《传感器技术与应用》课件-项目9：核辐射传感器

传感原理与应用11.1核辐射物理基础TRANSDUCER课

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容CourseContents11.1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课程内容CourseContents11.1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11.1核辐射物理基础11.0概述辐射可分为：电离辐射和非电离辐射。电离辐射非电离辐射辐

射11.1核辐射物理基础电离辐射

直接或间接使介质发生电离效应的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

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）11.1核辐射物理基础电磁波谱能量低高11.1核辐射物理基础11.0概述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。医疗CT

X线管

检测仪11.1核辐射物理基础11.0概述1895,伦琴（Roentgen）发现X射线现代X射线照片世界上第一张X射线照片11.1核辐射物理基础11.0概述射线传感器用于工业检测：高解析度X射线检

测仪（X-ray）

利用X射线技术与CCD技术获得高清图像

工业CT-无损检测11.1核辐射物理基础11.0概述工业CT11.1核辐射物理基础11.1核辐射物理基础

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11.1核辐射物理基础11.1核辐射物理基础核辐射传感器（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。核幅射（人工、天然）能量转换电信号11.1核辐射物理基础11.1核辐射物理基础11.1.1放射性同位素：（1）放射性同位素用于各种衡器11.1核辐射物理基础（1）放射性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；

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；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”。11.1核辐射物理基础（2）核衰变与核辐射放射性衰减规律可表示为：放射性同位素的原子核数目，随时间按指数规律衰减；11.1核辐射物理基础（2）核衰变与核辐射——t

时刻原子核数；——t=0的原子核数；——衰减常数（不同核素衰减常数值不同）11.1核辐射物理基础（2）核衰变与核辐射半衰期：通常用半衰期表示核素衰减速度；一般用10倍半衰期表示放射性核素的寿命。半衰期指：放射性核数衰减到原始数目一半所用的时间；11.1核辐射物理基础11.1.2核辐射与物质间的相互作用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”。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）。11.1核辐射物理基础11.1.2核辐射与物质间的相互作用I0——初始强度；I——t时间后的强度；核辐射的强弱用放射性强度表示放射性强度也是随时间按指数规律减小：11.1核辐射物理基础11.1.2核辐射与物质间的相互作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)。放射性活度（强度）单位放射性强度单位：居里（Ci）,毫居里(mCi)1Ci

=3.7×1010（次核衰变）/秒放射性活度单位：贝可（Bq）11.1核辐射物理基础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。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。

α

β11.1核辐射物理基础11.1.2核辐射与物质间的相互作用吸收、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。11.1核辐射物理基础11.1.2核辐射与物质间的相互作用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。11.1核辐射物理基础1MeV的粒子穿透物质能力

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铅铅室γn4580本中子源地下1-2米深传感原理与应用11.2射线传感器TRANSDUCER课

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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；射线式仪器通常有两种主要形式：

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：测厚、探伤、X射线荧光仪测元素含量等。11.2射线传感器11.2射线传感器原理基本相同，而能量范围不同，后者传感器由射线源和探测器组成。11.2射线传感器11.2.1辐射源

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。点源结构11.2射线传感器11.2.1辐射源同位素辐射源：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：11.2射线传感器11.2.2射线传感器（探测器）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。核辐射探测器就是接收器核辐射信号的传感器，有多类型，常用于放射性测量的有：多道谱仪11.2射线传感器闪烁计数器盖革管半导体探测器11.2射线传感器11.2.2射线传感器1）气体探测器（a.电离室）

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。11.2射线传感器11.2.2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。11.2射线传感器11.2射线传感器1）气体探测器（a.电离室）

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。11.2射线传感器1）气体探测器（a.电离室）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。11.2射线传感器1）气体探测器（b.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。11.2射线传感器1）气体探测器（b.G-M盖格计数管）

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。11.2射线传感器1）气体探测器（b.G-M盖格计数管）盖格计数管主要用于探测β粒子和γ射线，工作电压较低。由于盖格计数管放大作用，电流比电离室离子流大几千倍。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。11.2射线传感器G-M计数管的典型结构11.2射线传感器1）气体探测器（c.正比计数器）

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。11.2射线传感器1）气体探测器（c.正比计数器）气体分子充有气体11.2射线传感器1）气体探测器（c.正比计数器）

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！11.2射线传感器1）气体探测器（c.正比计数器）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。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11.2射线传感器2）闪烁计数器闪烁体种类碘化钠晶体Nal(Tl)

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，受激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。用于各种衡器11.2射线传感器2）闪烁计数器

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。

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；用于各种衡器11.2射线传感器2）闪烁计数器辐射Ut11.2射线传感器3）半导体探测器

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）。11.2射线传感器（2）核衰变与核辐射

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。11.2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，电荷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。11.2射线传感器3）半导体探测器

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（而β射线在空气中产生一对离子所需能量，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。传感原理与应用11.3核辐射传感器的应用TRANSDUCER课

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容CourseContents11.1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课程内容CourseContents11.1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11.3核辐射传感器的应用11.3核辐射传感器的应用应用范围：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1.测厚（透射式测厚）

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。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；11.3核辐射传感器的应用1.测厚（透射式测厚）11.3核辐射传感器的应用1.测厚(散射式测厚)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

核子测厚仪11.3核辐射传感器的应用2.物位测量

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。11.3核辐射传感器的应用11.2.2射线传感器（探测器）11.3核辐射传感器的应用2.物位测量火车车皮装煤量AB油罐车装油量煤气罐气量D炼钢炉钢水量C物位测量11.3核辐射传感器的应用3.电离室检测气体流量计11.3核辐射传感器的应用

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。

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。11.3核辐射传感器的应用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。11.3核辐射传感器的应用4.离子敏感烟传感器（电离室）

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。11.3核辐射传感器的应用4.离子敏感烟传感器（电离室）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；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。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。UD-O2型

烟雾传感器11.3核辐射传感器的应用5.探伤

探伤：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。管道捡漏：利用地面放射性气体变化11.3核辐射传感器的应用6.X射线荧光分析仪矿山选场在线监测野外现场快速测量11.3核辐射传感器的应用6.X射线荧光分析仪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。11.3核辐射传感器的应用6.X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。

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；用于各种衡器11.3核辐射传感器的应用6.X射线荧光分析仪通过幅度分析器（甄别器）实现元素的定性分析；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；

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。11.3核辐射传感器的应用6.X射线荧光分析仪电路框图11.3核辐射传感器的应用7.中子活化分析与多道谱仪

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。一般利用多道谱仪测量样品！用于各种衡器11.3核辐射传感器的应用7.中子活化分析与多道谱仪用低温(