核辐射测量原理-课件1

1核辐射测量原理

1核辐射测量原理2分析传送带上的煤品质2分析传送带上的煤品质3辐射源探测器辐射源3辐射源探测器辐射源4辐射源基本概念和分类重带电粒子与物质的相互作用快电子与物质的相互作用γ射线与物质的相互作用中子与中子探测概率论基础知识，放射性测量中的统计学气体电离探测器闪烁探测器半导体探测器其它探测器及进展放射性样品的活度测量核物理实验中的符合法带电粒子和γ射线的能谱测量理论课内容安排：4辐射源基本概念和分类重带电粒子与物质的相互作用快电子与物质5教材：

《原子核物理实验方法》.清华大学，复旦大学等三校合编，原子能出版社.参考书：（1）RadiationDetectionandMeasurement,GFKnoll,JohnWiley&Sons,NewYork,1989.（2）《核辐射物理及探测学》，清华大学工程物理系，

2008（内部使用）。（3）《核辐射探测器与核电子学》，赖万昌.成都理工大学03年5月（内部使用）（4）《核辐射测量原理》.汤彬（内部使用）.5教材：6第一章辐射源6第一章辐射源7A辐射可以分为如下四种类型：带电粒子辐射

快电子重带电粒子非带电辐射中子电磁辐射7A8快电子：包括核衰变中发射的β粒子（正或负）以及其他过程产生的具有相当能量的电子。重带电粒子：包括质量为一个或多个原子质量单位并具有相当能量的各种离子，如α粒子、质子、裂变产物和核反应产物等。8快电子：包括核衰变中发射的β粒子（正或负）9中子：产生于各种核转变过程，通常分为慢中子和快中子。电磁辐射：能量范围在10eV~20MeV,这个能量下限是辐射或辐射与物质相互作用的次级产物能使空气等典型材料发生电离所需的最低能量，能量大于这个这个最低值的辐射称作致电离辐射。9中子：产生于各种核转变过程，通常分为慢中10B

对于我们所关注的辐射，其主要不同在于他们的“硬度”或者说穿透物质的厚度；软辐射:如α射线,x射线(低能),仅能穿透很薄的物质。微米量级；硬辐射:如γ射线,中子；几毫米~几厘米；介于两者之间的辐射:如β射线。零点几毫米；10B11放射源的生产和制造例如:放射源1）60CoT1/2=5.27年2）137Cs

T1/2=30.17年11放射源的生产和制造例如:放射源121.1单位和定义1.2快电子源1.3重带电粒子源1.4电磁辐射源1.5中子源121.1单位和定义13定义：单位时间内某种核素的原子核发生衰变的数目，常用A来表示。A=-dN/dt=N0e-t=A0e-t

1.1.1

放射性活度1.1单位和定义13定义：单位时间内某种核素的原子核发生衰变的数目，常用A来14放射性活度单位早期单位：居里(Ci):1Ci=3.7×1010s-11mCi=3.7×107s-11μCi=3.7×104s-1

卢瑟福(Rd):1Rd=1×106s-1现在单位：贝克勒尔(Bq):1Bq=1s-11Ci=3.7×1010Bq1Rd=1.0×106Bq14放射性活度单位早期单位：现在单位：15放射性强度定义：放射源在单位时间内放出某种粒子的个数，可以用I来表示。与A的关系：活度是针对放射性核素的原子核的，而强度是针对放射出的射线的；举例：60Co源一次衰变释放2个γ光子，因此60Co源的γ射线强度是放射性活度的2倍。比活度定义：单位质量的放射性物质的活度。举例：如8.86×10-10g的活度为3.7×104Bq，则比活度为：

3.7×104Bq/8.86×10-10g=4.18×1013Bq•g-115放射性强度定义：放射源在单位时间内放出某种粒子的个数，可161.1.2能量

辐射能量测量的单位常用电子伏

eV,(keV,MeV).国际单位制（SI）中的能量单位是焦耳(J)1fJ(10-15J)=6.241*103eVX射线或γ光子的能量与其辐射频率有关

:这里：

h=普朗克常数

(6.602x10-34Js或

4.135x10-15eVs).

v=辐射频率光量子的波长λ为：其中λ的单位是米（m)，E的单位是电子伏(eV)161.1.2能量辐射能量测量的单位常用电子伏171.2快电子源1.2.1β衰变

在辐射测量中常用的快电子源是放射性同位素经β-衰变得到的

这里：X,Y是衰变前后的核素类型.

是反中微子每种类型的β衰变都有固定的衰变能或Q值(β极限能).衰变过程中β粒子的能量范围可从0变化到Q值,如表1-1所示.171.2快电子源1.2.1β衰变这里：每种类型的β18Figure1-1Thedecayschemeof36Clandtheresultingbetaparticleenergydistribution.18Figure1-1Thedecayscheme19Table1-1Some“Pure”Beta-MinusSourcesNullideHalf-lifeEndpointenergy/MeV3H12.26y0.018614C5730y0.15632P14.28d1.71033P24.4d0.24835S87.9d0.16736Cl3.08×105y0.71445Ca165d0.25263Ni92y0.06790Sr/90Y27.7y/64h0.546/2.2799Tc2.12×105y0.292147Pm2.62y0.224204Tl3.81y0.76619Table1-1Some“Pure”Beta-M2014C→14N+

e-+

(6,14)(7,14)(-1,0)(0,0)

考古测年2014C→14N+e-2121221.2.2

内转换β-衰变源的能量连续分布----电子探测器能量刻度？Eex原子核处于激发态时的能量Eb

电子在原来壳层中的结合能221.2.2内转换Eex原子核处于激发态时的能量2323242425

俄歇电子与内转换电子有些类似，只是激发能量来自原子而非原子核；前导过程（如电子俘获）可能使原子中通常完整的电子壳层产生空位，这个空位常被原子的外层电子所填充，同时发射特征X射线；或者，原子的激发能直接传递给它的一个外层电子，使其脱离原子，即俄歇电子，其能量为原子原有的激发能与该俄歇电子原来所在壳层的结合能之差。

俄歇电子能谱是与各初态和终态相对应的几组分离谱。1.2.3

俄歇电子25俄歇电子与内转换电子有些类似，只是激发能量来自原26

一般情况下，俄歇电子的能量比β粒子和内转换电子的能量低；26一般情况下，俄歇电子的能量比β粒子和内转换电子的271.3

重带电粒子源1.3.1α衰变

衰变机理服从量子力学中的势垒贯穿理论，常用α源的半衰期从几天到几千年不等。271.3重带电粒子源衰变机理服从量子力学中2828292930Notes:1）α粒子具有一个或几个能量组，每组能量都是单能的；2）α粒子能量范围在4~7MeV之间；3）241Am是最常用的α粒子刻度源；4）常用探测器是硅固体探测器。30Notes:310.1560.1020.0590.000α5.389MeV(1.0%)α5.443MeV(12.5%)α5.869MeV(86.0%)α5.545MeV(0.3%)γ0.097(0.02%)γ0.043(0.1%)γ0.102(0.02%)γ0.059(36%)241Am237NpFig.1-3’alphaparticlegroupsproducedinthedecayof241Am310.1560.1020.0590.000α5.389Me323233

裂变过程是产生质量大于α粒子的、具有相当能量的重带电粒子的唯一天然源，因此裂变碎片广泛用于刻度和检验重粒子探测器；最广泛应用的自发裂变源是252Cf；seefig.1-4(a)(b).1.3.2

自发裂变33裂变过程是产生质量大于α粒子的、具有相当能1.334343535361.4.1伴随β衰变的γ辐射受激态原子核向较低核能级跃迁时发射γ辐射1.4

电磁辐射源361.4.1伴随β衰变的γ辐射1.4电磁辐射源373738Notes：1）受激核态在放射性母核衰变过程中形成，每一种情况都有一定形式的β衰变达到子核的受激态；2）γ射线的能量是单能的；3）基于β衰变的γ射线源能量一般低于2.8MeV。38Notes：1）受激核态在放射性母核衰变过程中形成，每一39辐射监测器注入放射源39辐射监测器注入放射源40

当母核经受β+衰变时还伴有另外的电磁辐射，起因在于初级衰变过程中产生的正电子的湮没。湮没辐射：正电子在接近其射程末端时，与吸收材料中的电子相结合，原来的正电子和电子消失，代之以向相反发射的0.511MeV的γ光子例:22Na衰变1.4.2

湮没辐射40当母核经受β+衰变时还伴有另外的电磁辐射，411.4.3

伴随核反应的γ射线如果所需要的γ射线的能量高于β放射性同位素所能达到的能量，就需要另外一些过程；例1:γ~4.44MeV例2:γ~6.130MeV411.4.3伴随核反应的γ射线γ~4.44MeV421)对于在靶物质中减速并停止的单能电子，韧致辐射能谱是连续谱，光子能量一直延续到电子本身的能量。2)通过过滤，即穿过适当的吸收物质，可使由X射线管所产生的能谱形状得到改善。3)韧致辐射源可由包括β粒子在内的其它快电子源产生。1.4.4

韧致辐射

当快电子与物质相互作用时，其部分能量将转换成韧致辐射；421)对于在靶物质中减速并停止的单能电子，韧致辐1.443

如果原子中的轨道电子的正常组态被某种激发过程打乱，该原子可能在短暂的时间内处于受激态。电子的自然趋向是重新排列，以使原子恢复到最低能态或基态，在固态物质中电子重新排列的时间不超过１ns。在从激发态到基态的跃迁中以特征X射线光子的形式释放能量，该光子的能量等于初态与终态间的能量差。1.4.5

特征X射线43如果原子中的轨道电子的正常组态被某种激发过程打乱，该44荧光产额：

对于受激态的原子，发射俄歇电子与发射特征X射线是相互竞争的过程；在退激过程中受激态原子发射特征X射线光子所占的百分比叫做荧光产额.44荧光产额：45a.放射性衰变激发

在电子俘获核衰变过程中，由于获得了一个轨道电子，核电荷减少一个单位。生成的原子仍然具有相当数目的轨道电子，然而俘获过程已在某一壳层中建立了一个空位，当这一空位随后被填充时就产生具有生成元素特征的X射线。45a.放射性衰变激发464647

通过外部射线源（X射线、电子、α粒子等）的辐射也可用于产生特征X射线；b.外部辐射激发

47通过外部射线源（X射线、电子、α粒子等）的辐射也48发射α粒子的同位素源中常用210Po,144Cm48发射α粒子的同位素源中常用210Po,144Cm4949501.5.1自发裂变1)常用的自发裂变源是252Cf;2)半衰期:2.65y;3)主要衰变机理是α衰变;4)其中子能谱如图1-10.

1.5

中子源501.5.1自发裂变1.5中子源515152在放射性衰变中容易得到的α粒子的能量可使几种靶物质产生(α,n)反应选用铍靶时可得到最大中子产额2)239Pu/Be源是最常用的(α,n)中子源。1.5.2放射性同位素(α,n)源其Q值:5.71MeV.52在放射性衰变中容易得到的α粒子的能量可使几种靶物质产生(535354

某些放射性γ发射体与适当的靶材料相结合也可用来产生中子.这种光致中子源的依据是，通过吸收一个γ光子为把材料提供足以发射自由中子的激发能。只有两种靶核,9Be和2H对放射性同位素光致中子源有实际意义。1.5.3

光致中子源

54某些放射性γ发射体与适当的靶材料相结合也可1.555相应的中子能量可由下式计算：这里:θ–γ光子与中子方向间的夹角;Eγ–γ射线的能量(假定<<931MeV)M–反冲核质量×c2.m–中子质量×c2.55相应的中子能量可由下式计算：这里:561）光致中子源的优点：当γ射线为单能时中子也接近单能;2）缺点：要产生足够的强度必须使用非常大的γ放射性活度，本底较高；一个γ光子(105or106)→一个中子3）常用的γ发射体有：226Ra,124Sb,72Ga,140La

和24Na.Notes:561）光致中子源的优点：当γ射线为单能时中子也接Notes5757585859

α粒子是可由放射性同位素方便地得到的唯一的低z的重带电粒子；入射粒子为质子、氘等的反应必须依靠人工加速，最常用的反应有：1.5.4

加速的带电粒子引起的反应D—DD—T17.6MeV(Q-value)3.26MeV(Q-value)1mAD(加速电压100~300keV)→109n/s(D-D),1011n/s(D-T).2)其它的中子发生器(高能):9Be(d,n),7Li(p,n),3H(p,n)Notes

:59α粒子是可由放射性同位素方便地得到的唯一的低60TheEnd!60TheEnd!61作业：1、实验室常用辐射源有哪几类？按产生机制每一类又可细分为哪几种？2、选择辐射源时，需要考虑的几个因素是什么？3、根据衰变纲图分析辐射源241Am；如果选择

241Am作电磁辐射源，须作哪些相关处理？4、252Cf可作哪些辐射源？61作业：62核辐射测量原理

1核辐射测量原理63分析传送带上的煤品质2分析传送带上的煤品质64辐射源探测器辐射源3辐射源探测器辐射源65辐射源基本概念和分类重带电粒子与物质的相互作用快电子与物质的相互作用γ射线与物质的相互作用中子与中子探测概率论基础知识，放射性测量中的统计学气体电离探测器闪烁探测器半导体探测器其它探测器及进展放射性样品的活度测量核物理实验中的符合法带电粒子和γ射线的能谱测量理论课内容安排：4辐射源基本概念和分类重带电粒子与物质的相互作用快电子与物质66教材：

《原子核物理实验方法》.清华大学，复旦大学等三校合编，原子能出版社.参考书：（1）RadiationDetectionandMeasurement,GFKnoll,JohnWiley&Sons,NewYork,1989.（2）《核辐射物理及探测学》，清华大学工程物理系，

2008（内部使用）。（3）《核辐射探测器与核电子学》，赖万昌.成都理工大学03年5月（内部使用）（4）《核辐射测量原理》.汤彬（内部使用）.5教材：67第一章辐射源6第一章辐射源68A辐射可以分为如下四种类型：带电粒子辐射

快电子重带电粒子非带电辐射中子电磁辐射7A69快电子：包括核衰变中发射的β粒子（正或负）以及其他过程产生的具有相当能量的电子。重带电粒子：包括质量为一个或多个原子质量单位并具有相当能量的各种离子，如α粒子、质子、裂变产物和核反应产物等。8快电子：包括核衰变中发射的β粒子（正或负）70中子：产生于各种核转变过程，通常分为慢中子和快中子。电磁辐射：能量范围在10eV~20MeV,这个能量下限是辐射或辐射与物质相互作用的次级产物能使空气等典型材料发生电离所需的最低能量，能量大于这个这个最低值的辐射称作致电离辐射。9中子：产生于各种核转变过程，通常分为慢中71B

对于我们所关注的辐射，其主要不同在于他们的“硬度”或者说穿透物质的厚度；软辐射:如α射线,x射线(低能),仅能穿透很薄的物质。微米量级；硬辐射:如γ射线,中子；几毫米~几厘米；介于两者之间的辐射:如β射线。零点几毫米；10B72放射源的生产和制造例如:放射源1）60CoT1/2=5.27年2）137Cs

T1/2=30.17年11放射源的生产和制造例如:放射源731.1单位和定义1.2快电子源1.3重带电粒子源1.4电磁辐射源1.5中子源121.1单位和定义74定义：单位时间内某种核素的原子核发生衰变的数目，常用A来表示。A=-dN/dt=N0e-t=A0e-t

1.1.1

放射性活度1.1单位和定义13定义：单位时间内某种核素的原子核发生衰变的数目，常用A来75放射性活度单位早期单位：居里(Ci):1Ci=3.7×1010s-11mCi=3.7×107s-11μCi=3.7×104s-1

卢瑟福(Rd):1Rd=1×106s-1现在单位：贝克勒尔(Bq):1Bq=1s-11Ci=3.7×1010Bq1Rd=1.0×106Bq14放射性活度单位早期单位：现在单位：76放射性强度定义：放射源在单位时间内放出某种粒子的个数，可以用I来表示。与A的关系：活度是针对放射性核素的原子核的，而强度是针对放射出的射线的；举例：60Co源一次衰变释放2个γ光子，因此60Co源的γ射线强度是放射性活度的2倍。比活度定义：单位质量的放射性物质的活度。举例：如8.86×10-10g的活度为3.7×104Bq，则比活度为：

3.7×104Bq/8.86×10-10g=4.18×1013Bq•g-115放射性强度定义：放射源在单位时间内放出某种粒子的个数，可771.1.2能量

辐射能量测量的单位常用电子伏

eV,(keV,MeV).国际单位制（SI）中的能量单位是焦耳(J)1fJ(10-15J)=6.241*103eVX射线或γ光子的能量与其辐射频率有关

:这里：

h=普朗克常数

(6.602x10-34Js或

4.135x10-15eVs).

v=辐射频率光量子的波长λ为：其中λ的单位是米（m)，E的单位是电子伏(eV)161.1.2能量辐射能量测量的单位常用电子伏781.2快电子源1.2.1β衰变

在辐射测量中常用的快电子源是放射性同位素经β-衰变得到的

这里：X,Y是衰变前后的核素类型.

是反中微子每种类型的β衰变都有固定的衰变能或Q值(β极限能).衰变过程中β粒子的能量范围可从0变化到Q值,如表1-1所示.171.2快电子源1.2.1β衰变这里：每种类型的β79Figure1-1Thedecayschemeof36Clandtheresultingbetaparticleenergydistribution.18Figure1-1Thedecayscheme80Table1-1Some“Pure”Beta-MinusSourcesNullideHalf-lifeEndpointenergy/MeV3H12.26y0.018614C5730y0.15632P14.28d1.71033P24.4d0.24835S87.9d0.16736Cl3.08×105y0.71445Ca165d0.25263Ni92y0.06790Sr/90Y27.7y/64h0.546/2.2799Tc2.12×105y0.292147Pm2.62y0.224204Tl3.81y0.76619Table1-1Some“Pure”Beta-M8114C→14N+

e-+

(6,14)(7,14)(-1,0)(0,0)

考古测年2014C→14N+e-8221831.2.2

内转换β-衰变源的能量连续分布----电子探测器能量刻度？Eex原子核处于激发态时的能量Eb

电子在原来壳层中的结合能221.2.2内转换Eex原子核处于激发态时的能量8423852486

俄歇电子与内转换电子有些类似，只是激发能量来自原子而非原子核；前导过程（如电子俘获）可能使原子中通常完整的电子壳层产生空位，这个空位常被原子的外层电子所填充，同时发射特征X射线；或者，原子的激发能直接传递给它的一个外层电子，使其脱离原子，即俄歇电子，其能量为原子原有的激发能与该俄歇电子原来所在壳层的结合能之差。

俄歇电子能谱是与各初态和终态相对应的几组分离谱。1.2.3

俄歇电子25俄歇电子与内转换电子有些类似，只是激发能量来自原87

一般情况下，俄歇电子的能量比β粒子和内转换电子的能量低；26一般情况下，俄歇电子的能量比β粒子和内转换电子的881.3

重带电粒子源1.3.1α衰变

衰变机理服从量子力学中的势垒贯穿理论，常用α源的半衰期从几天到几千年不等。271.3重带电粒子源衰变机理服从量子力学中8928902991Notes:1）α粒子具有一个或几个能量组，每组能量都是单能的；2）α粒子能量范围在4~7MeV之间；3）241Am是最常用的α粒子刻度源；4）常用探测器是硅固体探测器。30Notes:920.1560.1020.0590.000α5.389MeV(1.0%)α5.443MeV(12.5%)α5.869MeV(86.0%)α5.545MeV(0.3%)γ0.097(0.02%)γ0.043(0.1%)γ0.102(0.02%)γ0.059(36%)241Am237NpFig.1-3’alphaparticlegroupsproducedinthedecayof241Am310.1560.1020.0590.000α5.389Me933294

裂变过程是产生质量大于α粒子的、具有相当能量的重带电粒子的唯一天然源，因此裂变碎片广泛用于刻度和检验重粒子探测器；最广泛应用的自发裂变源是252Cf；seefig.1-4(a)(b).1.3.2

自发裂变33裂变过程是产生质量大于α粒子的、具有相当能1.395349635971.4.1伴随β衰变的γ辐射受激态原子核向较低核能级跃迁时发射γ辐射1.4

电磁辐射源361.4.1伴随β衰变的γ辐射1.4电磁辐射源983799Notes：1）受激核态在放射性母核衰变过程中形成，每一种情况都有一定形式的β衰变达到子核的受激态；2）γ射线的能量是单能的；3）基于β衰变的γ射线源能量一般低于2.8MeV。38Notes：1）受激核态在放射性母核衰变过程中形成，每一100辐射监测器注入放射源39辐射监测器注入放射源101

当母核经受β+衰变时还伴有另外的电磁辐射，起因在于初级衰变过程中产生的正电子的湮没。湮没辐射：正电子在接近其射程末端时，与吸收材料中的电子相结合，原来的正电子和电子消失，代之以向相反发射的0.511MeV的γ光子例:22Na衰变1.4.2

湮没辐射40当母核经受β+衰变时还伴有另外的电磁辐射，1021.4.3

伴随核反应的γ射线如果所需要的γ射线的能量高于β放射性同位素所能达到的能量，就需要另外一些过程；例1:γ~4.44MeV例2:γ~6.130MeV411.4.3伴随核反应的γ射线γ~4.44MeV1031)对于在靶物质中减速并停止的单能电子，韧致辐射能谱是连续谱，光子能量一直延续到电子本身的能量。2)通过过滤，即穿过适当的吸收物质，可使由X射线管所产生的能谱形状得到改善。3)韧致辐射源可由包括β粒子在内的其它快电子源产生。1.4.4

韧致辐射

当快电子与物质相互作用时，其部分能量将转换成韧致辐射；421)对于在靶物质中减速并停止的单能电子，韧致辐1.4104

如果原子中的轨道电子的正常组态被某种激发过程打乱，该原子可能在短暂的时间内处于受激态。电子的自然趋向是重新排列，以使原子恢复到最低能态或基态，在固态物质中电子重新排列的时间不超过１ns。在从激发态到基态的跃迁中以特征X射线光子的形式释放能量，该光子的能量等于初态与终态间的能量差。1.4.5

特征X射线43如果原子中的轨道电子的正常组态被某种激发过程打乱，该105荧光产额：

对于受激态的原子，发射俄歇电子与发射特征X射线是相互竞争的过程；在退激过程中受激态原子发射特征X射线光子所占的百分比叫做荧光产额.44荧光产额：106a.放射性衰变激发

在电子俘获核衰变过程中，由于获得了一个轨道电子，核电荷减少一个单位。生成的原子仍然具有相当数目的轨道电子，然而俘获过程已在某一壳层中建立了一个空位，当这一空位随后被填充时就产生具有生成元素特征的X射线。45a.放射性衰变激发10746108

通过外部射线源（X射线、电子、α粒子等）的辐射也可用于产生特征X射线；b.外部辐射激发

47通过外部射线源（X射线、电子、α粒子等）的辐射也109发射α粒子的同位素源中常用210Po