輻射防護技術的基本概念

2005/10/5 0:42:00

1 ． β射線與物質(zhì)的相互作用：

•  電子的能量損失：

•  電離損失 ——快電子通過靶物質(zhì)時，與原子的核外電子發(fā)生非彈性碰撞，使物質(zhì)原子電離或激發(fā)，因而損失其能量，這與重帶電粒子情況相類似。電離損失（電子碰撞能量損失）是β射線在物質(zhì)中損失能量的重要方式。

•  輻射損失 ——這是β粒子與物質(zhì)原子的原子核非彈性碰撞時產(chǎn)生的一種能量損失。當帶電粒子接近原子核時，速度迅速減低，會發(fā)射出電磁波（光子），這種電磁輻射叫軔致輻射。

•  電子的散射；

β粒子與靶物質(zhì)原子核庫侖場作用時，只改變運動方向，而不輻射能量，這種過程稱為彈性散射。由于電子的質(zhì)量小，因而散射角度可以很大（與α粒子相比，β粒子的散射要大得多），而且會發(fā)生多次散射，最后偏離原來的運動方向。同時，入射電子能量越低，及靶物質(zhì)的原子序數(shù)越大，散射也就越厲害。β粒子在物質(zhì)中經(jīng)過多次散射其最后的散射角可以大于 90 °，這種散射成為反散射。

•  β射線的射程和吸收；

2 ． γ射線與物質(zhì)的相互作用：

•  光電效應 ——γ光子與靶物質(zhì)原子相互作用，γ光子的全部能量轉(zhuǎn)移給原子中的束縛電子，使這些電子從原子中發(fā)射出來，γ光子本身消失。

•  康普頓效應 （又稱康普頓散射）——入射γ光子與原子的核外電子發(fā)生非彈性碰撞，光子的一部分能量轉(zhuǎn)移給電子，使它反沖出來，而光子的運動方向和能量都發(fā)生都發(fā)生了變化，成為散射光子。

•  電子對效應 ——γ光子與靶物質(zhì)原子的原子核庫侖場作用，光子轉(zhuǎn)化為正 - 負電子對。

•  相干散射 ——低能光子（ h ν〈〈 m 0 c 2 〉與束縛電子之間的彈性碰撞，而靶原子保持它的初始狀態(tài)。碰撞后的光子能量不變，即電磁波波長不變，稱湯姆遜散射或相干散射。

•  光致核反應 ——大于一定能量的γ光子與物質(zhì)原子的原子核作用，能發(fā)射出粒子，例如（γ， n ）反應。但這種相互作用的大小與其它效應相比是小的，所以可以忽略不計。

•  核共振反應 ——入射光子把原子核激發(fā)到激發(fā)態(tài)，然后退激時再放出γ光子。

★ 探測器分類

幾 類 探 測 器	氣體探測器	電離室	脈沖電離室
			電流電離室
			累計電離室
		正比計數(shù)器
		G-M 計數(shù)管
	閃爍探測器	NaI(Tl) 單晶γ譜儀
	半導體探測器	金硅面壘半導體探測器
		高純鍺（ HPGe ）探測器
		鋰漂移硅探測器
	原子核乳膠
	固體徑跡探測器
	氣泡室
	火花放電室
	多絲正比室
	切倫科夫計數(shù)器
	熱釋光探測器

3 ． 氣體探測器

特點 ：以氣體為探測介質(zhì)。

歷史 ：在核物理發(fā)展的早期，它們曾經(jīng)是應用最廣的探測器， 50 年代以后，由于閃爍計數(shù)器和半導體探測器的發(fā)展，才逐步被取代。

優(yōu)點 ：制備簡單，性能可靠，成本低廉，使用方便等。

氣體探測器是利用收集輻射在氣體中產(chǎn)生的電離電荷來歷探測輻射的探測器。因此，探測器也就是離子的收集器。它通常是由高壓電極和收集電極組成，常見的是兩個同軸的圓柱形電極，兩個電極由絕緣體隔開并密封于容器內(nèi)。電極間充氣體并外加一定的電壓。輻射使電極間的氣體電離，生成的電子和正離子在電場作用下漂移，最后收集到電極上。電子和正離子生成后，由于靜電感應，電極上將感生電荷，并且隨它們的漂移而變化。于是，在輸出回路中形成電離電流，電流的強度決定于被收集的離子對數(shù)。

電 離 室	脈沖電離室	記錄單個輻射粒子，主要用于測量 重帶電粒子的能量和強度 ；按輸出回路的參量，脈沖電離室又可區(qū)分為 離子脈沖電離室 和 電子脈沖電離室 。
	電流電離室	記錄大量輻射粒子平均效應，主要用于測量 X ，γ，β和中子的強度或通量、劑量或劑量率 。它是劑量監(jiān)測和反應堆控制的主要傳感元件。
	累計電離室
電離室的大小和形狀，室壁和電極的材料以及所充的氣體成分、壓強都要根據(jù)輻射的性質(zhì)、實驗的要求來確定。例如， 測量α粒子能量 的電離室，須要足夠大的容積和氣壓，以便使α粒子的徑跡都落在靈敏區(qū)內(nèi)。 對γ射線強度作相對測量 時，為了提高靈敏度，室壁材料宜用高原子序數(shù)的金屬，其厚度略大于室壁中次級電子的射程。 作絕對γ劑量測量 時，須用與空氣或生物組織等價的材料作電極和室壁。 脈沖電離室所能記錄的帶電粒子數(shù)目不能過大，否則脈沖將重疊，甚至無法分辨。因此，在大量入射粒子的情況下，只能由平均電離電流或累積的總電荷來測定射線的強度，即電流電離室和累計電離室。

4 ． 閃爍探測器

核輻射與某些透明物質(zhì)相互作用，會使其電離、激發(fā)而發(fā)射熒光，閃爍探測器就是利用這一特性來工作的。閃爍探測器由閃爍體、光電倍增管和相應的電子儀器三個主要部分組成。閃爍計數(shù)器在核輻射探測中是應用較廣泛的一種探測器，就其 應用 可以歸結(jié)為四類：①能譜測量；②強度測量；③時間測量；④劑量測量。其中，劑量測量是強度和能量測量的結(jié)合。在這些測量中遇到的基本 問題 ：一是脈沖輸出，二是時間分辨，三是能量分辨。

閃爍計數(shù)器的 工作 可分為五個相互聯(lián)系的 過程 ：

•  射線進入閃爍體，與之發(fā)生相互作用，閃爍體吸收帶電粒子能量而使原子、分子的電離和激發(fā)；

•  受激原子、分子退激時發(fā)射熒光光子；

•  利用反射物和光導將閃爍光子盡可能多地收集到光電倍增管的光陰極上，由于光電效應，光子在光陰極上擊出光電子；

•  光電子在光電倍增管中倍增，數(shù)量由一個增加到 10 4 -10 9 個，電子流在陽極負載上產(chǎn)生電信號；

•  此信號由電子儀器記錄和分析。

國產(chǎn) ST- 型閃爍體主要用途一覽表：

類 型	型 號	主 要 用 途
NaI(Tl)	ST-101 ST-102 ST-103 ST-104 ST-105	測量γ射線強度、能譜 測量低能γ或 X 射線 加大立體角測量γ射線 測較高能量的γ射線 反符合屏蔽、低本底測量
CsI(Tl)	ST-121 ST-122	測量α、β、γ，脈沖形狀甄別γ場中 測量α、 X 射線
ZnS(Ag)	ST-201 ST-202 ST-203 ST-206 ST-207 ST-211 ST-212	γ場中測量α場度 測量氡及其子體 測量氡及其子體 測量快中子強度 測量快中子強度 測量熱中子和慢中子強度 測量熱中子和慢中子強度
塑 料	ST-401 ST-402 ST-406 ST-407 ST-1421 ST-1422	γ、β、快中子 強γ場下測量β 測γ射線的劑量， X 射線 監(jiān)測α、β強度 γ、快中子，高發(fā)光效率 快時間測量
液 體	ST-451	用于 n- γ分辨探測快中子
蒽 晶 體	ST-501	α、β、γ、快中子，比較標準
對聯(lián)三苯	ST-551	低能β射線，強γ場中測量β
鋰 玻 璃	ST-601 ST-602	測量α能譜 測量熱中子到中能中子的強度

當核輻射的能量全部耗盡在閃爍體內(nèi)時，即當 A=1 時，探測器輸出脈沖幅度與入射粒子能量成正比，因此可以 根據(jù)對脈沖幅度譜的分析來測定核粒子的能譜 。目前， 測量帶電粒子（電子或重帶電粒子）能譜大都應用半導體探測器以及磁譜儀 。在 γ能譜測量領域， Ge 半導體探測器 雖有它突出的優(yōu)點，正逐漸被大家采用，但在工業(yè)、醫(yī)學等應用領域中，以及在某些核物理實驗中，閃爍譜儀，特別是 NaI(Tl) 單晶γ譜儀 仍有相當廣泛的用途。

5 ． 半導體探測器

自從 60 年代有商品生產(chǎn)的半導體探測器以后，這種探測器得到了迅速的發(fā)展。它的工作原理類似于氣體電離室，而探測介質(zhì)是半導體材料。它的 主要優(yōu)點 是：

•  電離輻射在半導體介質(zhì)中產(chǎn)生一對電子、空穴對平均所需能量大約為在氣體中產(chǎn)生一對離子對所需能量的十分之一，即同樣能量的帶電粒子在半導體中產(chǎn)生的離子對數(shù)要比在氣體中產(chǎn)生的約多一個量級，因而電荷數(shù)的相對統(tǒng)計漲落也就小得多，所以半導體探測器的能量分辨率很高；

•  帶電粒子在半導體中形成的電離密度要比在一個大氣壓的氣體中形成的高，大約為三個量級，所以當測高能電子或γ射線時半導體探測器的尺寸要比氣體探測器小得多，因而可以制成高空間分辨和快時間響應的探測器；

•  測量電離輻射的能量時，線性范圍寬。

半導體探測器的 主要缺點 是：

•  對輻射損傷較靈敏，受強輻照后性能變差；

•  常用的鍺探測器，需要在低溫（液氮）條件下工作，甚至要求在低溫下保存，使用不便。

半導體探測器廣泛地應用于各個領域的 射線能譜測量 。近年來又受到高能物理工作者的重視，在高位置分辨的粒子徑跡探測器方面有了突破性的發(fā)展。

6 ．有關核探測器

★電流電離室

主要指標：

•  飽和特性；

•  靈敏度——以單位強度的射線輻照下輸出的電離電流來量度。靈敏度與輻射的能量有關，它隨能量的變化稱為能量響應。

•  線性范圍——指電離室輸出電流與輻射強度保持線性關系的范圍。

•  暗電流——脈沖探測器沒有放射源時探測器輸出的電流。

★ 正比計數(shù)器

優(yōu)點 （與電離室相比）：

•  脈沖幅度較大；

•  靈敏度較高；

•  乃沖幅度幾乎與原電離的地點無關。

缺點 ：脈沖幅度隨工作電壓變化較大，且容易受外來電磁干擾，因此，對電源的穩(wěn)定度要求也較高（≤ 0.1% ）。

★ G-M 計數(shù)器

在核物理發(fā)展的早期 G-M 計數(shù)器曾是使用最廣的輻射探測器。至今，在放射性同位素應用和劑量監(jiān)測工作中，仍是常用的探測元件。

分類 （按充氣的性質(zhì)）：

•  充純單原子或雙原子分子氣體——如惰性氣體或 H 2 ， N 2 等，稱為非自熄計數(shù)器，它使用不方便，很少采用了。

•  充單原子分子與多原子分子的混合氣體或純多原子分子氣體——稱為自猝熄計數(shù)器。按猝熄氣體又可分為有機自猝熄和鹵素自猝熄計數(shù)器。

G-M 計數(shù)管的 特性 ：

（ 1 ）坪曲線； a. 起始電壓； b. 坪斜； c. 坪長。

（ 2 ）死時間、恢復時間和分辨時間；

（ 3 ）計數(shù)管的探測效率；

（ 4 ）計數(shù)管的壽命；

（ 5 ）計數(shù)管的溫度效應。

G-M 計數(shù)器探測射線的 優(yōu)點 ：

•  靈敏度高；

•  脈沖幅度大；

•  穩(wěn)定性高；

•  計數(shù)器的大小和幾何形狀可按探測粒子的類型和測量的要求在較大的范圍內(nèi)變動；

•  使用方便、成本低廉、制作的工藝要求和儀器電路均較簡單。

缺點 ：

•  不能鑒別粒子的類型和能量；

•  分辨時間長，約 10 2 μ s ，不能進行快速計數(shù)；

•  正常工作的溫度范圍較�。�鹵素管略大些）； （ 4 ） 有亂真計數(shù)。

★ NaI(Tl) 單晶γ譜儀

組成單元：

•  閃爍探頭；

•  高壓電源；

•  線性放大器；

•  脈沖幅度分析器。

★ 金硅面壘半導體探測器

主要用于 測量短射程的帶電粒子的能譜 。它的時間響應速度與閃爍探測器差不多，所以可用來作定時探測器。它的本底很低，適于作低本底測量。

優(yōu)點 ：

（ 1 ）能量分辨率高；（ 2 ）設備簡單；（ 3 ）使用方便。

缺點： 靈敏體積不能做得很大，因而限制了大面積放射源的使用。

★ 高純鍺（ HPGe ）探測器

靈敏區(qū)比金硅面壘探測器厚，可用它探測β或γ射線的能譜。主要用于 測量中、高能的帶電粒子 （能量低于 220 MeV 的α粒子，低于 60MeV 的質(zhì)子和能量低于 10MeV 的電子）和能量在 300keV 至 600keV 的 X 射線和低能γ射線 。

主要性能 ：

•  能量分辨率； HPGe 探測器主要用于測量γ射線的能譜，其能量分辨率較高；

•  探測效率； a. 絕對全能峰探測效率ε p b. 相對效率；

•  峰康比與峰形狀；

•  電荷收集和時間特性；

•  中子輻照損傷。

★ 鋰漂移硅探測器

主要是用于 低能γ射線和 X 射線的測量 。在以上三種半導體探測器中，它的靈敏區(qū)最厚。近年來雖然 Ge(Li) 探測器已被 HPGe 探測器所取代，然而 Si(Li) 仍然起著重要作用。