第7章波與核輻射式傳感器技術

7.1微波式傳感器7.2超聲波式傳感器7.3核輻射式傳感器 7.1微波式傳感器

7.1.1微波式傳感器的組成及工作原理

微波振蕩器和微波天線是微波傳感器的重要組成部分。微波振蕩器是產生微波的裝置。由于微波的波長很短，頻率很高(300MHz～300GHz)，要求振蕩回路有非常小的電感與電容，因此不能用普通晶體管構成微波振蕩器。構成微波振蕩器的器件有速調管、磁控管或某些固體器件。由微波振蕩器產生的振蕩信號需要用波導管(波長在10cm以上可用同軸電纜)傳輸，并通過天線發(fā)射出去。為了使發(fā)射的微波具有一致的方向性，天線應具有特殊的結構和形狀。常用的天線有喇叭形天線、拋物面天線和介質線等，如圖7.1.1所示。喇叭形天線具有圓形或矩形截面，根據它的形狀，可有扇形（圖7.1.1(a)）、角錐形、圓錐形(圖7.1.1(b))等。喇叭形可以看做是波導管的延續(xù)。喇叭形天線在波導管與敞開的空間之間起匹配作用，以獲得最大能量輸出。拋物面天線猶如凹面鏡產生平行光一樣，能使微波發(fā)射的方向性得到改善，圖7.1.1(c)為拋物面式微波天線，圖7.1.1(d)為拋物柱面式微波天線。圖7.1.1常用微波天線

(a)扇形；(b)圓錐形；(c)拋物面式；(d)拋物柱面式

2.微波傳感器工作原理

微波傳感器具有檢測速度快、靈敏度高、適應環(huán)境能力強及非接觸測量等優(yōu)點。其原理是由發(fā)射天線發(fā)出的微波，遇到被測物體時將被吸收或反射，使功率發(fā)生變化。若利用接收天線接收被測物或由被測物反射回來的微波，并將它轉換成電信號，再由測量電路處理后，即顯示出被測量，就實現(xiàn)了微波檢測。

與一般傳感器不同，微波傳感器的敏感元件可認為是一個微波場，它的其他部分可視為一個轉換器和接收器，如圖7.1.2所示。圖中，MS是微波源；T是轉換器；R是接收器。轉換器可以是一個微波場的有限空間，被測物即處于其中。如果MS與T合二為一，稱之為有源微波傳感器；如果MS與R合二為一，則稱其為自振蕩式微波傳感器。圖7.1.2微波傳感器構成微波傳感器可分為反射式與遮斷式兩種。

1.反射式微波傳感器

反射式微波傳感器是通過檢測被測物反射回來的微波功率或經過的時間間隔來測量被測物的位置、厚度等參數(shù)。

2.遮斷式微波傳感器

遮斷式微波傳感器是通過檢測接收天線接收到的微波功率大小，來判斷發(fā)射天線與接收天線之間有無被測物或被測物的位置與含水量等參數(shù)。7.1.2微波式傳感器測物位與液位

1.微波物位計

微波物位計原理如圖7.1.3所示。當被測物位較低時，發(fā)射天線發(fā)出的微波束全部由接收天線接收，經檢波、放大與定電壓比較后，發(fā)出正常工作信號；當被測物位升高到天線所在高度時，微波束部分被物體吸收，部分被反射，接收天線接收到的微波功率相應減弱，經檢波、放大與定電壓比較，低于定電壓值，微波計就發(fā)出被測物位位置高出設定物位的信號。圖7.1.3微波開關式物位計當被測物位低于設定物位時，接收天線接收的功率為式中，Pt

－發(fā)射天線的發(fā)射功率；

Gt

－發(fā)射天線的增益；

Gr

－接收天線的增益；

S

－兩天線間的水平距離；

λ－微波的波長。由式(7.1.3)可知，當發(fā)射功率、波長、增益均為恒定時，只要測得接收功率Pr就可獲得被測液面的高度d。圖7.1.4微波液位計7.1.3微波式傳感器測厚度

微波測厚儀的原理如圖7.1.5所示。這種測厚儀是利用微波在傳播過程中遇到被測物金屬表面被反射，且反射波的波長與速度都不變的特性進行厚度測量。

如圖7.1.5所示，在被測金屬物體上下兩個表面各安裝一個終端器，微波信號源發(fā)出的微波，經過環(huán)行器A、上傳輸波導管傳輸?shù)缴辖K端器，由上終端器發(fā)射到被測物上表面，微波在被測物上表面全反射后又回到上終端器，再經傳輸導管、環(huán)行器A、下傳輸波導管傳輸?shù)较陆K端器。由于終端器發(fā)射到被測物下表面的微波，經全反射后又回到下終端器，再經過傳輸波導管回到環(huán)行器A，因此，被測物的厚度與微波傳輸過程中的行程長度有密切關系，當被測物厚度增加時，微波傳輸?shù)男谐涕L度便減小。圖7.1.5微波測厚儀原理圖一般情況，微波傳輸過程的行程長度的變化非常微小，為了精確地測量出這一微小行程的變化，通常采用微波自動平衡電橋法。前面討論的微波傳輸行程作為測量臂，而完全模擬測量臂微波的傳輸過程設置一個參考臂(圖7.1.5右部)，若測量臂與參考臂行程完全相同，則反相疊加的微波經檢波器C檢波后，輸出為零；若兩臂行程長度不同，則反射回來的微波的相位角不同，經反射疊加后不相互抵消，經檢波器檢波后便有不平衡信號輸出，此差值信號經過放大器后控制可逆電機旋轉，帶動補償短路產生位移，改變補償短路器的長度，直到兩臂行程長度完全相同為止。補償短路器的位移與被測物厚度增加量之間的關系為(7.1.4)式中，LA－電橋平衡時測量臂行程長度；

LB

－電橋平衡時參考臂行程長度；

△LA－被測物厚度變化△h后引起測量臂行程長度變化的值；

△h－為被測物厚度變化值。

由式(7.1.4)可知，補償短路器位移值△S即為被測量變化值△h 7.2超聲波式傳感器

7.2.1超聲波檢測原理

1.超聲波及其波形

人耳所能聽到的聲波在20～20000Hz之間，頻率超過20000Hz，人耳不能聽到的聲波稱為超聲波。聲波的速度越高，越與光學的某些特性如反射定律、折射定律相似。由于聲源在介質中施力方向與波在介質中傳播方向不同，因此聲波的波形也不同，一般有以下幾種：

(1)縱波：質點振動方向與傳播方向一致的波，稱為縱波。它能在固體、液體和氣體中傳播。

(2)橫波：質點振動方向與傳播方向相垂直的波，稱為橫波。它只能在固體中傳播。

(3)表面波：質點的振動介于縱波和橫波之間，沿著表面?zhèn)鞑?，振幅隨著深度的增加而迅速地衰減，稱為表面波。它只在固體的表面?zhèn)鞑ァ?/p>

2.超聲波的傳播速度

超聲波可以在氣體、液體及固體中傳播，并有各自的傳播速度，縱波、橫波及表面波的傳播速度，取決于介質的彈性常數(shù)及介質的密度。例如，在常溫下空氣中的聲速約為334m／s，在水中的聲速約為1440m／s，而在鋼鐵中的聲速約為5000m／s。聲速不僅與介質有關，還與介質所處的狀態(tài)有關，例如，理想氣體的聲速與絕對溫度T的平方根成正比。對于空氣來說，影響聲速的主要原因是溫度，聲速與溫度之間的近似關系為

3.擴散角

聲波為一點源時，聲波從聲源向四面八方輻射，如果聲源的尺寸比波長大，則聲源集中成一波束，以某一角度擴散出去，在聲源的中心軸線上聲壓(或聲強)最大，偏離中心軸線一角度時，聲壓減小，形成聲波的主瓣(主波束)，離聲源近處，聲壓交替出現(xiàn)最大與最小點，形成聲波的副瓣。以極坐標表示角度(與傳感器軸線的夾角)與聲波能量的關系，如圖7.2.1所示。圖中傳感器附近的副瓣是由聲波的干涉現(xiàn)象而形成的。θ角稱為半擴散角，如果聲源為圓板形時，半擴散角的大小可用下式表示:圖7.2.1聲波的擴散

式中，λ為聲波在介質中的波長；D為聲源直徑；K為常數(shù)，一般取K=1.22，即波束邊緣聲壓為零時的值。

4.反射與折射

當聲波從一種介質傳播到另一種介質時，在兩介質的分界面上，一部分能量反射回原介質的波稱為反射波；另一部分則透過分界面，在另一介質內繼續(xù)傳播的波稱為折射波，如圖7.2.2所示。圖7.2.2波的反射與折射

1)反射定律

入射角α的正弦與反射角α′的正弦之比，等于波束之比。當入射波和反射波的波形一樣時，波速一樣，入射角α即等于反射角α′。

2)折射定律

入射角α的正弦與折射角β的正弦之比，等于入射波中介質的波速v1與折射波中介質的波速v2之比，即

3)反射系數(shù)

當聲波從一種介質向另一種介質傳播時，兩種介質的密度不同和聲波在其中傳播的速度不同，在分界面上，聲波會產生反射和折射，反射聲強IR與入射聲強I0之比，稱為反射系數(shù)，反射系數(shù)R的大小為式中，IR為反射聲強；I0為入射聲強；Z1為第一介質的聲阻抗；Z2為第二介質的聲阻抗。在聲波垂直入射時，α=β=0，上式可簡化為若聲波從水中傳播到空氣，在常溫下，它們的聲阻抗約為Z1=1.44×106，Z2=4×102，代入上式，則得R=0.999。這說明當聲波從液體或固體傳播到氣體，或相反的情況下，由于兩種介質的聲阻抗相差懸殊，聲波幾乎全部被反射。

5.聲波的衰減

聲波在介質中傳播時會被吸收而衰減，氣體吸收最強而衰減最大，液體其次，固體吸收最小而衰減最小，因此，對于一給定強度的聲波，在氣體中傳播的距離會明顯比在液體和固體中傳播的距離短。另外，聲波在介質中傳播時，衰減的程度還與聲波的頻率有關，頻率越高，聲波的衰減也越大，因此，超聲波比其他聲波在傳播時的衰減更明顯。其聲壓和聲強的衰減規(guī)律為(7.2.6)(7.2.7)7.2.2超聲波傳感器工作原理

在超聲波檢測技術中，主要是利用它的反射、折射、衰減等物理性質。不管哪一種超聲波儀器，都必須把超聲波發(fā)射出去，然后再把超聲波接收回來，變換成電信號，完成這一部分工作的裝置，就是超聲波傳感器。但是在習慣上，把這個發(fā)射部分和接受部分均稱為超聲波換能器，有時也稱為超聲波探頭。

超聲波換能器根據其工作原理可分為壓電式、磁致伸縮式、電磁式等多種，在檢測技術中主要是采用壓電式。作為發(fā)射超聲波的換能器是利用壓電材料的逆壓電效應，而接收用的換能器則利用其壓電效應。在實際使用中，由于壓電效應的可逆性，有時將換能器作為“發(fā)射”與“接收”兼用，亦即將脈沖交流電壓加到壓電元件上，使其向介質發(fā)射超聲波，同時又利用它作為接收元件，接收從介質中反射回來的超聲波，并將反射波轉換為電信號送到后面的放大器。因此，壓電式超聲波換能器，實質上是壓電式傳感器。

在壓電式超聲換能器中，常用的壓電材料有石英(SiO2)、鈦酸鋇(BaTiO3)、鋯鈦酸鉛(PZT)和偏鈮鉛(PbNb2O6)等。圖7.2.3直探頭式換能器結構壓電片1是換能器中的主要元件，大多做成圓板形。壓電片的厚度與超聲波頻率成反比，例如，當鋯鈦酸的頻率厚度常數(shù)為1890kHz／mm，壓電片的厚度為1mm時，固有振動頻率為1.89MHz；壓電片的直徑與擴散角成反比。壓電片的兩面敷有銀層，作為導電的極板，壓電片的底面接地線，上面接導線引至電路中。為了避免壓電片與被測體直接接觸而磨損壓電片，在壓電片下粘合一層保護膜2，保護膜有軟性保護膜和硬性保護膜兩種。軟性的可用薄塑料(厚約0.3mm)，它與表面粗糙的工件接觸較好；硬性的可用不銹鋼或陶瓷片。保護膜的厚度為λ/2的整倍數(shù)時(在保護膜中波長)，聲波穿透率最大；厚度為λ/4的奇數(shù)倍時，穿透率最小。保護膜材料性質要注意聲阻抗的匹配，設保護膜的聲阻抗為Z，晶體的聲阻抗為Z1，被測工件的聲阻抗為Z2，則最佳條件為Z=(Z1Z2)1/2。壓電片與保護膜粘合后，諧振頻率將降低。阻抗塊又稱吸收塊(圖7.2.3中的3)，它作為降低壓電片的機械品質因素Q，吸收聲能量。如果沒有阻尼塊，電振蕩脈沖停止時，壓電片因慣性作用，仍繼續(xù)振動，加長了超聲波的脈沖寬度，使盲區(qū)擴大，分辨力差。當吸收塊的聲阻抗等于晶體的聲阻抗時，效果最佳。7.2.3超聲波傳感器測物位

超聲波物位傳感器根據使用特點可分為定點式物位計和連續(xù)式物位計兩大類。

定點式物位計用來測量被測物位是否達到預定高度(通常是安裝測量探頭的位置)，并發(fā)出相應的開關信號。根據不同的工作原理及換能器結構，可以分別用來測量液位、固體料位、固—液分界面、液—液分界面以及檢測液體的有無。其特點是簡單、可靠、使用方便、適用范圍廣，廣泛應用于化工、石油、食品及醫(yī)藥等工業(yè)部門。

連續(xù)式物位計大都采用回波測距法(即聲納法)連續(xù)測量液位、固體料位或液—液分界面位置。根據不同應用場合所使用的傳聲媒介質不同，又可分為液體、氣體和固體介質導波式三種。

1.超聲式物位傳感器的特點

超聲式物位傳感器具有以下幾個特點：

(1)能定點及連續(xù)測量物位，并提供遙控信號；

(2)無機械可動部分，安裝維修方便，換能器壓電體振動振幅很小，壽命長；

(3)能實現(xiàn)非接觸測量，適用于有毒、高粘度及密封容器內的液位測量；

(4)能實現(xiàn)安全火花型防爆。

2.定點式超聲物位傳感器

常用的有聲阻式、液介穿透式和氣介穿透式三種。

1)聲阻式液位傳感器

如圖7.2.4所示，聲阻式液位傳感器是利用氣體和液體對超聲振動的阻尼有顯著差別這一特性來判斷測量對象是液體還是氣體，從而測定是否到達檢測探頭的安裝高度。圖7.2.4聲阻式液位傳感器原理由于氣體對壓電陶瓷前面的不銹鋼輻射面振動的阻尼小，壓電陶瓷振幅較大，足夠大的正反饋使放大器處于振蕩狀態(tài)。當不銹鋼輻射面和液體接觸時，由于液體的阻尼較大，壓電陶瓷Q值降低，反饋量減小，導致振蕩停止，消耗電流增大。根據換能器消耗電流的大小判斷被測液面是否上升到輻射面高度，使控制器內繼電器動作，發(fā)出相應控制信號，工作頻率約為40kHz。聲阻式液位傳感器結構簡單，使用方便，換能器上有螺紋，使用時，可從容器頂部將換能器安裝在預定高度即可。它適用于化工、石油、食品等工業(yè)中各種液面的測量，也用于檢測管道中有無液體存在，重復性可達1mm。該傳感器不適用于粘滯液體，因有部分液體粘附在換能器上，不隨液面下降而消失，故而容易誤動作。同時，也不適用于溶有氣體的液體，避免氣泡附在換能器上而形成輻射面上的一層空氣隙，減小了液體對換能器的阻尼，并導致誤動作。

2)液介穿透式超聲液位傳感器

液介穿透式超聲液位傳感器的工作原理是利用超聲換能器在液體中和氣體中發(fā)射系數(shù)的顯著差別來判斷被測液面是否到達換能器安裝高度，其結構如圖7.2.5所示。由相隔一定距離平行放置的發(fā)射壓電陶瓷與接收壓電陶瓷組成，它被封裝在不銹鋼外殼中或用環(huán)氧樹脂鑄成一體，在發(fā)射與接收陶瓷片之間留有一定間隙(12mm)?？刂破鲀扔蟹糯笃骷袄^電器驅動線路，發(fā)射壓電體和接收壓電體分別被接到放大器的輸出端和輸入端。當間隙內充滿液體時，由于固體與液體的聲阻抗率接近，超聲波穿透時界面損耗較小，從發(fā)射到接收，使放大器由于聲反饋而連續(xù)振蕩；當間隙內是氣體時，由于固體與氣體聲阻抗率差別極大，在固、氣分界面上聲波穿透時的衰減極大，因此聲反饋中斷，振蕩停止?？筛鶕糯笃髡袷幣c否來判斷換能器間隙是空氣還是液體，從而判斷液面是否到達預定高度，繼電器發(fā)出相應信號。該液位傳感器結構簡單，不受被測介質物理性質的影響，工作安全可靠。圖7.2.5液介穿透式超聲液位傳感器

3)氣介穿透式超聲物位傳感器

發(fā)射換能器中，壓電陶瓷和放大器接成正反饋振蕩回路，振蕩在發(fā)射換能器的諧振頻率上。接收換能器同發(fā)射換能器采用相同的結構，使用時，將兩換能器相對安裝在預定高度的一直線上，使其聲路保持暢通。當被測料位升高遮斷聲路時，接收換能器收不到超聲波，控制器內繼電器動作，發(fā)出相應的控制信號。

由于超聲波在空氣中傳播，故頻率選擇得較低(20～40kHz)。這種物位傳感器適用于粉狀、顆粒狀、塊狀或其他固體料位的極限位置發(fā)出的信號。其結構簡單，安全可靠，不受被測介質物理性質的影響，適用范圍廣，可用于比重小，介電率小、電容式物位計難以測量的塑料粉末、羽獸毛等的物位測量。

3.連續(xù)式超聲物位傳感器

1)液介超聲液位傳感器

此液位傳感器是以被測液體為導聲介質，利用回波測距方法來測量液位高度。裝置由超聲換能器和電子裝置組成，用高頻電纜連接，如圖7.2.6所示。時鐘定時觸發(fā)發(fā)射電路發(fā)出電脈沖，激勵換能器發(fā)射超聲脈沖，脈沖穿過外殼和容器壁進入被測液體，在被測液體表面上反射回來，再由換能器轉換成電信號送回電子裝置。液位高度H與液體中聲速v及被測液體中來回傳播時間Δt成正比：(7.2.8)圖7.2.6液介超聲液位傳感器若計數(shù)振蕩器的頻率為f0，則上式可表示為(7.2.9)

式中，n為計數(shù)器的顯示數(shù)，n值與液位高度成比例。這種液位傳感器適用于測量如油罐、液化石油氣罐之類容器的液位。它具有安裝使用方便、可多點檢測、精確度高、直接用數(shù)字顯示液位高度等優(yōu)點，但是當被測介質溫度、成分經常變動時，由于聲速隨之變化，測量精度較低。

2)氣介超聲物位傳感器

它以被測介質上方的氣體為導聲介質，利用回波測距測量物位，原理與液介的相似。利用被測介質上方的氣體導聲，被測介質不受限制，可測量有懸浮物的液體、高粘度液體與粉體、塊體等，使用維護方便。它除了能測各種密封、敞開容器中的液位外，還可以用于測塑料粉粒、砂子、煤、礦石、巖石等固體料位，以及測瀝青、焦油等粘糊液體及紙漿等介質料位。7.2.4超聲波傳感器測厚度

用超聲波測量金屬零件、鋼管等的厚度，具有測量精度高、測試儀器輕便、操作安全簡單、易于讀數(shù)或實現(xiàn)連續(xù)自動檢測等一些優(yōu)點。但是，對于聲衰減很大的材料，以及表面凹凸不平或形狀很不規(guī)格的零件，超聲波法測厚較困難。

超聲波法測厚常用脈沖回波法，測厚的原理如圖7.2.7所示。主控制器產生一定重復頻率的脈沖信號，送往發(fā)射電路，經電流放大激勵壓電式探頭，以產生重復的超聲脈沖，并耦合到被測工件中，脈沖波傳到工件另一面被反射回來，被同一探頭接收。如果超聲波在工件中的聲速v是已知的，設工件厚度為d，脈沖波從發(fā)射到接收的時間間隔t可以測量，因此，可求出工件的厚度為(7.2.10)

為測量時間間隔t，可用圖7.2.7所示的方法，將發(fā)射和回波反射脈沖加至示波器垂直偏轉板上，標記發(fā)生器輸出已知時間間隔的脈沖，也加在示波器垂直偏轉板上，線性掃描電壓加在水平偏轉板上。因此，可以從顯示器上直接觀察發(fā)射和回波反射脈沖，并求出時間間隔t。當然，也可用穩(wěn)頻晶振產生的時間標準信號來測量時間間隔t，從而做成厚度數(shù)字顯示儀表，圖7.2.8為CCH－J－1型超聲波測厚儀組成方框圖。CCH－J－1型超聲波測厚儀是以測厚度為主的半導體直讀式儀器，可方便地從單面檢測材料的厚度。表7.2.1列出了幾種超聲波測厚儀的主要性能。圖7.2.7脈沖回波法測厚方框圖圖7.2.8

CCH－J－1型超聲波測厚儀組成方框圖表7.2.1幾種超聲波測厚儀主要性能 7.3核輻射式傳感器

7.3.1核輻射的物理基礎

原子如果不是由于外界的原因，而是自發(fā)的發(fā)生核結構的變化，則稱為核衰變，具有這種核衰變性質的同位素叫做放射性同位素。

放射性同位素的核衰變，是原子核的“本征”特性，根據實驗可得放射性同位素的基本規(guī)律為(7.3.1)式中，I0為開始時(t=0)的放射源強度；I為經過時間t秒后的放射源強度；λ為放射性衰變常數(shù)。式(7.3.1)表明，放射性元素的放射源強度，是按照指數(shù)規(guī)律隨時間減少的，元素衰減的速度取決于λ的量值，λ越大則衰變越快。

2)核輻射的種類及性質

放射性同位素在衰變過程中放出一種特殊的、帶有一定能量的粒子或射線，這種現(xiàn)象稱為放射性或核輻射。根據其性質的不同，放出的粒子或射線有α粒子、β粒子、γ射線等。

（1）α射線。α粒子一般具有4～10MeV能量。用α射線來使氣體電離比用其他輻射強得多，因此，在檢測中，α輻射主要用于氣體分析，用來測量氣體壓力、流量等參數(shù)。（2）β射線。β射線實際上是高速運動的電子，它在氣體中的射程可達20m。在自動檢測儀表中，主要是根據β輻射吸收來測量材料的厚度、密度或重量；根據輻射的反散射來測量覆蓋層的厚度；利用β射線很大的電離能力來測量氣體流。

（3）γ射線。γ射線是一種從原子核內發(fā)射出來的電磁輻射，它在物質中的穿透能力比較強，在氣體中的射程為數(shù)百米，能穿過幾十厘米厚的固體物質。它廣泛應用在各種檢測儀表中，特別是在厚度檢測以及物體密度檢測等方面。

2.射線與物質的相互作用

核輻射與物質的相互作用是探測帶電粒子或射線存在與否及其強弱的基礎，也是設計和研究放射性檢測與防護的基礎。

1)帶電粒子和物質的相互作用

具有一定能量的帶電粒子（如α射線、β射線），在它們穿過物質時，由于電離作用，在它們路徑上生成許多離子對，所以常稱α和β射線為電離性輻射。電離作用是帶電粒子與物質相互作用的主要形式，一個粒子在每厘米路徑上生成的離子對數(shù)目稱為比電離。帶電粒子在物質中穿行，其能量逐漸耗盡而停止，其穿行的一段直線距離稱為粒子的射程。

α射線質量數(shù)較高，電荷量也較大，因而它在物質中引起很強的比電離，射程較短。β射線的能量是連續(xù)的，質量很輕，運動速度比α射線快得多，由于β射線的質量小，其比電離遠小于同樣能量的α射線的比電離，同時容易散射和改變運動方向。

β和γ射線比α射線的穿透能力強，當它們穿過物質時，由于物質的吸收作用，而損失一部分能量，輻射在穿過物質層后，其輻射通量強度按指數(shù)規(guī)律衰減，可表示為(7.3.2)式中，I0為入射到吸收體的輻射通量的強度；I為穿過厚度為h(單位為cm)的吸收層后的輻射通量強度；μ為線性吸收系數(shù)。實驗證明，比值μ／ρ(ρ是密度)幾乎與吸收體的化學成分無關，這個比值叫做質量吸收系數(shù)，常用μρ表示，此時式(7.3.2)可改寫成(7.3.3)

2)γ射線和物質的相互作用

γ射線通過物質后的強度將逐漸減弱。γ射線與物質作用主要是光電效應、康普頓效應和電子對效應三種。γ射線在通過物質時，γ光子不斷被吸收，強度也是按指數(shù)下降，仍然服從式(7.3.3)。這里的吸收系數(shù)μ是上述三種效應的結果，故可用下式表示：(7.3.4)式中，τ為光電吸收系數(shù)；σ為康普頓散射吸收系數(shù)；k為電子對生成吸收系數(shù)。設物質厚度λ=ρh，則式(7.3.3)可寫成(7.3.5)不同物質對同一能量光子的質量吸收系數(shù)μρ可視為大致相同的，特別在較輕的元素和光子能量在0.5～2MeV范圍內更是這樣。因為在這種情況下，起主要作用的是康普頓效應，其概率只與物質的電子數(shù)有關，而能量相同質量不同的物質，它們的電子數(shù)目大致是相同的，所以質量吸收系數(shù)μρ也大致相同。7.3.2核輻射式傳感器的組成

核輻射式傳感器主要由放射源、探測器和測量電路組成。

1.輻射源

利用核輻射式傳感器進行測量時，都要有可放射出α、β粒子或γ射線的放射源。選擇放射源應盡量提高檢測靈敏度和減小統(tǒng)計誤差。為避免經常更換放射源，要求采用有較長的半衰期及合格的輻射強度的放射源。因此，盡管放射性同位素種類很多，但能用于測量的只有20種左右，最常用的有60Co、137Cs、241Am等。放射源的結構應使射線從測量方向射出，而其他方向則必須使輻射線的劑量盡可能小，以減少對人體的危害。β射線放射源一般為圓盤狀，γ射線放射源一般為絲狀、圓柱狀或圓片狀。圖7.3.1所示為β厚度計放射源容器，輻射線入口處裝有耐輻射薄膜，以防灰塵侵入，并能防止放射源受到意外損傷而造成污染。圖7.3.1放射源容器

2.探測器

探測器就是核輻射的接收器，它是核輻射傳感器的重要組成部分，其用途就是將核輻射信號轉換成電信號，從而探測出射線的強弱和變化。在現(xiàn)有的核輻射檢測中，用于檢測儀表上的主要有電離室、閃爍計數(shù)器和蓋格計數(shù)等。下面以電離室、閃爍計數(shù)器為例加以介紹。

1)電離室

電離室是一種基本上以氣體為介質的射線探測器，它可以用來探測α粒子、β粒子和γ射線，它能把這些帶電粒子或射線的能量轉化為電信號。電離室具有堅固、穩(wěn)定、壽命長、成本低等特點，但輸出電流小。圖7.3.2電離室工作原理圖圖7.3.2為電離室基本工作原理示意圖。它是在空氣中設置一個平行極板電容器，加上幾百伏的極化電壓，使在電容器的極板間產生電場，這時，如果有核輻射照射極板之間的空氣，則核輻射將電離空氣分子而使其產生正離子和電子。在極化電壓的作用下，正離子趨向負極，而電子趨向正極，于是便產生了電流，這種由于核輻射線引起的電流就是電離電流，電離電流在外電路的電阻R上形成電壓降，這樣利用核輻射的電離性質，就可以從外電路R上的電壓降來衡量核輻射中的粒子數(shù)目和能量。輻射強度越大，產生的正離子和電子越多，電離電流就越大，R上的壓降也越大。通過一定的設計和對電離室配置以恰當?shù)碾妷海湍苁馆椛鋸姸扰cR上的電壓降成正比。這就是電離室的基本工作原理。電離室的結構有各種不同類型，現(xiàn)以圓筒形β電離室為例來說明其結構，如圖7.3.3所示。圖中1和2分別為收集極和高壓極。收集極必須良好的絕緣，如果絕緣不良，極微小的電離電流就要漏掉，就可能測不到信號。在收集極和高壓極之間配有保護環(huán)，保護環(huán)與收集極和高壓極之間是絕緣的，保護環(huán)要接地，這是為了使高壓不致漏到收集極去干擾有用信號。圖7.3.3圓筒形β電離室結構示意圖電離室除了空氣式外，還有密封充氣的，一般充Ar等惰性氣體。氣壓可稍大于大氣壓，這有助于增大電離電流，同時，密封可以維護內部氣壓的恒定，減少受外界氣壓波動而帶來的影響。電離室的入射窗口通常用鋁箔或其他塑料薄膜，它的密度要盡可能小，以減小射線入射時在上面造成的能量損失；同時，又要有足夠的強度，以承受內部的氣壓。

電離室的結構必須非常牢固，尤其是電極結構更要牢固，否則會由于周圍的振動引起信號的波動而無法測量。

由于α粒子、β粒子、γ射線性質各不相同，能量也不一樣，因此用來探測的電離室也互不相同，不能互相通用。

2)閃爍計數(shù)器

閃爍計數(shù)器先將輻射能變?yōu)楣饽?，然后再將光能變?yōu)殡娔芏M行探測。它不僅能探測γ射線，而且能探測各種帶電和不帶電的粒子；不僅能探測它們的存在，還能鑒別其能量的大小。閃爍計數(shù)器與電離室相比，具有效率高及分辨時間短等特點，廣泛地應用于各種檢測儀表中。閃爍計數(shù)器由閃爍體、光電倍增管和輸出電路所組成，如圖7.3.4所示。閃爍體是一種受激發(fā)光物質，可分為無機和有機兩大類，其形狀有固態(tài)、液態(tài)、氣態(tài)三種。無機閃爍體的特點是：對入射粒子的阻止本領大，發(fā)光效率也大，因此，有很高的探測效率。例如，碘化鈉(鉈激活)用來探測γ射線的效率就很高，約20%～30%。有機閃爍體的特點是：發(fā)光時間很短，只有用分辨性能高的光電倍增管相配合，才能獲得10-10s的分辨時間，而且容易制成比較大的體積，常用的有液體有機閃爍體、塑料閃爍體和氣體閃爍體等。在探測β粒子時，常用這種有機閃爍體。圖7.3.4閃爍計數(shù)器示意圖當核輻射進入閃爍體時，閃爍體的原子受激發(fā)光，光透過閃爍體射到光電倍增管的光陰極上打出光電子，經過倍增，在陽極上形成電流脈沖，最后可用電子儀器記錄下來。這就是閃爍計數(shù)器記錄粒子的基本過程。

由于發(fā)射電子通過閃爍體時，會有一部分被吸收和散射，因此，要求閃爍體的發(fā)射光譜和吸收光譜的重合部分盡量要小，裝置也要有利于光子的吸收。光陰極上打出電子的效率與入射光子的波長有關，所以，必須選擇閃爍體發(fā)光的光譜范圍，使其能夠很好地配合光陰極的光譜響應。要使閃爍體發(fā)出的熒光盡可能地被收集到光陰極上去，除了對閃爍體本身的要求(如光學性質均勻等)外，還要求各方面的光子通過有效的漫反射，把光子集中到光陰極上。碘化鈉晶體除一面與光陰極接觸外，周圍全部用氧化鎂粉敷上一層。為減少晶體和光陰極之間產生全反射，常用折射率較大的透明媒質作為晶體與光電倍增管的接觸媒質。為了更有效地將光導入光陰極，常在閃爍體和光陰極之間接入一定形狀的光導，而有機玻璃等為常用的光導材料。

3．測量電路

核輻射傳感器測量電路的種類很多，并隨著所用探測器的不同而不同。但不管哪一種結構的探測器，前置放大電路都是必不可少的，其性能的好壞對儀表的影響很大。常用的測量電路有電離室前置放大電路和閃爍計數(shù)器前置放大電路?，F(xiàn)以電離室前置放大電路為例進行講述。

一個電離粒子每損失1MeV的能量，約產生3萬個電