2025年大學(xué)《核物理》專業(yè)題庫——核技術(shù)在安防領(lǐng)域的應(yīng)用考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______一、簡答題（每題8分，共40分）1.簡述α、β、γ三種放射性衰變的特點及其在輻射防護(hù)中的主要考慮因素。2.解釋什么是輻射劑量，常用哪些物理量來描述輻射對物質(zhì)的生物效應(yīng)？簡述它們之間的區(qū)別。3.機(jī)場行李安檢中常用的X射線成像設(shè)備的工作原理是什么？與γ射線成像相比，X射線成像在設(shè)備便攜性、成本和穿透能力方面各有什么優(yōu)缺點？4.簡述蓋革-米勒計數(shù)器的基本工作原理。它主要適用于測量哪種類型的輻射？簡述其計數(shù)效率受哪些因素影響？5.簡述中子活化分析（NAA）的基本原理及其在安防領(lǐng)域進(jìn)行物質(zhì)成分鑒定時的主要優(yōu)勢。二、論述題（每題15分，共30分）6.論述伽馬射線成像（如SPECT）在安防領(lǐng)域的潛在應(yīng)用場景，并分析其主要面臨的挑戰(zhàn)和技術(shù)難點。7.結(jié)合輻射與物質(zhì)相互作用的知識，詳細(xì)說明設(shè)計和計算輻射屏蔽（如用于存儲放射性物質(zhì)的鉛室）時需要考慮的關(guān)鍵因素及其物理依據(jù)。三、計算題（共30分）8.一放射性同位素源，其半衰期為5天。初始時（t=0）該同位素的活度為1×10^12Bq。請計算：(1)經(jīng)過10天后，該同位素的剩余活度是多少？(2)經(jīng)過多少時間，該同位素的活度衰變到初始值的一半？(3)假設(shè)該同位素發(fā)出的是能量為1MeV的γ射線，且其衰變分支比為90%。若探測器的探測效率為50%，在上述（1）計算出的時刻，探測器單位時間內(nèi)記錄到的該同位素的γ射線計數(shù)是多少？（忽略衰變鏈及其他因素影響）---試卷答案一、簡答題1.解析思路：分別闡述α、β、γ衰變的本質(zhì)（核內(nèi)變化、核外電子變化、核內(nèi)能量釋放）、射線特點（電離能力、穿透能力、射線性質(zhì)）以及防護(hù)側(cè)重（外照射防護(hù)距離衰減、內(nèi)照射防護(hù)阻止擴(kuò)散和吸收）。答案：α衰變是原子核釋放一個α粒子（氦核），核內(nèi)質(zhì)子數(shù)和中子數(shù)均減少2和4。α射線電離能力強，但穿透能力弱，僅幾厘米空氣或一張紙即可阻擋，防護(hù)主要采用增加距離和厚實的屏蔽材料（如鉛、混凝土）。β衰變是原子核釋放一個β粒子（高速電子或正電子），質(zhì)子數(shù)增加或減少1，中子數(shù)相應(yīng)減少或增加1。β射線電離能力較弱，穿透能力比α射線強（可達(dá)幾毫米鋁板），防護(hù)需考慮距離和屏蔽材料厚度，但也要注意次級輻射（反沖電子）的產(chǎn)生。γ衰變是原子核從激發(fā)態(tài)躍遷到較低能級或基態(tài)時釋放的高能光子，不改變核內(nèi)質(zhì)子數(shù)和中子數(shù)。γ射線電離能力最弱，但穿透能力最強（可達(dá)厘米級鉛或幾十厘米混凝土），防護(hù)主要依靠厚重的屏蔽材料，并利用其穿透性進(jìn)行遠(yuǎn)距離探測。放射性防護(hù)的基本原則是時間防護(hù)、距離防護(hù)和屏蔽防護(hù)，針對不同類型射線的特性采取相應(yīng)措施。2.解析思路：定義輻射劑量，區(qū)分吸收劑量（物理量，能量沉積）、比釋動能（物理量，能量沉積/源體積）、劑量當(dāng)量（放射性生物效應(yīng)，考慮輻射類型和質(zhì)量因子）、有效劑量（全身隨機(jī)性生物效應(yīng)，考慮各組織器官劑量當(dāng)量加權(quán)）。解釋生物效應(yīng)的個體差異和不確定性。答案：輻射劑量是描述單位質(zhì)量受照物質(zhì)吸收的電離輻射能量的物理量。常用物理量包括吸收劑量（D），表示單位質(zhì)量（通常為1克）物質(zhì)吸收的電離輻射的平均能量；比釋動能（K），表示單位源體積釋放的能量。用于評估輻射對生物組織的潛在危害的量是劑量當(dāng)量（H），它等于吸收劑量乘以輻射權(quán)重因子（WR），用于反映不同類型和能量的輻射對生物組織的不同效應(yīng)；有效劑量（E），是劑量當(dāng)量按組織器官的接受劑量進(jìn)行加權(quán)平均后得到的全身性隨機(jī)性效應(yīng)的估計值，單位為希沃特（Sv）。這些量用于描述和評估輻射暴露對生物體的生物效應(yīng)，但實際效應(yīng)還受個體敏感度、暴露條件等多種因素影響，存在不確定性和個體差異。3.解析思路：描述X射線成像原理（利用X射線穿透物體，不同物質(zhì)吸收程度不同，形成圖像）。比較X射線和γ射線的來源（X射線管產(chǎn)生vs天然或人工放射性同位素），設(shè)備便攜性（X射線管體積大不便攜vs放射源可小型化）、成本（X射線設(shè)備昂貴vs放射源相對便宜）、穿透能力（同能量下X射線略優(yōu)或相當(dāng)，但γ源可選用高能級）。答案：機(jī)場行李安檢X射線成像設(shè)備的工作原理是利用X射線管產(chǎn)生的X射線穿透行李物品，行李內(nèi)部不同物質(zhì)（如金屬、塑料、陶瓷、液體）對X射線的吸收程度不同，探測器接收到的穿透后的X射線強度存在差異，經(jīng)過處理后在屏幕上形成灰度不同的圖像，從而區(qū)分物品成分和形態(tài)。與γ射線成像相比，X射線成像的優(yōu)點在于產(chǎn)生X射線的設(shè)備（X射線管）可以做得相對小巧，便于集成到安檢設(shè)備中，且X射線管的成本和運行維護(hù)成本可能相對可控；缺點在于X射線的穿透能力相對γ射線可能稍弱或相當(dāng)，且需要高壓電源驅(qū)動X射線管，設(shè)備體積和重量通常較大。γ射線成像則利用放射性同位素源發(fā)射的γ射線，放射源可以做得非常小巧，便于攜帶和隱蔽，成本可能更低，且γ射線尤其是高能γ射線具有更強的穿透能力，可以穿透更厚的物質(zhì)，但γ射線源存在安全管理和防護(hù)問題，設(shè)備通常較笨重。4.解析思路：描述蓋革-米勒計數(shù)器的工作過程（電離、雪崩、放電、復(fù)位）。說明其適用性（主要是脈沖輻射，對連續(xù)輻射不適用，對α、β、γ均適用，但靈敏度不同）。分析影響計數(shù)效率的因素（射線能量和類型、探測器類型和結(jié)構(gòu)、工作電壓、周圍氣體成分和壓力、計數(shù)窗口時間等）。答案：蓋革-米勒（GM）計數(shù)器是一種常用的輻射探測儀器。其基本工作原理是：當(dāng)具有足夠能量的輻射粒子（α,β,γ）進(jìn)入計數(shù)管充滿的惰性氣體（如氬氣）與少量輔助氣體（如氖氣）混合物時，會電離產(chǎn)生電子和離子對。這些電子在強電場（高于蓋革電壓）作用下被加速，獲得足夠能量撞擊惰性氣體分子，產(chǎn)生更多的電子和離子，形成雪崩式放電，導(dǎo)致計數(shù)管內(nèi)產(chǎn)生短暫的電流脈沖。這個脈沖被外部電路放大并觸發(fā)計數(shù)，記錄一次探測事件。之后，計數(shù)管內(nèi)氣體被高壓電源短暫充電復(fù)位，準(zhǔn)備下一次計數(shù)。GM計數(shù)器主要用于探測脈沖輻射，對于連續(xù)輻射（如熱中子）無法區(qū)分脈沖。它對α、β、γ射線均有一定探測能力，但對α射線的探測效率最高，對γ射線的探測效率受能量影響較大且相對較低，對β射線的探測效率介于兩者之間。其計數(shù)效率受多種因素影響，主要包括輻射粒子的能量和類型（影響初始電離和穿透能力）、計數(shù)管的類型（如平行板、同軸）、內(nèi)部氣體種類、壓力和工作電壓（需在蓋革區(qū)域）、探測器窗口材料（影響輻射進(jìn)入效率）以及計數(shù)電路的電子噪聲和死時間（計數(shù)窗口時間）等。5.解析思路：描述NAA原理（中子照射樣品，使穩(wěn)定核轉(zhuǎn)變?yōu)榉派湫酝凰?，測量衰變發(fā)出的特征輻射）。強調(diào)其優(yōu)勢（非破壞性、元素選擇性好、無需復(fù)雜試劑、可測多種元素、靈敏度較高）。答案：中子活化分析（NAA）的基本原理是：將待測樣品用中子源照射一段時間，樣品中某些穩(wěn)定原子核俘獲中子后轉(zhuǎn)變?yōu)椴环€(wěn)定的放射性同位素（即活化產(chǎn)物），這些放射性同位素會按照其自身的半衰期衰變，并發(fā)射出具有特征能量和強度的γ射線或其他射線。通過測量這些特征射線的強度，就可以定量或半定量地確定樣品中特定元素的含量。NAA在安防領(lǐng)域進(jìn)行物質(zhì)成分鑒定時的主要優(yōu)勢包括：非破壞性分析，樣品在測試后仍保持原狀，適用于貴重或微量物證的檢測；選擇性好，不同元素被中子活化后發(fā)射的特征輻射不同，可根據(jù)需要選擇特定元素進(jìn)行分析；無需復(fù)雜的化學(xué)分離步驟，分析速度快；可同時測定多種元素；對于輕、重元素均有較好的靈敏度，特別是對于某些超鈾元素和輕元素具有獨特優(yōu)勢；方法相對成熟可靠。二、論述題6.解析思路：闡述SPECT在安防應(yīng)用的場景（如人體內(nèi)放射性物質(zhì)定位、物質(zhì)成分成像分析）。分析挑戰(zhàn)（空間分辨率限制、運動偽影、對比度受限、輻射劑量、設(shè)備成本與復(fù)雜性、信號處理與圖像重建難度、潛在的安全與隱私問題）。答案：伽馬射線成像（如SPECT）在安防領(lǐng)域的潛在應(yīng)用場景主要包括：一是監(jiān)測和定位人體內(nèi)非法攜帶的放射性物質(zhì)，通過口服或吸入放射性示蹤劑，結(jié)合SPECT成像技術(shù)可以探測到異常聚集的放射性區(qū)域，判斷是否為放射性材料；二是用于分析可疑物品或遺留物的成分，特別是對于含有放射性核素的情況，雖然直接用于成像的γ射線穿透力強，但SPECT通常需要使用示蹤劑，且對于復(fù)雜場景和背景干擾的區(qū)分能力有限；三是可能在生物恐怖襲擊事件中，用于評估受害者體內(nèi)放射性污染情況。其主要面臨的挑戰(zhàn)包括：空間分辨率相對CT較低，可能難以精確定位小體積的放射性源；對于運動目標(biāo)會產(chǎn)生明顯的運動偽影，影響圖像質(zhì)量；成像對比度受限于放射性示蹤劑的分布和背景干擾；伽馬射線成像需要使用放射性藥物或源，存在一定的輻射劑量問題，對操作人員和公眾有潛在風(fēng)險；SPECT設(shè)備相對復(fù)雜，成本較高，對操作和維護(hù)要求較高；圖像重建算法復(fù)雜，信號處理和圖像分析需要專業(yè)知識和技能；此外，在公共場所或特定環(huán)境下使用此類技術(shù)可能涉及隱私和公眾接受度等問題。7.解析思路：定義輻射屏蔽（減少穿透輻射至安全水平）。列出關(guān)鍵因素（輻射類型與能量、屏蔽材料選擇、所需屏蔽厚度、環(huán)境條件、成本與重量限制、安全裕量）。解釋每個因素背后的物理原理（吸收、散射、衰減）。答案：輻射屏蔽是為了保護(hù)人員、設(shè)備或環(huán)境免受過量電離輻射危害，通過在輻射源與受照對象之間設(shè)置一定厚度的材料，使穿透輻射的強度降低到可接受的水平或安全標(biāo)準(zhǔn)以下。設(shè)計和計算輻射屏蔽時需要考慮的關(guān)鍵因素及其物理依據(jù)主要包括：輻射類型與能量，不同輻射（如α,β,γ,中子）與物質(zhì)的相互作用方式不同，對屏蔽材料的要求也不同。α射線穿透能力最弱，只需幾厘米空氣或薄紙即可阻擋，防護(hù)重點是防止其內(nèi)照射；β射線穿透力較弱，需考慮其貫穿本領(lǐng)和產(chǎn)生軔致輻射，常用材料如鋁、塑料；γ射線穿透力強，需要利用其在物質(zhì)中逐漸衰減的特性，常用高原子序數(shù)、高密度材料（如鉛、混凝土）進(jìn)行多次散射和吸收；中子穿透力極強，需要利用中子與材料核反應(yīng)（吸收）或慢化（散射）來降低其能量和通量，常用材料如水、石蠟、硼、鎘等。所需屏蔽厚度，根據(jù)所需降低的輻射劑量率、輻射場強度、距離以及所選材料的吸收/散射截面來確定，遵循輻射衰減規(guī)律（如指數(shù)衰減），并考慮安全裕量。屏蔽材料選擇，需根據(jù)輻射類型、環(huán)境條件、成本、重量、易得性、耐久性等因素綜合選擇最合適的材料。環(huán)境條件，如空間限制、溫度、濕度等會影響材料選擇和厚度計算。成本與重量限制，尤其在移動或便攜式屏蔽設(shè)計中，需要在防護(hù)效果和成本、重量之間取得平衡。安全裕量，為了應(yīng)對不確定性和長期使用中材料性能變化等因素，通常在計算厚度時會留有一定的安全裕量。所有這些因素都基于輻射與物質(zhì)相互作用的物理原理，如電離、激發(fā)、散射、吸收等，通過合理設(shè)計屏蔽系統(tǒng)，實現(xiàn)有效防護(hù)。三、計算題8.解析思路：(1)利用半衰期公式或活度衰變公式求解。方法一：N(t)/N?=(1/2)^(t/T?)，計算剩余原子核數(shù)比，再乘以初始活度。方法二：利用活度衰變定律A(t)=A?*e^(-λt)，其中λ=ln(2)/T?，代入數(shù)據(jù)計算。(2)利用半衰期定義求解。經(jīng)過一個半衰期，活度減為初始值的一半。(3)計算步驟：先計算10天后活度A(10)；再根據(jù)分支比計算有效γ射線活度份額A_γ=0.9*A(10)；再根據(jù)探測效率計算單位時間計數(shù)率C=0.5*A_γ。答案：(1)方法一（半衰期公式）：N(10)/N?=(1/2)^(10/5)=(1/2)^2=1/4。剩余活度A(10)=(1/4)*A?=(1/4)*1×10^12Bq=2.5×10^11Bq。方法二（衰變公式）：λ=ln(2)/T?=ln(2)/5天≈0.1386天^-1。A(10)=A?*e^(-λt)=1×10^12Bq*e^(-0.1386*10)≈1×10^12Bq*e^(-1.386)≈1×10^12Bq*0.25=2.5×10^11Bq。兩種方法結(jié)果一致。(2)