1、辐射测量与防护全册辐射测量与防护全册配套完整教学课件配套完整教学课件核辐射测量与防护3 课程性质：专业核心课课程性质：专业核心课总学时：总学时：32考核方式：闭卷考试（占考核方式：闭卷考试（占100） 4预期的学习收获 了解辐射与物质相互作用、 了解探测的基本原理 掌握气体探测器、闪烁探测器、半导体探测器的工作过 程、特性、结构及应用 认识电离辐射的危害 了解辐射标准 认识内、外照射防护的原理、方法、措施教材及参考书 教材：自编讲义u参考书：探测学、辐射防护重点推荐探测学参考书辐射防护参考书第一分册：辐射源与屏蔽第三分册：辐射安全第二分册：辐射防护检测技术第五分册：辐射危害与医学监督英文参考书
2、101.辐射的含义1.辐射的含义（1）什么是辐射？从某种物质中发射出来的波或粒子。（热辐射、核辐射等）（2）辐射的分类非电离辐射：能量小于10eV，如紫外线、 可见光、红外线和射频辐射电离辐射： 能量大于10eV，如X射线、 射线、中子、射线、 射线等11（3）什么是电离辐射？电离：电离：从一个原子、分子从其束缚状态释放一个或多个电子的过程。电离辐射电离辐射：能通过初级过程或次级过程引起电离的带电粒子或不带电粒子1.辐射的含义（4）为什么要研究辐射的测量和防护？辐射测量：辐射测量：得到关于辐射的各种信息（数量、能量及其分布、空间分布、时间信息）：表征辐射场、反推射线源性质（活度、核素构成、反应
3、堆功率），广泛用在科研探索、生活生产中辐射防护辐射防护：保护从业者、公众、环境不受或者少受辐照的危害。标准、剂量学、测量手段、防护措施、政策、应急响应等等。13入射带电粒子与靶原子的核外电子通过入射带电粒子与靶原子的核外电子通过库仑作用库仑作用，使电，使电子获得能量而引起子获得能量而引起原子的原子的电离电离或或激发激发。 电离电离核外层电子克服核外层电子克服束缚成为束缚成为自由电子自由电子，原子，原子成为正离子。成为正离子。激发激发使核外层电子由低使核外层电子由低能级跃迁到高能级而使原子能级跃迁到高能级而使原子处于处于激发状态激发状态，退激发光。，退激发光。14电离、激发带电粒子轨道电子库仑相
4、互作用电离激发15辐射辐射组成组成质量质量电荷电荷速度速度 2 protons + 2 neutronsRelatively HeavyDouble PositiveSlow electronRelativelyLightSingle Negative 3 x 108 m/snneutronMiddle weightnonvariousPprotonMiddle weightpositivevarious High Energy Electromagnetic Photonsnonnon3 x 108 m/sXSame as Gamma-Raysnonnon3 x 108 m/s（4）常见的电
5、离辐射1.辐射的含义161.辐射的含义17X-radiationMicrowaves -radiationUVIRRadio waves10-6 10-3 1 103 106 109 1012Wavelength(nm)可见光可见光微波微波无线电波无线电波18辐射无处不在天然辐射是人类的主要辐射来源天然辐射是人类的主要辐射来源19“事实上，在人类身体里就可以找到天然放射性核素。我们的身体平均每分钟要经历几十万次的核衰变。”诺贝尔奖获得者西博格人与原子20带电粒子与物质相互作用 电离和激发 阻止本领 带电粒子在物质中的射程 比电离21一、带电粒子的种类和物理性质带电粒子种类：带电粒子电子：核外电
6、子射线：原子核发出的高速电子质子粒子22二、带电粒子与物质相互作用的主要过程主要过程电离和激发韧致辐射核反应化学变化带电粒子与物质相互作用23入射带电粒子与靶原子的核外电子通过入射带电粒子与靶原子的核外电子通过库仑作用库仑作用，使电，使电子获得能量而引起子获得能量而引起原子的原子的电离电离或或激发激发。 电离电离核外层电子克服核外层电子克服束缚成为束缚成为自由电子自由电子，原子，原子成为正离子。成为正离子。激发激发使核外层电子由低使核外层电子由低能级跃迁到高能级而使原子能级跃迁到高能级而使原子处于处于激发状态激发状态，退激发光。，退激发光。241. 电离、激发和碰撞阻止本领带电粒子轨道电子库仑
7、相互作用电离激发带电粒子与物质相互作用25碰撞阻止本领碰撞阻止本领线碰撞阻止本领 ： 带电粒子在介质中每单带电粒子在介质中每单位路径长度上电离损失的平均能量。位路径长度上电离损失的平均能量。 coldldE质量碰撞阻止本领 ： 线碰撞阻止本领除线碰撞阻止本领除以密度，消除密度的影响。以密度，消除密度的影响。coldldE1带电粒子与物质相互作用 当入射带电粒子与核外电子发生非弹性碰撞，以使靶物质原子电离或激发的方式而损失其能量，我们称之为电离损失。电离损失。26重带电粒子质量碰撞阻止本领公式：27分析：（1）电离损失与重带电粒子的电荷z2成正比； 说明带电粒子的电荷越大电荷越大，与轨道电子的库
8、仑作用力越大越大，因而传递给电子的能量越多带电粒子与物质相互作用221MZzdldEcol28分析：（2）电离损失与重带电粒子的能量（速度）成反比； 说明带电粒子传递给轨道电子的能量与相互作用时间有关，速度愈小速度愈小，作用时间愈长愈长，传递给轨道电子的能量愈大带电粒子与物质相互作用221MZzdldEcol29 设有两种速度相同的带电粒子，分别带有电荷z1和z2，在给定的物质(介质、吸收物质)中的阻止本领比：22212,1 ,11zzdldEdldEcolcol 也就是说，具有相同速度的两种带电粒子在同一物质中的碰撞阻止本领之比，等于它们所带电荷数的平方之比。 碰撞阻止本领重要关系式30ba
9、bcolacolMZMZdldEdldE)()(11,对于一种其相对速度为的带电粒子，分别与两种不同的物质a和b相互作用，可得 亦即，具有相同速度的一种带电粒子在两种物质中的碰撞阻止本领之比，等于在此两种物质中相应的原子序数与相对原子量的比值之比。碰撞阻止本领重要关系式312.韧致辐射和辐射阻止本领韧致辐射：带电粒子带电粒子在原子核库仑场中被减速或加速， 其部分或全部动能，转变为连续谱的电磁部分或全部动能，转变为连续谱的电磁 辐射辐射。其能量损失称为辐射损失。带电粒子与物质相互作用对粒子，辐射损失是其重要的一种能量损失方式。 高速电子进入到原子核附近的强电场区域，电子的速度大小和方向必然变化，
10、以电磁波的形式向外辐射能量，即损失的能量直接转化成X线。由于电子与靶原子核的相对位置是任意的，电子进入靶的初动能经过多少次碰撞辐射而完全丧失也不确定，故辐射出的X线波长连续分布。32带电粒子与物质相互作用33线辐射阻止本领线辐射阻止本领:入射带电粒子在介质中每单位路径长度上辐射损失的平均能量，记作： dE是带电粒子介质中穿过dl距离时辐射损失的能量。相类似的,可定义质量辐射阻止本领，记作： ()r a dr a dd ESd lraddldE1当入射带电粒子与原子核发生非弹性碰撞时，以辐射光子损失其能量，我们称它为辐射损失辐射损失。34辐射损失 其中：Z 物质(介质、吸收物质)的原子序数； z
11、 带电粒子的电荷数； m 带电粒子的质量。在同一物质中，粒子能量的辐射损失比能量相同的电子约小107倍。带电粒子与物质相互作用当要吸收、屏蔽当要吸收、屏蔽射线时，不宜选用重材料。射线时，不宜选用重材料。当要获得强的当要获得强的X X射线时，则应选用重材料作靶。射线时，则应选用重材料作靶。221mZzdldErad35带电粒子能量转变为韧致辐射的份额：F=KZE 式中， K为比例常数； Z为物质的原子序数 ； E为带电粒子能量，单位为MeV；通过实验测定的比例常数K在0.410-31.110-3MeV-1之间。 单能电子束入射厚靶：F5.810-4 Z E带电粒子与物质相互作用363.总质量阻止
12、本领（定义：带电粒子在密度为 的介质中，穿过路程dl时，所损失的一切能量dE除以dl而得的商 ）dldES1radcoldldEdldES11（1）E1.022MeV1.022MeV) )时，当它从时，当它从原子核旁原子核旁经过时，在经过时，在核核库仑场库仑场的作用下，的作用下，入射光子入射光子转化为转化为一个正电子一个正电子和和一个电子一个电子的过程。的过程。 电子对效应电子对效应除涉及除涉及入射光子入射光子与与电子对电子对以外，必以外，必须有第三者须有第三者原子核的参与，否则不能同时满原子核的参与，否则不能同时满足能量和动量守恒。电子对效应要求入射光子的足能量和动量守恒。电子对效应要求入射
13、光子的能量必须大于能量必须大于1.022MeV1.022MeV。623. 电子对效应1.2 X、射线与物质的相互作用63电子对效应截面：电子对效应截面：贝特公式：式中：（1）电子对效应截面与Z2成正比；（2）与光子能量的对数成正比；（每个原子）1.2 X、射线与物质的相互作用641.2 X、射线与物质的相互作用低能光子，原子序数高的物质低能光子，原子序数高的物质中能光子，原子序数低的物质中能光子，原子序数低的物质高能光子，原子序数高的物质高能光子，原子序数高的物质65三、三、X X、射线与物质的相互作用的其他过程射线与物质的相互作用的其他过程1. 相干散射光子作为电磁波具有波粒二象性；干涉现象
14、的条件：相干光源劳厄（Laue）发现X射线的相干散射现象，在0.00050.2MeV，相干散射主要是瑞利散射。瑞利散射（Rayleigh），与束缚得很牢固的电子的弹性散射，束缚电子吸收光子跃迁，随后又发出一个能量相同的散射光子。截面与Z2成正比，并随能量增大而急剧减小；低能时不可忽略，小角度散射。1.2 X、射线与物质的相互作用662. 光核反应光核反应：光子与原子核发生反应，有阈能。常见的光核反应：（，n）、 （，p）、 （，2n）及 （，pn）等典型的光核反应阈能（MeV）1.2 X、射线与物质的相互作用67光核反应的特点：（1）存在阈能；（2）光核反应截面存在巨共振峰；（3）光子能量达2
15、030MeV时，可能发生（，2n）、 （ ，pn）、（ ， ）反应，但截面极小；（4）所有光核反应的截面的最大值不超过康普顿效应和 电子对效应截面的5；（5）光核反应会产生中子，还可能会产生放射性核素。 例如：CnC116126),(1.2 X、射线与物质的相互作用68X、 射线穿透物质的特点69几种材料对Y射线的线衰减系数70中子与物质的相互作用一、 弹性散射二、 非弹性散射三、 辐射俘获四、 其他核反应1.3 中子与物质的相互作用71中子几乎不与电子相互作用，只能与原子核（物质的靶核）相互作用中子散射散射弹性散射 如：快中子与轻介质非弹性散射 如：快中子与重介质吸收 辐射俘获 1.3 中子
16、与物质的相互作用721、中子的中子的分类分类包括冷中子、热中子、超热包括冷中子、热中子、超热中子、共振中子。中子、共振中子。热中子：与吸收物质原子处于热平衡状态，能量为热中子：与吸收物质原子处于热平衡状态，能量为0.0253eV，中子速度，中子速度2.2103m/s.731.3 中子与物质的相互作用74 不带电，质量接近质子，自由中子不稳定，不带电，质量接近质子，自由中子不稳定， 来源：来源： 同位素同位素 反应堆反应堆 加速器加速器75一、弹性散射一、弹性散射在质心坐标系中，若E1、E2分别表示单次碰撞前后的中子能量：散射角c可取0间的任何值1.3 中子与物质的相互作用弹性散射弹性散射 (n
17、,n): 动能和动量守恒动能和动量守恒 出射粒子仍为中子、剩余核仍为靶核（中子把部分能量交给原子核，然后改变方向继续运动）76快中子能量从快中子能量从E1降到降到En，所需的平均碰撞次数：，所需的平均碰撞次数：1.3 中子与物质的相互作用 在中子防护中，常选用在中子防护中，常选用含氢物质和原子量小的物质含氢物质和原子量小的物质(如水、聚乙如水、聚乙烯，石蜡、石墨、氢化物等烯，石蜡、石墨、氢化物等)作为作为快中子的减速剂（慢化剂）快中子的减速剂（慢化剂）。77二、非弹性散射非弹性散射 (n,n ) 入射中子的能量损失不仅使靶核得到入射中子的能量损失不仅使靶核得到反冲反冲，且，且使靶核处于使靶核处
18、于激发态激发态。处于激发态的靶核退激时放出。处于激发态的靶核退激时放出一个或几个一个或几个特征特征 光子光子，在，在核分析技术核分析技术中有重要的中有重要的应用。应用。78二、非弹性散射非弹性散射过程：（1）经历 直接相互作用过程（10-22-10-21）或 形成复合核过程（10-20-10-15）；（2）靶核发出动能较低的中子，靶核处于激发态（3）靶核释放若干光子退激。靶核的内能发生了改变，总动能并不守恒。靶核的内能发生了改变，总动能并不守恒。1.3 中子与物质的相互作用79非弹性散射的特点：（1）要克服最低的激发能级，所以存在阈能；（2）阈能以上，中子能量越高，非弹性散射截面越大；（3）第
19、一激发能越低，越容易发生非弹性散射 重核的第一激发能约100千电子伏 轻核的第一激发能约几兆电子伏（4）伴随射线例屏蔽层加入重金属与减速剂交替屏蔽（中子减速、射线）HnH2110111.3 中子与物质的相互作用80三、辐射俘获三、辐射俘获 辐射俘获：（n，）反应1.3 中子与物质的相互作用81 中子的中子的辐射俘获辐射俘获 (n, ) 中子射入靶核后与靶核形成一个中子射入靶核后与靶核形成一个复合核复合核，而后，而后复合复合核核通过发射一个或几个通过发射一个或几个特征特征 光子光子跃迁到基态。这些跃迁到基态。这些特征特征 光子光子不同于不同于 (n,n ) 的特征的特征 光子。由于这些光子。由于
20、这些 光子的发射与复合核的寿命相关，一般很快，故称光子的发射与复合核的寿命相关，一般很快，故称为为“中子感生瞬发中子感生瞬发 射线射线”，同样在核分析技术中有，同样在核分析技术中有重要的应用。重要的应用。 当发生当发生(n, )反应后，反应后，新形成的核素新形成的核素是是放射性的放射性的，就是，就是常说的常说的“活化活化”，测量活化核素的放射性可以用来测量，测量活化核素的放射性可以用来测量中子流的注量率区分中子的能量范围。中子流的注量率区分中子的能量范围。82（1）反应截面与中子能量有关，低能区除共振峰外，一般服从 规律；（2）反应形成的核素一般是放射性的，也有稳定核；（3）不同核素的热中子俘
21、获截面变化很大，氙：2.65106靶，镉：19910靶，氧18只有104靶。E/1特点：1.3 中子与物质的相互作用83四、其它核反应1. 发射带电粒子的核反应10Bn中子防护中常用镉、硼、锂作吸收剂HNnO1116710168氮16半衰期7.3秒，放、射线4.289(66.2%)、10.418(28.0%)1.3 中子与物质的相互作用842. 裂变反应裂变反应：（n，f）反应易裂变同位素： 233U， 235U，239Pu，241Pu可裂变同位素： 232Th， 238U，240PunXXnUAzAz1010235922211放出约200MeV的能量1.3 中子与物质的相互作用853. 多粒
22、子发射中子能量大于810MeV时，复合核发射多个粒子（n，2n）、（n，np）1.3 中子与物质的相互作用86质量衰减系数、质能转移系数及质能吸收系数1. 质量衰减系数 / 入射光子在物质中穿行单位距离时，平均发生总的相互作用的几率几率。式中：线衰减系数，cm-1；光电线衰减系数；e总康普顿线衰减系数； coh 相干散射线衰减系数；电子对线衰减系数；质量衰减系数 /：线衰减系数 ：单位：cm-1不带电粒子与物质相互作用相互作用系数87线减弱系数的倒数称为不带电粒子在物质中的平均自由程(Mean free path)。即=1/。表示不带电粒子每经过一次相互作用之前，在物质中所穿行的平均厚度。I=
23、I0e-ud 如果d，即厚度等于一个平均自由程，X或射线被减弱到原来的e-1平均自由程 ：不带电粒子与物质相互作用相互作用系数882. 质能转移系数 tr / 线能量转移系数tr： 光子在物质中穿行单位距离，光子转移为带电粒子的动能占总能量的份额。质能转移系数 tr /： cm-1cm2/g不带电粒子与物质相互作用相互作用系数穿行过单位质量厚度，射线把能量转移给电子的份额893. 质能吸收系数 en / 光子转移给带电粒子的能量有一部分会由于韧致辐射损失掉。质能吸收系数 en /： 式中：g次级电子由于韧致辐射而损失的能量的份额不带电粒子与物质相互作用相互作用系数904. 混合物和化合物的质量
24、衰减系数和质能吸收系数式中： i元素 i 的重量百分比。不带电粒子与物质相互作用相互作用系数91不带电粒子授与物质能量的过程可以分为两个阶段： 第一阶段：不带电粒子与物质相互作用释放出次级带电粒子，不带电粒子的能量转移给次级带电粒子 第二阶段：带电粒子将通过电离激发，把从不带电粒子那里得来的能量授与物质 质能转移系数 tr /： 质能吸收系数 en /： 92不带电粒子与物质相互作用相互作用系数的区别与联系 不带电粒子在物质中穿行一距离，平均有多少平均有多少粒子发生了相互作用粒子发生了相互作用，用质量减弱系数量度；不涉及具体物理过程 入射粒子总能量中平均有多少能量转移为次级平均有多少能量转移为
25、次级带电粒子的动能带电粒子的动能，用质能转移系数度量;只涉及带电粒子获得的能量，而不涉及这些能量是否被物质吸收 次级带电粒子动能，除去以韧致辐射形式放出的外，真正消耗在介质中，即平均有多少能量平均有多少能量被介质吸收被介质吸收，用质能吸收系数度量辐射测量中的统计-泊松分布 由法国数学家泊松于1837年引入； 设x为离散型随机变量，且X的取值为所有非负整数。如果x的概率函数为： 则称x服从均值为(0)的泊松分布。 泊松分布的均值和方差都为。 已经发现许多随机现象服从泊松分布。特别是在社会生活、物理科学等领域，诸如公共汽车站来剑的乘客数，放射性分裂落到某区域的质点数等等当很大时，泊松分布趋向于正态
26、分布泊松流 源源不断地出现的许多随机的质点构成一个随机质点流，简称流。以Xt表示在时间区间(O，t内总共出现的质点个数，我们讨论Xt的分布。 如果一个流满足：1）独立增量性(无后效性)、2）平稳性、3）普通性，被称为泊松流，这是研究随时间变化的随机流最重要的类型 泊松流的分布：原子的放射现象是一个典型的泊松流 1、原子核的衰变与否与任何外界因素无关，这意味着满足独立增量性和平稳性 2、放射性衰变服从指数规律，单位时间内衰变量为: 这意味着满足普通性 放射现象为泊松流可以帮助理解放射性的统计规律（固定时间内的放射性粒子数为泊松分布、平均值很大时为正态分布；粒子间的间隔时间为指数分布）tO t-e
27、xp1t-expN=tt-expN-t-expN000实际辐射测量中的误差 由泊松分布能够得出实际测量中的方差 方差无法得到准确值，实际中用标准偏差估计： 最终测量结果 置信区间和置信度（ ，68.3%） 相对标准偏差（越小越好）2imNN211()1kSiiNNkiiNNN(,)iiiiNN NN11immmmN误差传递 可以证明，若 是相互独立的随机变量，各随机变量相应的标准偏差分别为 ， 那么由这些随机变量导出的任何量 的均方偏差为： 对n个独立的连续随机过程12222222212nyxxxnyyyxxxnxxx,2112,nxxx12( ,)nyf x xx222212ntotal 本
28、章习题： 1、分别计算1MeV、5MeV电子在铝和聚乙烯中的射程（单位使用cm） 2、试证明入射光子不能和自由电子发生光电效应。 3、中子能量一般怎划分？对于每个能量范围举一个例子说明与物质主要发生什么样的相互作用。 4、简单总结重带电粒子和轻带电粒子与物质相互作用的异同。 5、为什么说放射性事件为一个泊松流过程？ 6、试从误差传递公式导出独立连续随机过程的方差表达式。100 民间组织民间组织 本领域资深科学家组成本领域资深科学家组成 目前由一个主委员会，五个分委员会构成目前由一个主委员会，五个分委员会构成 提供原则和建议（通常以报告或建议书形提供原则和建议（通常以报告或建议书形式）式）国际放
29、射防护委员会国际放射防护委员会-ICRP101工作性质工作性质 国际放射防护委员会（国际放射防护委员会（ICRP）是一个非政）是一个非政府的科学组织，目的是制定辐射防护基本府的科学组织，目的是制定辐射防护基本原则，提出辐射防护建议。它的建议被原则，提出辐射防护建议。它的建议被IAEA和世界绝大多数核国家纳入自己国家和世界绝大多数核国家纳入自己国家的辐射防护标准和核安全法规，成为各国的辐射防护标准和核安全法规，成为各国制定辐射防护和核安全标准的重要依据。制定辐射防护和核安全标准的重要依据。102历史沿革历史沿革 国际放射防护委员会国际放射防护委员会(ICRP)是于是于1928年由国年由国际放射学
30、大会决定成立的，当时的名称是际放射学大会决定成立的，当时的名称是国际国际X射线和镭防护委员会射线和镭防护委员会。1950年改名为年改名为现在的名称现在的名称,但是多年来委员会已经将其兴但是多年来委员会已经将其兴趣扩展到了考虑越来越多的涉及辐射和放趣扩展到了考虑越来越多的涉及辐射和放射源的产生和利用的实践与应用。射源的产生和利用的实践与应用。103历史沿革历史沿革 ICRP建议主要是面向负责建议主要是面向负责制定防护标准制定防护标准的的监管者和业主。随着对基本机理认识的增监管者和业主。随着对基本机理认识的增长，长，ICRP防护体系在随时间演进，而且每防护体系在随时间演进，而且每隔隔1015年进行
31、一次基本推荐。自年进行一次基本推荐。自1990年年ICRP60号出版物发表以来已经经历大约号出版物发表以来已经经历大约16年年的时间，新的建议书也于的时间，新的建议书也于2007年出版，随着年出版，随着ICRP研究成果的不断涌现，其出版物已经研究成果的不断涌现，其出版物已经发表到发表到10个，对辐射防护的理论和实践个，对辐射防护的理论和实践有重大的影响和指导意义。有重大的影响和指导意义。104历史沿革历史沿革 当前系列的建议书：当前系列的建议书：l1958年年 ICRP 1号出版物号出版物l 1964年年 ICRP 6号出版物号出版物l 1966年年 ICRP 9号出版物号出版物l 1977年
32、年 ICRP26号出版物号出版物l 1990年年 ICRP 60号出版物号出版物l 2007年年 ICRP 103号出版物号出版物105ICRP 组织结构组织结构106ICRP 主委员会主委员会 ICRP主委员会由主席一人和不超过人主委员会由主席一人和不超过人的其他委员组成，委员会的人选以他们在的其他委员组成，委员会的人选以他们在医学、放射学、辐射防护、物理学、生物医学、放射学、辐射防护、物理学、生物学、遗传学、生物化学和生物物理学领域学、遗传学、生物化学和生物物理学领域内公认的成就为依据，照顾到专业知识而内公认的成就为依据，照顾到专业知识而不是国籍方面的平衡。不是国籍方面的平衡。 ICRP由
33、主委员会、分委员会组成，分委员由主委员会、分委员会组成，分委员会根据当前的工作性质设置任务组和工作会根据当前的工作性质设置任务组和工作组。组。107ICRP 主委员会主委员会108联合国原子辐射效应委员会联合国原子辐射效应委员会-UNSCEAR 联合国的下属机构联合国的下属机构 负责对人类活动的辐射源所产生的照射水负责对人类活动的辐射源所产生的照射水平以及辐射生物效应资料进行分析、编评平以及辐射生物效应资料进行分析、编评 以一定周期向联合国大会提交报告书及其以一定周期向联合国大会提交报告书及其附件附件 工作人员只有秘书长一人，秘书一人工作人员只有秘书长一人，秘书一人109我国参加我国参加联合国
34、原子辐射效应委员会联合国原子辐射效应委员会的情况的情况 每年我国派出代表团参加每年我国派出代表团参加UNSCEAR大会大会 将我国的有关信息报告将我国的有关信息报告UNSCEAR 环境辐射水平环境辐射水平 公众照射，职业照射及医疗照射水平公众照射，职业照射及医疗照射水平110国际原子能机构国际原子能机构-IAEA 联合国的下属机构联合国的下属机构 其主要职能是防止核扩散，促进原子能及核技术的其主要职能是防止核扩散，促进原子能及核技术的和平利用和平利用 总部设在奥地利首都维也纳总部设在奥地利首都维也纳 依据依据ICRP和和UNSCEAR有关报告，制定辐射防护方有关报告，制定辐射防护方面的标准导则
35、，推荐给成员国。标准不具有强制性，面的标准导则，推荐给成员国。标准不具有强制性，但若要接受但若要接受IAEA援助则需执行其标准援助则需执行其标准 通过出版物、培训班、研讨班及技术援助示范项目通过出版物、培训班、研讨班及技术援助示范项目等发挥作用等发挥作用111现行放射防护基本标准 电离辐射防护与辐射源安全基本标准电离辐射防护与辐射源安全基本标准（GB18871-2002)ICRP第第60号号ICRP第第26号号放射卫生防护基本标准放射卫生防护基本标准（GB4792-84）辐射防护规定辐射防护规定（GB8703-88）112 ICRP（Publication）International Comm
36、ission on Radiological Protection 国际放射防护委员会 ICRU（Report） International Commission on Radiation Units and Measurements 国际辐射单位与测量委员会 UNSCEAR United Nations Scientific committee on the Effects of Atomic Radiation 联合国原子辐射效应科学委员会 IAEA（Safety Series） International Atomic Energy Agency 国际原子能机构 ISO Internat
37、ional Standardization Organization 国际标准化组织113 NCRP（Report）（Handbook） National Council on Radiation Protection and Measurements 辐射防护 与测量国家委员会（美） BEIR committee on the Biological Effects of Ionizing Radiations 电离辐射生物效应委员会（美） ANSI American National Standard Institute 美国国家标准 NRPB National Radiological P
38、rotection Board 国家放射防护委员会（英）114 对于辐射是不能感知的，因此人们必须借助于探测各种辐射，给出辐射的、及等特性。即对辐射进行测量。 辐射探测器的定义：利用辐射在气体、液体或固体中引起的、效应或其它物理、化学变化进行辐射探测的器件称为。 为什么需要辐射探测器？115辐射探测的基本过程： 辐射粒子射入探测器的； 入射粒子通过、等效应而在探测器中； 探测器通过各种机制将转换成某种形式的。 探测器按探测介质类型及作用机制主要分为：u ；u ；u ;u其他探测器其他探测器116辐射探测器学习要点（研究问题）：探测器的；探测器的与；探测器的；探测器的。118119历史最悠久的探
39、测器历史最悠久的探测器 粒子物理实验；粒子物理实验； 核工程与核技术应用；核工程与核技术应用；探测器的灵敏体积大小和形状几乎不受限制；没有辐射损伤或极易恢复；经济可靠。120第一节 气体中离子与电子的运动规律1、气体的电离与激发电离损失与核外电子的非弹性碰撞过程 入射带电粒子与靶原子的核外电子通过入射带电粒子与靶原子的核外电子通过，使电子获得能量而引起使电子获得能量而引起原子的原子的或或。 核外层电子克服核外层电子克服束缚成为束缚成为，原子，原子成为成为。使核外层电子由低使核外层电子由低能级跃迁到高能级而使原子能级跃迁到高能级而使原子处于处于激发状态激发状态，退激发光。，退激发光。入射粒子入射
40、粒子直接产生的直接产生的离子对离子对称为称为。原电离原电离产生的产生的高速电子高速电子足以使足以使气体气体产生产生的电离称为的电离称为。总电离 =原电离+ 次电离121 ：带电粒子带电粒子在气体中产生在气体中产生一一个电子离子对个电子离子对所需的所需的平均能量平均能量。对不同的气体， W大约为30eV 若若入射粒子入射粒子的的能量能量为为E0，当其，当其能量能量全全部部损失在损失在气体介质气体介质中时，产生的中时，产生的为：为：122光致电离（光电效应） Cs原子的电离电位最低，3.88eV； 相应的光子波长为3184 ，在紫外区； 紫外光或能量更高的光才能产生光致电离。 介质中原子吸收一个光
41、子，放出一个电子而电离。 紫外光子能量较低，光致电离产生的电子动能很低，一般不能再引起新的电离或激发。1232、电子与离子在气体中的运动 当不存在外加电场的情况下，电离产生的电子和正离子在气体中运动，并和气体分子或原子不断地碰撞，处于平衡状态。其结果会发生以下物理过程：u 扩散；u 电子吸附；u 复合；u漂移；u电荷转移；124A. 扩散(Diffusion) 在气体中电离粒子的密度是不均匀的，原电离处密度大。由于其密度梯度而造成的离子、电子的定向运动叫扩散。由气体动力学，可得到扩散方程：nDj 电子或离子粒子流密度电子或离子的扩散系数电子或离子密度125若电离粒子的速度遵守麦克斯韦分布，则扩
42、散系数 D 与电离粒子的杂乱运动的平均速度 之间的关系为： vD31 平均自由程 电子的平均自由程和乱运动的平均速度都比离子的大，因此其扩散系数比离子的大，因而电子的扩散效应比离子的严重。126B. 电子的吸附和负离子的形成 电子电子在在运动过程中运动过程中与气体分子与气体分子碰撞碰撞时可时可能被能被气体分子气体分子俘获俘获，形成，形成负离子负离子，这种现，这种现象称之为象称之为。Electron attachmente-Negative ion127例如O2、H2O，的 ，卤素达 每次碰撞中电子被俘获的概率称为吸附系数 h。h大(h 10-5)的气体称为负电性气体。电子的吸附现象对气体探测器
43、产生的是正面 or 负面影响？ 气体探测器的工作气体应尽量选择吸附系数小的气体，在不得已采用时，将会影响探测器的性能。128C. 复合(Recombination) 有两个过程：电子与正离子，或负离子与正离子，相遇时可能复合成中性的原子或分子。Recombinatione-129 nntntn 为复合系数 复合的结果是损失了离子对数目，使产生信号的离子对数目减少，破坏了原入射粒子电离效应与输出信号之间的对应关系。因此，复合现象在探测器正常工作中应尽量避免。 复合引起的离子对数目的损失率： 一旦形成了负离子，其运动速度远小于电子，正离子与负离子的复合系数要比正离子与电子的复合系数大得多。130D
44、.离子和电子在外加电场中的漂移 离子和电子除了与作离子和电子除了与作热运动热运动的的气体分气体分子子碰撞碰撞而而杂乱运动杂乱运动和因和因空间分布不均匀空间分布不均匀造造成的成的扩散运动扩散运动外，还有由于外，还有由于外加电场外加电场的的作作用用沿沿电场方向电场方向。 这种运动称为这种运动称为“”，定向运，定向运动的速度为动的速度为“”。 电子漂移速度对气体成分很敏感，少量某种气体的混入就可显著提高电子漂移速度。131 这些气体一般是甲烷、二氧化碳及氮等多原子或双原子分子气体。这些气体分子有很多低能级，有它们存在，电子能量不用积累到很高，就可能发生非弹性碰撞而大量损失能量了。这样，少量多原子分子
45、的加入使气体中电子的平均动能显著下降，也就可以使乱运动的平均速度下降，这将会提高漂移速度。这一效应在气体探测器的研制中经常要用到。132(1)电子漂移速度一般为：离子漂移速度一般为：(2)电子的漂移速度对组成气体的组分极为灵敏在单原子分子气体中（如Ar）加入少量多原子分子气体（如CO2、H2O等）时，电子的漂移速度有很大的增加。 电子与离子在气体中在外电场作用下的漂移速度的主要区别为：133I : 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134第二节 电离室的工作机制与输出回路电离室的工作方式可分为：1) 脉冲型工作状态2) 累计型工作状态
46、 记录记录单个单个入射粒子入射粒子的电离效应，处于的电离效应，处于这种工作状态的电离室称为：这种工作状态的电离室称为：。 记录记录大量大量入射粒子入射粒子平均电离效应平均电离效应，处，处于这种工作状态的电离室称为：于这种工作状态的电离室称为：。1351、电离室的基本结构不同类型的电离室在结构上基本相同.典型结构有典型结构有和和。高压极(K)：正高压或负高压；均包括：收集极(C)：与测量仪器相联的电极，处于与地接近的电位；保护极(G)：又称保护环，处于与收集极相同的电位；负载电阻(RL)：电流流过时形成电压信号。136高压极收集极保护极0VLR高压负载电阻外壳灵敏体积绝缘子平板型电离室1370V
47、LRKG圆柱型电离室138灵敏体积： 由通过收集极边缘的电力线所包围的两电极间的区域。保护环G的作用：1) 使灵敏体积边缘处的电场保持均匀；2) 若无G，当高压很大时，会有电流通过绝缘子从负载电阻RL上通过，从而产生噪声，即绝缘子的漏电流。 139 气体压力：从0.110大气压。2、工作气体 充满电离室内部空间，是电离室的工作介质； 如Ar 加少量多原子分子气体CH4。 需要保证气体的和，所以一般电离室均需要一个密封外壳将电极系统包起来。140第一步：假设回路中没有负载电阻 极板a上加高压V0，极板a b 间电容量为C1，则两极板的：0100VCQQ 3、输出信号产生的物理过程 即电离室的工作
48、机制。0V ab1410V ab0)()()()(2100 qqeQQq第二步：在电离室内某一点引入一单位正电荷e+它将在两极板上分别感应出一定的，设分别为 、高斯定律：d40E sq 14212qqe 即正电荷靠哪个极板近，那个极板上产生的感应电荷就多。1xqed 2dxqed 这就相当于从流过，即在外回路流过。第三步：当 电荷沿电场向下极板运动，则上极板a上感应电荷 减少，下极板b上感应电荷 增加。且21qq 1430V ab)(ti 12qqe 正离子漂移所引起的负感应电荷在回路中流过的电荷量为：144第四步：当正电荷快到达极板的前一瞬间，-q1全部由a极板经外回路流到b极板，b极板上的
49、感应电荷： 12qqe 当e+到达b极板，e+与b极板上的感应电荷中和。外回路电流结束，流过外回路的总电荷量为：1qq 考虑：如果在电极之间引入的是负电荷，解释一下整个物理过程。产生的结果是否与正电荷有共同之处？1450V ab)(ti 12qqe 电子(负离子)漂移所引起的正感应电荷在回路中流过的电荷量为：1462qq 即：若在电场中引入一单位负电荷 ，它将在ab两极板上分别感应一定的正电荷，分别为 和 。当负电荷沿电场反方向运动时，则a极板上感应电荷 增加，而b极板上感应电荷 减少。整个过程中，流过外回路的总电荷量为： 相应在外回路流过电流为 ，电流方向与 相同。147在电离室中同一点引入
50、正负电荷： 当同时在同一位置引入一，则在外回路流经的电流：i(t)= i+(t)+ i (t) 流过外回路的：q+ +q- = e0V ab)(ti12qqe148(1)只有当空间电荷在极板间时，在外回路流过，此时i(t) = i+(t) + i(t)，正、负电荷的感应电流方向相同，在探测器内部从阳极流向阴极。电荷漂移过程结束，外回路感应电流消失。当负电荷被收集后，外回路中就只有正电荷的感应电流。结论：(2) 当 、 电荷在同一位置产生时，它们在极板上的感应电荷量分别相同； +e、e电荷漂移结束，流过外回路的为 ；该电荷量与这一对电荷的产生。149(1) 当入射粒子在探测器灵敏体积内产生 个离
