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1、10 核辐射传感器及检测技术,射线检测的物理基础,原子的概念回顾原子有质子、中子和电子构成。质子带正电荷，电子带负电荷，中子不带电。表示为原子由带正电核Z的原子核，和Z个核外电子组成，Z为原子序数，电子只能处于满足一定条件的离散轨道上。原子从一个能态En跃迁到另一个能态Em时，将发射或吸收一个一定频率的光子。hv=En-Em事实表明，质子数和中子数都是偶数的核很稳定，都是奇数的核不稳定，N/Z太高或太低的核都不稳定。很重的核都是不稳定的。,射线分为两类：电磁辐射和粒子辐射。x 射线、射线属于电磁辐射，电磁辐射没有静止质量。电磁辐射与物质的作用是光(量)子与物质的相互作用。光子的能量 h光子不带
2、电荷，静止质量为0，在真空中沿直线以光速（c=2.998*108m.s-1）传播。粒子、粒子、质子、中子、电子等都属于粒子辐射，粒子辐射都有静止质量。,射线的波长短、频率高，具有许多与可见光不同的性质：A 不可见，依直线传播 B 不带电荷，因此不受电场和磁场影响 C 能透过可见光不能透过的物质 D 与可见光同样有反射、干涉、绕射、折射等现象，但这些现象又与可见光有区别，如x射线只有漫反射，不能产生如镜面反射。,E 使物质产生光电子及返跳电子、以及引起散射现象 F 被物质吸收产生热量 G 使气体电离 H 使某些物质起光化学作用，使照相胶片感光，又能使某些物质发生荧光 I 产生生物效应、伤害及杀死
3、有生命的细胞,10-2 射线的种类 1)X射线与射线 这是射线检测中最常用的两种射线，X射线是由人为的高速电子流撞击金属靶产生的。射线是放射性物质自发产生的，如钴、铀、镭等，两者产生的机理不同，但都是电磁波。,(2)射线与射线 放射性同位素产生衰变和衰变，放射射线和射线，射线贯穿能力弱，但有很强的电离作用。射线虽然穿透力强，但能量很小。一般并不直接用射线和射线进行检测，它们适用于特种场合。与X射线和射线不同，射线和射线不是电磁波，而是粒子辐射。,(3)中子射线 中子是呈电中性的微粒子流，不是电磁波，这种粒子流具有巨大的速度和贯穿能力。中子与X和射线有很大不同，在被穿透材料中的衰减主要取决于材料
4、对中子的俘获能力。对铅来说，X和射线穿透能量衰减很大，但俘获中子的能力很小。对氢来说正好相反。,5 射线的获得(1)X射线的获得 X射线是由一种特制的X射线管产生的，由阴极、阳极和高真空的玻璃或陶瓷外壳组成，阴极是一加热灯丝，用于发射电子，阳极靶是由耐高温的钨制成。,工作时在两极之间加有高电压，从阴极灯丝发射的高速电子撞击到阳极靶上，其动能消耗于阳极材料原子的电离和激发，然后转变为热能，部分电子在原子核场中受到急剧阻止，产生所谓韧致X射线，即连续X射线。,为减少电子在飞往阳极过程中与气体粒子相碰撞损失动能，射线管需抽成10-410-5Pa真空。电子流动能的绝大部分(97%)转化为热能，因此阳极
5、材料一般应选用耐高温材料并通以介质加冷却。动能中仅一小部分(3%)转变为X射线。,阴极发射电子的数量，决定了从阴极飞往阳极电子流大小(管电流)，而X射线的穿透能力则决定于电子从阴极飞往阳极的运动速度，与两极之间电压(管电压)有关。管电压愈高，所产生X射线的穿透能力愈大，波长愈短。,图中可见，只改变管电流时，X射线辐射强度只是在原有各波长下相应增加。只改变管电压时、则除原来各波长相应增加辐射强度外，还出现了更短波长的X射线。,X射线管单位时间内所发出的连续X射线的全部能量的近似公式为式中 0-常数(10-9)，I-管电流(A)，Z-阳极靶原子序数(钨Z=74)，U-管电压(V)。X射线管的转换效
6、率为其它转变为热能,当U=100kV时=0.7%200kV 1.5%300kV 2.2%400kV 3%1 MV 7%5MV 37%由此可见，提高管电压可显著提高转换效率,(2)射线的获得 放射性同位素是一种不稳定的同位素，处于激发态，原子核能级高于基级，向基缓转变同时释放出射线，其能量等于两个能级间差。射线检测中所用的射线源，是由核反应制成的人工放射源，应用较广的射线源有钻60、铱192、铯137、铥170等。,铯137因其放射性比活度低，又易造成环境污染，能量单一、不宜检测厚薄不均匀工件等原因而日趋淘汰。钴60的获得，是将同位素钻59，在原子反应堆里的中子流冲击下，激发形成不稳定的同位素既
7、钻60，释放射线以及少量射线和射线。,放射性同位素的原子核，在自发地放射出射线后能量逐渐减弱，这种现象叫做衰变。各种放射性同位素都有自己特定衰变速度，称为衰变常数()，它表示单位时间内衰变核的数量与尚未衰变核的数量之比式中 N-物质在t时尚未衰变的原子数，N0-原有物质原子数，e-自然对数底，-物质衰变常数。,放射同位素原子数随时间呈指数减少，放射性同位素以原有N0个原子因衰变而减少到N0/2个原子所需的时间，称为半衰期(T)。以使用最广的钴60为例，其半衰期为5.3年,在单位时间内衰变的原子核数量，称为放射性活度，以表示，单位为居里(Ci)某种物质每秒钟有3.71010个原子衰变，则该物质的
8、放射性活度为1Ci(居里)单位质量放射性物质的活度称为比活度，单位为Ci/g(居里/克),射线的强度可由测量仪器引起的电离程度来决定，单位是R(伦琴)1R辐射强度，等于在0及105Pa压力下，在1cm3空气中电离引起离子绝对值总和为一个绝对静电单位。,(3)高能X射线的获得 普通X射线和射线检测，由于其能量低、穿透能力差，检测能力受到限制。超过100mm厚钢板不能用一般X射线检测，超过300mm厚钢板很难用射线进行检测。此时可采用加速器产生的高能X射线检测，例如对厚度达300500mm的钢板，采用高能X射线检测可获得满意结果。,高能X射线是指能量超过1000kV的射线，这种高能X射线都由加速器
9、产生。被加速粒子的能量在1000MeV以上是高能加速器，能量在100MeV以下是低能加速器，能量在1001000MeV之间是中能加速器。按加速器种类可以分为电子加速器、质子加速器、重离手加速器以及全离子加速器等。,射线检测中应用的加速器都是电子加速器，能量数兆电子伏到数十兆电子伏范围内，一般都在45MeV以下，即用低能电子加速器产生。检测对加速器的要求是束流强度大、焦点尺寸小、体积小、重量轻、成本低、操作容易、维护简单等。适合工业无损检测用加速器，主要有电子感应加速器、电子直线加速器和电子回旋加速器。,(4)中子射线的获得 中子射线检测时常根据不同用途选用不同能量的中子，如冷中子、热中子和快中
10、子等。中子照相主要是用热中子，中子源放射出来的快中子由于能量高，不适合照相，需经慢化后变成低能热中子，由准直器引出。目前可供照相用的中子源有核反应堆、加速器和放射性同位索，常用的为(锎Cf252),(锎)Cf252中子源的半衰期2.65年，产额2.31012中子/s/g，目前价各还很贵。利用Cf252可做成可移动式中子照相装置。另一种可移动中子装置，核心是与密封管中子发生器组合在一起的慢化器，与Cf252中子源不同之处是可以关闭，不运行时无需屏蔽。国外中子管的中子产额已达1012中子/s，完全可以满足照相的要求。,从中子照相来说，要求中子射线强度大、射线束质量高、便宜、方便、操作灵活等。目前，
11、强度大的源是核反应堆，但它投资大、笨重、无法用于生产现场。而小型加速器、中子管、同位素中子源等虽然灵巧、方便，但强度总的来说还不够高。,10-3 射线的衰减特性 射线对物质的作用理论上有12种效应，其中主要的有4种：光电效应、瑞利散射、康普顿效应以及电子对生成。能量较小时、前两种效应比较重要，电子对生成效应仅当能量大于1MeV时才开始显著。,各种效应随物质原子序数的不同而改变，原子序数低效应弱，原子序数高效应强。上述几种效应造成射线能量减弱，其原因是物质对射线的吸收与散射。射线被吸收时其能量转变为其它形式，如热能，散射则使射线的传播方向改变。,(1)射线的吸收 A 光电效应 射线通过物质时，光
12、子与原子相互作用，光子被吸收，原子中的电子被释放出来，称为光电子，即光电效应。当光子的能量处在射线的能量范围时，光电效应与原子序数的关系密切，原子序数愈高，光电效应愈显著，光电效应与光子能量的3次方成反比，能量愈高，光电效应愈弱。,例如能量为0.5MeV的射线通过铅板时，因光电效应的吸收十分显著，当为2MeV时则光电效应很小。光电效应可产生的特征X射线，称为荧光X射线，产生荧光X 射线的最佳条件是光子能量稍大于原手核外电子、如K层电子的结合能，能量太大就难以产生荧光X射线。,B 电子对生成 射线通过物质时除产生光电效应外，还有电子对生成。当光子能量大于1.02MeV时产生电子对，产生电子对导致
13、能量减弱的吸收系数与原子序数的平方成正比。光子能量小于1.02MeV时不产生电子对，因此电子对效应主要发生在高能射线。,(2)射线的散射 A 康普顿散射 又称非弹性散射和非干涉散射，一个光子和物质中一个自由电子或束缚较弱的电子发生碰撞后，光子将一部分能量传给电子，波长变长。电子即从原子空间中以与光子初始运动方向成角的方向射出。光子则朝着与自己初始方向成角的方向散射，这就称为康普顿散射。轻原子中的电子一般束缚较弱，重原子中的电子只有外层电子束缚较弱。因此，原子序数小的物质，其康普顿散射较强，而原子序数大的物质则相对较弱。,B 汤姆逊散射 汤姆逊散射即弹性散射、干涉散射，在美国又称为瑞利散射。当光
14、子与原子中束缚很紧的电子碰撞时，光子将与整个原子之间交换能量，但原子的质量比光子大得多。按照弹性力学理论，散射光的频率不会显著改变，其波长与入射线相同，称为弹性散射。汤姆逊散射几率与原子序数成正比，与入射能量成反比。汤姆逊散射对原子序数高的物质和能量低的光子来说是最重要的，但它绝不会超过总衰减的20%，一般不大于1%,上述效应随光子能量的变化如图所示，被作用物质为铁，能量0.01MeV时光电效应占优势，随光子能量增加，光电效应逐步减少，而康普顿效应逐渐加大。,光子能量0.1MeV左右时汤姆逊效应最大，但其发生率不满10%。1MeV左右、X射线衰减基本由康普顿效应造成，此后电子对效应逐步变大。,
15、10MeV左右、电子对效应与康普顿效应作用程度相同。大于10MeV时、电子对效应为主。,图中可知，在射线能量较低范围内，散乱射线主要是由汤姆逊效应产生，而在射线能量较高范围内，散乱射线主要由康普顿效应产生。故对一般射线检测，康普顿效应是主要的。,康普顿散射系数与汤姆逊散射系数之和称为散射系数，总的衰减系数为散射系数与吸收系数()之和。线衰减系数不是常数，与射线能量有关。同时也与物质质量成正比，质量衰减系数为,当一束平行的强度为I0的单色射线，透过厚度为d的一层均匀物质时，射线强度的衰减将遵循以下规律由于散射线的存在，透过厚度为d物质时，除透射线外，还要加上物体内部散射线强度。,因此，其衰减规律
16、如下式所示 式中n为散射比，它是射线透过工件后散射线剂量与透射线剂量之比。影响散射比的因素有焦距、照射场大小、射线性质和工件厚度等。,例如，X射线照相时 对钢n0.09T(T25mm)对铝n0.035T(T50mm)Irl92-射线照相时 对钢n0.075T(T70mm)Co60-射线照相时 对钢n0.047T(T160mm),有时需要直观地表示射线的穿透力，通常用半值厚度d1/2(或半衰减层)来表示射线强度衰减一半的物质厚度。因此,一定波长的射线，对一定物质具有恒定的半值层，如Co60-射线在铁中的半值层为17.5mm 因此一次射线通过17.5mm层后强度减一半 第2个17.5mm层后即余下
17、最初强度的25%,光子能量100400keV的X射线，在铝、铁、铜中的半值层如表3-2所示。,不同波长的射线具有不同的衰减系数，这对检测来说使问题复杂化，因此需使连续X射线的波长均匀化。就是使X射线经过一定厚度的物质、把波长较长的部分吸收掉，剩下的就是波长较短且很接近的X射线，可以认为具有相同的吸收系数。另外，射线差不多都接近于单色，即有一恒定的衰减系数。,当具有一定能量的带电粒子穿透物质时，在它们经过的路程上就会产生电离作用，形成许多离子对，电离作用是带电粒子和物质相互作用的主要形式。粒子（射线）由于能量、质量和带电量大，故电离作用最强，但射程(带电粒子在物质中穿行时、能量耗尽前所经过的直线
18、距离)较短。粒子质量小，电离能力比同样能量的粒子要弱，由于粒子易于散射，所以其行程是弯曲的。,2)电离作用,粒子几乎没有直接的电离作用。,式中：E 带电粒子的能量；Ed 离子对的能量；J 辐射源的强度；C 辐射源强度为1Ci时，每秒放射出的粒子数。,在辐射线的电离作用下，每秒钟产生的离子对的总数，即离子对形成的频率可出下式表示：,核辐射与物质的相互作用是核辐射传感器检测物理量的基础。利用电离、吸收和反射作用以及、和X射线的特性可以检测多种物理量。常用电离室、气体放电计数管、闪烁计数器和半导体检测核辐射强度，分析气体，鉴别各种粒子等。1）电离室 利用电离室测量核辐射强度的示意图见下图。在电离空两
19、侧的互相绝缘的电极上，施加极化电压，使两极板间形成电场。在射线作用下，两极板间的气体被电离，形成正离子和电子，带电粒子在电场作用下定向运动形成电流 I，在外接电,10-4、核辐射传感器,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。,阻上便形成压降。电流 I 与气体电离程度成正比，电离程度又正比于射线辐射强度，因此，测量电阻 R 上的电压值就可得到核辐射强度。,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,2）盖格计数管,盖革计数器是根据射线对气体的电离性质设计
20、成的。其探测器（称“盖革管”）的通常结构是在一根两端用绝缘物质密闭的金属管内充入稀薄气体（通常是掺加了卤素的稀有气体，如氦、氖、氩等），在沿管的轴线上安装有一根金属丝电极，并在金属管壁和金属丝电极之间加上略低于管内气体击穿电压的电压。,这样，在通常状态下，管内气体不放电；而当有高速粒子射入管内时，粒子的能量使管内气体电离导电，在丝极与管壁之间产生迅速的气体放电现象，从而输出一个脉冲电流信号。通过适当地选择加在丝极与管壁之间的电压，就可以对被探测粒子的最低能量，从而对其种类加以甄选。盖革计数器也可以用于探测射线，但由于盖革管中的气体密度通常较小，高能射线往往在未被探测到时就已经射出了盖革管，因此
21、其对高能射线的探测灵敏度较低。在这种情况下，碘化钠闪烁计数器则有更好的表现。,历史 盖革计数器最初是在1908年由德国物理学家汉斯盖革和著名的英国物理学家卢瑟福在粒子散射实验中，为了探测粒子而设计的。后来在1928年，盖革又和他的学生米勒（Walther Mller）对其进行了改进1，使其可以用于探测所有的电离辐射。1947年，美国人Sidney H.Liebson在其博士学位研究中又对盖革计数器做了进一步的改进，使得盖革管使用较低的工作电压，并且显著延长了其使用寿命。这种改进也被称为“卤素计数器”。盖革计数器因为其造价低廉、使用方便、探测范围广泛，至今仍然被普遍地使用于核物理学、医学、粒子物
22、理学及工业领域。,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)。,闪烁计数管由闪烁晶体(受激发光物体，常有气体、液体和固体三种，分为有机和无机两类)和光电倍增管组成，如下图所示。当辐射照射到闪烁晶体上，便激发出微弱的闪光，闪光射到光电倍增管上（由于闪光很微弱，必须使用光电倍增管才会有光电流输出），就会在其阳极形成脉冲电流，从而得到与核辐射有关的电信号。,3）闪烁计数管,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、
23、重量、温度、探伤以及医学等方面。1核辐射流量计 核辐射流量计可以检测气体和液体在管道中的流量，其工作原理如下图所示。若测量气体的流量，在气流管壁上装有如图所示的两个活动电极，其一的内侧面涂覆有放射性物质构成的电离室。当气体流经两电极间时，由于核辐射使被测气体电离，产生电离电流；电离子一部分被流动的气体带出电离室，电离电流减小。,10-5 核辐射传感的应用举例,随着气流速度的增加，带出电离室的离子数增加，电离电流也随之减小。当外加电场定，辐射强度恒定时，离子迁移率基本是固定的，因此，可以比较准确地测出气体流量。若在流动的液体中，掺入少量放射性物质，也可以运用放射性同位素跟踪法求取液体流量。,核辐
24、射测厚仪是利用射线的散射与物体厚度的关系来测量物体厚度的。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。,2核辐射测厚仪,图中3、4为两个电离室、电离室外壳加上极性相反的电压，形成相反的栅极电流使电阻R上的压降正比于两电离室辐射强度的差值。电离室3的辐射强度取决于辐射源2的放射线经镀锡钢带镀锡层后的反向散射，电离室4的辐射强度取决于8的辐射线经挡板5位置的调制程度。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，使电极电流相等。用检测仪表测出挡板的位移量，即可测量镀锡层的厚度。,4,多相流检测,241Am的 射线（能量为59.5keV）照射银片可激发出22keV 的X
25、射线和50keV左右的 射线,如图示。,5,x 射线层析成像（CT）原理 CT的完整拼写是：Computerized Tomography。依据的是雷当(Radon)变换,吸收率分布,6 射线实时检测技术 当前工业用X射线检测主要是照相法，照相法比较成熟，但费时、费钱。为了进一步提高检测效率，满足工业生产中大批量产品的质量检测，实现自动化流水作业，有必要发展X射线实时检测技术。工业X射线实时检测技术，是通过荧光屏把它转换成可见光图象，但荧光屏上可见光图象亮度很低，必须经过图象增强器后进行摄象。,工业X射线实时检测技术装置主要由4部分，X射线源、图象增强器、电视摄象机和接收机,图象增强器将输入的
26、X射线图象转换为可见光荧光图象，并使其亮度增强1万倍以上。图象经适当的光学系统，被摄象机录影后显示在显象监视器上。,配用X射线实时检测X射线机要求焦点小、软X射线少(设铍窗口)，以便大大提高图象的清晰度和分辨能力。另一个提高检测灵敏度的措施是提高图象的放大率，当然前提是射线源的焦点要小。,中子射线检测 中子射线检测是国外70年代发展起来的一项新技术，是X射线检测和射线检测的一种补充，具有下列特点 A)对于高原子序数的材料比X射线和射线的穿透能力大 B)对于相邻原子序数的材料比X射线和射线的分辨能力强,C)一些轻材料和某些特定材料对中子的吸收能力比重元素大 D)对某些元素的同位素敏感 E)可以在
27、强的辐射场(X射线，射线)中工作,X射线和射线的质量吸收系数随原子序数增加而增加，而中子质量吸收系数则复杂，通常是随原子序数增加而减少。可以利用中子照相来解决X射线和射线难以解决的一些问题，互相配合使用，取长补短。,中子照相有以下两种方法 A)直接曝光法 转换屏材料可为锂、硼、镉、钆等，最常用的是钆。在中子射线的照射下，放出瞬间低能粒子使胶片感光。这种方法速度快、分辨力好。,B)间接曝光法转换材料采用铟、镝、银等，应用最多的是铟和镝。在中子照射下，屏上形成有一定寿命的放射核存在潜像，被照后屏的两边夹上胶片，在暗盒里使胶片感光。该方法，当被照物有强的放射性或中子束中有很强的射线时很适用。,中子射
28、线检测的局限性主要在于射线源。从中子照相来说，要求中子射线强度大、射线束质量高、便宜，方便、操作灵活等。但从目前的射线源来看，射线强度大的源是反应堆，它投资大、笨重、无法用于现场。而小型加速器、中子管、同位素中子源等虽然灵巧、方便，但强度不够高。,10-5 工业射线CT技术 射线检测的一个重要发展方向是CT，这是因为射线照相一般仅能提供定性信息，不能实用于测定结构尺寸、缺陷方向和大小。CT技术比射线照相法能更快、更精确地检测内部结构的细微变化，消除了照相法可能导致的检查失真，并大大提高分辨力。,射线CT装置结构主要由射线源和接收检测器两大部分组成，如图所示。,射线源是高能X射线或射线，透过工件
29、后被探测器接收，信号经处理后送入电脑，工件旋转得到一系列投影数据，计算机重建剖面或立体图。,射线CT对工业无损检测应用有下列优点 A)它能逐点测定工件薄层密度值，当对连续横断面进行比较后可获三维图象，不存在前后缺陷重叠问题。B)具有超大面积、低对比度成象分辨力，高质量对比度分辨力可达0.1%0.2%，比一般射线照相法提高接近两个数量级。,C)检测具有多样性，大的如火箭发动机，小的如直径100mm工件，空间分辨力接近25m。D)检测能力强、精度高、定量二维成象，适用于自动检测。E)改善成象质量、提高可靠性，一般射线照相仅能定性，而射线CT能定量。,10-6 背散射射线检测法 一般射线检测都采用透
30、过法，射线源和胶片放在工件两侧。而利用射线后散射效应则可将射线源与胶片放在工件同一侧，这就给检测工作带来很大方便，可以获得工件中表面部分缺陷信息。以往射线检测中的某些难处理的问题，采用后散射射线法就有可能获得解决。,例如大型铸钢件在加工前或为了保证强度必须检测表面层时，普通照相法由于工件厚度太大已不适用。另外，一般射线照相时要尽量避免散射线，而本方法恰巧是利用散射线。,与一般射线照相法相比有以下几个特点 A)由于是单侧检测，检测系统与射线源很近，故障较少，可采用低能射线源，不需要专用的射线照射室 B)可知缺陷在工件中的深度 C)可检测形状复杂的工件 D)可使铝件、塑料和复合材料等原子序数低的低
31、对比度材料在检测时获得较高对比度 E)可用于自动判伤,10.7 射线防护 射线检测中的防护，是减少射线对工作人员和其它人员的影响，也就是采取适当措施，把射线剂量控制在规定的允许剂量标准以下，以避免超剂量照射和减少射线对人体的影响。因为人体受大剂量照射或连续超过允许剂量照射时将会受到相当的伤害。但是只要对射线进行科学的防护，在允许剂量下，人们完全可以安全地利用射线进行工作，不会引起病变。,工业探伤用X射线或射线外照射防护原则有三种，即屏蔽防护、距离防护和时间防护。屏蔽防护是利用各种屏蔽物体吸收射线，以减少射线对人体的伤害。不同屏蔽材料对射线的吸收能力不同，不同的X射线管电压所需的防护厚度也不同。,距离防护在野外或流动性检测时非常有效的方法，因为射线的剂量率与距离的平方成反比，在没有防护物或防护层厚度不够时，利用增大距离同样能够达到防护的目的。时间防护是指尽可能减少接触射线时间，在比较大的射线剂量下工作应缩短实际工作时间。在射线场中的工作应事先计划安排，以便使操作人员在辐射场中停留的时间最短。,
