效应光电效应光电效应低能低能 光光子子被介质原子吸收而放出电子的被介质原子吸收而放出电子的效应。效应。光电子能量光电子能量 hv为入射光子能量，Ei为第i壳层电子的结合能原子退激发时发射特征特征X射线或俄歇电子射线或俄歇电子。入射光子原子光电子hv俄歇电子LK原子核42光电效应的特点光子能量必须

25、大于壳层电子结合能时才能光子能量必须大于壳层电子结合能时才能发生光电效应。发生光电效应。电子在原子中束缚越紧，就越容易使原子电子在原子中束缚越紧，就越容易使原子核参与相互作用，发生光电效应的概率就核参与相互作用，发生光电效应的概率就越大。越大。K壳层概率最大。壳层概率最大。光电效应过程伴随特征光电效应过程伴随特征X射线或俄歇电子的射线或俄歇电子的发射。发射。43射线与物质的相互作用 康普顿效应：康普顿效应：光子与靶物质的一个轨道电子相互光子与靶物质的一个轨道电子相互作用，将部分能量传递给轨道电子使其发射出去，作用，将部分能量传递给轨道电子使其发射出去，光子散射，波长变长。光子散射，波长变长。入

26、射光子核外电子出射电子E出射光子康普顿效应44电子对效应：电子对效应： 光子从原子核旁经过，光子从原子核旁经过，当当 光子能量超光子能量超过过2个电子静止质量之和即个电子静止质量之和即1.02MeV时，时， 在原子核库在原子核库仑场作用下，仑场作用下， 光子转化为正负电子对，正负电子能量光子转化为正负电子对，正负电子能量之和等于入射之和等于入射 光子能量。光子能量。对一定能量的入射对一定能量的入射 光子电子对效应产生的正负电子的光子电子对效应产生的正负电子的动能之和为常数，但就电子或负电子而言其动能从动能之和为常数，但就电子或负电子而言其动能从02mec2都有可能，动能分配是任意的。入射都有可

27、能，动能分配是任意的。入射 光子能量光子能量越大，正负电子的发射方向越前倾。越大，正负电子的发射方向越前倾。入射光子原子核正负电子对EE+E-e+e-电子对效应电子对效应45 光电效应、康普顿效应是光电效应、康普顿效应是 光子与核外电子的作用结果，光子与核外电子的作用结果，电子对效应是电子对效应是 光子与原子核电磁场的作用结果。光子与原子核电磁场的作用结果。三种三种效应相互竞争，可能同时存在。效应相互竞争，可能同时存在。 三种效应的相对重要性三种效应的相对重要性 对低能对低能 射线和原子序数高的物质光电效应占优势；射线和原子序数高的物质光电效应占优势； 对中能对中能 射线和原子序数低的物质康普

28、顿效应占优势；射线和原子序数低的物质康普顿效应占优势； 对高能对高能 射线和原子序数高的物质电子对效应占优势。射线和原子序数高的物质电子对效应占优势。46单色窄束伽玛射线的衰减设：设： 为单色窄束光子未通过介质时的注量率为单色窄束光子未通过介质时的注量率（射线强度）；（射线强度）； 为介质深度为为介质深度为x处的注量率；处的注量率；dx为介质薄层厚度，为介质薄层厚度， 为光子通过为光子通过dx时的减时的减弱量；弱量； 为线性衰减系数；所以有：为线性衰减系数；所以有：积分得： 47射线的吸收和应用吸收特点：吸收特点：强度按指数规律衰减，沿入射方向透过的射线能强度按指数规律衰减，沿入射方向透过的射

29、线能量不变。量不变。比带电粒子穿透本领大，因而屏蔽和防护比带电比带电粒子穿透本领大，因而屏蔽和防护比带电粒子困难。粒子困难。与物质作用产生的次级粒子将继续与靶物质发生与物质作用产生的次级粒子将继续与靶物质发生各种相互作用，直到能量耗尽或逃出。各种相互作用，直到能量耗尽或逃出。48射线的应用活化分析活化分析用中子或带电粒子照射靶物质，可用中子或带电粒子照射靶物质，可生成放射性核素，通过测量衰变过程中的伽马射生成放射性核素，通过测量衰变过程中的伽马射线的能量和强度，即可以测定样品中元素的种类线的能量和强度，即可以测定样品中元素的种类和含量。和含量。工业探伤工业探伤癌症治疗癌症治疗49中子与物质的相

30、互作用中子的分类中子的分类: (1)(1)慢中子：慢中子：0 0至至1KeV 1KeV ，俘获或裂变几率大，俘获或裂变几率大 (2)(2)中能中子：中能中子：1KeV1KeV至至0.5MeV 0.5MeV ，散射几率大，散射几率大 (3)(3)快中子：快中子：0.50.5至至10MeV10MeV，散射几率大，散射几率大截面：粒子与靶物质发生作用的概率。截面：粒子与靶物质发生作用的概率。 50中子与物质的相互作用 中子不带电，因而在与物质相互作用时与原子核或核外中子不带电，因而在与物质相互作用时与原子核或核外电子没有库仑力的相互作用。可认为只是与原子核的相互电子没有库仑力的相互作用。可认为只是与

31、原子核的相互作用，分为散射及核反应两类。作用，分为散射及核反应两类。 散射散射：中子与原子核作用后，中子不消失但改变运动方向和：中子与原子核作用后，中子不消失但改变运动方向和动能。动能。吸收反应吸收反应（俘获）：原子与原子核发生作用形成复合核，复（俘获）：原子与原子核发生作用形成复合核，复合核不稳定放出光子或带电粒子。合核不稳定放出光子或带电粒子。裂变反应裂变反应：原子核俘获一个中子后，裂变成几个碎片，产生：原子核俘获一个中子后，裂变成几个碎片，产生几种新的核素并放出射线。几种新的核素并放出射线。 51中子的应用活化分析中子治疗癌症.521、核技术的概念，分为广义和狭义。2、常用的核辐射类型，各种射线及其应用，核衰变规律，放射性活度3、射线与物质的相互作用，带电粒子（重带电粒子与轻带电粒子）， 射线，中子。射线与物质作用时的衰减规律。小结53作业调研核技术应用领域，讲述一种核技术的应用（包括原理、设备、国内外应用情况等），时间3-5分钟，要求应用ppt。54