一核仪器设计基础知识

核仪器设计2《核仪器设计》章节安排

〔课堂教学24学时〕第一章核仪器设计根底知识〔4学时〕第二章核辐射探测器与连接电路〔4学时〕第三章γ总量辐射仪设计〔4学时〕第四章γ能谱仪设计〔2学时〕第五章α测氡仪设计〔4学时〕第六章X射线荧光仪设计〔2学时〕第七章数字化核仪器介绍〔2学时〕第八章课堂讨论〔2学时〕3《核仪器设计》实验安排

〔实验教学24学时〕6C8021、γ总量辐射仪电路原理图设计2、电子元器件选购和准备3、单元电路的PCB设计4、电路焊接准备5、电路焊接6、单元电路调试7、单元电路性能测试8、整机装配〔配接〕9、整机调试10、整机性能测试11、样机应用试验12、实验课程报告4第一章核仪器设计根本知识本课程将以《核辐射测量方法》、《核电子学根底》、《核检测方法与仪器》等放射性专业课知识为根底，学习核仪器设计的根本方法，并通过实验掌握核仪器设计和制作的全过程。一、核辐射根本知识二、核仪器设计根底〔一〕放射性现象〔二〕射线与物质相互作用〔三〕放射性测量常用单位一、核辐射根本知识放射性(radioactivity)这一名词首次首次被利用是MarieCurie。在1898,她首先用来描述能发出电离辐射(ionizingradiation)的物质的外部特征,进一步证明了电离辐射与电磁辐射的差异。放射性的最早研究者：伦琴〔Roentgen);1895年，伦琴用阴极射线〔电子束〕在放电管壁上的作用产生x射线〔x–ray)。首先发现放射性：1896年，贝可勒尔(Becquerel)发现铀矿石使胶卷暴光，称之为radiationactives。〔一〕放射性现象71898年，施密特发现钍〔Th〕具有与铀矿石相同的特征。1899年，卢瑟福〔Rutherford〕和欧文斯〔Owens〕发现射气〔emanation)现象。1901年，Pierre和MarieCurie发现镭〔Ra〕之后又发现了钋〔Po〕。通过研究铀钍矿石的放射性，发现Ra比铀、钍具有更强的放射性，于是从沥青中提炼出镭。1903年，Becquerel和MarieCurie夫妇分别获得物理诺贝尔奖。1911年，MarieCurie获得化学NobelPrizeforisolatiingradium〔Pierrediedin1906〕。MarieCuriediedin1934attheageof67yearsasaresultofprolongedexposuretoradioactivityRa.81911年，卢瑟福〔Rutherford〕用α射线轰击各种原子，观测到α射线发生偏折，从而确定了核结构，并提出了原子结构的行星模型，奠定了原子结构和原子核结构的研究根底。此后不久，玻尔提出了原子的壳结构和电子在原子中的运动规律，同时建立了描述微观世界的量子力学。1919年，在卡文迪许实验室，实现了人工核蜕变核反响，它是用α粒子轰击氦核能放出质子，反响式如下：

1932年，发现中子〔neutron)。1934年，人工放射性核素合成成功。放射性现象核辐射(nuclearradiation)

核的变换nuclidetransformation

来源粒子加速器particleacceleration宇宙射线cosmicrayfromouterspace

产生机理角度9地-空界面上核辐射的来源人工放射性7.2%大气核试验核工业与核技术应用核医学诊断陆地放射性80.0%铀系列核素钍系列核素钾-40其它核素宇宙射线12.8%电离成份10.5%中子2.3%从空间分布角度10核辐射的分类

带电粒子辐射

重带电粒子快电子γrayxray电磁辐射中子非带电辐射αrayβray1112原子和原子核13原子与原子核的大小14原子和原子核质子：决定元素的种类，与中子共同决定原子的相对原子质量。中子：决定原子的种类，与质子共同决定原子的相对原子质量。电子：最外层电子数决定元素的化学性质。化学元素周期表放射性衰变种类〔1〕α衰变例11602年↙↙α4.602MeV↙↙α4.785MeV5%↙↙95%↓γ0.183MeV↙↓↙3.825天

α衰变见P.172p2n90p144n铀-238（母核）钍-234（子核）氦-4(

粒子)衰变产物质子中子92p146n例2：U－238的衰变示意图铀原子的电子模型图〔２〕β衰变放出β粒子betaparticle高速运动的电子分为衰变；衰变

衰变

衰变β衰变衰变；

30年↘↘

β1.17MeV↘↘β0.51MeV8%↘↘92%↘↓γ0.661MeV↘↓基态

衰变2091p143n钍-234〔母核〕镤-234〔子核〕电子e-〔粒子〕衰变产物质子中子90p144npn-1+1e-+1質量0〔3〕γ跃迁γ-transition在α衰变、β衰变过程中，伴随放出γ辐射gammaradiation例：基态↘↓γ0.059MeV,99.7%β1.54MeV↘↘β0.31MeV0.3%↘↓γ1.17MeV↓γ1.33MeV基态

γ衰变22

射线90p144n钍-234钍-23490p144n具有多余的能量衰变产物能量放射性系列

镎系neptuniumseriesNp-237A=4n+1

铀系uraniumseriesU-238A=4n+2钍系thoriumseriesTh-232A=4n锕铀系actiniumuraniumseriesU-235A=4n+3不成系列的天然放射性核素

K-401.46MeVT=1.3×109aRb-87T=5.0×1010aSm-147T=1.06×1011a见教材P.16铷钐钾〔二〕射线与物质相互作用

粒子与物质相互作用1.主要形式*电离、激发、次级电离.*约60～80%的离子对是次级电离产生的.电离：粒子与物质的束缚电子〔原子轨道电子或称壳层电子〕发生静电作用，使束缚电子获得能量而变成自由电子，便形成电子与正离子组成的离子对，这就是电离作用。激发：如果束缚电子获得的能量不能够使它变成自由电子，而只能跃迁到更高的能级，这称为激发作用。次级电离：当入射的粒子在物质中由于直接碰撞打出能量较高的电子，这个电子再次与物质中的束缚电子起作用，而发生一次新的电离，形成离子对，这就是次级电离。α粒子是氦的原子核，带两个单位正电荷，质量数为4。

天然核素衰变放出的α粒子能量在4～8MeV。初始速度约在(1～2)×109cm/s。

由于α为重粒子，与物质散射作用不明显，在气体中的径迹是直线。2.α粒子的射程α粒子的射程用平均射程代表；α粒子是重粒子，射程涨落小。5MeVα粒子,涨落约1％；同一物质中，α粒子的射程与初始能量有关，能量大，射程长；4～8MeVα粒子在空气中射程可以用经验公式计算：天然α粒子在空气中的射程有表(表2-1)可查。α粒子的射程能量在4—8MeV,在空气中的射程

2—8cm

在其他物质中的射程几十微米

测量装置的设计及防护讨论。β射线与物质的相互作用电离、次级电离〔占70—80%〕激发弹性散射轫致辐射

射程：β粒子的运动轨迹是折线快电子〔β粒子〕与物质的相互作用弹性散射—β粒子与原子核发生库仑作用，只改变方向，不辐射能量,这种过程称为弹性辐射。反散射—β粒子在物质中经过屡次散射，其最后的散射角可以大于90°，这种散射成为反散射。弹性辐射反散射韧致辐射高速运动的β粒子或其它带电粒子通过物质时，在核库仑场作用下，改变运动速度，伴随放出电磁辐射。此称韧致辐射。轫致辐射放出的电磁辐射是连续能量的X射线。原子核使用辐射损耗率描述在单位距离上轫致辐射的能量损耗。P.53β粒子在物质中的衰减近似按指数规律衰减。β粒子在物质中的衰减P.57cm=(g/cm2)/(g/cm3)R

吸收厚度(单位)：cm，g/cm2β射线的射程半吸收厚度：β粒子在物质中衰减1半所经过的厚度。射程：β粒子经过10倍半吸收厚度，剩余1/1024。小于1/1000，故将10倍半吸收厚度定义为β粒子的射程。即：某一能量的

粒子通过物质，几乎全部被介质吸收时的厚度，就是

粒子的射程。射程单位：cm，g/cm2β粒子在物质中的射程可按以下经验公示计算：P.57当E0>0.8MeV当0.15MeV<E0<0.8MeVR(单位)：g/cm2〔面密度〕E(单位)：MeV实验测定岩石、矿石中的射线射程见p.57,表2-5天然放射性核素中的射线最大能量及其分布。在岩矿石中的最大射程。表中最大射程单位是：g/cm2当使用cm表示射线的射程时：在空气〔密度1.20~1.25kg/m3〕中约为：1200cm；在金属铝〔密度2.70g/cm3〕中约为：0.6cm；在混凝土〔密度2.20~2.5g/cm3)中约为：0.7cm在岩矿粉末〔密度约1.54g/cm3〕中约为：1.0cm；在干沙子〔密度约1.50g/cm3〕中约为：1.03cm2.放射层中β射线的自吸收P.58光电效应康普顿-吴有训效应形成电子对效应

射线与物质相互作用两步过程三种作用效应

光电效应康普顿效应电子对效应

产生次级电子电离效应次级电子使物质原子电离γ射线第1步初级作用第2步次级作用γ射线对物质产生电离作用的过程：定义：当γ射线与物质原子中的束缚电子作用时,将全部能量转移给某个束缚电子,使之发射出去,成为光电子，而γ射线本身被完全吸收,这种过程称为光电效应。光电效应自由电子原子受激原子光电效应1〕作用机制光子同(整个)原子作用，把自己的全部能量传递给原子，壳层中某一电子获得动能克服原子束缚跑出来,成为自由电子，光子本身消失了。γ+AA*+e-〔光电子〕原子A+特征X射线入射γ光子的能量必须大于壳层电子结合能，才能发生光电效应。γ光子与自由电子不能发生光电效应，只有原子核参加反响，才能满足动量守恒。K层电子发生光电效应几率最大、L层次之、M层更小…。实际上，80％的光电效应发生在与K层电子的作用上。光电效应伴随着特征X射线或俄歇电子的发射。这是因为靶原子发射光电子后，内壳层出现电子空位而处于激发态。2〕特点P.60光电效应入射γ射线光电子特征X射线外层电子直接跃迁填充内层电子空位，使原子回复到较低的能量状态，跃迁过程中，放出电磁辐射，其能量等于两个电子壳层的结合能之差。特征X射线产生的原理：电子跃迁过程中释放的电磁辐射是一种X射线。由于其能量取决于原子的结构，故对每一种元素来说，都是特征的，故称其为“特征X射线”。处于激发态的靶原子可以通过两种方式退激：〔1〕壳层电子在跃迁过程中不发射特征X射线，而是将激发能转移给一外壳层电子，使它从原子中发射出来。俄歇电子俄歇电子产生的原理：处于激发态的靶原子可以通过两种方式退激：〔2〕如果忽略原子核获得的反冲能，根据能量守恒原理，可以写出光电子的能量为3〕光电子的能量光电效应P.60Ee：光电子的动能；h

：入射射线能量；

j：j壳层电子的电离能。4〕光电效应截面光电效应截面与入射光子能量、核靶物质原子序数有关。光电效应P.61原子的光电截面：一个入射光子与单位面积上一个靶原子发生光电效应的几率。

a：原子光电效应吸收截面；即原子与入射光子发生光电效应的几率；

K：射线在K层产生光电效应的几率。τK：入射光子在K层光电效应的几率m0C2：电子静止时的能量=0.51MeV式中n在2.2～4间选择不同入射射线能量时的光电效应截面经验计算公式：光电效应当靶物质为复杂物质时，式中Z应为有效原子序数。γ与轨道电子光电子γ消失特征X射线

K层几率最大

光电子能量：光电效应的几率：

低能、重物质式中：E

光电子的动能，h入射光子的能量；

k层电子的电离能〔复习〕光电效应康普顿散射当γ光子与原子的核外电子发生弹性碰撞时,光子的一局部能量转移给电子,使它脱离原子成分反冲电子,而散射光子的能量和运动方向都发生变化，这一过程称为康普顿效应。定义康普顿散射2〕能量分配与散射角的关系hv—入射光子的能量.hvˊ—散射光子的能量.Ee—反冲电子的动能.V—光子的速度.θ—散射光子的散射角.Φ—反冲电子的反冲角.与核外电子发生作用.非弹性碰撞,γ光子损失局部能量.作用后,γ光子运动方向改变.形成反冲电子.P.641〕根本特征γ光子与原子的外层电子发生碰撞，一局部能量传给电子使它脱离原子射出而成为“反冲电子”，同时光子损失能量并改变方向成为“散射光子”。康普顿效应与光电效应的不同之处主要有两点，一是康普顿效应中反冲电子只获得光子一局部能量，并且作用完后仍然存在散射光子。二是康普顿效应发生在外层电子上，而光电效应主要发生在最内层电子上。3〕与光电效应的区别康普顿散射设入射光子能量h，动量为h/c。散射光子能量为h’，动量为h’/c。反冲电子的动能为Ee，反冲电子的动量为P。散射角θ，反冲角φ。那么有以下关系式成立：4〕康普顿散射射线能量康普顿散射《核辐射测量原理》P.78在不同的散射角θ方向上，散射光子数为：单位立体角的微分截面可以按下式计算式中，r0—电子的经典半径，r0=e2/m0C2=2.818×10-13cm

ω0—以静止电子为单位的光子能量ω0=hν/m0C25〕康普顿散射光子的角分布康普顿散射

180o反散射光子的能量h’是最小的，此时：不同入射光子能量h

所产生的180o反散射光子的能量h’均在200keV左右。h

0.50.661.01.52.03.04.0h’0.1690.1840.2030.2180.2260.2350.240MeV6〕康普顿散射的反散射光子入射光子与原子的康普顿效应总截面

c等于它与各个电子的康普顿效应截面ce之和：7〕康普顿散射效应截面由量子力学可以导出整个原子的康普顿效应截面公式：h

<<m0c2h

>>m0c2《核辐射测量原理》P.81当γ光子从原子核旁经过时,在原子核的库仑场作用下,γ光子转化为一个正电子和一个负电子,这种过程称为电子对效应。〔1〕作用特征与原子核发生作用.入射γ光子消失.形成正、负电子对.2.2.3形成电子对定义〔2〕产生条件必要条件:hv>2m0C2=1.02MeV.m0C2——电子静止时的能量=0.51MeV.必须有第三者(原子核)参加.〔3〕电子对的动能Ee++Ee-=hv–1.02.形成电子对〔4〕电子对的湮没正电子与负电子不同，它很不稳定，其寿命约10-10～10-7s。正电子在物质中由于电离而损失能量后，将与电子结合，通常转化为两个能量为0.51MeV且方向相反的γ光子。这种现象称为电子对湮没。放出的γ光子叫做湮没辐射.形成电子对〔5〕电子对效应截面对于各种原子的电子对效应，可由理论计算得到其反响截面p是入射光子能量和吸收物质原子序数的函数：形成电子对当h

稍大于

2m0c2当h>>2m0c2《核辐射测量原理》P.84《放射性勘探方法》P.58电子对效应截面(1)当h

稍大于2m0c2时，有：当h

稍大于2m0c2时，随入射射线能量的增加，电子对截面将迅速增加。(2)当h

＞＞2m0c2时，有：当h

远大于2m0c2时，随入射射线能量的增加，电子对截面的增加速度变缓慢。结论：不管h为多少，电子对截面都正比于原子序数的平方。三种主要效应的截面随原子序数和入射光子能量变化的关系射线与物质相互作用时，三种效应比较概念图占优表示：作用几率大于总几率50％区域1、放射性物质的重量、含量单位2、放射性测量常用物理量和单位〔三〕放射性测量常用单位1、放射性物质的重量、含量单位放射性物质的重量

单位：千克千克——放射性物质的重量单位对于一些长寿的核素，如铀、钍等的量可以用千克〔或其导出单位克〕为单位来表示。对于这些核素可以用称量法测量。由于它们的衰变期比较长，我们用精密的天平就可以称出它们的重量。但是，是不是所有的放射性物质都可以用称量法来确定它们的量呢？对于那些半衰期极短的放射性核素，因其衰变很快，并且无法将它们提取到化学纯度来供测量，此外它们的量往往是极微小的，以致最精密的天平也无法称出其量。因此无法用称量法来确定其量，必须采用测量其放射性衰变率等方法来度量。固体物质中放射性物质的含量克/克——克〔放射性核素〕/克〔岩石〕克/100克——%克/吨——ppm=10-6放射性物质的含量液体或气体物质中放射性核素的含量克/升——g/L,mg/LBg/L,Bg/m3

1Bg/L=1000Bg/m3

1g/L=1000mg/LCi/L,Ci/m3

1Ci/L=1000Ci/m3=3.7×1010Bg/L爱曼〔em〕，1em=10-10Ci/L=3.7Bg/L=3700Bg/m3〔1〕放射性活度〔2〕照射量X〔3〕照射量率〔4〕吸收剂量D〔5〕吸收剂量率〔6〕当量剂量H〔7〕比释动能K〔8〕粒子注量与粒子注量率〔9〕能注量与能注量率2、放射性测量常用物理量和单位放射性活度〔A〕A=dN/dt国际单位(SI)为贝可[勒尔]，简称贝可(Bq)曾用单位：居里〔Ci〕1Ci=3.7×1010Bq=3.7×1010核衰变/秒。〔1〕放射性活度照射量X表示X或γ

射线在空气中产生电离能力大小的辐射量。法定单位：库仑每千克〔C/kg〕曾用单位：伦琴〔R〕1C/kg=3.877×103R1R=2.58×10-4C/kg=0.258mC/kg

〔2〕照射量照射量率法定单位：单位时间内的照射量。〔C/kg·s〕

曾用单位：微伦琴每小时(μR/h),简称伽玛()1γ=1μR/h=2.58×10-10C/(kg·h)注意：照射量和照射量率只对空气而言，只是从电离本领的角度说明X射线或γ射线在空气中的辐射场性质，仅适用于X射线或γ射线。1γ=7.17*10-14C/kg.s1R/h=106=7.17*10-8C/kg.s〔3〕照射量率吸收剂量〔D〕表示单位质量受照物质中吸收的平均辐射能量。式中：dE是电离辐射〔包括X、γ、中子等各种辐射〕给予质量为dm的物质的平均授予能量。或单位质量的某物质所吸收的平均能量。〔4〕吸收剂量吸收剂量，国际单位制戈瑞〔Gy〕与曾用单位拉德〔rad〕之间的换算关系：法定单位：戈瑞〔Gy〕,焦耳每千克1Gy=1J/kg，1nGy=10-9Gy

曾用单位：拉德〔red〕1red=10-2Gy=0.01Gy=10mGy1Gy=100red1毫拉德=10微戈瑞证：1red=103mred=10-2Gy=10-2×106μGy;1mred=10μGy吸收剂量率：表示单位时间的吸收剂量〔Gy/S〕吸收剂量率吸收剂量率单位是：Jkg-1.s-1〔5〕吸收剂量率详见：2008.12核科学概论第9章辐射防护与辐射环境监测吸收剂量与照射量的区别〔参考，待证〕吸收剂量：适用于任何射线和任何靶物质，衡量的指标是被照射物质所吸收的辐射能量。照射量：只适用于X射线及γ射线，靶物质是空气，衡量的指标是在空气体积内形成的次级电子所产生离子总电荷量，即X射线或γ射线通过该体积的空气时所放出的能量，是辐射场的量度。空气辐射场的X或γ射线，可通过下式将照射量换算为吸收剂量D：D=33.84X式中，D的单位为Gy〔Jkg-1〕；X为照射量，单位为C·kg-1；33.84为换算系数。照射量与吸收剂量的关系〔参考，待证〕对空气介质照射量与吸收剂量的关系：1D(Gy)=8.69×10-3X(R)1μGy/h=86.9γ1γ＝

0.01150748μGy/h＝

11.50748nGy/h

H(当量剂量)=D(吸收剂量)×Q×N式中，Q：为品质因数（反映特定类型辐射引起的损伤能力）N：为修正因子，它包括了诸如吸收剂量率和分次照射等所有其他修正因素的影响，目前，ICRP指定N的值为1。品质因数Q

值一览表辐射类型QX射线、γ射线、电子1热中子2.3快中子、质子10α粒子20〔6〕当量剂量〔H〕法定单位:Ｄ戈瑞〔Gy〕Ｈ希沃特〔Sv〕曾用单位：Ｄ拉德〔rad〕Ｈ雷姆(rem)比释动能〔K〕

不带电粒子将能量授与物质的过程可以分成两个阶段：

第一阶段，不带电粒子与物质相互作用，释放出次级带电粒子，不带电粒子的能量转移给次级带电粒子。

第二阶段，带电粒子通过电离、激发，把从不带电粒子那里得来的能量授于物质。吸收剂量比释动能〔7〕比释动能〔K〕比释动能〔K〕

式中，是不带电粒子在质量dm的物质中释放出来的全部带电粒子的初始动能总和的平均值。它既包括这些带电粒子在轫致辐射过程中辐射出来的能量，也包括在该体积元内发生的次级过程所产生的任何带电粒子的能量。比释动能〔K〕单位：J/Kg或Gy〔与吸收剂量单位相同〕比释动能只适用于不带电粒子，但吸收剂量适用于任何物质。它也是一个与无限小体积相联系的辐射量。在受照物质中每一点上都有特定的比释动能值。所以在给出比释动能数值时，也必须同时指出与该比释动能相联系的物质和该物质的部位。D、K和X的区别D、K和X的区别辐射量吸收剂量（D）比释动能（K）照射量（X）适用范围适用于任何带电粒子及不带电粒子和任何物质适用于不带电粒子如X、γ光子、中子和任何物质仅适用于X或γ射线，并仅限于空气介质剂量学含意表征辐射在所关心的体积V内沉积的能量，这些能量可来自V内或V外。表征不带电粒子在所关心的体积V内交给带电粒子的能量，不必注意这些能量在何处，以何种方式损失的。表征X或γ射线在所关心的空气体积V内交给次级电子用于电离激发的那部分能量。D、K和X的区别〔参考〕条件：带电粒子平衡&&轫致辐射效应忽略&&低能X或γ射线假设满足：那么：比释动能=吸收剂量D=K