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1、1,回顾,1、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。,2,第二讲 核探测技术及应用,2.1核探测器原理 2.2核探测技术应用,3,问题：核辐射眼睛看不见、耳朵听不着、双手摸不到，如何知道它的存在呢？哈尔滨铱-192之谜,核探测器是核辐射的耳目！,4,中国日报消息：由于担心恐怖分子利用海上进行核原料走私，美国与荷兰政府签署一项协议，自掏腰包为欧洲最大的海港鹿特丹港口安装核物质探测器。这套价值300万美元的探测系统包括固定和手持的仪器，可以对通
2、过港口的货物集装箱进行扫描，检查集装箱里是否装有核原料。,每年大约有数千艘商船通过鹿特丹港口，很多货物都是从中东和世界其他地区经过这里转运到美国的。美国安全官员一直担心，恐怖分子会将核原料藏在集装箱偷运到美国，然后用这些核原料制造“脏弹”。“脏弹”是一种大规模破坏性武器，引爆后将放出大量有害的放射性物质，不仅会造成人员伤亡，而且会使遭到攻击的区域受到严重的放射性污染。,5,核探测器（粒子探测器）：能够指示、记录和测量核辐射的材料或装置。原理：辐射与核辐射探测器内的物质相互作用而产生某种信息（如电、光脉冲或材料结构的变化），经放大后被记录、分析，以确定粒子的数目、位置、能量、动量等。,6,宇观宏
3、观微观粒子（无穷大到无穷小）从1026m到10-18m；物质的基本结构：由原子到夸克。夸克和轻子是物质的最基本组成；微观粒子肉眼看不到，只能通过探测器探测到人类对物质世界的认识不断深化，归功于实验和理论的相互促进，归功于粒子加速器和粒子探测器的不断建造和发展。使对物质世界的探索逐步走上现代实验科学的轨道。,核探测技术随核物理的发展而发展,7,粒子源种类,辐射源 天外的：宇宙射线；天然的：自然界自然存在的放射性核素铀、钋、镭、锕等；人工的：用加速器、反应堆产生的放射性核素锝、钷、镎、钚、镅等。,8,9,我们要知道有多少粒子，什么样的粒子，还要知道它们的物理性质，来源。为此，探测器要测量许多物理量
4、。计数和计数率：即粒子的通量或流强；时间：粒子到达探测器时间或相对于某时刻时间间隔；能量：尤其中性粒子（中子，光子，中微子等）的能量；动量：主要是带电粒子的动量；位置：粒子产生或衰变的位置，带电粒子在探测器内的位置和飞行的轨迹，中性粒子进入探测器的位置和飞行方向；粒子的分辨：区别不同性质的粒子，特别需要分辨相同动量下不同质量的带电粒子；,核探测器测量的基本物理量,10,测量粒子与射线的基本性质，研究这些粒子之间的相互作用以及它们与宏观 物质的相互作用等。将这些粒子与射线作为微小的探针来研究微观或亚微观结构，如晶体结构，物质的表面结构，分子原子及核结构等。因为这些粒子来源不同，有的来自地球，有的
5、来自太阳，月亮或银河以外，它们会带有与源有密切关系的信息。通过这些粒子或射线来研究我们达不到的各种天体。粒子与射线在工业，农业，地质，医疗，环保，航天等领域被广泛地应用，不可替代地获得对宏观物质的形态，结构，成分的测量与研究。,粒子探测器用途：,11,6位获诺贝尔奖的粒子探测器大师,发明云室，一种观测带电粒子径迹的方法和技术（1927年）发展Wilson云室技术，在核物理与宇宙线研究中做出贡献（1948年）发明核乳胶技术，在宇宙线中发现介子（1950年）发明气泡室（1960年）发展气泡室及数据处理技术，发现大量共振态（1968年）G.Charpak发明多丝正比室并发展气体丝室技术（1992年）
6、,12,丁肇中教授中国科大，中科院高能所，上硅所参加,13,The Alpha Magnetic Spectrometer Detector 国际空间站的一个粒子物理实验（丁肇中教授领导）,14,粒子探测基本原理,粒子探测主要是指记录粒子数目，测定其强度，确定粒子的性质（能量、动量、飞行方向等）。根据粒子的带电性质分类带电粒子：、p、e、等电磁辐射：x射线、射线中性粒子：n、0、0、等,15,（一）带电粒子探测基本原理,入射带电粒子与物质原子的轨道电子发生库仑相互作用而损失能量，轨道电子获得能量。当电子获得能量足以克服原子核的束缚，则电子就脱离原子成为自由电子。这就是电离。电离的结果形成一对正
7、离子和自由电子。若内壳层电子被电离后，该壳层留下空穴，外层电子跃迁来填补，同时放出特征x射线或俄歇电子。当电子获得能量较少，不足以克服原子核的束缚成为自由电子，将跃迁到较高的能级。这就是原子的激发。处于激发态的原子不稳定，作短暂停留后，将从激发态跃迁回到基态，这就是退激。退激时，释放的能量以荧光的形式发射出来。,16,利用电离或激发效应来记录入射粒子是绝大多数探测器的物理基础。它们的差别在于记录方式不同，大致分为：（1）收集电离电荷的探测器主要收集电离效应产生的大量正负离子，记录它们的电荷所形成的电压或电流脉冲。这类探测器必须加上适当的工作电压，形成电场以有效收集电荷。如气体探测器、半导体探测
8、器。,17,（2）收集荧光的探测器被带电粒子激发的原子退激时发出荧光。由于荧光很弱，需要通过一定的转换放大，即把光脉冲转换成较大的电脉冲光电倍增管。如闪烁计数器等。（3）利用离子集团作为径迹中心的探测器，径迹探测器。如核乳胶、云室、气泡室、火花室等。（4）收集切伦科夫辐射的探测器，切伦科夫探测器。轫致辐射和同步辐射是附加产物，对高能电子探测器必须考虑它们的影响。,18,（二）射线的探测,射线与物质的相互作用主要有三个过程：光电效应康普顿效应电子对效应,19,光电效应,光电效应：低能光子被介质原子吸收放出电子的效应。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X
9、射线或俄歇电子。,20,散射光子不能直接探测到 反冲电子可以被探测到,康普顿-吴有训效应,21,电子对效应,电子对效应：光子从原子核旁经过，当光子能量超过2个电子静止质量之和即1.02MeV时，在原子核库仑场作用下，光子转化为正负电子对，正负电子能量之和等于入射光子能量。对一定能量的入射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02mec2都有可能，动能分配是任意的。入射光子能量越大，正负电子的发射方向越前倾。,e+,e-,22,射线与物质原子发生光电效应的总截面 1）重元素的光电效应比轻元素强得多；2）低能射线比高能射线强得多；3）当射线能量接近电子的结合能时
10、，光电效应截面最大。,23,光电效应、康普顿效应是光子与核外电子的作用结果，电子对效应是光子与原子核电磁场的作用结果。三种效应的相对重要性 对低能射线和原子序数高的物质光电效应占优势；对中能射线和原子序数低的物质康普顿效应占优势；对高能射线和原子序数高的物质电子对效应占优势。三种效应相互竞争，可能同时存在。,24,在三种效应中，每个光子都是在一次作用中就损失其全部能量或相当大部分能量，并发射出电子。正是这些电子使得探测射线成为可能。光电效应和电子对效应所发射的次级电子的能量单一，因此射线探测器的物质应选用Z尽可能大的材料。,25,（三）中子的探测,中子与物质相互作用主要是中子与原子核的强相互作
11、用，即核反应。探测中子就是探测中子与原子核核反应产生的次级粒子。中子不带电，不受库仑斥力影响，容易进入原子核发生核反应。不同能量中子的探测原理和探测器不同。中子能量的区分：（1）慢中子（2）中能中子（3）快中子,26,一、核反冲法,核反冲法是记录中子与原子核弹性散射后的反冲核。在弹性散射过程中，中子运动方向改变，能量减少。这减少的能量传递给原子核，使原子核以一定的速度运动，该核称作反冲核。反冲核具有电荷，可以作为带电粒子记录。记录了反冲核，就探测到中子。该方法主要用于探测快中子。由能动量守恒，对En30MeV的中子，反冲核获得的动能,M原子核质量反冲角,27,若以质量数代替质量，则mn=1,M
12、=A 由此可见，反冲核越小获得的能量越大。当0，A1时，E反冲En，最大。反冲质子法 选用含氢物质做辐射体，此时反冲核就是质子。实际中常用石蜡、水等含氢物质作为中子慢化剂。核反冲法探测中子时应选择轻核物质做靶材料。如氢、甲烷等气体，有机玻璃、有机晶体、塑料等固体。核反冲可以测量快中子能量。当一定时，E反冲正比于En。实际中测量沿入射中子束方向张角为10度的反冲质子，此时探测器接收到的质子数较多，反冲质子的能量粗略地等于入射中子能量。,28,二、核反应法,核反应法主要用于测量慢中子通量。中子通量：单位时间通过单位面积的中子数。原子核反应用方程式表示：a(入射粒子)+A(靶核)b(出射粒子)+B(
13、剩余核)+Q 或简写成 A（a，b）B 实验表明任何一个核反应，箭头两边的总电荷数Z和总质量数A必须相等；反应前后体系的总能量（静止能量和动能之和）不变，总动量不变。Q值0的反应，放热反应；Q值0的反应，吸热反应。,29,目前应用最多的三种核反应：都是放热反应，反应放出的能量变成次级粒子的动能。0是热中子的反应截面，都很大。实际应用最广的是 反应。因为硼材料比较容易得到，气态可选用BF3气体，固态有氧化硼、碳化硼等。天然硼中10B含量较高，易浓缩。中子与10B反应有两个过程,30,三、核裂变法,核裂变法就是通过记录中子与重核作用产生的裂变碎片来探测中子的方法。探测不同能量的中子选用不同的裂变材
14、料 对热中子和慢中子选235U(=528b)，239Pu(=743b)，233U(=531b)。裂变放出能量200MeV，两个裂变碎片带走170MeV的能量。入射中子能量远小于它，故该法不能测量中子能量，主要测中子通量。核裂变法特点：放出反应能很大，所以本底对测量没有影响，可以在强本底下测量中子。许多重核只有在入射中子能量大于某个阈值后才能发生裂变。利用一系列不同阈能的裂变元素来判断中子的能量，这种探测器称为阈探测器。,31,四、活化法,活化法是中子与原子核相互作用时，原子核吸收中子后形成一个处于激发态的复合核，复合核通过发射射线或射线回到基态。这种俘获中子，辐射射线或射线的过程称为辐射俘获，
15、亦称活化。用115In做激活材料，受中子照射后，新生成的核素一般都不稳定，116In就是放射性的，测量经中子辐照后材料的放射性，就可以知道中子强度。,32,总结,根据射线的不同类型和能量等参数，选择不同的探测器内物质与射线相互作用，产生次级粒子，想办法记录这些粒子。,33,气体探测器的基本原理,一、气体的电离 带电粒子通过气体时，与气体原子核外电子发生库仑作用，入射粒子损失部分能量，气体原子则电离或激发。轨道电子获得的能量足以克服原子的束缚成为自由电子，形成电子离子对。原初电离：入射粒子和气体原子直接作用产生的电离对。次级电离：电离的次级粒子再次和气体原子作用产生的电离对 总电离N0：等于原初
16、电离次级电离 平均电离功：带电粒子在气体中产生一对电离粒子所需的平均能 量。,粒子在气体中损失的能量,平均电离功,34,二、电子和离子在气体中的运动,不加外电场时，电子和离子与气体分子不断碰撞，三种运动状况：扩散：从密度大的区域向密度小的区域扩散运动 电子吸附：电子被中性气体原子俘获形成负离子 复合：电子和正离子复合形成中性原子加外电场时，电子和离子沿电场方向分别向正负电极做漂移运动。漂移运动有利于总电离的收集，是我们需要的。前三种运动不利于总电离的收集，造成能量测量误差，应设法减小它们的影响。,35,三、外加电场对电离粒子运动的影响,外加电场使电离产生的电子和离子沿电场方向作漂移运动，以利于
17、电荷有效收集。,36,第一区段：复合区,外加电压很低，离子漂移速度很小，电子吸附效应、扩散效应和复合效应起主要作用。复合的结果，电子离子数目减少，所以电极收集到的离子对数目小于总电离数目。,37,第二区段：饱和区（电离室区）,随着外加电压增大，离子漂移速度增大，电子吸附、扩散效应的影响减小，发生复合的机会减小，被收集的电荷数逐渐增加。当电压达到某一定值Va时，基本不存在复合，总电离数N0全部被电极收集，达到饱和。在一定电压范围内(Va-Vb)，被收集电荷不再增加，达到饱和。,38,第三段区：正比区,工作电压大于Vb后，外加电场很强，电离电子在漂移过程中获得的能量很大，使气体分子再电离，又产生次
18、级离子对。次级电子在漂移时又可能加速到足以再产生次级离子对。如此不断继续下去，使电离的离子对数目比原总电离对数目N0增加很多，称作电子雪崩过程。这种现象称作为气体放大。经气体放大得到的电荷数N与原总电离数N0之比叫做气体放大倍数。气体放大倍数随电压的增加而增加。对确定的探测器，外加电压一定时，放大倍数一定。电极收集的电荷数N正比于原总电离数N0，正比于入射粒子能量。,39,第四区段：有限正比区,当电场强度大到一定程度时，产生的大量离子对中的正离子，由于漂移速度很慢，滞留在气体空间，形成空间电荷。它们所产生的电场方向与外电场方向相反，从而限制了次级离子继续增加，这就是空间电荷效应。由于空间电荷效
19、应的影响限制了气体放大倍数的增长。这一区段称为有限正比区。,40,第五区段：GM区,进入此区后，随着电压的增加，空间电荷效应越来越强，收集到的电荷又一次饱和，与原总电离N0无关。由于空间电荷效应的影响，收集的电荷与入射粒子的种类和能量无关。,41,第六区段：连续放电区,电压增加到该区，收集的离子对数再次急剧增加，气体连续放电。,42,电离室,在核物理发展早期，电离室曾发挥了重要的作用。1911-1914年 Hess 和 Kolhorster在一系列电离室测量中发现了宇宙射线；1932年Chadwich利用电离室测量反冲质子，从而证实了中子的存在；1939年Frish利用电离室证实了核裂变时释放
20、大量的能量。至今仍有广泛的应用。如：测厚仪、核子秤、集装箱CT等等。,43,二、电离室的类型脉冲电离室：记录单个辐射粒子，主要用于测量重带电粒子的能量和强度。电流电离室：记录大量粒子平均效应，主要用于测量X、g、b 和中子的强度或通量。,44,三、电离室的构造,由两个处于不同电位的电极组成，电极大多是平行板和圆柱形的，也有球形或其他形状的。平板电离室的两个电极通常是圆形金属板。圆柱形电离室中心的收集极一般是一个圆棒或一根金属丝。,测量辐射剂量的电离室,45,四、电离室的工作气体,电极之间是电离室的有效灵敏体积，充以一定的工作气体。电流电离室常用的工作气体有纯惰性气体、氮气和空气等，也可用混合气
21、体。脉冲电离室常用的工作气体大多是惰性气体加少量多原子分子气体。如：Ar+10%CO2，Ar+10%CH4等。测量中子的电离室，根据中子能量分别充BF3、CH4、H2和3He等，或在电极上覆盖一层浓缩的10B、235U、238U等。,46,正比计数器,工作于正比区，发生气体放大现象，即被加速的原初电离电子在电离碰撞中逐次倍增而形成电子雪崩。收集极上的感生的脉冲信号幅度V是原初电离感生脉冲幅度的M倍。优点：脉冲幅度较大，比电离室大102104倍；灵敏度高，适合于探测低能电子和X射线；脉冲幅度几乎与原初电离位置无关。所以，既能用于粒子计数器又能做能谱测量。,M：气体放大倍数N0：原初电离对数C：电
22、容：负极性脉冲,47,G-M计数器,工作在电离放大曲线的第五区，M105。电子雪崩持续发展，形成自激放电，增殖的离子对总数与原电离无关。Q0MN0e常数。特点：1）灵敏度高；2）脉冲幅度大；3）稳定性高4）计数器大小和几何形状可以按要求有较大变化；5）使用方便，成本低，制作工艺和仪器电路均较简单。,48,小结,气体探测器均以气体作为探测介质。电离室、正比计数器、GM计数器是工作在电离放大曲线不同区段的探测器。在气体探测器中雪崩倍增过程起着十分重要的作用。具有制备简单、性能可靠、成本低廉、使用方便等优点，有广泛的应用。20世纪70年代以来，气体探测器有很大发展，在高能物理和重离子物理实验中获得新
23、的应用，并广泛应用于核医学、生物学、天体物理、凝聚态物理和等离子体物理等领域。,49,1）PN结两侧存在电子和空穴，形成电场。2）PN结加上一定电压，外加电压几乎全部加到PN结上，形成很高电场。3）粒子在PN结电场得到加速，在收集极被收集。,二、半导体探测器,50,个人剂量仪,个人剂量笔,多功能数字核辐射仪,51,三、闪烁探测器的工作原理,典型的闪烁探测器装置,52,闪烁探测器,光电倍增管,53,BGO,LSO&LYSO Samples,54,四、核乳胶工作原理,组成：核乳胶由银盐颗粒和胶质组成。溴化银AgBr 大部分常用银盐 碘化银AgI 少量银盐颗粒对带电粒子灵敏，而对光几乎不灵敏。胶质：
24、骨胶和明胶2.工作原理：带电粒子与AgBr晶粒作用，使AgBr分子分解成Ag 原子和Br原子，在一定条件下，Ag原子聚集成Ag集团，形成可显影的核心“潜影”，经化学显影处理，潜影的晶粒还原成黑色的Ag颗粒，把带电粒子的径迹显示出来。,55,粒子探测系统,一、脉冲计数系统 主要用于放射性计数、强度和剂量的测量，加速器和反应堆的粒子通量的测量等等。,56,幅度甄别器：让超过一定幅度的脉冲通过，有输出，去除幅度小的噪声本底和一些幅度小的不想要的粒子。脉冲形状甄别器：利用不同粒子在探测器中产生的脉冲幅度相同，但是脉冲形状不同来甄别。如 粒子质量大，脉冲上升时间慢，粒子质量小，脉冲上升时间快，利用脉冲形
25、状不同来选择所要的粒子。又如，利用、中子脉冲形状不同，在强 本底下探测中子。定标器 预置时间，记录一定时间内的脉冲数目。高低压电源 探测器高压供电和电子学仪器低压供电,57,二、脉冲幅度分析系统,探测器的输出脉冲幅度正比于入射粒子在探测器中损失的能量，如电离室、正比计数器、多丝正比室、半导体探测器、闪烁计数器等。,58,单道脉冲幅度分析器,上阈：VU下阈：VL道宽：H=VU-VL用途：选择一定幅度范围内的信号,59,计数探测器的选择,对重粒子：如粒子，选用ZnS(Ag)、金硅面垒半导体射线和电子：正比计数器、G-M计数器、塑料闪烁体。液体闪烁器等探测器高能带电粒子：塑料闪烁计数器、MWPC和C
26、探测器射线：G-M计数器和NaI(Tl)计数器低能和X射线：正比计数器、薄窗MWPC、Si(Li)等中子：BF3正比计数器、裂变室、ZnS+H快中子屏、ZnS+B慢中子屏,60,核探测器总结：将中性粒子或射线进行有效的转化，通过各种反应转化为带电粒子。将带电粒子通过我们非常清楚的电磁相互作用转化为电子，离子或可见光。利用宏观的方法，将转化过来的电子，离子或可见光进行高效的收集，放大和接收。将接收到的电子，离子或可见光转化为电信号电压信号或电流信号。电信号的处理，放大，成形，延迟以及数字化后输出到电脑。数字化信息的加工，得到要测量得物理量。虽然后两项主要是电子学和电脑软件，但是与探测器密切相关，
27、特别是前端电子学，会直接影响探测器的信号输出。,61,国内外一些核仪器公司,Canberra（堪培拉），美国ORTEC（奥泰克），美国ALOCA，日本牛津仪器，英国北京核仪器厂，261厂西安核仪器厂，262厂为什么竞争不过国外？,62,核探测技术应用,在地学探矿中的应用，寻找铀、钍、镭矿。测量对象是岩石和近地表土壤中的放射性核素。正常场会有一个放射性强度值，异常场的放射性强度值要高很多，以此作为探矿的重要依据。分为地面测量及航空测量。,63,民航安全上的应用,机场安检普遍采用X射线金属探测系统和化学气体取样分析系统。Semtex可塑性炸药。热中子分析系统（TNA），其原理是物质原子吸收中子放出
28、射线，原子不同，射线能量不同，Semtex炸药氮、氢含量高。用锎252产生的热中子对行李照射，产生的射线由核探测器阵列吸收，即可探明这种炸药。,64,工业核仪表-NCS,工业核仪表又称核控制系统（Nuclear Control System）,其组成为：辐射源+测量对象（探测介质）+辐射探测器及电子学、计算机系统。强度型：料位计、厚度计、密度计、质量计。,65,最简单的工业核仪表料位计,利用物料对射线的衰减、屏蔽作用来测量和指示物料的料位,66,连续型料位计：,67,工业核仪表原理函数的应用实例：核子秤的实现,68,本课小结,核探测器需探测的物理量。核探测器探测原理：带电粒子、射线、中子气体探测器原理探测器系统：计数、幅度核探测工业应用,
