核辐射传感器,传感器原理和应用

传感器原理及应用传感器原理及应用传感器原理及应用第11章波与射线传感器主要内容11.1核辐射物理基础11.2核辐射传感器11.3核辐射传感器的应用电离辐射

直接或间接使介质发生电离效应的带电或不带电的射线或粒子(能量﹥keV)α、β、γ、x、n、p、裂变碎片

介子等来源

1)放射性物质(人造、天然）2)加速器3)反应堆4)宇宙射线5)地球环境

辐射可分为：电离辐射和非电离辐射非电离辐射紫外线、红外线、微波等这些粒子虽能够同物质发生作用但都不能使物质发生电离效应（能量～

eV量级）来源

如移动电话：

频率800-1800MHz

能量﹤0.01eV

(所以没有电离作用）传感器原理及应用第11章波与射线传感器11.1核辐射物理基础11.1核辐射物理基础第11章波与射线传感器传感器原理及应用电磁波谱频率能量低高11.1核辐射物理基础核辐射测量主要应用领域：断层扫描computedtomograhy

（工业CT、医疗CT）、无损检测、炉前分析、现场元素分析、在线监测、环境监测、探伤等等。传感器原理及应用医疗CT

X线管检测仪第11章波与射线传感器11.1核辐射物理基础利用射线探测器的医疗设备：

X射线机、医疗CT（断层扫描）、核磁共振。第11章波与射线传感器传感器原理及应用11.1核辐射物理基础第11章波与射线传感器传感器原理及应用1895,伦琴（Roentgen）发现

X射线世界上第一张X射线照片现代X射线照片11.1核辐射物理基础射线传感器用于工业检测：高解析度X射线检测仪（X-ray）第11章波与射线传感器传感器原理及应用11.1核辐射物理基础元素分析，无损检测：牛津仪器X-MET5100–跨越轻元素检测!手持式硅漂移探测器

X

射线荧光分析仪第11章波与射线传感器传感器原理及应用11.1核辐射物理基础环境监测：X射线荧光分析仪，γ能谱仪第11章波与射线传感器传感器原理及应用11.1核辐射物理基础探伤第11章波与射线传感器传感器原理及应用电子帘150keV/3KW涂层固化表面处理电子直线10MeV系列医疗用品、食品材料改性地纳米3MeV/50KW电线电缆聚乙烯热塑管等海关用伽玛射线或X射线扫描仪第11章波与射线传感器安检图为移动CT扫描器，亚特兰大奥运会期间（从美国海关租用的）用来检查奥运场所可能存在的爆炸、枪支、毒品等。传感器原理及应用11.1核辐射物理基础X射线集装箱检查系统扫描装置图象检查舱辐射防护设施X射线源6MeV电子直线加速器100mm钢板;分辨率:1.5mm最大穿透力:300mm通过率:25个40英尺标准集装箱/小时11.1核辐射物理基础安检第11章波与射线传感器传感器原理及应用太空技术：空间探测—“太空之眼”迄今最伟大的八具空间望远镜

第11章波与射线传感器传感器原理及应用哈勃望远镜康普顿伽玛射线太空望远镜钱德拉X射线太空望远镜XMM-牛顿X射线太空望远镜第11章波与射线传感器传感器原理及应用威尔金森微波各向异性探测器

2001年

詹姆斯·韦伯太空望远镜

2013年斯皮策太空望远镜

2003年费米伽马射线太空望远镜

2008年11.1核辐射物理基础第11章波与射线传感器传感器原理及应用放射线通过被测量物时会伴随着能量的损失，只要得到确切的损失量，就可以准确地了解到被测物的特征。核辐射测量是一种完美的测量方法;核幅射（人工、天然）电信号核辐射传感器（探测器）：将入射核辐射（粒子）的全部或部分能量转化为可观测的电信号（如电流、电压信号）的装置。11.1.1放射性同位素

凡是原子序数相同、原子质量不同的元素，在元素周期表中占同一位置，这种元素称同位素；当没有外因作用时，同位素的原子核会自动产生核结构的变化，称为核衰变；同位素的原子在自动衰变过程中会放出射线，这种同位素就称“放射性同位素”。（1）放射性同位素第11章波与射线传感器传感器原理及应用11.1核辐射物理基础核素及符号表示具有确定质子数和中子数的原子核称为核素。核素是原子核的一种统称。核素表示符号第11章波与射线传感器传感器原理及应用（1）放射性同位素放射性衰减规律可表示为——t=0的原子核数；

——t时刻原子核数；——衰减常数（不同核素衰减常数值不同）

（2）核衰变与核辐射放射性同位素的原子核数目，随时间按指数规律衰减第11章波与射线传感器传感器原理及应用半衰期：通常用半衰期表示核素衰减速度即：放射性核数衰减到原始数目一半所用的时间，一般用10倍半衰期表示放射性核素的寿命。（2）核衰变与核辐射第11章波与射线传感器传感器原理及应用第11章波与射线传感器11.1.2核辐射与物质间的相互作用

放射性同位素在衰变过程中能放出α、β、γ三种射线，其中：

α

射线由带正电的α粒子组成（如氦核）；

β

射线由带负电的β粒子组成（电子）；

γ

射线由中性的粒子组成（光子）。放射性同位素衰变时，放出一种特殊的，带有一定能量的粒子或射线，这种现象称“核辐射”。传感器原理及应用第11章波与射线传感器传感器原理及应用1.0086650n中子1.007276+1p质子00

5.486×10-4

±1e±

β

4.00279+24Heα质量(u)电荷（e)符号种类

α

β核辐射的基本粒子和射线性质探测学中射线含义——电磁辐射特征射线：湮没辐射：核能级跃迁正电子湮没产生特征X射线：原子能级跃迁轫致辐射：带电粒子速度或运动方向改变产生α衰变

新元素Sg衰变为Rf鑪β-衰变

产生电子e,反中微子v’β+衰变

F氟产生正电子e,中微子v’，O变氧

衰变

Dy镝放出γ射线，能态变化，原子量、原子序数不变自然界常见的核衰变示例第11章波与射线传感器传感器原理及应用放射性强度也是随时间按指数规律减小：I0

——初始强度；I——t时间后的强度；

1Ci

=3.7×1010（次核衰变）/秒放射性活度单位：贝可（Bq）第11章波与射线传感器放射性强度（活度）单位放射性强度单位：居里（Ci）,毫居里(mCi)传感器原理及应用用单位时间内发生衰变的次数来表示放射性的强弱，称放射性强度(活度)。核辐射的强弱用放射性强度表示11.1.2核辐射与物质间的相互作用

核辐射与物质间的相互作用主要是通过

电离、吸收、反射电离作用：带电粒子在物质中穿行时会使物质的原子发生电离，在它们经过的路程上形成离子对。其中：α粒子质量大，电荷量多，电离能力最强但射程短；β粒子质量小，电离较弱；γ粒子没有直接电离作用。第11章波与射线传感器传感器原理及应用吸收、反射

α、β、γ射线穿透物质时，由于磁场作用，原子中电子会产生共振，振动的电子形成散射的电磁波源，使粒子和射线能量被吸收和衰减。其中：第11章波与射线传感器α

射线穿透能力最弱，空气中运行轨迹为直线；β

射线次之，穿行时由于与物质原子发生能量交换而改变方向产生散射，在空气中轨迹为折线；γ

射线穿透能力最强，能穿透几十厘米厚固体物质，在气体中可穿透数米，因此γ射线广泛用于医疗诊断、探伤等。传感器原理及应用1MeV的粒子穿透物质能力

α1页

β60页/本

铅铅室γn4580本中子源地下1-2米深α、β、γ射线穿透物质能力αβγ射线穿透人体皮肤情况

11.2核辐射传感器射线式仪器通常有两种主要形式：一种是测量放射性物质的放射线，例如测天然放射性U(铀)、Th(钍)、K(钾)和这三个量的总量，称γ能谱仪；另一种方式是利用放射性同位素，测量非放射性物质，根据被测物质对辐射线的吸收、反射进行检测，或者利用射线对被测物质的电离激发作用。如X射线荧光仪。原理基本相同，能量范围不同，后者传感器由射线源和探测器组成。第11章波与射线传感器传感器原理及应用射线源结构一般为丝状、圆拄状、圆片状，有点源、面源、片源。辐射源的结构应使射线从测量方向射出，其它方向应尽量减少剂量，减少对人体的危害。X射线管激发的射线源。可以用铅进行射线屏蔽，铅有极强的抗辐射穿透能力。第11章波与射线传感器点源结构11.2.1辐射源传感器原理及应用铅罐11.2射线传感器同位素辐射源：辐射源的种类很多，一般选用半衰期较长的同位素，能量、强度适合的辐射源。常用同位素源见下表：放射源半衰期射线种类能量（铯）33.2年、0.6614（镅）470年、5.4827（钚）86年12-2150以上（钴）5.26年、0.31,1.17,1.33（锶）19.9年0.54,2.24（铁）2.7年5.9第11章波与射线传感器传感器原理及应用世界发生的核事故和放射事故主要国家分布

国内外核事故与放射事故IAEA公布的事故中发生在中国的放射事故

切尔诺贝利核电厂事故

切尔诺贝利核电厂事故放射线警示标记第11章波与射线传感器传感器原理及应用核潜艇反应堆核电站航空母舰价值24亿美金的核反应堆第11章波与射线传感器核潜艇传感器原理及应用伊朗的核反应堆我国的核反应堆核棒（核然料）核辐射探测器就是接收器核辐射信号的传感器，种类较多常用于放射性测量的有：

1）

气体探测器：电离室、盖革计数管、正比计数器；

2）闪烁计数器；

3）半导体探测器。第11章波与射线传感器11.2.2核辐射探测器正比计数器闪烁计数器半导体探测器组成的多道谱仪传感器原理及应用11.2.2射线传感器电离室是在空气中或充有惰性气体的装置中，设置一个平行极板电容器，加几百伏高压。高压在极板间产生电场，当粒子或射线射向两极板之间的空气（气体）时，气体分子电离，在电场作用下正离子趋向负极板，电子趋向正极板，产生电离电流。第11章波与射线传感器在外电路接一电阻R就可形成响应电压，电阻R的电压降代表辐射的强度。

1.气体探测器（电离室）传感器原理及应用高压极收集极保护极高压RL负载电阻外壳灵敏体积电场方向绝缘子平板型电离室圆柱型电离室RL负载电阻输出信号的涨落假设，每一对离子产生后将立即使探测器产生一输出信号：若单位时间内射入电离室灵敏体积内的带电粒子的平均值为，每个入射带电粒子平均在灵敏体积内产生个离子对，而且这两个值均不随时间变化。这样，在任一时刻t，探测器的总输出信号是此时刻以前在探测器内产生的各个离子对所产生信号在此时的所取值的叠加。电离室外加电压增大电流趋于饱和，一般工作在饱和区（离子能够全部达到电极上），使输出电流与外加电压无关，只正比于射线到电离室的辐射强度。第11章波与射线传感器电离室的优点是成本低寿命长；缺点是检出电流很小。

α、β、γ电离室不能通用，不同粒子相同条件下效率相差很大。电离室主要用于探测α、β射线，α粒子电离电流比β离子电离的电流大100多倍，γ粒子没有直接电离本领，效率很低。传感器原理及应用1.气体探测器（电离室）1.气体探测器（G-M盖格计数管）盖格-弥勒计数管简称盖格计数管，也称气体放电计数器。一个密封玻璃管，中间阳极用钨丝材料制作，玻璃管内壁涂一层导电物质或用金属圆管作阴极，筒和丝绝缘，内部抽空充惰性气体（氖、氦）、卤族气体。第11章波与射线传感器阳极与阴极间加高压。x、α、β射线入射时引起激烈的气体放大，离子沿丝传到整个计数管内，形成正离子鞘，在电场作用下正离子鞘向阴极移动形成电流；为避免到达阴极时造成连续放电现象，惰性气体灭掉放电。传感器原理及应用盖格计数管主要用于探测β粒子和γ射线，特点是工作电压较低。由于盖格计数管的放大作用，电流比电离室的离子流大几千倍。特性曲线：电压U一定时，射线入射越强电流I越大，输出脉冲数N

越多，a、b段称“坪曲线”；I为射线强度第11章波与射线传感器坪曲线传感器原理及应用1.气体探测器（G-M盖格计数管）

G-M管主要有圆柱型和钟罩型两种。圆柱型主要用于

射线测量，而钟罩型由于有入射窗，主要用于，射线的测量。

G-M计数管的典型结构正比计数器是充气型气体电离探测器，由气体作为入射射线产生电离或激发的介质；外加一定电位的电场；（电离室）有两个电极（丝-阳极；壳-阴极），当射线进入电离室穿过气体时与气体分子轨道上电子碰撞，使气体分子电离而形成离子对，芯线旁电场密度高电子碰撞被加速，在气体中获得足够能量使其它气体分子和原子产生新的离子对。这一过程称为气体放大。第11章波与射线传感器1.气体探测器（正比计数器）传感器原理及应用气体分子充有气体气体放电_雪崩

电子在气体中的电离碰撞过程

发生雪崩的阈值电场：ET~106V/m。计数器输出脉冲大小(幅值)正比于辐射产生的电子、正离子对的数目，电子和正离子对数目，正比于气体吸收的放射线的能量。能量大——幅值高！器件工作在气体电离放电伏安特性曲线的正比区，有足够大的气体放大倍数，能量分辨率高，分辨时间短，可以进行快速计数。第11章波与射线传感器传感器原理及应用1.气体探测器（正比计数器）I:复合区II:饱和区III:正比区IV:有限正比区V:G-M工作区VI:连续放电区闪烁计数器由闪烁体和光电倍增管组成。光电倍增管只能放大光信号不能直接放大射线信号。闪烁体先将辐射能变为光能，光电倍增管再将光能变为电信号进行探测放大。物质受射线作用而被激发，电子由激态跃迁到基态时发射出脉冲状的光，这种现象称为闪烁，而闪烁体就是一种能产生这种现象的物质。第11章波与射线传感器闪烁体种类碘化钠晶体Nal(Tl)2.闪烁计数器传感器原理及应用闪烁探测器输出信号的物理过程及输出回路闪烁探测器输出信号的过程第11章波与射线传感器光电倍增管2.闪烁计数器传感器原理及应用当闪烁体受到辐射时闪烁体内的原子受激发光，光透过闪烁体射到光电倍增管的光阴极上，并激发出光电子；光电倍增管是利用二次电子释放效应，高速电子撞击固体表面，发出二次电子，将光电流在光电倍增管内进行放大倍增，在阳极上形成可以测量的电流。输出电流脉冲大小与入射射线能量成正比，脉冲多少与含量成比例。第11章波与射线传感器2.闪烁计数器辐射传感器原理及应用Ut闪烁探测器信号的输出回路IaIkIa输出回路等效电路输出回路的等效电路单光电子引起的电流脉冲信号

面积半导体探测器是利用半导体材料制成的射线传感器；主要结构类型有：结型、面垒型、锂漂移型和高纯鍺等。图为结型半导体探测器结构，实质是一个大面积、大体积的晶体二极管（约0.01-200cm3）。在半导体材料上设置了一个阴极（高摻杂的P+层）和一个阳极（高摻杂的N+层）。第11章波与射线传感器3.半导体探测器荷电粒子入射到半导体中时，会激发产生电子—空穴对，这些电子—空穴对在电场作用下形成正比于入射射线能量的电流，探测器将其转换为脉冲信号输出。传感器原理及应用由于在半导体中产生一个电子—空穴对所需能量极小，约为3eV（在空气中产生一对离子所需能量，如β射线为30eV），因此半导体探测器比其他射线探测器分辨率高。特点：输出信号小，分辨率高。第11章波与射线传感器3.半导体探测器X射线、γ射线由于光电效应、康普顿效应、电子对生成等产生二次电子；高速二次电子产生更多电子—空穴对。在PN结空间电荷区加足够高的偏压，因射线而电离的载流子加速，产生新的电子—空穴使载流子倍增，在输出端形成一个放大脉冲信号，将电荷转换为电信号输出。传感器原理及应用P-N结半导体探测器的工作原理1)P-N结区(势垒区)的形成多数载流子扩散，空间电荷形成内电场并形成结区。结区内存在着势垒，结区又称为势垒区。势垒区内为耗尽层，无载流子存在，实现高电阻率，达，远高于本征电阻率。2）P-N结内的电流

If

－能量较高的多子穿透内电场，方向为逆内电场方向；IG－在结区内由于热运动产生的电子空穴对；

IS－少子扩散到结区

IG，IS的方向为顺内电场方向。IfIG,IS平衡状态时：3）外加电场下的P-N结：

即在使结区变宽的同时，IG

增加,IS不变，If减小，并出现IL，此时表现的宏观电流称为暗电流。

在外加反向电压时的反向电流少子的扩散电流，结区面积不变，IS不变；结区体积加大，热运动产生电子空穴多，IG增大；反向电压产生漏电流IL

，主要是表面漏电流。在P-N结上加反向电压由于结区电阻率很高，电位差几乎都降在结区。反向电压形成的电场与内电场方向一致。外加电场使结区宽度增大。反向电压越高，结区越宽。

4）半导体探测器的输出信号输出回路须考虑结电阻Rd和结电容Cd，结区外半导体材料的电阻和电容RS，CS。测量仪器应用范围：射线传感器广泛用于空间探测;α射线可实现气体分析，如气体压力、流量测量；β射线可进行带材厚度、密度检测；γ射线可探测材料缺陷、位置、元素、密度与厚度测量。11.3核辐射传感器的应用第11章波与射线传感器传感器原理及应用透射式测厚常用闪烁探测器，闪烁探测器记录穿透物体的γ射线的强度，其输出电流与辐射强度成正比。在辐射穿过物质时，由于物体吸收作用损失部分强度，强度按指数规律变化。在辐射穿过物质时，可根据质量厚度X求出被测物体厚度。第11章波与射线传感器11.3.1测厚（透射式测厚）I0

—入射强度；I—穿过后强度；x—质量厚度；μ—质量吸收系数；ρ—与材料密度有关；传感器原理及应用源探测器散射测厚时β放射源与探测器在同一恻；原理是：利用核辐射被物体后向散射的效应。散射强度与被测距离、物质成份、密度、厚度表面状态等因素有关：K与射线能量有关的常数第11章波与射线传感器11.3.1测厚(散射式测厚)传感器原理及应用源探测器

核子测厚仪利用介质对γ射线的吸收作用，不同介质对γ射线的吸收能力不同，固体吸收能力最强，液体居中，气体最弱。辐射源与被测介质一定，被测介质高度H与穿过被测介质的射线强度I成正比关系。I0、I，分别为入射前后的强度；μ为吸收系数。第11章波与射线传感器11.3.2物位测量传感器原理及应用第11章波与射线传感器传感器原理及应用

火车车皮装煤量油罐车装油量炼钢炉钢水量煤气罐气量11.3.2物位测量在气流管中装两个电极（电极电位不同），放射源S

的射线使气体电离，工作状态相当于一个电离室。第11章波与射线传感器11.3.3电离室检测气体流量计传感器原理及应用当被测气体被电离时，离子被带出电离室，室内电流减小，气体流速增加带出的离子增多电离室电流进一步减小，由电流的变化检测气流流速和流量。第11章波与射线传感器11.3.4离子敏感烟传感器（电离室）电离室由H1和H2两个电极组成，电极之间有放射性同位素镅-241（Am241）可放出α射线，并在两电极之间发生电离，产生正离子，在外加电压作用下形成电离电流。当外电离室有烟雾进入时，离子被吸附到烟雾颗粒上，由于烟雾颗粒比离子大1000倍左右，故在电场中的移动速度比原来的速度慢，而且在移动过程中离子中和的机会增多，最终使离子电流相应减小。烟雾数量越多，离子电流越小，相当等效电阻增加。传感器原理及应用第11章波与射线传感器离子感烟传感器结构是内、外两个电离室，内、外电离室串联连接方式；内电离室是密封的，无烟雾离子进入，离子电流恒定，等效电阻R不变。外电离室等效电阻随烟雾数量变化，可等效为可变电阻Rp。经电源电压E分压后供控制电路。UD-O2型烟雾传感器传感器原理及应用11.3.4离子敏感烟传感器（电离室）火灾报警器基本构造

241Am

放射源+电离室+电流灵敏电子仪器+V

电流表放射源241Am火灾报警器探测器与放射源放在管道内，沿焊接缝同步移动，当焊缝存在问题时，穿透管道的γ射线会产生突变，正常时输出曲线趋于直线。第11章波与射线传感器11.3.5探伤传感器原理及应用野外现场快速测量第11章波与射线传感器11.3.6X射线荧光分析仪矿山选场在线监测传感器原理及应用第11章波与射线传感器11.3.6X射线荧光分析仪X射线荧光仪应用于水泥质量监测钙、铁分析传感器原理及应用X射线荧光基于光电效应，分能量色散和波长色散；能量色散的荧光分析方法：由同位素源或X光射线管产生γ射线，其它物质上的次级辐射称荧光射线；第11章波与射线传感器11.3.6X射线荧光分析仪波长色散荧光分析方法是将射线，通过光学系统转换为不同波长的信号，由产生波长特征进行检测分析。传感器原理及应用X射线荧光分析仪应用：

一测量是什么元素（定性）；

二测量元素的含量（定量）。X荧光射线检测的能量谱和计数率与物质的含量、成份、厚度、密度有关。第11章波与射线传感器11.3.6X射线荧光分析仪NEE0Ut输入信号形式输出谱线形式电路框图探测器脉冲幅度与元素的特征X射线能量成正比，不同元素脉冲幅度不同，能量大脉冲幅度越高；通过幅度分析器（甄别器）实现元素的定性分析；脉冲的多少与样品含量成正比，通过每秒的计数率检测样品的含量，实现元素的定量分析。传感器原理及应用第11章波与射线传感器11.3.7中子活化分析用低温(液氮)保存的Si(Li)、Ge(Li)探测器中子活化

是一种现代核分析方法，非放射性物质经过反应堆照射后生成放射性核素，利用放射性衰变测量元素的含量。元素能量谱线传感器原理及应用computedtomograhy（断层扫描），简称CT常规X射线摄影利用透射原理，把三维的人体投影显示在一个二维的平面上。这就使得图像失去纵深方向的分辨能力，前后结构互相重叠，引起图像混淆，容易造成误诊和漏诊。

X线管荧光屏第11章波与射线传感器11.3.8医学应用-CT（断层扫描）传感器原理及应用断层扫描（CT）是把人体分成一系列薄片，单独对每一切片（二维图像）进行观察；这种方式能消除临近各层的影响，没有重叠混淆，图像变清晰，容易辨别细微的异常结构。从断面合成的头部三维图像第11章波与射线传感器11.3.8医学应用-CT传感器原理及应用CT是采用计算机断层扫描的二维重建方法的基本原理，如图所示，从线性并排着的X线源发射一定强度的X线，把通过身体的X线用与X线源平行排列的X线传感器接收获得数据。第11章波与射线传感器然后把X线源和传感器组以体轴为中心一点一点的旋转，反复进行同样的操作。求得的在各个角度上的投影数据，就得到了垂直于体轴的断面图像。11.3.8医学应用-CT传感器原理及应用I0I0I0I0I1I2I4I