核技术应用2013-548504180

核技术应用,联系方式,李元景gwxlyj,定义,核技术是核科学的技术应用，是当代最新的尖端技术和社会现代化的标志之一。-自然科学学科发展战略研究报告（国家自然科学基金委员会）,广义核技术-核武器、核动力，及同位素技术与辐射技术狭义核技术-同位素技术与辐射技术,同位素技术的基本内涵,同位素技术利用放射性同位素的物理、化学特征，尤其是放射性便于探测的特点，实现放射性核素示踪物的测量。主要有：放射性核素年代学；同位素示踪；同位素药物及标记化合物；同位素能源等。,辐射技术的基本内涵辐射技术即利用辐射源放出的辐射(X射线、射线、中子等)与物质相互作用的特点，实现测量客体的分析、成像、改性等功能。主要有：辐射检测仪表；辐射和离子束加工；辐射成像技术；核分析技术等。,核科学回顾,科学发现理论发展技术应用,科学发现,1895年，伦琴发现X射线1896年，贝可勒尔发现铀的放射现象1897年，汤姆逊发现电子1919年，卢瑟福原子结构、质子1932年，查德维克发现中子1939年，哈恩、斯特拉斯曼发现裂变,理论发展,1900年，普朗克提出离散辐射能量1905年，爱因斯坦光电效应的量子理论1913年，玻尔的定态能级理论1923年，德布罗意的物质波理论1925年，海森伯、薛定谔量子力学1928年，狄拉克的相对论量子力学,核技术发展(1),1905法国实现子宫内放射治疗（镭照射）1911瑞士开始制造夜光表发光涂料1923放射性示踪用于生物学研究1930发明带电粒子加速器1934发现人工放射性1936采用活化分析1942第一座核反应堆临界，实现链式核裂变反应1943赫维赛因建立放射性示踪技术得诺贝尔奖1945美国爆炸第一颗原子弹,核技术发展（2),1950第一批辐射育种品种出现1951美国首次制成同位素仪表（厚度计）1954世界第一座原子能核电站开始运行（苏联）1955在日内瓦召开第一次和平利用原子能国际会议1958核医学用闪烁照相机研制成功1959苏联原子破冰船“列宁”号首航1960体外超微量分析法放射免疫测定技术建立实现辐射化工产业化（辐射交联高分子电线电缆绝缘层）,核技术发展（3）,1961放射性同位素电池首次进入太空轨道1962体内放射显影药物钼-锝（Mo-Tc）发生器问世1968粒子束分析技术问世1972第一台头颅XCT试制成功1974正电子发射CT（PET）问世1977NMR-CT获得人手剖面1980美国污水辐射处理系统实用化1983第一台工业断层扫描器问世（美国）,国内核技术回顾,核技术在各个领域应用很多核能（发电、动力、供热）非能源应用（工业、医疗卫生、农业、辐照、安全、环境、天文、考古）,国内起步并不晚，58年建立了第一个反应堆（原子能科学研究院-代号401），除为两弹做出了杰出贡献外，开始生产放射性同位素,广泛应用于实验室、放射治疗和辐照中心。,国内核技术的发展概况,国内的技术发展,国际国内1942年，第一座反应堆运行（1958）1945年，第一次原子弹试验（1964）1951年，第一次核能发电（1991）1952年，第一次氢弹试验（1967）1954年，第一艘核潜艇下水（1971）1972年,第一台头颅XCT试制成功(1983)1983年,第一台工业断层扫描器问世(1988),辐射技术应用,3.1常见的核辐射类型极其特征,射线(Ray)，指的是如X射线、射线、射线、射线、中子等，本质都是辐射粒子。又称辐射(Radiation),3.1.1什么是射线,3.1.2常用射线的分类,主要的射线类型:a,b,g,TypeofRadiationCharge/MassPenetrationa=Henucleus+2q/4mpsheetofpaperb=electronorpositronq/meor+q/mefewmmmetalg=high-energyphotonnochargeseveralcmlead,此外，还有中子发射、质子发射等,各种辐射的穿透能力,原子核由中子和质子组成，中子不带电，质子带单位正电荷。中子和质子质量相当，分别约等于一个原子质量单位。核中中子和质子统称为核子，数目以A表示，A称为核子数或质量数，核中质子数记为Z，中子数记为N。常用如下形式表示一个原子核：,实际上核素符号X和质子数Z具有唯一、确定的关系，所以用符号AX足以表示一个特定的核素。A=Z+N例:,原子核的表示,常用术语及意义,1、核素（nuclide）,具有一定数目的中子和质子以及特定能态的一种原子核或原子称为核素。,核子数、中子数、质子数和能态只要有一个不同，就是不同的核素。,两种核素，A同，Z、N不同。,两种核素，N同，A、Z不同。,两种核素，Z同，A、N不同。,两种核素，A、Z、N同，能态不同。,某元素中各同位素天然含量的百分比称为同位素丰度。,具有相同原子序数但质量数不同的核素称为某元素的同位素。(即Z相同，N不同，在元素周期表中处于同一个位置，具有基本相同化学性质，不同的核性质。),2、同位素（isotope）和同位素丰度,铀的二种同位素,氢的三种同位素,99.756%、0.039%、0.205%,99.985%、0.015%,1.带电粒子能量损失方式之一-电离损失,入射带电粒子与靶原子的核外电子通过库仑作用，使电子获得能量而引起原子的电离或激发。,电离核外层电子克服束缚成为自由电子，原子成为正离子。,激发使核外层电子由低能级跃迁到高能级而使原子处于激发状态，退激发光。,3.2.1带电粒子与物质相互作用,3.2射线与物质相互作用,2.带电粒子能量损失方式之二-辐射损失,入射带电粒子与原子核之间的库仑力作用，使入射带电粒子的速度和方向发生变化，伴随着发射电磁辐射轫致辐射(Bremsstrahlung)。它是X射线的一种，具有连续的能量分布。其最大能量可以等于入射带电粒子的能量。,射线与射线的本质电磁辐射,3.2.2射线射线与物质相互作用,X射线与射线的特性,不可见，依直线传播，遵守反平方法则不带电荷，不受电场与磁场的影响能产生光化学反应，使感光材料感光，且能使某些物质发生荧光作用能穿透不透明的物质，并能引起强度的衰减可以引起散射现象能产生生物效应,X射线的产生,通常使用的源X光管加速器三个条件一个发射电子的源一个加速电子的手段一个接受电子碰撞的靶,两种方式的比较,加速器以脉冲方式工作，输出X射线能量高、亮度大，体积大，成本高X光机以连续方式工作，输出X射线能量低、亮度小，体积小，成本低,射线的产生,由放射性核素的衰变产生不同的核素产生不同能量的射线例如：60Co能量1.17Mev，1.33Mev137Cs能量0.662Mev,射线与物质相互作用特点：,光子是通过次级效应(一种“单次性”的随机事件)与物质的原子或原子核外电子作用，一旦光子与物质发生作用，光子或者消失或者受到散射而损失能量，同时产生次级电子；,次级效应主要的方式有三种，即光电效应、康普顿效应和电子对效应。,(1）光电效应：光子与原子中的一个束缚电子作用，把能量全部交给电子（更准确的说是光子与原子作用，把能量全部交给其中一个电子），使电子从原子中发射出来，称为光电子，光子消失。光电子能量其中，为i层电子的结合能，主要是K层电子。,（2）康普顿效应光子与核外层电子发生非弹性碰撞。光子的一部分能量交给电子，使电子从原子中发射出来，光子的能量和方向发生改变。为散射角；为反冲角。反冲电子能量：与有关，且呈连续能量分布。,（3）电子对生成效应：光子从原子核旁经过，在核的库仑场作用下，光子转化成为正负电子对。正负电子对的能量：所以，只有当射线能量大于才可能发生电子对效应。,物质对射线的吸收,(1)窄束射线强度的衰减规律,为光子与吸收物质作用的截面；,N为吸收物质单位体积的原子数；,I0为射线入射强度；,D为吸收物质厚度；,对上微分方程进行积分，并利用初始条件：,在xx+dx层内单位时间光子数的变化为：引入系数,得到,式中为射线强度，其单位为。定义为线性衰减系数，其量纲为长度的倒数，单位常用。,可以证明又称宏观截面,线性衰减（吸收）系数的物理意义为射线通过单位厚度物质时发生相互作用的概率。,定义：质量衰减系数：,相应质量厚度表示为：,质量衰减系数与即物质状态无关。,用质量厚度表示的优点是便于测量。得到吸收规律的另一种更常用的表达式：,辐射技术的应用,核仪表核分析技术辐射成像辐照技术放射性示踪技术,核仪表,核仪表NUCLEARINSTRUMENTS,凡带有一个或数个放射性同位素辐射源(或射线裝置)的自动化检测仪表都属于核仪表。它是根据被测物质对射线的吸收、反散射或射线对被测物质的电离激发作用而设计的特殊检测装置,核仪器仪表市场,核电站核仪器仪表,3.5工业核仪表特点,工业核仪表又称核控制系统（NuclearControlSystem）特点：1准确度和可靠性高2可在恶劣的环境条件下工作3非接触式的测量方式,核仪表的应用,核仪表,其组成为：辐射源+辐射防护装置+测量对象（探测介质）+辐射探测器及电子学、计算机系统。,核仪表的原理函数：S=F(A,X)反映探测系统的输出信号S与辐射源参量A和介质参量X之间的关系。由此，可归纳为两类问题：（1）辐射源参数已知，由探测系统的输出信号来求介质参量，如测厚仪等；（2）介质参量已知(或不变)，由输出信号求辐射源参量，如放射性物质检测及识别系统,土壤水分路基水分密度,工业用核仪器应用领域,3.5.1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,料位计的应用,连续型料位计：,典型应用,指示封闭的容器中物料位置在工艺过程中作料位控制控制传送带的负载和转换位置计数件数,指数型工业核仪表主要包括厚度计，密度计及质量计（核子秤）。此三者都是利用介质对辐射的衰减来测定介质参数。,把准直后入射探测器的射线束看成平行窄束。则探测器处的强度为其中,为处的辐射强度。,1.指数型工业核仪表的原理函数,3.5.2指数型工业核仪表,一般，探测系统的输出信号对输入辐射强度的响应是线性的，探测系统的响应函数，即其输出信号式中为时探测系统的输出信号，可以是计数率或输出电平；为探测系统的探测效率，对一系统是一常数。对上方程改写，可以得到为质量厚度上式为指数型工业核仪表的原理函数,对厚度计,介质密度一定,则介质厚度对密度计,介质厚度一定，则密度对核子秤,即单位面积传输皮带上物料的质量为上述三种工业核仪表的原理函数。,钢板测厚仪原理,I0无吸收物时的探测器信号Im有吸收物时的探测器信号X吸收物厚度衰减系数,辐射应用技术,IMS厚度/凸度测量系统,测厚仪,中心厚度,3测量头凸度,边缘降,多通道凸度,厚度测量方式,IMS应用技术,核子秤,皮带上单位长度上的物料质量d为皮带宽度。若皮带速度为，则dt时间内通过物料的质量为在时间内，皮带输运的物料质量为速度计的输出信号正比于皮带速度，可得到物料质量：,核仪表在钢铁工业的应用,测厚仪,涂层仪,辐射应用技术,管径仪,分析仪（油品）,凸度计,密度计,辐射应用技术,核子秤,水分仪,料位计,放射性检测糸统,多元素分析仪,核仪表在钢铁工业的应用,核仪表在钢铁工业的应用,矿浆浓度、板坯密度、厚度、各种粉末及烧结矿的密度、焦炉三车对中、流量、湿度、压力.采用活化分析法测量钢水中氧、矿物中的氧、硅、铝、铁的含量利用X荧光分析测量矿石成份,分析炉渣中铁量及碱度等利用PGNAA技术可对煤、矿石进行全元素分析,辐射应用技术,核仪表在钢铁工业的应用,原料场：料位计、水分仪、核子秤、灰分仪、PGNAA多元素分析炼铁厂：料位计、水分仪、浓度计炼钢厂：结晶器液位计、水处理氧化铁皮位置、板坯厚度型钢厂：异型材料厚度、管径及内部缺陷检测,辐射应用技术,核仪表的经济效益系数（IAEA）,塑料薄膜厚度计为：1:3纸张厚度计和湿度计为：1:9镀层厚度计为：1:30脱硫车间硫分析仪为：1:30高炉焦炭水份仪为：1:20家用供热使用的漏检测为：1:7,辐射应用技术,辐射煤灰分仪,煤的灰分含量即煤灰分值是煤的质量的重要指标，煤灰分是指在一定温度下，煤完全燃烧后所剩下的氧化物残渣的比例，主要是Fe、Ca、Si、Al的氧化物，煤灰分与煤的发热量密切相关，因此快速、准确确定煤灰分对提高煤炭的利用率，节约能源有重要的作用。传统的燃烧法测量约2-3个小时，用双能量射线透射法可快速准确的在线确定煤灰分值，因此可直接指导生产。如洗煤厂的洗煤工序、火电厂锅炉燃烧控制等。,传统的测量方法,传统方法的问题,Heavylabor2).加速器中子源;3).同位素中子源2.样品传送装置。3.放射性的探测系统。,1.水样品的中子活化分析2.土壤的中子活化分析（农用稀土）3.地球灾变的研究（铱）4.人体的微量元素的测定（从头发中砷含量研究拿破伦之死）刑事侦察：开枪后留在手上的极其微量的钡，锑元素，也可以用测出来6.爆炸物检测7.石油测井,中子活化分析的应用,爆炸物检测热中子方法,ThermalNeutronAnalysis原理通过热中子反应14N+n15N+(10.835MeV)测量N元素的含量。,爆炸物检测热中子方法,V-EDS,SP-EDS,仅测量N元素，不能测量C、O元