核輻射探測的基本方案

什么是核輻射

核輻射通常稱為放射性，存在于所有物質(zhì)之中。核輻射是原子核從一種結構或者一種能量狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N結構或者能量狀態(tài)的過程中所產(chǎn)生的微觀粒子流;各種物質(zhì)都是由最簡單的物質(zhì)組成的，人們把這些最簡單的物質(zhì)稱為元素組成元素最基本的單元就是原子，凡是在元素周期表中占同一位置，原子序相同原子質(zhì)量不相同的元素稱其為同位素。原子如果不是因為外來的原因而是自發(fā)的發(fā)生原子結構的變化我們稱其為核衰變。具有這種核衰變性質(zhì)的同位素我們稱之為放射性同位素。在衰變過程中放射出一種特殊的帶有一定能量的粒子或者射線，這種現(xiàn)象我們稱之為核輻射或者放射性。

核輻射的種類和性質(zhì)

根據(jù)核輻射的性質(zhì)不同，放射出的粒子或射線有α射線，β射線，γ射線，X射線等。

第一，α粒子一般具有4～10Mev能量，用α粒子電離氣體比其他輻射強得多，因此在檢測中，α輻射主要用于氣體分析，用來測量氣體壓力和流量等參數(shù)。

第二，β粒子實際上是高速運動的電子，它在氣體中的射程可達20m。在自動檢測儀表中，主要是根據(jù)β粒子的輻射和吸收來測量材料的厚度，密度或重量；根據(jù)輻射的反應和散射來測量覆蓋的厚度，利用β粒子很大的電力能力來測量氣體流量。

第三，λ射線是一種從原子核內(nèi)發(fā)射出來的電磁輻射，它在物質(zhì)中的穿透能力比較強,在其氣體中的射程為數(shù)百納米,能穿過幾千米厚的固體物質(zhì)。λ射線被廣泛應用在各種檢測儀表中，特別是需要輻射和穿透力前的情況，如金屬探傷，側(cè)厚以及測量物體的密度等。

第四，X射線是由原子核外的內(nèi)層電子被激發(fā)而放出的電磁波能量。

核輻射的危害

當人們暴露于核輻射環(huán)境下，可能會得輻射病。這種病是有癥狀的。幾小時內(nèi)你就會感到惡心嘔吐，隨后會出現(xiàn)腹瀉、頭痛或發(fā)燒等癥狀。在最初的癥狀過去之后，可能會出現(xiàn)一個短暫的無癥狀期，但數(shù)周后就會出現(xiàn)新的、更嚴重的癥狀。在更高的輻射劑量下，這些癥狀可能出現(xiàn)的更快，也更明顯。同時，核輻射會對人體內(nèi)臟造成廣泛的，很多時候甚至是致命的傷害。暴露在核輻射中，一半的健康成年人無法承受4戈雷的輻射劑量。

核輻射傳感器

核輻射傳感器利用放射性同位素來進行測量的傳感器，又稱放射性同位素傳感器。核輻射傳感器是基于被測物質(zhì)對射線的吸收、反散射或射線對被測物質(zhì)的電離激發(fā)作用而進行工作的。核輻射傳感器一般由放射源，探測器以及電信號轉(zhuǎn)換電路組成，可以檢測厚度和物位等參數(shù)。

放射源和探測器是核輻射傳感器的重要組成部分，放射源由放射性同位素物質(zhì)組成。探測器即核輻射檢測器，它可以探測出射線的強弱及變化。隨著核輻射技術的發(fā)展,核輻射傳感器的應用越來越廣泛。

核輻射探測器

探測器就是核輻射的接收器,它是核輻射傳感器的重要組成部分，是指能夠指示、記錄和測量核輻射的材料或裝置。其用途就是將核輻射信號轉(zhuǎn)化成電信號,從而探測出射線的強弱和變化。目前用于檢測儀表上的主要有電離室，閃爍計數(shù)器和蓋格計數(shù)等。

電離室

電離室是氣體探測器中原理最簡單的。電離室的正常工作是利用電場收集在氣體中直接電離所產(chǎn)生的全部電荷。電離室由兩個基本電極組成，一個是高壓電極，另一個是收集電極，室內(nèi)充有高壓氣體氬氣，外面是一個密封外殼。 氣體探測器的原理是，當探測器受到射線照射時，射線與氣體中的分子作用，產(chǎn)生由一個電子和一個正離子組成的離子對。這些離子向周圍區(qū)域自由擴散。擴散過程中，電子和正離子可以復合重新形成中性分子。但是，若在構成氣體探測器的收集極和高壓極上加直流的極化電壓V，形成電場，那么電子和正離子就會分別被拉向正負兩極，并被收集。隨著極化電壓V逐漸增加，氣體探測器的工作狀態(tài)就會從復合區(qū)、飽和區(qū)、正比區(qū)、有限正比區(qū)、蓋革區(qū)(G - M區(qū))一直變化到連續(xù)放電區(qū)。

氣體放電計數(shù)管(蓋格計數(shù)管)

蓋格計數(shù)管也是根據(jù)射線對氣體的電離作用而設計的輻射探測器.它與電離室不同的地方主要在于工作在氣體放電區(qū)域，具有放大作用。其結構如右圖所示.計數(shù)管以金屬圓筒為陰極，以筒中心的一根鎢絲或鉬絲為陽極，筒和絲之間用絕緣體隔開。計數(shù)管內(nèi)充有氬、氦等氣體。為了便于密封，計數(shù)管常用玻璃作外殼，而陰極用金屬或石墨涂覆于玻璃表面內(nèi)部或在外殼內(nèi)用金屬筒作陰極。

閃爍計數(shù)器

物質(zhì)受放射線的作用而被激發(fā),在由激發(fā)態(tài)躍遷到基態(tài)的過程中,發(fā)射出脈沖狀的光的現(xiàn)象稱為閃爍現(xiàn)象。能產(chǎn)生這樣發(fā)光現(xiàn)象的物質(zhì)稱為閃爍體。閃爍計數(shù)器先將輻射能變?yōu)楣饽?然后再將光能變?yōu)殡娔芏M行探測,它由閃爍體,光電倍增管和輸出電器兩組成。

正比計數(shù)管

它是由圓筒形的陰極和作為陽極的中央芯線組成的，內(nèi)封有稀有氣體、氮氣、二氧化碳、氫氣、甲烷丙烷等氣體。當放射線射入使氣體產(chǎn)生電離時,由于在芯線近旁電場密度高， 電子碰撞被加速，在氣體中獲得足夠的能量，碰撞其它氣體分子和原子而產(chǎn)生新的離子對；此過程反復進行而被放大，人們將此過程稱為氣體放大。放大作用僅限于芯線近旁，核輻射傳感器所以可得到與放射線的入射區(qū)域無關的一定的放大倍數(shù),由于放大而產(chǎn)生的陽離子迅速離開氣體放大區(qū)域而產(chǎn)生輸出脈沖。輸出脈沖的大小正比于因放射線入射而產(chǎn)生電子、正離子對的數(shù)目，而電子、正離子對數(shù)正比于氣體吸收的放射線的能量,因此，正比計數(shù)管可以探測入射放射線的能量。正比計數(shù)管大多數(shù)是圓柱形或者球形、半球形。其陽極很細，陰極直徑較大，這主要是為了在外加電壓較小的情況下，使陽極附近仍能有很強的電場以便有足夠大的氣體放大倍數(shù)。正比計數(shù)管可以在很寬的能量范圍內(nèi)測定入射粒子的能量，能量分辨率相當高，分辨時間很短，并且可作快速計數(shù)。

半導體探測器

半導體探測器是近年來迅速發(fā)展起來的一種射線探測器。我們知道荷電粒子一入射到固體中就與固體中的電子產(chǎn)生相互作用并失去能量而停止。入射到半導體中的荷電粒子在此過程產(chǎn)生電子和空穴對。

而X射線或γ射線由于光電效應、康普頓散射、電子對生成等而產(chǎn)生二次電子，此高速的二次電子經(jīng)過與荷電粒子的情況相同的過程而產(chǎn)生電子和空穴。若取出這些生成的電荷，可以將放射線變?yōu)殡娦盘?。就半導體而言，主要使用的是Si和Ge，對GaAs、CdTe等材料也進行了研究。目前, 開發(fā)的半導體傳感器有PN結型傳感器、 表面勢壘型傳感器、鋰漂移型傳感器、非晶硅傳感器等。(end)