一核仪器设计基础知识

核仪器设计,第一章 核 仪器设计基础知识,2,核仪器设计章节安排（课堂教学 24学时）,第一章 核仪器设计基础知识（4学时）第二章 核辐射探测器与连接电路（4学时）第三章 总量辐射仪设计（4学时）第四章 能谱仪设计（2学时）第五章 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）,第一章 核 仪器设计基础知识,3,核仪器设计实验安排（实验教学 24学时）6C802,1、 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,第一章 核 仪器设计基础知识,4,第一章 核仪器设计基本知识,本课程将以核辐射测量方法、核电子学基础、核检测方法与仪器等放射性专业课知识为基础，学习核仪器设计的基本方法，并通过实验掌握核仪器设计和制作的全过程。,一、核辐射基本知识二、核仪器设计基础,（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、核辐射基本知识,放射性(radioactivity)这一名词首次首次被利用是Marie Curie。在1898,她首先用来描述能发出电离辐射(ionizing radiation)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别。 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radiation actives。,（一）放射性现象,第一章 核 仪器设计基础知识,7,1898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Marie Curie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Marie Curie夫妇分别获得物理诺贝尔奖。1911年， Marie Curie 获得化学 Nobel Prize for isolatiing radium（ Pierre died in 1906）。Marie Curie died in 1934 at the age of 67 years as a result of prolonged exposure to radioactivity Ra.,第一章 核 仪器设计基础知识,8,1911年，卢瑟福（Rutherford）用射线轰击各种原子， 观测到射线发生偏折，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基础。 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应， 它是用粒子轰击氦核能放出质子，反应式如下： 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 (nuclear radiation ) 核的变换 nuclide transformation 来源 粒子加速器 particle acceleration 宇宙射线 cosmic ray from outer space,产生机理角度,9,第一章 核 仪器设计基础知识,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,第一章 核 仪器设计基础知识,核辐射的分类,11,第一章 核 仪器设计基础知识,第一章 核 仪器设计基础知识,12,原子和原子核,第一章 核 仪器设计基础知识,13,原子与原子核的大小,第一章 核 仪器设计基础知识,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）衰变 例1 1602年 4.602 MeV 4.785 MeV 5 % 95 % 0.183MeV 3.825天, 衰变,第一章 核 仪器设计基础知识,见P.17,例2：U238的衰变示意图,铀原子的电子模型图,（） 衰变 放出 粒子 beta particle 高速运动的电子分为衰变；衰变 衰变, 衰变,衰变 衰变； 30 年 1.17 MeV 0.51 MeV8 % 92 % 0.661 MeV 基态, 衰变,第一章 核 仪器设计基础知识,20,钍-234 （母核）,镤-234 （子核）,电子 e- （ 粒子）,衰变产物,质子,中子,質量 0,（3） 跃迁 - transition 在衰变 、 衰变 过程中，伴随放出辐射 gamma radiation例： 基态 0.059MeV,99.7% 1.54MeV 0.31MeV0.3% 1.17MeV 1.33MeV 基态, 衰变,第一章 核 仪器设计基础知识,22, 射线,具有多余的能量,衰变产物,能量,放射性系列,镎系 neptunium series Np- 237 A=4n+1,铀系 uranium series U - 238 A=4n+2钍系 thorium series Th- 232 A=4n锕铀系 actinium uranium series U- 235 A=4n+3,不成系列的天然放射性核素,K-40 1.46 MeV T=1.3 109a Rb-87 T=5.0 1010a Sm-147 T=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6080%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。,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粒子能量在48MeV。初始速度约在(12)109cm/s。,由于为重粒子，与物质散射作用不明显，在气体中的径迹是直线。,2. 粒子的射程,粒子的射程用平均射程代表；粒子是重粒子，射程涨落小。5MeV 粒子,涨落约1；同一物质中，粒子的射程与初始能量有关，能量大，射程长；4 8MeV粒子在空气中射程可以用经验公式计算：,天然粒子在空气中的射程有表(表2-1)可查。, 粒子的射程 能量在 48 MeV,在空气中的射程 28 cm 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。,射线与物质的相互作用,电离、次级电离（占7080%）激发弹性散射轫致辐射 射程： 粒子的运动轨迹是 折线,快电子（粒子）与物质的相互作用,弹性散射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。,反散射粒子在物质中经过多次散射，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.53,粒子在物质中的衰减 近似按指数规律衰减。,粒子在物质中的衰减,P.57,cm = (g/cm2) / (g/cm3 ),R 吸收厚度(单位)：cm，g/cm2,射线的射程,半吸收厚度：粒子在物质中衰减1半所经过的厚度。,射程：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/cm2, 粒子在物质中的射程可按下列经验公示计算：,P.57,当E00.8MeV,当0.15MeVE00.8MeV,R (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1.201.25kg/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2.202.5g/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：1.03 cm,2. 放射层中 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,射线,第 1 步初级作用,第 2 步次级作用,射线对物质产生电离作用的过程：,定义：,当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，而射线本身被完全吸收,这种过程称为光电效应 。,光电效应,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。 + A A* + e- （光电子） 原子 A + 特征X 射线,入射光子的能量必须大于壳层电子结合能，才能发生光电效应。光子与自由电子不能发生光电效应，只有原子核参加反应，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,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.60,Ee：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。, K ： 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2.24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。, 与 轨道电子 光电子 消失 特征 X 射线 K 层 几率最大,光电子能量：,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,当光子与原子的核外电子发生弹性碰撞时,光子的一部分能量转移给电子,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. hv 散射光子的能量. Ee反冲电子的动能.V光子的速度.散射光子的散射角.反冲电子的反冲角.,与核外电子发生作用. 非弹性碰撞, 光子损失部分能量. 作用后, 光子运动方向改变. 形成反冲电子.,P.64,1）基本特征,光子与原子的外层电子发生碰撞，一部分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部分能量，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，反冲角。则有下列关系式成立：,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=2.81810-13cm 0以静止电子为单位的光子能量0 =h/ m0C2,5）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。,MeV,6）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 m0c2,核辐射测量原理P.81,当光子从原子核旁经过时,在原子核的库仑场作用下, 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 = 1.02 MeV. 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10-1010-7s。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且方向相反的光子。这种现象称为电子对湮没。放出的光子叫做湮没辐射.,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应截面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：不论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/L,Bg/L, Bg/m3,1 Bg/L = 1000Bg/m3,1g/L = 1000mg/L,Ci/L, Ci/m3,1 Ci/L = 1000Ci/m3 =3.71010Bg/L,爱曼（em），1em = 10-10Ci/L = 3.7 Bg/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 = 3.71010Bq = 3.71010核衰变/秒。,（1）放射性活度,照射量 X 表示 X 或 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 = 3.877103R,1R = 2.5810-4C/kg = 0.258 mC/kg,（2）照射量,照射量率法定单位：单位时间内的照射量。（C/kgs） 曾用单位：微伦琴每小时(R/h), 简称伽玛( ) 1=1R/h=2.5810-10C/(kgh),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射线或射线在空气中的辐射场性质，仅适用于X射线或射线 。,1= 7.17*10-14C/kg.s,1R/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、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 1 Gy = 1 J/kg， 1 n Gy = 10-9 Gy 曾用单位：拉德 （red）1 red = 10-2 Gy = 0.01Gy = 10mGy1 Gy = 100 red 1 毫拉德 = 10 微戈瑞 证：1red=103mred=10-2Gy = 10-2106Gy; 1mred=10Gy,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或射线，可通过下式将照射量换算为吸收剂量D：D = 33.84 X式中，D的单位为Gy（Jkg-1）；X 为照射量，单位为Ckg-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)1Gy/h =86.9 1 0.01150748Gy/h 11.50748nGy/h,H(当量剂量)=D(吸收剂量)QN,（6）当量剂量（H）,法定单位 : 戈瑞（Gy） 希沃特（Sv）曾用单位： 拉德（rad） 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（参考）,条件：带电粒子平衡 & 轫致辐射效应忽略 & 低能X或射线,若满足：,则：比释动能=吸收剂量D = K,若为高能X或射线，由于次级带电粒子是电子，有一部分能量在物质中转变为轫致辐射而离开所关心的那个体积元，故 kD。,则：,g 为次级电子慢化过程中，能量损失于轫致辐射的能量份额。,核辐射测量原理p.37,粒子注量,ICRU(国际辐射剂量与测量委员会)引入了一般性概念：辐射场中某一点的粒子注量是以进入该点为球心、截面积为da的小球体内的粒子数dN与该截面积d