第11章

射線式傳感器

3學(xué)時(shí)《傳感器原理》64學(xué)時(shí)北京化工大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院測(cè)控系2012年12月19日續(xù)第18講3學(xué)時(shí)1射線式傳感器傳感器原理64第一節(jié)核輻射的物理基礎(chǔ)一、原子核的基本性質(zhì)與組成

二、原子核的衰變

2.1、α、β

和γ衰變2.2、放射性衰變定律

2.3、放射性強(qiáng)度

第二節(jié)射線式傳感器1、射線源2、探測(cè)器第三節(jié)核輻射檢測(cè)的應(yīng)用1、核輻射測(cè)厚度2、灰分測(cè)量系統(tǒng)

3、放射性輻射對(duì)人體的損害

4、輻射防護(hù)射線第11章射線式傳感器2射線式傳感器射線式傳感器射線式傳感器也稱核輻射監(jiān)測(cè)裝置。它是利用放射性同位素，根據(jù)被測(cè)物質(zhì)對(duì)放射線的吸收、反射、散射或射線對(duì)被測(cè)物質(zhì)的電離激發(fā)作用而進(jìn)行工作的。3射線式傳感器射線式傳感器眾所周知，各種物質(zhì)都是由一些最基本的物質(zhì)所組成。人們稱這些最基本的物質(zhì)為元素。組成每種元素的最基本單元就是原子，每種元素的原子都不是只存在一種。具有相同的核電荷數(shù)Z而有不同的質(zhì)量數(shù)A的原子所構(gòu)成的元素稱同位素。假設(shè)某種同位素的原子核在沒有外力作用下，自動(dòng)發(fā)生衰變，衰變中釋放出α射線、β射線、γ射線、X射線等，這種現(xiàn)象稱為核輻射。放出射線的同位素稱為放射性同位素，又稱放射源。核輻射探測(cè)器又稱核輻射接收器，它是核輻射傳感器的重要組成部分。核輻射探測(cè)器的作用是將核輻射信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，從而探測(cè)出射線的強(qiáng)弱和變化。由于射線的強(qiáng)弱和變化與測(cè)量參數(shù)有關(guān)，因此它可以探測(cè)出被測(cè)參數(shù)的大小及變化。這種探測(cè)器的工作原理或者是根據(jù)在核輻射作用下某些物質(zhì)的發(fā)光效應(yīng)，或者是根據(jù)當(dāng)核輻射穿過它們時(shí)發(fā)生的氣體電離效應(yīng)。4射線式傳感器第一節(jié)核輻射的物理基礎(chǔ)知識(shí)一、原子核的基本性質(zhì)與組成

1.1、原子核的組成與電荷1、原子核的組成與電荷

2、同位素

二、原子核的衰變

2.1、α、β

和γ衰變

1、α衰變2、β衰變3、γ衰變2.2、放射性衰變定律

2.3、放射性強(qiáng)度

5射線式傳感器一、原子核的基本性質(zhì)與組成

1.1、原子核的組成與電荷

原子核由質(zhì)子和中子組成。質(zhì)子帶有與電子等量的正電荷，它的質(zhì)量為電子質(zhì)量的1836.12倍。中子不帶電，質(zhì)量為電子的1838.65倍。質(zhì)子和中子統(tǒng)稱為核子。原子核中質(zhì)子數(shù)目稱為原子的原子序數(shù)，用

Z表示。中性原子中核外電子的數(shù)目等于原子序數(shù)。原子核中質(zhì)子和中子的總數(shù)稱為該原子核的質(zhì)量數(shù)，用

A表示。通常用符號(hào)AZX表示各種元素原子的原子核例：氫核用11H表示氧核用168O表示1、原子核的組成與電荷6射線式傳感器2、同位素例如：自然界中氫有三種同位素分別稱為氫核11H氘核21H（21D、又稱重氫）氚核31H（31T、又稱超重氫）氘、氚可進(jìn)行熱核反應(yīng)人工方法合成的氫的同位素有：氫4、氫5、氫6、氫7放射性同位素原子如果不是由于外來原因，而自發(fā)的產(chǎn)生核結(jié)構(gòu)變化稱為核衰變，具有核衰變性質(zhì)的同位素，稱為放射性同位素。原子物理中，取碳同位素126C的原子核質(zhì)量的1/12作為質(zhì)量單位，稱為“原子質(zhì)量單位”，以amu或u表示：1u=1.660566×10-27Kg原子序數(shù)相同而質(zhì)量數(shù)不同的原子，稱為同位素。7射線式傳感器二、原子核的衰變

2.1、α、β和γ衰變

有些原子核是不穩(wěn)定的，具有放射性，不穩(wěn)定核通過釋放某些粒子而趨于穩(wěn)定，這一過程稱為放射性衰變。α粒子氦核42

He，它有兩個(gè)質(zhì)子，兩個(gè)中子組成。當(dāng)一個(gè)氦原子核放出α粒子時(shí)，它的原子序數(shù)Z

減小2，質(zhì)量數(shù)A減小4，該原子核變成另一種原子核，這就是α衰變。例:一般情況下：1、α衰變8射線式傳感器α衰變產(chǎn)生的α粒子來自原子核α粒子在核內(nèi)受到很強(qiáng)的核力吸引（負(fù)勢(shì)能）但在核外將受核的庫侖場(chǎng)的排斥，這樣對(duì)α粒子而言，在核表面就形成一個(gè)勢(shì)壘。放射性原子核的α衰變過程就是α粒子穿過勢(shì)壘從原子核放射出去的一個(gè)隧道效應(yīng)過程。伴隨著

a

衰變有能量釋放，釋放的能量以

a

粒子的動(dòng)能形式帶走，這一過程已被實(shí)驗(yàn)觀察到。釋放的能量為：

E=(mx-my-ma)c2=931.48(mx-my-ma)MeV在自然界內(nèi)大部份的重元素（原子序數(shù)為82或以上）都會(huì)在衰變時(shí)釋放α粒子，例如鈾和鐳。由于α粒子的體積比較大，又帶兩個(gè)正電荷，很容易就可以電離其他物質(zhì)。因此，它的能量亦散失得較快，穿透能力在眾多電離輻射中是最弱的，人類的皮膚或一張紙已能阻隔α粒子。然而，它們一旦被吸入或注入，那將是十分危險(xiǎn)。它就能直接破壞人體的內(nèi)臟細(xì)胞。9射線式傳感器2、β衰變?chǔ)铝Ｗ泳褪请娮樱ㄕ娮恿骰蜇?fù)電子流）當(dāng)一個(gè)原子核發(fā)出一個(gè)

b

粒子后，原子核的原子序數(shù)

Z

增加1，而質(zhì)量數(shù)不變，這就是

b

衰變。實(shí)驗(yàn)測(cè)定表明，同一種核在

b

衰變過程中放出電子的能量并不等于衰變前后原子核的能量差，而是從零到一個(gè)最大值，有一定的分布，不象

a

粒子那樣具有確定的能量，如下圖所示。只有最大值的能量才恰好與衰變前后原子核的能量差相當(dāng)。另外，因?yàn)閚，p，e的自旋都是1/2，b

衰變過程中的自旋角動(dòng)量將不守恒。1927年泡利（WolfgangE.Pauli）為解決這個(gè)問題，提出b

衰變時(shí)除放出電子外，還同時(shí)放出一個(gè)“不可檢測(cè)的、很輕的、中性粒子”，它的自旋為1/2，鉍Bi的

b

能譜

00.30.60.91.2電子動(dòng)能/MeV相對(duì)強(qiáng)度費(fèi)米（E.Feimi）將其稱為“中微子”。β衰變時(shí)釋放的能量中，除被電子帶走的以外，剩下的能量被中微子帶走。10射線式傳感器由于中微子的質(zhì)量非常小幾乎為零，也不帶電，它對(duì)電磁場(chǎng)不起作用，所以它的穿透力極強(qiáng)，能量為1MeV的中微子可以穿透1000光年厚的固體物質(zhì)觀察它，是非常困難的，直到1956年核反應(yīng)堆出現(xiàn)以后，才在實(shí)驗(yàn)中證實(shí)它的存在。β衰變是一種弱相互作用過程，它的強(qiáng)度只有電磁相互作用的10-12倍。中微子11射線式傳感器1eV=1.6021892×10-19joule（焦耳）=1.6021892×10-12（爾格）是能量的單位。一個(gè)電子電位改變（增加）一伏特（volt）時(shí)，所獲得的動(dòng)能量或所損失的電位能的量?！鲭娮臃兀╡lectronvolt，eV）一個(gè)電子所帶電量為：e=-1.6×10-19coulombs（庫倫）12射線式傳感器3、γ衰變當(dāng)原子核發(fā)生α、β衰變時(shí)，往往衰變到核的激發(fā)態(tài)，處于激發(fā)態(tài)的原子核是不穩(wěn)定的，它要向低激發(fā)態(tài)或基態(tài)躍遷，同時(shí)放出γ光子，產(chǎn)生γ射線。由于核的能級(jí)間隔為100KeV到1MeV，因此γ射線的光子能量非常大，其波長比X射線更短。醫(yī)學(xué)上常用γ射線治療腫瘤，最常用的放射源是鈷60Co，鈷60Co以β衰變到鎳60Ni的2.5MeV激發(fā)態(tài)，60Ni的激發(fā)態(tài)壽命極短，它很快躍遷到基態(tài)并放出能量分別為1.17MeV和1.33MeV的兩種γ射線。原子核放出光子的過程稱為γ衰變。13射線式傳感器2.2、放射性衰變定律實(shí)驗(yàn)分析指出，單位時(shí)間內(nèi)因衰變而減少的核數(shù)-dN/dt，與衰變前的核數(shù)N成正比，即設(shè)

t=0時(shí)，原子核的數(shù)為N0，對(duì)上式積分得（衰變后核數(shù)N為）

N=N0e-λt這就是放射性衰變定律，它是按指數(shù)衰減的。式中：λ衰變常數(shù)，

是一個(gè)原子核在單位時(shí)間內(nèi)發(fā)生衰變的概率從衰變定律，可以得到放射性的兩個(gè)重要參數(shù)：半衰期平均壽命放射性物質(zhì)進(jìn)行衰變并不是立即轉(zhuǎn)變成新的元素，在任何放射性的樣品中，放射性原子核的數(shù)目隨著一些核的衰變而逐漸減少。核數(shù)減少的速率與核的種類有關(guān)。14射線式傳感器例:鈣Ca發(fā)生衰變的半衰期是164d（天）釙212Po發(fā)生衰變的半衰期是3×10-7s（秒）釷232Th衰變的半衰期是1.41×1010y（年）鐳226Ra衰變的半衰期是1600y（年）鉛214Pb衰變的半衰期是1608s（秒）碳14C衰變的半衰期為5730y（年）可見不同放射性元素的半衰期相差很大T1/2=ln2/λ=0.693/λ是指放射性同位素的原子核數(shù)目由于衰變減少到原有的一半所經(jīng)歷的時(shí)間，用T1/2表示半衰期，即有半衰期T1/215射線式傳感器原子核衰變，對(duì)某個(gè)原子核是隨機(jī)的；對(duì)于整個(gè)樣品中的原子核來說，有的早衰變，有的晚衰變；在這種情況下，原子核壽命一般用平均壽命τ來表征衰變。平均壽命τ設(shè)：在t→t+dt時(shí)間內(nèi)衰變了（－dN）個(gè)核每個(gè)核的壽命為t應(yīng)用統(tǒng)計(jì)平均方法，可求得所有核的平均壽命τ為：16射線式傳感器2.3、放射性強(qiáng)度A放射性物質(zhì)在單位時(shí)間內(nèi)發(fā)生衰變的原子核數(shù)目稱為放射性強(qiáng)度A，即

A的單位是居里（Ci），因紀(jì)念居里夫婦而得名。1居里等于當(dāng)一秒鐘有3.7×1010次核衰變時(shí)，其放射性強(qiáng)度為1Ci，即：1Ci=3.7×1010s-1較小的單位有毫居里和微居里。現(xiàn)在放射性強(qiáng)度單位常用Bq（貝克勒爾），1Bq就是單位時(shí)間的衰變一個(gè)核。放射性元素每秒有一個(gè)原子發(fā)生衰變時(shí)，其放射性活度即為1Bq。因此1Ci=3.7×1010Bq17射線式傳感器輻射源輻射形式放射性強(qiáng)度Ci20萬噸級(jí)原子彈的裂變產(chǎn)物α，β6×1011核反應(yīng)堆α，β~1010工業(yè)用60Coβ106醫(yī)療用60Coβ103人體內(nèi)的天然40Kβ10-7一些輻射源的放射性強(qiáng)度

我們?nèi)粘Ｉ钪惺褂玫牟Ａ?、玻璃杯、眼鏡等含有鉀40K它的半衰期為1.3×109s，相應(yīng)的衰變常數(shù)l十分微小，它的放射性強(qiáng)度A就很弱，不會(huì)影響我們的健康。

18射線式傳感器第二節(jié)射線式傳感器射線式傳感器的組成放射源探測(cè)器射線源是將射線向一定的方向發(fā)射射線的裝置探測(cè)器是核輻射的接收裝置19射線式傳感器1、射線源利用射線式傳感器進(jìn)行測(cè)量時(shí)都要有可發(fā)射出α、β和γ粒子的輻射源射線源是將射線向一定的方向發(fā)射射線的裝置射線源選擇原則：同位素有較長的半衰期合適的放射強(qiáng)度目的是為了安全避免經(jīng)常更換提高檢測(cè)靈敏度減少測(cè)量誤差放射性同位素種類很多，能用于測(cè)量的有20種左右最常用的有：鈷-80（80Co）、銫-137（137Cs）、镅-241（241Am）、鍶-90（90Sr）20射線式傳感器放射線源的結(jié)構(gòu)放射源容器用于成放放射源，其結(jié)構(gòu)要求射線從測(cè)量方向射出，其它方向必須使射線的劑量盡可能小，減少對(duì)人體的危害和環(huán)境的污染。β輻射源一般為圓盤狀γ射線輻射源一般為絲狀、圓柱狀、元片狀射線出口處裝有輻射薄膜，以防止灰塵侵入，同時(shí)防止放射源受到意外損傷而造成污染鉛罩防止輻射源向其它方向輻射下圖為β厚度計(jì)輻射源容器薄膜容器鉛放射源容器結(jié)構(gòu)圖放射源21射線式傳感器2、探測(cè)器探測(cè)器是核輻射的接收裝置常用的有電離室閃爍計(jì)數(shù)器蓋革計(jì)數(shù)管半導(dǎo)體探測(cè)器閃爍晶體輸出電路光電倍增管閃爍計(jì)數(shù)器原理示意圖射線極板極板+++---+-R電離室工作原理圖高壓電源離子或射線正離子電子電離室-+密封玻璃管陽極（鎢絲）陰極（金屬圓筒）蓋革計(jì)數(shù)管原理射線-惰性氣體或有機(jī)物氣體電離負(fù)離子22射線式傳感器（1）電離室電離室主要用來探測(cè)α、β粒子利用電離室測(cè)量α、β粒子時(shí)，其效率可以接近100%電離室用來測(cè)量γ射線時(shí)，則效率很低。這是因?yàn)棣蒙渚€沒有直接電離的本領(lǐng)，它是靠從電離室的壁上打出二次電子，而二次電子起電離作用，因此，γ射線的電離室必須密閉。一般γ電離室的效率只有1%～2%。電離室主要用于探測(cè)α、β粒子優(yōu)點(diǎn)：成本低、壽命長缺點(diǎn)：輸出電流小探測(cè)α、β粒子和γ射線的電離室互不通用電離室是利用射線對(duì)氣體的電離作用而進(jìn)行測(cè)量的一種輻射探測(cè)器23射線式傳感器電離室工作原理當(dāng)有粒子或射線射向兩個(gè)極板之間的氣體時(shí)，其中的氣體分子產(chǎn)生電離。測(cè)量電阻壓降就能得到核輻射的強(qiáng)度。電離室的形狀有圓柱體和方盒狀電離室空腔中設(shè)置一對(duì)平行極板（類似電容器極板），加有幾百伏的極化電壓，在電離室內(nèi)的極板間形成強(qiáng)電場(chǎng)電離室中充滿某些惰性氣體或空氣射線或粒子極板極板+-R電離室工作原理圖高壓電源電離室電離室的組成正離子+++電子---在電場(chǎng)的作用下，正離子趨向極板的負(fù)極，電子趨向極板的正極，從而在外電路中產(chǎn)生電離電流，并在外接電阻上形成電壓。電阻的電壓間接反映核輻射的強(qiáng)度。當(dāng)沒有射線射時(shí)，兩個(gè)極板間無導(dǎo)電物質(zhì)，外電路中無電流。24射線式傳感器一般電離室工作在特性曲線的飽和段，其輸出電流正比于射到電離室上的核輻射強(qiáng)度。電流I與兩個(gè)電極間所加的電壓U的關(guān)系曲線如下圖所示（曲線i1、i2和I3分別代表不同的輻射強(qiáng)度下的特性曲線）圖中線段OU1稱為線性段在這一線段上，當(dāng)電壓不大時(shí)，電離室中的離子的移動(dòng)速度亦不大，有部分離子在移動(dòng)時(shí)就重新復(fù)合，而只有余下的部分離子能夠到達(dá)電極上。電極上電壓愈高，離子移動(dòng)速度越快，離子復(fù)合就愈為減少，電流就會(huì)增加。圖中線段U1U2稱為飽和段在這段上的工作電壓很大，所以實(shí)際上全部生成的離子都能到達(dá)電極上。此時(shí)電流與所加電壓無關(guān)，電流僅與射線強(qiáng)度有關(guān)。電離室的特性曲線U1U2UIi1i2i3O25射線式傳感器電離室內(nèi)充氣體的壓力（惰性氣體或空氣密度）極板的大小兩極間的距離對(duì)電離電流都有較大的影響電離室的特性曲線U1U2UIi1i2i3O例如：增大氣體壓力（提高氣體的密度）增大電極面積減小兩極板的距離都會(huì)使電離電流增大，電離室的特性曲線也將向增大電離電流的方向移動(dòng)射線或粒子極板極板+-R電離室工作原理圖高壓電源電離室正離子+++電子---26射線式傳感器在核輻射檢測(cè)儀表中，有時(shí)用兩個(gè)電離室，構(gòu)成差分結(jié)構(gòu)。差分電離室，如下圖所示。兩個(gè)電離室的特性一樣，測(cè)量時(shí)一個(gè)電離室接受射線及其它干擾量一個(gè)電離室接受干擾量在電阻R上流過的電流為兩個(gè)電離室收集的電流之差這樣可以避免電阻、放大器、環(huán)境溫度等變化而引起的測(cè)量誤差R電極電極電極差分電離室27射線式傳感器（2）閃爍計(jì)數(shù)器閃爍計(jì)數(shù)器組成閃爍體光電倍增管閃爍計(jì)數(shù)器先將輻射能變?yōu)楣饽?，然后再將光能變?yōu)殡娦盘?hào)而進(jìn)行探測(cè)。閃爍晶體輸出電路光電倍增管閃爍計(jì)數(shù)器原理示意圖射線閃爍體陽極陰極放射線光電倍增管倍增極28射線式傳感器閃爍體閃爍體是一種輻射受激發(fā)光物質(zhì)其形態(tài)有三種：固態(tài)、液態(tài)、氣態(tài)分為兩類：有機(jī)和無機(jī)無機(jī)閃爍體的特點(diǎn)對(duì)入射粒子的阻力強(qiáng)，發(fā)光率高，探測(cè)效率高例如：鉈Tl激活的碘化鈉NaI用來探測(cè)γ射線的效率高達(dá)20%~30%有機(jī)閃爍體的特點(diǎn)發(fā)光時(shí)間很短，只有配用分辨性能較高的光電倍增管才能獲得10-10s的分辨時(shí)間，制成的體積較大，常用于探測(cè)β粒子。閃爍現(xiàn)象熒光物質(zhì)受放射線的輻射作用其原子被激發(fā)到受激態(tài)，受激態(tài)不穩(wěn)定躍遷到基態(tài)的過程中，發(fā)出熒光的現(xiàn)象稱為閃爍現(xiàn)象。閃爍體以閃爍現(xiàn)象發(fā)光的物質(zhì)稱為閃爍體閃爍晶體輸出電路光電倍增管閃爍計(jì)數(shù)器原理示意圖射線29射線式傳感器光電倍增管的作用光電倍增管的作用為接受閃爍體發(fā)射的光子將其變?yōu)殡娮硬⑦@些電子倍增放大為可測(cè)量的脈沖。光電倍增管可以分為電場(chǎng)聚焦型和無聚焦型兩類。在每一類中，按照次陰極的幾何形狀及排列方式的不同又分為幾種。放射性同位素檢測(cè)儀表中常用的GDB-19和GDB-10分別為直線聚焦型和百葉窗式無聚焦型。光電倍增管的基本特性有光特性、陽極的電流電壓特性、光陰極的光譜響應(yīng)等。光譜響應(yīng)是指光陰極發(fā)射光電子的效率隨入射光波長而變化的關(guān)系。在組合閃爍計(jì)數(shù)器時(shí)，光電倍增管的光譜靈敏度范圍必須和閃爍晶體發(fā)出的光譜相配合。閃爍體陽極陰極放射線光電倍增管倍增極光入射到陰極上的光通量F與陽極電流ia之間的關(guān)系稱為此光電倍增管的光特性，一般光電倍增管的ia與光通量F成正比。在一定的光通量F中，光電倍增管的陽極電流與工作電壓的關(guān)系是電流隨工作電壓的增加而急劇上升，上升到某一值后達(dá)到飽和。30射線式傳感器閃爍計(jì)數(shù)器工作原理當(dāng)核輻射射線進(jìn)入閃爍體時(shí)，閃爍體內(nèi)物質(zhì)的原子受激發(fā)光，光透過閃爍體射到光電管中倍增，在陽極上形成電流，最后被電子記錄儀記錄下來。閃爍晶體輸出電路光電倍增管閃爍計(jì)數(shù)器原理示意圖射線閃爍體陽極陰極放射線光電倍增管倍增極31射線式傳感器（3）蓋革計(jì)數(shù)管蓋革計(jì)數(shù)管的結(jié)構(gòu)密封玻璃管陽極鎢絲（絲狀），其結(jié)構(gòu)與電離室板狀電極不同陰極玻璃管內(nèi)壁涂一層導(dǎo)電物質(zhì)或放置一個(gè)金屬圓筒管內(nèi)抽真空后，分別充入兩類氣體（惰性氣體）如：氬、氖等。充進(jìn)有機(jī)物叫有機(jī)物計(jì)數(shù)管如：乙醚、乙醇等。充入鹵素的叫鹵素計(jì)數(shù)管鹵素計(jì)數(shù)管，工作電壓低，使用壽命長，應(yīng)用廣泛。蓋革計(jì)數(shù)管常用于探測(cè)β粒子和γ射線蓋革（-彌勒）計(jì)數(shù)管是根據(jù)射線對(duì)氣體的電離作用而設(shè)計(jì)的輻射探測(cè)器。-+密封玻璃管陽極（鎢絲）陰極（金屬圓筒）蓋革計(jì)數(shù)管結(jié)構(gòu)原理圖32射線式傳感器■尖端放電

point

discharge導(dǎo)體尖端放電即帶電導(dǎo)體尖端附近空氣被電離而的放電現(xiàn)象。導(dǎo)體在電場(chǎng)中，由于靜電感應(yīng)的結(jié)果，在導(dǎo)體中會(huì)出現(xiàn)感應(yīng)電荷，電荷在導(dǎo)體表面的分布情況，取決于導(dǎo)體表面的形狀。靜電平衡時(shí)，帶電導(dǎo)體外附近的場(chǎng)強(qiáng)與導(dǎo)體的面電荷密度成正比。高壓輸電線，由于電壓很高，在高壓線路和設(shè)備附近會(huì)發(fā)生的尖端放電，結(jié)果會(huì)造成能量損耗和危險(xiǎn)。為了避免這種情況，需使高壓輸電線和設(shè)備表面光滑，以避免尖端放電。在導(dǎo)體尖端的地方，由于電荷密集，其附近的電場(chǎng)強(qiáng)特別強(qiáng)，在強(qiáng)電場(chǎng)的作用下，致使周圍的空氣分子電離而形成大量的自由電子和離子，在這種情況下即可導(dǎo)致空氣擊穿，產(chǎn)生（尖端）放電現(xiàn)象。尖端放電時(shí)，在它周圍往往籠罩著一層光暈，叫做電暈。導(dǎo)體表現(xiàn)凸出而尖銳的地方，即曲率較大的尖端，電荷密集，面電荷密度大；比較平坦的地方，電荷聚集的少，面電荷密度小。避雷針則利用尖端放電，將集中（在高大建筑物及其它特殊場(chǎng)所）的高空（雷電）電荷通過接地裝置泄入大地，以免建筑物等遭雷擊。33射線式傳感器電荷在導(dǎo)體表面的分布情況，決定于導(dǎo)體表面的形狀。導(dǎo)體表面彎曲越大的地方，所聚集的電荷就愈多，電荷的密度大；比較平坦的地方，電荷聚集的較少，電荷密度低。電離負(fù)離子-+密封玻璃管陽極（鎢絲）陰極（金屬圓筒）蓋革計(jì)數(shù)管原理射線-惰性氣體或有機(jī)物氣體在導(dǎo)體尖端的地方，由于電荷密集，電場(chǎng)很強(qiáng)，周圍氣體分子在強(qiáng)電場(chǎng)的作用下發(fā)生電離而形成大量的自由電子和離子，在這種條件下可導(dǎo)致在其表面發(fā)生放電現(xiàn)象。電荷在導(dǎo)體表面的分布規(guī)律34射線式傳感器蓋革計(jì)數(shù)管工作原理●陽極、陰極之間加外電源，在蓋革計(jì)數(shù)管鎢絲（正極）與金屬圓筒（負(fù)極）之間形成內(nèi)電場(chǎng)?！癞?dāng)射線進(jìn)入蓋革計(jì)數(shù)管，管內(nèi)的氣體被電離形成負(fù)離子。當(dāng)一個(gè)負(fù)離子被陽極所吸引而靠近陽極時(shí)，因與其它的氣體分子碰撞而產(chǎn)生多個(gè)次級(jí)電子，射線電離負(fù)離子--+密封玻璃管陽極（鎢絲）陰極（金屬圓筒）蓋革計(jì)數(shù)管原理惰性氣體或有機(jī)物氣體當(dāng)這些次級(jí)電子向陽極運(yùn)動(dòng)時(shí)，再次激發(fā)出次級(jí)電子，次級(jí)電子急劇倍增，這樣在陽極上產(chǎn)生負(fù)離子、電子數(shù)量在瞬間急劇增加的現(xiàn)象。35射線式傳感器蓋革計(jì)數(shù)管工作原理●陽極負(fù)離子、電子數(shù)量在瞬間急劇增加，由于陽極為絲狀其電荷密度很高，電場(chǎng)很強(qiáng)，周圍氣體分子在強(qiáng)電場(chǎng)的作用下發(fā)生電離馬上引起沿著陽極整條線上的“雪崩”，即陽極馬上發(fā)生放電。接有外電路時(shí)，在外電路中就會(huì)產(chǎn)生電流。●此時(shí)若有電子進(jìn)入此區(qū)，也不能產(chǎn)生“雪崩”而放電。這種不能計(jì)數(shù)的一段時(shí)間成為計(jì)數(shù)管的“死區(qū)（不工作區(qū)）”。在外電路中沒有電流。放電后陽極周圍的空間由于“雪崩”所產(chǎn)生的電子都被中和，剩下的只是許多正離子包圍著陽極。這樣的正離子稱為正離子鞘。在正離子鞘和陽極間的電場(chǎng)因正離子的存在而減弱了許多。惰性氣體或有機(jī)物氣體-+密封玻璃管陽極（鎢絲）陰極（金屬圓筒）蓋革計(jì)數(shù)管原理射線負(fù)離子或電子----------正離子鞘++++++++36射線式傳感器蓋革計(jì)數(shù)管工作原理●在射線的作用下，計(jì)數(shù)管內(nèi)會(huì)不斷產(chǎn)生負(fù)離子，負(fù)離子打到陽極時(shí)會(huì)打出氣體中次級(jí)電子來，被打出來的電子經(jīng)過電場(chǎng)的加速，這些電子首先中和陽極附近的正離子，然后又會(huì)引起計(jì)數(shù)管放電，放電后又產(chǎn)生正離子鞘，這個(gè)過程將會(huì)循環(huán)出現(xiàn)。正離子鞘-+密封玻璃管陽極（鎢絲）陰極（金屬圓筒）蓋革計(jì)數(shù)管原理射線+惰性氣體或有機(jī)物氣體最后在蓋革計(jì)數(shù)器正負(fù)電極兩端輸出脈沖電流。37射線式傳感器蓋革計(jì)數(shù)管特性曲線圖中：U計(jì)數(shù)管上的電壓i入射核輻射強(qiáng)度N計(jì)數(shù)管計(jì)數(shù)率（單位時(shí)間輸出的脈沖數(shù)）在曲線ab段加在計(jì)數(shù)管上的電壓較高輻射強(qiáng)度i越大，則輸出脈沖數(shù)N也越多；圖中，i1比i2大時(shí)，相應(yīng)的輸出脈沖數(shù)N1也比N2大。此時(shí)，計(jì)數(shù)管脈沖數(shù)僅與射線強(qiáng)度有關(guān)。下圖為蓋革計(jì)數(shù)管的特性曲線在一定的核輻射照射下，當(dāng)增加二極間的電壓時(shí)，在一定范圍內(nèi)只能增加脈沖的幅度U，而計(jì)數(shù)率N只有微弱的增加。圖中ab段對(duì)應(yīng)的曲線稱為計(jì)數(shù)管的坪。N1N2NUi1i2O蓋革計(jì)數(shù)管特性曲線ab38射線式傳感器第三節(jié)核輻射檢測(cè)的應(yīng)用核輻射傳感器可以測(cè)量厚度液位物位轉(zhuǎn)速材料密度氣體壓力流速溫度濕度等參數(shù)也可用于金屬探傷39射線式傳感器1、核輻射測(cè)厚度核輻射厚度計(jì)測(cè)量原理框圖如下。放射源在容器內(nèi)以一定的立體角放出射線，其強(qiáng)度在設(shè)計(jì)時(shí)已選定。當(dāng)射線穿過被測(cè)體后，輻射強(qiáng)度被探測(cè)器接收。在β輻射厚度計(jì)中，探測(cè)器常用于電離室，根據(jù)電離室的工作原理，這時(shí)電離室就輸出一電流，其大小與進(jìn)入電離室的輻射強(qiáng)度成正比。探測(cè)器靜電放大器控制單元放大器指示器補(bǔ)償單元放射源被測(cè)體核輻射厚度計(jì)測(cè)量原理框圖40射線式傳感器探測(cè)器測(cè)得的核輻射的衰減規(guī)律為：I=I0exp(-μph)根據(jù)探測(cè)器測(cè)得I值，就可獲得被測(cè)體的厚度h

的大小。探測(cè)器靜電放大器控制單元放大器指示器補(bǔ)償單元放射源被測(cè)體核輻射厚度計(jì)測(cè)量原理框圖利用同樣的方法可以對(duì)金屬探傷。式中：I

探測(cè)器測(cè)到的輻射量I0

放射源發(fā)射的輻射量μp

衰減系數(shù)（與被測(cè)材料性質(zhì)有關(guān)）h

被測(cè)體的厚度41射線式傳感器2、灰分測(cè)量系統(tǒng)-采用射線測(cè)量灰分測(cè)量系統(tǒng)用于煤碳輸送過程中，對(duì)原煤的灰分進(jìn)行在線檢測(cè)、計(jì)量和控制。用來控制選煤和配煤，以便最大限度地利用優(yōu)質(zhì)煤源，滿足質(zhì)量規(guī)范要求，減少交貨煤質(zhì)的差異性，控制灰熔點(diǎn)，并提高選煤廠的效率。煤礦和電廠對(duì)實(shí)時(shí)煤質(zhì)數(shù)據(jù)要求很高包括：定量裝車站，螺旋采樣和電廠煤倉上煤系統(tǒng)。例如，在洗煤廠中的典型應(yīng)用有：火車裝煤及電廠卸煤時(shí)快速測(cè)量煤的灰分

配煤監(jiān)測(cè)和控制監(jiān)測(cè)灰分的變化灰分測(cè)量系統(tǒng)具有在線、非接觸、安裝簡(jiǎn)單、結(jié)果準(zhǔn)確可靠等優(yōu)點(diǎn)。

42射線式傳感器是指煤在規(guī)定條件下完全燃燒后剩下的固體殘?jiān)Ｋ敲褐械牡V物質(zhì)經(jīng)過高溫氧化、分解而來?！龌曳只曳謱?duì)煤的加工利用極為不利?；曳衷礁撸瑹嵝试降?；燃燒時(shí)，熔化的灰分還會(huì)在爐內(nèi)結(jié)成爐渣，影響煤的氣化和燃燒，同時(shí)造成排渣困難；煉焦時(shí)，全部轉(zhuǎn)入焦炭，降低了焦炭的強(qiáng)度，嚴(yán)重影響焦炭質(zhì)量。煤灰成分十分復(fù)雜，成分不同直接影響到灰分的熔點(diǎn)?；胰埸c(diǎn)低的煤，燃燒和氣化時(shí)，會(huì)給生產(chǎn)操作帶來許多困難。為此，在評(píng)價(jià)煤的工業(yè)用途時(shí)，必須分析灰成分，測(cè)定灰熔點(diǎn)。43射線式傳感器灰分測(cè)量儀-采用射線測(cè)量煤的組成極為復(fù)雜，但根據(jù)其元素分析數(shù)據(jù)，煤可分為兩部分一是以碳126C為代表的低原子序數(shù)元素一是以硅2814Si為代表的高原子序數(shù)元素而煤灰主要由煤中高原子序數(shù)元素的氧化物組成（硫除外）采用雙能透射法測(cè)量灰分即利用兩種可放射不同能量射線的放射源來構(gòu)成“雙透射通道”，來進(jìn)行測(cè)量測(cè)量原理●對(duì)低能射線，煤中各元素的質(zhì)量衰減系數(shù)各不相同，隨著原子序數(shù)的增大而增加（物質(zhì)的原子序數(shù)越大，對(duì)其放射線的吸收越強(qiáng)）●對(duì)中能射線，煤中各種元素的質(zhì)量衰減系數(shù)基本相等（各物質(zhì)對(duì)其放射線的吸收基本一樣）44射線式傳感器第一透射通道：（測(cè)煤灰分）镅241Am放射源發(fā)出的γ射線能量較低（59.5KeV），物質(zhì)的原子序數(shù)越大，對(duì)镅241Am放射的γ射線的吸收越強(qiáng)（穿透煤被探測(cè)器探測(cè)到的γ射線越少）因此，穿過煤的镅241Am

γ射線的強(qiáng)弱與煤的灰分含量有關(guān)。測(cè)量方案示意圖镅241Am銫137Cs系統(tǒng)組成2個(gè)帶屏蔽的放射源（镅241Am和銫137Cs）

2個(gè)閃爍探測(cè)器（分別與镅241Am和銫137Cs構(gòu)成兩路測(cè)量通道，結(jié)果輸入主機(jī)）而煤中灰分部分的原子序數(shù)比煤本身要大，因此，煤中的灰分含量越高，穿過煤的γ（241Am）射線越少，同時(shí)，對(duì)镅241Am放射的γ射線的衰減還與煤的厚度有關(guān)，不能單從低能γ（241Am）射線的衰減完全確定煤中灰分的含量。因此，采用了第二通道。45射線式傳感器第二透射通道：（測(cè)煤的厚度）中等能量γ射線的放射源銫137Cs

，其射線能量為661.7KeV利用銫137Cs來進(jìn)行透射測(cè)量因?yàn)槊海?26C）和灰分（2814Si）對(duì)銫137Cs放射的γ射線的吸收基本一樣因此，穿過煤的銫137Csγ射線的強(qiáng)度還與煤的厚度有關(guān)測(cè)量方案示意圖镅241Am銫137Cs46射線式傳感器不同原子序數(shù)原子對(duì)镅241Am、銫137Cs射線的吸收記錄數(shù)據(jù)（曲線圖）47射線式傳感器因此，從中能量γ射線的強(qiáng)度變化可以反映出煤的厚度，以此可以修正煤的厚度變化引起的低能衰減的變化，而利用修正后的低能射線的衰減可求出煤中高原子序數(shù)元素的含量，從而求出煤灰分。用低能和中能兩種射線透射同一煤層，經(jīng)理論推導(dǎo)可得：Ca=[A(lnI0-lnI)/(lnJ0-lnJ)]+B式中：Ca為測(cè)量煤樣的灰分值I、I0分別為有和無煤情況下低能量γ的強(qiáng)度J、J0分別為有和無煤情況下中能量γ的強(qiáng)度A、B是與煤炭組成有關(guān)的常數(shù)在放射源活度和機(jī)械結(jié)構(gòu)一定的情況下，I0和J０是可以預(yù)先確定的常數(shù)，由上式可知，只要測(cè)量出I和J，就可求出煤灰分。48射線式傳感器放射式傳感器現(xiàn)場(chǎng)安裝情況镅241Am探測(cè)器銫137Cs探測(cè)器镅241Am放射源銫137Cs放射源微波水分儀49射線式傳感器3、放射性輻射對(duì)人體的損害放射性輻射過度照射人體，能夠引起人體多種放射性疾病如：皮炎、白血球減少、破壞人體的干細(xì)胞（包括造血干細(xì)胞白血病血癌）等。因此，在輻射檢測(cè)的應(yīng)用中，要很好地解決放射線的防護(hù)問題。物質(zhì)在射線照射下發(fā)生反映（如照射人體所引起的生物反映）與吸收射線的能量有關(guān)，一般與吸收射線能量成正比。劑量確定射線對(duì)人體的生物效應(yīng)的被吸收劑量，簡(jiǎn)稱劑量。它是指某個(gè)體積內(nèi)物質(zhì)最終（產(chǎn)生生物效應(yīng)）吸收的能量。當(dāng)確定了吸收物質(zhì)后，一定數(shù)量的劑量只取決于射線的強(qiáng)度及能量，因而是一個(gè)確定量，它可以反映（對(duì)）人體一定的傷害程度。我國規(guī)定：安全劑量為0.05R/d（倫琴/日），0.3R/W（倫琴/周）。在實(shí)際應(yīng)用中要采取多種方式來減少射線的照射強(qiáng)度和照射時(shí)間。防護(hù)措施：