（核能科学与工程专业论文）高性能环境γ射线监测器的研制.pdf

哈尔滨上程大学硕士学位论文 摘要 在我们生活的地球上到处存在着辐射，但是用于检测环境本底辐 射的监测器却很少。本文介绍了一种高性能的高气压氩气电离室环境 t 射线监测器的设计过程。通常，对于气体辐射监测器的设计，工作 气体及壁材的能量响应是影响监测器的一个决定因素，工作气体及壁 材的选取直接决定着监测器性能的好坏。而在一般的气体辐射监测器 的设计中，工作气体及壁材的选取基本上都是通过查阅相关气体及壁 材能量响应曲线的工程图表，以确定具体的工作气体及壁材。而对于 一些特殊要求或是工程图表中没有的气体及壁材的参数，则需要通过 实验来确定。这样使得监测器的研制比较耗费人力物力。为了克服这 个设计中的缺点，本文使用m c n p 及e g s n r c 两个核物理计算软件对 电离室式监测器建立模型，通过对不同的气体及壁材的性能进行仿真 以代替试验的过程，从而选取合适的工作气体及壁材。同时也通过 m c n p 及e g s n r e 模拟了电离室的工作气体压力与监测器的大小对监 测器性能的影响。 为防止由于漏电造成的信号损失，本文采用了三同轴绝缘子的方 案很好地实现了电离室的绝缘。 由于电离室本身不对电流放大，因此信号的采集较为困难，本文 另外介绍了用i f 直接变换的电路以达到信号的转换。 关键词：环境辐射；高气压电离；i f 变换 哈尔滨工程大学硕士学位论文 a b s t r a c t i no u r1 i v i n gw o r l d t h e r ei sr a d i a t i o ne v e r y w h e r e b u tt h e r ea r ef c w r a d i a t i o nm o n i t o ru s e df o re n v i r o n m e n tr a d i a t i o nm o n i t o r i n g i nt h i s p a p e r ，t h ed e s i g no fah i g hp e r f o r m a n c ei o n i z a t i o nc h a m b e rf i l l e dw i t h h i g hp r e s s u r ea r g o nm o n i t o r f o re n v i r o n m e n tg a m m ar a yd e t e c ti s i n t r o d u c e d n o r m a l l y ，f o rt h ed e s i g no fg a sd e t e c t o r ，t h ee n e r g yr e s p o n s e o ft h ew o r k i n gg a sa n dt h em a t e r i a lf o rt h ec h a m b e ri st h ek e ye l e m e n tt o t h ed e t e c t o r ，a n dt h ec h o o s i n go ft h ew o r k i n gg a sa n dt h em a t e r i a l i n n u e n tt h ep e r f o r m a n c eo ft h ed e t e c t o rd i r e c t l y i nt h ep r o c e s so ft h e d e s i g no fg a sd e t e c t o r ，i ti su s u a l l yb yt h ew a y so fr e f e rt ot h ee n e r g y r e s p o n s eg r a p h i co ft h ew o r k i n gg a sa n dt h em a t e r i a lf o r t h ec h a m b e rt o c h o o s et h ew o r k i n gg a sa n dt h em a t e r i a lf o rt h ec h a m b e r b u ti nt h ec a s e t h a tt h ei n f o r m a t i o no fw o r k i n gg a sa n dt h em a t e r i a lf o rt h ec h a m b e ri s n o ta v a i l a b l e t h ee x p e r i m e n ti st a k e n a n dt h a tw i l la l w a y sc o s tm u c h a n dn e e dm u c ht i m e t oo v e r c o m et h i ss h o r t c o m i n gi nt h ed e s i g n i nt h i s p a p e r ，t h em c n pa n de g s n r cc o d ei su s e dt ot a k et h ep l a c eo ft h e e x p e r i m e n t am o d e li ss e t u pi nt h em c n pa n de g s n r cc o d et oc o m p a r e t h ei n f l u e n c eo fd i f f c r e n tw o r k i n gg a sa n dt h em a t e r i a lf o rt h ec h a m b e r o nt h ed e t e c t o r ，a n df i n dt h eg o o dc h o i c e so fw o r k i n gg a sa n dc h a m b e r m a t e r i a lw i t hh i g hp e r f o r m a n c ef o rt h ed e t e c t o r a n dt h ep r e s s u r ea n dt h e d i a m e t e ro ft h ed e t e c t o ri sc h o o s e dw i t ht h es i m u l a t i o no ft h em c n p a n d e g s n r cc o d e t op r e v e n tt h ec u r r e n tl e a k a g eo ft h ei o n i z a t i o nc h a m b e rat h r e e c o a x i si n s u l a t o ri su s e d a n dt h er e s u l ti sg o o d f o rt h ec u r r e n ti nt h ei o n i z a t i o nc h a m b e ri sn o ta m p l i f i e d s oi ti s h a r dt oc o l l e c tt h ee l e c t r i cs i g n a l i nt h i sp a p e r ，ad i r e c ti fc o n v e r t o ri s u s e dt oc o n v e r tt h ee l e c t r i cc u r r e n ts i g n a li n t of r e q u e n ts i g n a l k e y w o r d s ：e n v i r o n m e n tr a d i a t i o n h i g hp r e s s u r ei o n i z a t i o nc h a m b e r i fc o n v e r t 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下， 由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献等的 引用已在文中指出，并与参考文献相对应。除文中已经注明 引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体己公开发 表的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体， 均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律 结果由本人承担。 作者( 签字) ：侄怡易 ! e t期：矽。厂年上月2 ，尹日 哈尔滨_ _ j _ = 程大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题的目的和意义 1 1 1 认识辐射 宇宙充满辐射。自古以来，地球上的生命便暴露于自然环境的辐 射中。 辐射包括不同能量的电磁波( 例如光线、无线电波及x 射线等) 、 超声波，以及由放射性物质因衰变放出的粒子( 如a 粒子及1 3 粒子等) 。 辐射大致可以分为非电离辐射及电离辐射两类。一般来说，非电 离辐射( 例如光线及无线电波) 的能量较低，不足以改变物质的化学性 质。相反，电离辐射( 例如n 粒子及b 粒子) 有足够的能量使原子中的 电子游离而产生带电离子。这个电离过程通常会引致生物组织产生 化学变化，因而对生物构成伤害。一般所指可引起伤害的辐射，就是 电离辐射。辐射的分类可见图1 1 图1 1 辐射的分类 1 哈尔滨工程大学硕士学位论文 1 1 2 辐射对人体的影响 1 电离辐射的特点 由不同类型的粒子产生的辐射他们的穿透力不同，对人体的影响 也不同。表1 1 列举了各种粒子的辐射特性。 表1 1 电离辐射特性表 名称来源性质电荷穿透力 一粒氦原一张纸或皮肤外层可 粒子原子衰变 2 + 子核有效地阻挡 一块数毫米的铝片可 b 粒子原子衰变一粒电子 1 一 有效地阻挡 含氢量高的物质如石 中子核反应堆一粒中子无 蜡或水可有效地阻挡 高能量电高密度物质如厚厚的 y 射线原子衰变 无 磁波水泥可有效地阻挡 受激发的高能量电高密度物质如厚厚的 x 射线无 电子云磁波 水泥可有效地阻挡 2 电离辐射对人体的作用过程 电离辐射对人体的作用过程分为四个阶段，它们分别是物理阶段、 物理化学阶段、化学阶段、生物化学阶段”1 。具体的过程如图1 2 。 射线对人体的作用是一个极其复杂的过程。人体从吸收辐射能量 丌始，到产生生物效应乃至机体的损伤和死亡为止，要经历许多不同 性质的变化”1 。分子、细胞功能、代谢或结构的变化，以及完整机体 的各个组成部分之间的变化等，既彼此不同，又相互制约，有些异常 迅速，有些可延续数年，其大致情况见图1 2 。 。i 一篁鎏翟坠兰些鳖一昼一 图1 2 电离辐射对人体的作用过程 辐射的能量被吸收后，使生物体中的分子产生电离和激发。这时， 对生物分子产生直接和间接两种作用。射线直接打到生物大分子，例 如脱氧核糖核酸( d n a ) 和核糖核酸( r n a ) ，使他们某些链断裂， 组成破坏，这称为直接作用。间接作用是射线作用与生物体中的水分 子而引起的。水分子在人体细胞中是大量存在的，因而遭到射线的作 用的机会较多，水分子发生变化，产生各种自由基和活化分子( 例如 哈尔滨工程大学硕士学位论文 h 、o h * 、h 2 0 2 、h 2 0 + 等) 。这些辅解产物，再与生物大分子作用， 使大分子遭到损伤和破坏，这就是间接作用。一般认为间接作用的几 率远大于直接作用。 间接作用的结果，加之水分子问的能量转移，又会产生更多的生 物体分子自由基。他们与生物分子继续反应，使更多的分子发生变化。 显然，这过程是由物理阶段的能量吸收，发展为分子中的直接结构变 化的物理化学过程。进而由生物代谢作用的结果，导致细胞或机体的 死亡。 虽然射线可能对人体造成损伤，但是某些剂量下机体能通过自身 的代谢过程对受损伤的细胞或局部组织( 器官) 进行修复。这种修复 作用的程度大小，既与原初损伤的程度有关，又可能因个体间的差异 而有所不同。 3 辐射照射影响我们的途径 来自一个放射源的放射性物质可以通过不同途径影响人体。有些 由风或水流输送到我们附近，这些放射性物质的辐射可以直接照射我 们，亦可能随着呼吸或通过进食而进入我们体内。 总体而言，辐射可以透过以下两种主要途径影响我们： 1 )烟云途径一即直接吸入放射性核素、受到空气中或沉降在 地上的放射性核素直接照射。 2 )食入途径一饮用受放射性物质污染的食水或食用受污染的 食物“1 。 由于放射性污染源( 如核电站发生核事故或核废料) 泄漏出来的 放射性物质会像烟雾般，随风扩散到各处，称为辐射烟云。氤、氪等 惰性气体会顺风移动而迅速稀释。大部份挥发物，例如碘、铯及碲， 在到达大气层时，已凝结成粒子。这些粒子会在辐射烟羽经过的地区 沉降，通常离泄漏源越远，沉降量越少。而下雨亦可增加沉降率。当 放射性物质沉降到地面上或海水中，农作物、牲畜和海洋生物可能会 吸收这些放射性物质，而令这些放射性物质进入我们的食物链。当我 们食用这些受污染的农作物或牲畜时，我们就可能吸收了它们身上的 哈尔滨j 二程大学硕七学位论文 放射性物质，而受到辐射影响。 1 1 3 新时期对环境辐射监测的需要 近年来我国国民经济快速增长带动用电需求全面高涨，目前中国 已经进入一个“硬缺电”即全年性缺电的时代。有专家估计，这次 能源短缺对国民经济的总体影响已经超过s a r s ，甚至有分析认为对 g d p 的影响会达到一个百分点。为此，2 0 0 0 年1 0 月，党的十五届五 中全会第一次在党的文献中提出适度发展核电的方针。由于我国国民 经济发展的需要和核电的巨大优越性，国家有关部门规划到2 0 2 0 年将 建成核电总装机容量3 2 0 0 万千瓦，从而使我国核电的装机容量占全国 电力总装机容量的比例由2 0 0 0 年的1 上升到4 左右。 这样，在未来的十几年，我国将建造一大批的核电站。但是，随 之也会有一些问题等待我们解决。我们都很了解，核电作为一种洁净 的能源也有其自身的缺点，核能具有放射性。通常情况下，是不会泄 露到环境中对环境造成污染的，但是由于民众对核能的不了解，从而 对其有惧怕情绪。特别在核电站附近的人们更是谈核色变。因此我们 对核电站周围大片区域进行环境的辐射监测就变得非常重要了。而对 y 射线探测可快速直接的反映当地的放射性水平。因此一种高精度可 移动的y 射线探测装置的研制就非常迫切了。 另外，煤炭的燃烧也会对周围环境的y 辐射造成相当大的影响。 目前中国煤炭的消耗量占全世界煤炭耗量的1 4 ，对一些大的煤炭消 耗企业如火电站、重工企业等周围的y 辐射的监测也是非常必要的， 对于东北这个重工业区更是重要。再有是现代人们在选购商品房时对 室内的辐射情况也非常关- t b 。很需要了解自己房子室内的辐射情况。 1 2 国内、外本课题研究动态 对于核辐射探测器的研究，从核物理发展的早期就已经有了，而 且针对不同的放射源有不同的探测器进行监测。国内外y 射线探测的 哈尔滨工程大学硕士学位论文 研究都不少，但是基本上都是用于科学研究上如对加速器的辐射场的 监测，对放射源的监测等。而真正研究用于环境本底y 射线监测的探 测器却几乎没有。如我国主要的核仪器生产厂家北京核仪器厂生产对 于y 射线监测的仪器有很多，但是基本上都是环境y 谱仪或是x y 个人剂量仪。如其生产的型号为：h 1 2 2 4 f b h l 2 2 4 f 环境y 谱仪系统，其 性能非常强，该系统测量误差满足g b 9 1 9 6 掺工业废渣建筑材料产品 放射性物质控制要求，用y 能谱仪法测量，在放射性比活度大于 3 7 b q k g 时，总不确定度 2 0 。能量分辨率：9 、能量线性： 1 ( 6 0 k e v 2 o m e v ) 、系统稳定性：1 ( 8 h ) 、最大数据存储道数 达4 0 9 6 道、配有清华同方或联想p i i i 8 0 0 型微机一台、而且系统配 有通用y 谱仿真软件( u m s ) 和碘化钠y 射线谱分析软件( s p a n - n a l 9 8 ) 。 但是这样的环境y 谱仪系统并不是直接对我们周围的环境本底y 射线 辐射场进行监测的，而是对环境的土壤，或是其他试样进行分析的， 这样监测的过程就不是实时的，而且系统也太庞大，并不适合环境本 底y 射线辐射场的监测，同时也不具各移动性。另一个是f j 3 7 6 g l x y 个人剂量仪是智能型袖珍仪器，主要用来监测x 射线和y 射线，直接 读出个人剂量和个人剂量率；剂量当量率：h p ( 1 0 ) 0 1ps v h 9 9 9 9 m s v h ；剂量率响应： 2 0 ( 0 1us v 9 9 9 9 m s v ) ；能量响 应： 3 0 ( 5 0 k e y 1 3 m e v ) 。但其性能太差，不适合于环境y 射线 的监测。因此，研制一种新型的专门用于环境y 射线辐射场监测的探 测器是菲常必需的。 1 3 本文的主要研究内容 本文主要设计应用于环境y 射线辐射场的监测高气压电离室。从 工作气体的选择、壁材的选取、气压的确定等多方面对高气压电离室 的定型进行研究。 6 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第2 章环境t 辐射场的组成及性质 我们生活的环境中的辐射源主要有两类，即天然辐射源和人工辐 射源。生活在地球上的人类每时每刻都受到天然存在的各种电离辐射 的照射，这种照射通常称为天然本底照射。天然本底照射是迄今为止 人类受到电离辐射照射的主要来源”】。 近5 0 多年来，由于核试验、核动力生产、医疗照射及放射性核素 的应用和科学技术的发展，又使人类受到各种人工辐射源的照射。 2 1 天然辐射 素 天然辐射源按其起因可分为三类：宇宙射线、宇生核素、原生核 2 1 1 宇宙射线 即来自宇宙空间的高能粒子流，其成份很多，有质子、粒子、 其他重粒子、中子、电子、光予、介子等。宇宙射线的主要成份是高 能量的质子，其次是氦原子核及少量原子序数3 或以上的重粒子和离 子。宇宙射线进入地球大气层后，会与大气高层的氮、氧等原子核发 生反应，产生氚、碳1 4 等放射性核素及中子、质子、电子、u 介子、 n 介子等次级粒子。 2 1 2 宇生核素 它们主要是f h 宇宙射线与大气中的原子核相互作用产生的；宇生 核素的成分比较复杂，不同的粒子在不同的能级上，与大气分子会产 生不同的放射性元素。常见的宇生核素如表2 1 。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 表2 1 由宇宙射线生成的放射性核素 放射 主要b 大气中生成率对流层下层 性核 射线的最 主要生成方式的计算值( 原浓度的计算 大能量 素子厘米2 年)值( p c i m 3 ) ( k e v ) 3 h1 8 6 14 n 或“0 的散裂 8 1 0 6 5 十1 0 2 7 b ee c “n 或”0 的散裂 2 5 1 0 60 5 。o b e 5 5 5 “n 或“0 的散裂 1 4 2 6 1 0 65 1 0 6 1 4 c1 5 6 “n ( n ，p ) “c 5 o 一6 5 宰1 01 3 1 6 2 4 n a5 4 5 4 0 a r 的散射 1 8 木1 0 。5 $ 1 0 5 3 2 s i2 1 0 4 0 a r 的散射 5 - 6 1 0 38 1 0 7 3 2 p17 1 0 ”a r 的散射 2 5 1 0 41 1 1 0 2 3 3 p2 4 8 “a r 的散射 2 1 $ 1 0 46 1 0 3 3 5 s1 6 7 4 。a r 的散射 4 4 1 0 4 6 1 0 3 3 6 c l7 1 4 4 0 a r 的散射3 5 1 0 4 1 2 1 0 “ 2 1 3 原生核素 即存在于地壳中的天然放射性核素。这些放射性核素构成了我们 周围环境的主要本底辐射。这些原生核素自地球在诞生时，主要有铀 系、钍系、锕系。它们因衰变而产生的子体核素亦属不稳定及具有放 射性。这些子体放射性核素会继续衰变，直至到达稳定状态。它们在 衰变期间会放出对人体有害的粒子、b 粒子或y 射线。铀一2 3 5 、铀 2 3 8 、钍一2 3 2 及一2 3 7 的半衰期分别为7 亿年、4 5 亿年、1 4 0 亿年及 2 3 百万年。铀一2 3 5 的辐射衰变系列可见图2 1 。由于一2 3 7 及其子体 核素的半衰期远低于地球的年龄，它们现已不存在于地球上。相反， 铀一2 3 5 、铀一2 3 8 及钍一2 3 2 衰变系列的放射性核素仍然存在于我们的生 活环境中。地壳土壤及建筑材料内，都含有这些天然的放射性核素， 因此我们吸收到的天然辐射剂量与所在地区的土质成份有关，亦与我 们居所的建筑物材料有关。 8 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 图2 1 铀一2 3 5 的辐射衰变系列 铀系、钍系、锕系这三个放射系在衰变的过程中都不同程度的放 出t 射线，这些t 射线的能级比较广，低的只有三十多k e y ，而最高 的能达到两千六百多k e y 。钍系核素放出的y 射线能量及强度情况见 图2 2 。 9 哈尔滨工程大学硕士学位论文 钍系核素放出的y 射线能量及强度情况 6 0 5 0 倒4 0 孥3 0 罂2 0 1 0 0 图2 2 钍系核素放出的y 射线能量及强度 从图上可见，钍系核素放出的y 射线强度一般都是比较低”。，但 是能量分布的范围非常广。其它铀系、钍系等放射性核素放出的y 射 线能量情况也与钍系核素的相似，具体见附录a ，b ，c 。这些原生核素 所放出的y 射线是我们辐射的主要来源。 另外，除了铀系、钍系、锕系这三个放射系外还有一些其他的天 然放射性核素。具体如表2 2 表2 2 不属放射系的天然放射性核素 在岩石圈或b 射线的能 核素内的丰变量( k e y ) ( 括号内 t 射线能量( k e v ) ( 括号内 ( p p m ) 为百分强度) 为百分强度) 4 0 k3b1 3 1 4 ( 8 9 )1 4 5 1 ( 1 1 ) 5 0 vo 2e c 7 8 3 ( 3 0 ) ，1 5 5 4 ( 7 0 ) 8 7 r b7 5 60 2 7 4 ( 1 0 0 )无 1 16 i n o 1 b4 8 0 ( 1 0 0 )无 似8 l ao 0 l1 3 2 1 0 ( 3 0 )8 1 0 ( 3 0 ) ，1 4 3 0 ( 7 0 ) 14 7 s m l a2 2 3 0 17 6 l a 0 0 l04 3 0 8 8 ( 1 5 ) ，2 0 2 ( 8 5 ) ，3 0 5 ( 9 5 ) 正常本底地区，天然辐射源由于天然放射源对人类造成的照射水 平的估计如表2 3 。在正常本底地区天然辐射源对成人造成的平均有 效计量约2 m s v ，其中内照射所致的有效剂量约比外照射高一倍，在引 哈尔滨上程大学硕士学位论文 起的内照射的各种辐射源中，2 2 2 r n 的寿命子体最为重要，由于他们 造成的有效剂量约为所有内照射辐射源贡献6 0 。外照射中宇宙射线 的贡献略低于原生核素。在年有效剂量中，2 3 8 u 系起着重要作用，约 占全部天然本底照射水平的5 2 4 。 表2 3 正常本底地区天然辐射源致人体的年有效剂量 占总计 辐照源年有效剂量当量，l l s v 的百分数， 宇宙射线 电离成分 2 8 0 2 8 0 1 4 o 中子成分 2 12 l1 0 宇生放射性核素 1 5 1 5 o 8 原生放射性核素 4 0 k 1 2 01 8 03 0 0 8 7 r b 6 61 5 1 2 3 8 u 系 0 3 2 3 8 u 2 3 4 u1 0 2 3 0 t h71 0 4 45 2 4 2 2 6 r a7 2 2 2 r n 2 1 4 p o9 08 0 0 2 1 0 p b 2 1 0 p o1 3 0 2 3 2 t h 系 2 3 2 t h 3 2 2 8 r a 2 3 4 r a1 4 01 3 3 2 6 1 6 4 2 2 0 r n 2 0 8 t 1 1 7 0 总计数 6 5 01 3 4 02 0 0 01 0 0 0 世界上个别地区，由于地表放射性物质的含量较高，因而，这些 地区的放射性水平明显地高于正常本底地区，这些地区通常称为高本 底地区。从剂量学观点而言，最有名的高本底地区位于印度的喀拉拉 邦和巴西的大西洋沿岸。在喀拉拉邦沿海岸宽约5 5 k m 的地带，由地表 辐射引起的空气吸收剂量率平均达1 3 儿g y h 一；而在巴西大西洋沿岸， 空气中的吸收剂量率最高达到2 8 p g y - h 。在我国的广东阳江部分地区， 由于土壤中铀、钍、镭的含量较高，因此，地表空气中的吸收剂量率 平均也高达0 3 4 肛g y h 。 生活在高海拔地区或高本底地区的居民会受到较高的外照射剂 哈尔滨工程大学硕十学位论文 量。居住在通风不良的是内居民也会受到较高的内照射剂量。 天然本底照射的特点是它涉及到世界的全部居民，并以比较恒定 的剂量率为人类所接受。因此可将天然辐射源的照射水平作为基准， 用以与各种人工辐射源的照射水平作比较。 2 2 人工辐射 在当今世界，人类受到的照射的主要人工辐射源是：医疗照射， 核动力生产和核爆炸。 2 2 1 医疗照射 现代，世界人口受到的人工辐射源的照射中，医疗照射居于首位。 医疗照射来源于x 射线诊断检查，体内引入放射性核素的核医学诊断 以及放射性治疗过程。 随着医疗保健事业的发展，接受医疗照射的人数越来越多。据统 计，在发达国家接受x 射线诊断检查的频率每年每1 0 0 0 居民约为 3 0 0 9 0 0 人次，在发展中国家接受x 射线诊断检查的频率约为发达国 家的1 0 。医疗照射造成的剂量小者每次在m g y 量级，大者可达数m g y 以上。表2 4 列出了各种x 射线诊断检查所致的有效剂量值。 表2 4 各种x 射线诊断所致有效剂量m s v 日本1 9 7 9波兰 检查部位 摄片 透视 1 9 7 9 臀部和股骨上部 0 8 40 1 62 7 l 骨盆 腰椎 0 4 60 0 7 一 尿道 o 7 80 0 64 8 7 尿道膀胱 0 9 80 3 817 8 5 胃和上部胃肠道摄片 0 9 90 1 4 一 胃和上部胃肠道透视 1 6 7 一 胃和上部胃肠道荧光摄 4 1 54 2 2 7 7 一 影 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 2 2 2 核爆炸 核爆炸在大气中形成的人工放射性物质是环境广泛受到污染的 原因。核爆炸在大气中形成的人工放射性物质最初大多进入大气层的 上部，然后从大气层上部缓慢的向大气层下部转移，最终将落到地面， 称之为落下灰”3 。当落下灰中的各种放射性核素存在于地面空气中时。 可通过吸入而引起内照射，当其沉降于植物上或土壤中时，则可通过 外照射和食入引起内照射。 核爆炸始于1 9 4 5 年，1 9 5 4 一1 9 8 5 年，及1 9 6 1 1 9 6 2 年间曾在大气 中进行过大量的核试验，最后一次是在1 9 8 0 年1 0 月。地下核试验目 前仍在进行，但其造成的环境污染较小。 虽然核爆炸可以产生几百种放射性核素，但其中多数不是产量很 少就是在很短时间内就已经全部衰变，对世界的居民的有效剂量负担 大于1 的只有7 种，按其对人体照射水平的递减顺序，它们是： 1 4 c ，1 3 7 c s ，9 5 z r ，9 0 s r ，1 0 6 r u ，1 4 4 c e 和3 h 。落下灰对居民的照射水平， 因居住地所处的纬度而异，一般，南半球居民受到的照射量要比北半 球的低。表2 5 列出了核爆炸给生活在南、北温带及全世界居民造成 的有效剂量负担值；从这表，我们可看出，核爆炸对居民照射的主要 途径是食入，其次是外照射。1 9 8 0 年底以前进行的大气层核爆炸造成 的集体有效剂量负担总计为3 水1 0 7 人s v ，相当于当今世界人口额外受 到大约4 年的天然本底辐射的照射。就核爆炸引起的人均年剂量而言， 1 9 6 3 年最大，相当于天然本底辐射源所致平均年剂量的7 ，1 9 6 6 年 则下降为2 左右，目前则低于1 。 表2 51 9 8 1 年底以前进行的大气层核爆炸 造成的有效剂量负担及其贡献途径 有效剂贡献途径， 地点 量负担，m s v 食入外照射 吸入 北温带 4 57 12 45 南温带 3 19 082 全世界 3 87 01 8 3 哈尔滨工程人学硕士学位论文 2 2 - 3 核动力生产 据1 9 8 7 年资料，现在，全世界已有2 6 个国家和地区近4 0 0 座核 反应堆在运行发电，正在建造的反应堆有1 4 0 座，计划建造的还有1 1 0 座，整个核能发电一年1 5 0 0 0 亿度，占世界总发电量的1 6 。 用核反应堆生产电能是以核燃料循环为先决条件的。核燃料的循 环包括：铀矿的开采和水冶，转变成不同的化学形态；2 3 5 u 同位素含 量的富集；燃料元件的制造；在反应堆内的功率生产；受照射燃料的 后处理；核燃料循环的不同阶段、不同装置间的核材料运输；最后， 还要对放射性废物进行处理。 虽然，核动力生产中产生的所有人工放射性核素几乎都存留在受 照过的核燃料中，但是上述循环的每一环节都会有少量放射性物质被 释放到环境中。由于其中大多数放射性核素的半衰期较短，在环境中 的迁移率较低，因此释放到环境的放射性物质多半只是在局部或本地 区产生影响，当然也有一些半衰期很长或是在环境中弥散的较快的放 射性核素，它们可分布到全球，从而在世界范围内使人类和环境受到 照射和污染“。 据粗略估计，在目前，核燃料循环运行时，放射性排出物( 不包 括废物处理) 对附近居民造成的集体有效剂量负担为5 7 人s v ，其中 9 8 是在排放后的1 0 4 1 0 8 年间授与的。表2 6 给出了按现有的技术水 平，核电生产持续到2 5 0 0 年时由核燃料循环所致的年集体有效剂量和 人均有效剂量的预计值。从这表，可见1 9 8 0 年由于核能生产所致的人 均当量剂量只有天然辐射照射源的0 0 0 5 ，即使到了2 5 0 0 年也不过 是天然辐射源照射水平的1 o 表2 6 核电力生产持续到2 5 0 0 年时的年人均当量剂量预计值 年份 项目 1 9 8 02 0 0 02 1 0 02 5 0 0 年核发电量预 8 01 0 0 01 0 0 0 01 0 0 0 0 计值 g w ( e ) a 年集体有效剂 5 0 01 0 0 02 0 0 0 0 02 5 0 0 0 0 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 量( 人s v ) 世界人口( 1 0 9 41 0l o1 0 人) 年人均当量剂 o 1i2 02 5 量( u s v ) 占天然辐射源 平均暴露量的百 0 0 0 5o 0 511 分数( ) 此外，就从事核动力生产的职业人员接受的人工辐射的年有效剂 量，大概与来自天然辐射源照射的平均值处于同一数量级。 人类除了受到上述三种主要人工辐射源的外照射外，还受到由于 工业技术发展造成的增大了的天然辐射源的照射( 例如，燃煤发电、 磷肥生产造成的环境放射性污染，空中旅行、宇宙航行导致的额外的 宇宙射线照射等) 以及各种消费品( 例如夜光钟、表，含铀、钍的制 品，某些电子、电气器件等) 的人工辐射源的照射。不过，由这些人 工辐射源所致的世界居民的集体有效剂量负担与天然辐射源所致相比 较，般都很小，总计不过天然辐射源的1 婚3 。 2 3 本章小结 本章主要分析了我们周围环境中的辐射情况，对于环境的t 辐射 场主要有两个特点：1 t 射线的能量范围比较广。从几十k e y ，到两 三千k e y 不等。这对于探测器的设计带来了很大的困难，它需要探测 器的能量响应范围比较广。2 环境t 射线的总体强度不大。这对于探 测器的灵敏度要求就比较高。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第3 章环境t 辐射场的测量方法 3 1y 射线的探测原理 t 射线的探测都是通过t 射线与物质作用产生电子然后才能产 生电信号被仪器识别。 t 射线与物质相互作用，可以有许多种方式。当t 射线的能量 在3 0 m e v 以下时，在所有相互作用方式中，最主要的三种是1 光电相 应2 康普顿效应3 电子对效应。除此以外还有其他的一些相互作用方 式如：相干散射、光致核反应、核共振反应，但由于在我们的一般的 环境中这些相互作用出现的几率很少可以忽略不计“。 3 1 1 光电相应 光电效应是当一个t 光子与物质中的一个束缚电子作用时，它可 能将全部能量交给电子，而光子本身被吸收。得到能量的电子脱离原 子核的束缚而成为自由电子，这个电子被称为光电子。这个过程叫做 光电效应“。其示意图如图3 1 。 图3 1 光电效应示意图 1 6 e 哈尔滨工程大学硕十学位论文 在发生光电效应时，入射光子能量的一部分用于克服电子的结合 能，其余部分转化为电子的动能。即 五r = ，十函( 3 1 ) 式中：扣一普朗克常熟 一一入射光子频率 h p 一入射光子能量 卜一光电子动能 西一一电子结合能 由于k 壳层电子离核最近，其次为l 、m 、n ，等壳层，因此k 壳 层产生光电效应的几率最大“。从观点子角分布研究中观察到：当光 子能量不大时，光电子发射方向差不多和入射光予方向相垂直；而在 光子能量较大时，则光电子发射方向逐渐趋于入射方向。由式( 3 1 ) 可得光电子动能为 ，= 五v 一曲( 3 - 2 ) 由于一般中值约为几千电子伏到几万电子伏，而t 射线的能量h v 在几十万到几百万电子伏间，所以tmh v 。 如果吸收介质原子序数为z ，t 射线的能量为h v ，则由于光电效 应而使射线强度减弱，其减弱系数为t ，则 t 。c2 0 “ ( h v m o c )t 3 - 4 、 由此可见：光电效应只是在t 射线能量较低，介质原子序数较高时， 才能有较大的几率。 3 1 2 康普顿效应 t 射线与物质的另一种相互作用是入射光子把一部分动能交给 原予外层电子，电子从原予中以与入射方向成巾角方向射出，这一电 子成为反冲电子“。入射光子能量则变成h v 并朝着与入射角方向成 0 角方向散射，这一过程最早为康普顿发现，所以称为康普顿效应。 康普顿效应示意图如图3 2 啥尔滨工程大学硕士学位论文 _ _ i i i i j j i i i i i i i _ j i ；l 口j j j j _ _ t _ i i l _ i i j _ _ i i i _ j j i j i j 当入射光子能量较大时，外层电子的结合能( 一般是电子伏数量 级) 可以忽略。因此，可以把外层电子近似看作“自由电子”。这样， 康普顿效应可以认为是t 光子与原子中外层轨道电子的弹性碰撞。由 能量和动量守恒定律，可根据入射光子的能量和动能求得反冲电子以 及散射光子的能量和动量。计算可得反冲电子能量e e 等于 e e ：竺= ( 3 - 5 ) 蒜南 当0 = o 。，e e 接近为0 ，说明没有反冲电子产生。 当0 = 1 8 0 。，反冲电子能量取得最大值e e m a x e e m a x ：竺= ( 3 - 6 ) 1 + 竺 2 h v h v 8 图3 2 康普顿效应不意图 从这，我们可以看出，康普顿效应产生的反冲电子能量从0 到 e e m a x ，随着0 变化而连续分布。由于康普顿效应而产生的射线强度 的减弱，其减弱系数0c 正比于吸收介质的z a 。z ，a 分别是吸收介 质原子序数与质量数“。 t 射线能量在0 5 - 5 m e v 范围内，t 射线与物质发生作用时，康普 顿效应是主要作用过程。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 3 1 3 电子对效应 当t 射线能量大于两倍电子静止能量，即h v 1 0 2 m e v 时，v 光子 从原子核旁边经过时，光子被吸收，转化为两个电子：电子和正电子， 这一过程称为电子对效应“。电子对产生过程示意图如图3 3 h v e 图3 3 电子对产生过程示意图 在电子对产生时，入射光子能量一部分转化为两个电子的静止能 量，其余部分转化为正、负电子的动能。即： h v ：2 m o c 。i 如+ + e e ( 3 - 7 ) 式中：魔卜一f 电子的动能 如一一负电子的动能。 由上式可看出能量为h v 的光予在发生电子对效应时，生成的正、 负电子的总动能为一常数，这一常数等于： e e + + e e = 1 7r 一2 1 n o t 。( 3 8 ) 由于电子和正电子之间的能量分配是任意的，因此每一个粒子动能可 从0 到h v 一2 m 。c 2 。由动量守恒关系可得到：电子和正电子几乎都是沿 着入射光子方向前倾的角度发射的，入射光子的能量越大，正、负电 子的发射方向越前倾，即他们与入射光子方向的夹角变得越小。 电子对效应产生的正电子，在介质中动能损失以后，它与吸收介 质中的一个电子结合，并转化为两个t 光予，即 ，+ e 一一拍y ( 3 - 9 ) 这个过程叫做电子对湮没，两个光子则称为湮没辐射。根据能量守恒 1 9 哈尔滨工程大学硕士学位论文 原理。两个湮没光子的总能量等于正、负电子的静止能量。所以 2 h v = 2 n t o c 2 h v = o 5 i m e v t 3 1 0 、 产生的湮没光子又有可能与介质发生光电效应获康普顿效应。 出于电子对效应而使t 射线强度减弱，其减弱系数k 与介质原子 序数的平方成正比，而且随着t 光子能量增大而变大，对于能量大于 2 m e v 的t 射线，电子对产生效应逐渐变为重要的相互作用过程。 t 射线和物质相互作用的上述三种主要过程，它们发生的几率， 随着入射光子的能量、物质原子序数而变化，图3 4 给出了这种依赖 关系。 1 0 0 8 0 z 6 0 4 0 2 0 0 0 1 0 1 1 1 01 0 0 h v ( m e v ) 图3 4 光电相应、康普顿效应、电子对效应优势区域 与光子能量及介质原子序数关系 图中曲线上，给出了两种相邻作用过程所占比例相等时的z 值和 入射光子能量h v 值。对于低能t 射线和原子序数高的介质以光电效 应为主；中等能量和较低原子序数介质以康普顿效应为主；而高能t 射线和较高的原子序数介质则以电子对效应为主”。 3 2 用于y 射线监测的探测器 现代主要用于环境t 射线检测的探测器有电离室、盖革一弥勒计 2 0 哈尔滨工程大学硕士学位论文 数器( g m 管) 、闪烁探测器。电离室和g m 管计数器属于气体探测 器类。闪烁探测器则属于固体探测器类。 3 2 1 气体探测器 1 气体探测器的工作原理 气体探测器能实现t 射线的探测并不单是对因为t 射线与物质作 用产生的电子直接进行采集而获得电信号的。其中还有气体的电离与 激发过程、电子和离子的运动和离子在电场中的运动三个过程。 1 ) 气体的电离与激发过程 t 射线与物质作用产生的电子和离子通过气体时，和气体原子的 轨道电子发生库仑作用，本身会损失部分能量，而使气体原子电离或 激发。电离时，核外电子所获得的一部分能量足以克服原子的束缚而 成为自由电子，从而生成离子对一一电子和正离子。所产生的离子对 数目称为初次电离。电离后产生的次级粒子再和气体分子作用而产生 的电离离子对数目，称为次电离。初电离和次电离的总和称为总电离 “”。入射粒子在单位路径上产生的离子对数目，称为比电离。同样， 比电离也相应地有初比电离、次比电离和总比电离。 初电离产生的电子中，那些具有较大能量能够引起次级电离的电 子称为6 电子。入射粒子损失于气体内的能量e 分为三个部分；a 消 耗于电离，产生n 。个离子对；b 使气体的原子激发；c 转换为气体 原子和离子对的动能。 电离碰撞中受激的原子，以三种可能的方式退激； ( 1 ) 辐射光子 受激原子从激发态退回基态时，发射波长为近紫 外光的光子。这些光子又可能在周围介质中打出光电子，或被某些气 体分子吸收而使分子离解“。 ( 2 ) 俄歇效应受激原子退激时，激发能直接转移给自身的内层 电子，使电子脱出，即发射俄歇电子。同时，失去了内层电子后所形 哈尔滨上程大学硕士学位论文 成的空穴立刻( 在1 0 1 3 s 内) 被外层电子所填充，伴随特征x 射线发射， 也称为x 荧光。 ( 3 ) 亚稳原子某些受激原子处于禁戒的激发态，而不能自发地 退回基态，其寿命一般约为l o 一1 04 s 称为亚稳原子。它们与其他粒 子非弹性碰撞后才能退激“。 2 ) 电子和离子的运动 电子和离子的运动包括以下几方面内容： ( 1 ) 扩散电子和正离子从密度大的区域向密度小的区域扩散。 ( 2 ) 漂移电子和正离子在外电场中被加速，但同时又和气体分 子碰撞，损失能量而减速。宏观上表现为它们沿( 或反) 外加电场方向 上具有一定的平均速度w 称为漂移速度。假如每次碰撞后，电离粒子 的动量全部损失的话，漂移速度公式为： w = 始协 邯e ( 3 - 1 1 )w _ i l ij 【面j 叫7 式中：肛一电场强度 卜一气体压力 旷一电离粒子质量 一一电离粒子在1 0 1 3 k p a ( 1 a t m ) 下的平均自由程 卜一电离粒子在电场下的混乱运动的平均速度，也称为激活 速度 = i 1 而e 2 一一迁移率 电离粒子混乱运动的能量在有电场时比无电场时所增加的倍数 r l ，称为平均激活能。 二掰u 2 = 卵兰灯( 3 1 2 ) 23 式中：k 一一玻尔兹曼常数 t 一一气体的绝对温度 ( 3 ) 复合 可分为电子复合与离子复合两种情形。电子与正离子 碰撞时可发生与电离相反的过程，即复合形成中性分子。这个过程 哈尔滨丁程大学硕士学位论文 称之为电子复合。电子与气体分子碰撞时，可能被吸附而形成负离子， 即产生电子吸附效应。负离子与币离子碰撞时也要复合成中性分子。 这个过程称之为离子复合”“。通常把吸附电子几率大的气体，称为负 电性气化如氧、水蒸气和卤素等。电子被吸附形成负离子之后，漂移 速度大大减慢，复合几率增加几个数量级。复合过程将导致收集到的 电离数减少。 3 ) 外加电场与电离粒子的收集 假定在探测器气体空间形成n o 个离子对，在外加电压v 的作用下， 这些电子和正离子分别向正、负电极漂移而被电极所收集。图3 5 示 出收集到的离子对数与外