1、核辐射测量方法核辐射测量方法上海交通大学张继革 副研究员2016年3月21日2022-6-82/87核辐射测量任务核辐射测量任务放射性活度的测量辐射场量的测量：辐射注量(率)辐射粒子能量或能谱测量辐射剂量的测量位置的测量(辐射成像)有关时间的量：半衰期或寿命等粒子鉴别等2022-6-83/87放射性活度放射性活度放射性活度的严格定义：处于特定能态的一定量放射性核素在给定时刻的活度A是dN除以dt，是该能态发生自发衰变或核跃迁数的期望值单位时间间隔内的核衰变通常称为衰变率。因此活度也即放射性核素在某时刻的衰变率的期望值放射性活度国际单位为贝克勒尔简称Bq(贝克) 1Bq=1衰变/s 1MBq=1
2、03kBq=106Bq1950年，国际规定一个放射源每一秒钟有3.71010次核衰变定义为一个居里：1Ci= 3.71010 Bq2022-6-84/87与放射性活度有关的概念与放射性活度有关的概念发射率：是指放射性样品在单位时间内平均发射某种射线的粒子数比放射性活度(比活度)：放射性样品中某种放射性核素的活度与样品质量(或体积)之比，即单位质量(或体积)的放射性样品内核素的活度。其单位是kBqg-1，MBqg-1， Bql-1，kBql-1等一般探测装置对放射性样品进行活度测量时，得到的是单位时间内纪录的脉冲数，即计数率2022-6-85/87放射性样品的活度测量放射性样品的活度测量相对法测
3、量和绝对法测量相对法测量：需要一个已知活度A0标准源，在同样条件下测量标准源和被测样品的计数率 n0、n， 根据计数率与活度成正比，可求出样品的活度：AA0n/n0相对法测量简便，但条件苛刻：必须有一个与被测样品相同的已知活度的标准源，且测量条件必须相同2022-6-86/87绝对测量法绝对测量法复杂复杂，需要考虑很多影响测量的因素，需要考虑很多影响测量的因素，但绝对测量法是活度测量的但绝对测量法是活度测量的基本方法基本方法绝对测量中影响活度测量的几个因素绝对测量中影响活度测量的几个因素几何因素探测器的本征探测效率吸收因素散射因素分辨时间本底计数2022-6-87/87几何因素几何因素对于一般
4、探测器，放射性样品都是放在探测器外面进行测量的，因此射入探测器灵敏体积的粒子数只是发射率的一部分。一般用几何因子fg来进行校正fg的定义是每秒到达探测器灵敏体积的粒子数目与样品每秒发射的粒子数目之比几何因子的校正对点源易于计算，对非点源或扩散源可用数值积分方法计算2022-6-88/87点源对圆盘探测器的几何效率点源对圆盘探测器的几何效率)1 (21sin24122/1HRHdfHRtgog2RH探测器源0000112 sin(1 cos)442gfd 2022-6-89/87本征效率本征效率本征探测效率就是进入探测器灵敏体积的一个入射粒子产生一个脉冲的几率探测器本征效率的最大值为1，其数值与
5、探测器种类、运行状况和几何尺寸有关、与入射粒子的种类和能量、探测器窗厚度有关，还与电子记录仪的工作状况有关粒子以平行束入射和以锥形束入射的探测效率是有差别的积的粒子数积的粒子数单位时间内进入灵敏体单位时间内进入灵敏体测到的脉冲计数率测到的脉冲计数率100 2022-6-810/87吸收因子吸收因子放射性样品发射的射线，在达到探测器之前，一般要经过三种吸收层：样品材料本身的吸收(自吸收)样品和探测器之间空气层的吸收探测器窗的吸收自吸收吸收因子自吸收吸收因子0 xII eaaaaffff自空气窗_0mmaIxfIe2022-6-811/87散射因子散射因子放射性样品发射的射线可被其周围介质所散射，
6、对测量造成影响散射对测量的影响有两类：正向散射和反向散射正向散射使射向探测器灵敏区的射线偏离而不能进入灵敏区，这种散射使计数率减少反向散射使原来不该射向探测器的射线经散射后进入灵敏区，这种散射使计数率增加2022-6-812/87分辨时间（分辨时间（resolving time)分辨时间：两个相继出现而仍能被分辨的脉冲或电离事件之间的最小时间间隔探测器、计数器、脉冲幅度分析器等均有一定的分辨时间在分辨时间内无法记录进入探测器的第二个粒子2022-6-813/87死时间死时间几乎在所有的探测系统中，都存在一个最小时限，两个事件之间的时间间隔大于此时限才能被分辨开而记录为两个单独的脉冲，这个最小的
7、时限通常称为探测系统的死时间。死时间可能由探测器本身的过程所决定，也可能由电子学线路所决定。由于放射性衰变的随机性，将会造成真事件的丢失2022-6-814/87分辨时间校正分辨时间校正时间修正因子时间修正因子n n 为有分辨时间实际测量到的计数率为有分辨时间实际测量到的计数率mm为没有分辨时间损失的计数率为没有分辨时间损失的计数率为测量装置的分辨时间为测量装置的分辨时间计数装置实际测得的计数率要比真正进入探测器内的计数率要小1nfnm mnmn2022-6-815/87时间分辨率（时间分辨率（timeresolusion)时间分辨率：表示脉冲探测器区分两个相继入射粒子能力的一个量它通常用探测
8、器输出信号延迟时间分布谱峰的半高宽度来确定经常利用放射源同时发出两个射线来测量探测器的时间分辨率。例如：电子对湮灭时产生两个0.511eV的射线，一个射线给出标准时间信号，另一个给出探测器的输出信号，通过测量输出信号对标准时间信号的延迟时间，得到时间分布谱及时间分辨率。2022-6-816/87本底计数（本底计数（background count)在放射性测量中，狭义的本底计数是指没有被测样品时测量装置显示出的计数，而把样品中干扰放射性产生的计数称为干扰计数。总的本底计数无被测样品时计数+干扰计数放射性样品的净计数率为测得的计数率减去本底计数率0-净计数测量值本底（）（） （）sbnnn 20
9、22-6-817/87本底来源本底来源宇宙射线是由太空进入地球大气的一些粒子及其次级产物组成的。前者称为初级宇宙射线，例如能量大于10MeV的质子、少量粒子、各种原子核。后者称为次级宇宙射线，主要是初级宇宙射线与大气中的原子核相互作用产生的介子、电子、光子、高能中子及质子。2022-6-818/87本底来源本底来源周围环境的放射性核素测量装置周围环境中的放射性核素主要有40K、238U和232Th衰变链中的各核素，还有裂变气体如85Kr及活化气体41Ar等屏蔽材料及探测器件中的放射性核素射线的屏蔽材料一般采用铅和铁，铅中常含有210Pb和Ra，某些钢中含有60Co。砖和混凝土等建筑材料中含有微
10、量的Ra，U，Th闪烁探测器的光电倍增管玻璃中含有40K，NaI(Tl)晶体中含有少量的40K、Ra、Th。用作窗材料的云母也含有40K2022-6-819/87降低本底的措施降低本底的措施降低铅屏蔽材料中的微量放射性核素，选择放置老铅或特殊精练过的铅。保证铅中的Rn-222,K-40衰变完。为了吸收铅屏蔽体中的低能散射射线或铅的射线，可以在铅屏蔽体中加一层镉。镉在该能量段的质量衰减系数较大。当装置周围有中子源存在时，可以用含有硼、石蜡（含氢较多）先屏蔽中子。为减少氡、钍射气造成的本底，可以采用有效的通风。为了降低探测器元器件带来的本底，采用石英玻璃的光电倍增管，可以先对NaI(Tl)晶体经过
11、钾提纯，减少K-40的影响。2022-6-820/87降低本底的措施降低本底的措施降低宇宙射线中硬成分的影响可以采用反符合屏蔽。所谓反符合屏蔽是指在探测器的周围和顶部安放一组探测器，样品发出的射线能量低，只能被主探测器记录，而高能宇宙射线则能被主探测器和屏蔽探测器都记录。将屏蔽探测器中的记录从主探测器消去，就能消去高能宇宙射线的影响。 对接地不良造成的电子学线路干扰，可以缩短放大器和探测器距离，所有电子学仪器都一点接地2022-6-821/87测量方法测量方法对、放射性核素的活度采用小立体角法或者4方法对放射性核素采取能谱测量对中子进行探测2022-6-822/87、放射性核素的活度小立体角法
12、放射性核素的活度小立体角法1-铅室；2-铝或塑料板；3-探测器；4-探测器的窗；5-支架；6-准直器；7-源托板；8-放射源 为减少本底，放射源和探测器都置于铅室内，铅壁厚度铅壁厚度一般要大于一般要大于5mm5mm为了减少散射为了减少散射, ,铅室内腔要铅室内腔要足足够空旷够空旷2022-6-823/87为了减少在铅中的韧致辐射,铅室内壁有一薄层铝皮或塑料(厚度约为2-5mm)为了减少源的支架及托板的散射和韧致辐射,它们都采用低Z材料作成.准直器用来确定立体角,并可防止立体角以外的射线进入探测器探测器采用薄云母窗的钟罩型G-M计数管.也可以用薄窗正比管、塑料闪烁探测器(加避光铝铂)。2022-
13、6-824/872022-6-825/87设待测放射源的活度为A，每次衰变放出一个粒子，测得的总计数率为n，本底计数率为nb，则净计数率n0为为小立体角测量装置对射线的总探测效率fg为相对立体角修正因子，fa为吸收修正因子，fb为反散射修正因子，fk为坪斜修正因子，f为分辨时间(即死时间)修正因子，fr为探测器对射线灵敏的修正因子本征为探测器本征效率。如果已知，由测得的n和nb，就可求出，放射源活度A。由许多修正因子组成AffffffAnnnrkbagb本征02022-6-826/874 计数法计数法用小立体角法进行绝对测量要经过多种修正，造成测量误差加大。 4计数法是把源移到计数管内部，使计
14、数管对源所张的立体角为4，这就减少了散射、吸收和几何位置的影响，测量误差比小立体角法大大减小，误差可到1%左右。流气式4正比计数器；(适用于固态放射源)内充气正比计数器和液体闪烁计数器；(适用于14C、3H等低能放射性测量，将14C、3H混于工作介质中)2022-6-827/87能量的测量能量的测量凡是辐射粒子的能量测量，探测器都必须工作于脉冲工作状态，电压脉冲工作状态或电流脉冲工作状态均可。在电压工作状态时，脉冲幅度： 为入射粒子在探测器灵敏体积内产生的信息载流子的数目0CeNh N2022-6-828/87能谱能谱能谱的定义：能谱就是 的直方图实验直接测得的是脉冲幅度谱，即式中dN代表脉冲
15、幅度落在hh+dh的脉冲数，dN/dh表示输出脉冲幅度为h的单位幅度间隔内的脉冲数EdEdN/hdhdN/2022-6-829/87由于统计涨落，即使对同一能量的带电粒子，也会产生不同幅度的脉冲，形成脉冲幅度分布。脉冲幅度分布的中心值对应某一入射粒子的能量实测多采用多道脉冲幅度分析器给出：()()ixiyx计数率 道址2022-6-830/87谱仪的能量刻度和能量刻度曲线谱仪的能量刻度和能量刻度曲线探测器输出探测器输出脉冲幅度脉冲幅度 与与入射粒子能量入射粒子能量E一般具一般具有有线性关系线性关系，这里的，这里的 指脉冲幅度分布的指脉冲幅度分布的中心位中心位置的幅度值置的幅度值。若输出脉冲幅度
16、与入射粒子能量具。若输出脉冲幅度与入射粒子能量具有良好的线性关系。则有：有良好的线性关系。则有：而脉冲幅度分析器具有良好的线性，而脉冲幅度分析器具有良好的线性，12EKhKxh0( )E xG xE 增益，单位为KeV/ch零道址对应的粒子能量，称为零截hh2022-6-831/87E与与x的函数关系的函数关系E(x)，称为能谱仪的称为能谱仪的能量刻度曲能量刻度曲线线。借助于一组。借助于一组已知能量已知能量的辐射源进行的辐射源进行能量刻度能量刻度，而得到一条能量刻度曲线。横坐标为道址而得到一条能量刻度曲线。横坐标为道址x，纵，纵坐标为入射粒子的能量坐标为入射粒子的能量ExE0EG1E2E3E1
17、x2x3x2022-6-832/87能谱测定能谱测定在能谱测量中常用金硅面垒型半导体能谱仪 系统的能量分辨率定义为： ，其中E为测量误差，E为能谱峰值。 如对于210Po：E5.3MeV，E15.8KeV315.82.98 100.3%5300EEEE2022-6-833/87能谱仪的刻度能谱仪的刻度 当测出脉冲幅度谱以后，还需进行能量刻度，才能确定所测粒子的能量。能量刻度曲线：用已知能量的放射源，在相同条件下测量它们的能量所对应的脉冲幅度(或道址)，作出能量和脉冲幅度的关系曲线。对于粒子能谱的测量，要考虑到粒子与物质相互作用的特点，并尽量选择能量分辨率较好及使用较方便的探测器。如金硅面垒半导
18、体探测器；屏栅电离室；带窗的正比计数器等2022-6-834/87最大能量的测定最大能量的测定 能谱是连续谱，能量分布在从零到相应的最大能量之间测量能谱的装置有磁谱仪和半导体谱仪测定最大能量的最常用的是吸收法I0，I：分别为经过厚度x吸收物质前后的粒子的注量率；：射线在物质中的线衰减系数用吸收法测得粒子的最大射程，再根据经验公式求得其最大能量最大能量测定还可用半吸收厚度法，方法简单，迅速，但误差较大 0 xII e2022-6-835/87射线能谱测量射线能谱测量能谱是射线产生的脉冲计数按能量的分布，可以得到射线强度和能量测量能谱的装置在早期采用单道能谱分析仪，它由探测器、线性放大器、单道脉冲
19、幅度分析器和定标器等组成。由于操作不便，记录一个谱需要很长时间，现在都是用计算机多道谱仪。2022-6-836/87计算机多道计算机多道谱仪谱仪用一个多道脉冲幅度分析器代替单道脉冲幅度分析器和定标器，测量数据由计算机进行定量处理和分析。常用的探测器由正比计数管、NaI(Tl)闪烁探测器、高纯锗探测器和Si(Li)探测器，其中正比计数管和Si(Li)探测器主要用来测量低能X射线和低能射线的能谱2022-6-837/87单能单能射线的能谱射线的能谱主过程：全能峰光电效应所有的累计效应；康普顿平台、边沿及多次康普顿散射；单、双逃逸峰其他过程：和峰效应；I(或Ge)逃逸峰；边缘效应(次电子能量未完全损
20、失在灵敏体积内)屏蔽和结构材料对谱的影响：散射及反散射峰；湮灭峰；特征X射线；轫致辐射2022-6-838/8724Na源只能发射能量为1.368 MeV和2.754MeV两种射线能谱比较复杂,对该能谱的谱峰分析如下全能峰康普顿连续谱单逃逸峰和双逃逸峰真和峰湮灭辐射峰特征X射线逃逸峰2022-6-839/87全能峰：入射射线能量全部损失在探测器灵敏体积内时，探测器输出的脉冲形成的谱峰为全能峰康普顿连续谱： 射线与探测介质发生康普顿散射效应时，若散射射线跑出探测器灵敏体积之外，由反冲电子产生的脉冲形成康普顿连续谱2022-6-840/87单逃逸峰和双逃逸峰：当能量大于1.02MeV的射线在探测器
21、灵敏体积内发生电子对产生效应时，湮灭辐射的两个511keV的光子中有一个逃离探测器，就形成单逃逸峰，若两个湮灭光子都逃离开探测器，则形成双逃逸峰真和峰： 24Na核一次衰变放出的两个光子有可能同时被探测介质吸收，这时探测器输出一个幅度相当于这两个光子能量和的脉冲，在谱上相应于(1.368+2.754)MeV的和峰，称为真和峰2022-6-841/87湮灭辐射峰：对于较高能量的射线，当它与探测器周围的物质发生电子对产生效应时，湮灭辐射产生的两个光子中，若其中的一个进入探测器中，就会产生一个能量为511keV的光电峰和相应的康普顿连续谱，这个光电峰就称为湮灭辐射峰特征X射线逃逸峰：如果光电效应发生
22、在接近探测器表面处，那么光电子被打出之后探测介质原子发射的特征X射线可能逃逸出探测器，从而形成相应于E减去特征X射线能量的峰，称为特征X射线逃逸峰2022-6-842/87能量特征峰能量特征峰从单能射线能谱中可以看出，全能峰、单逃逸峰、双逃逸峰的峰位所对应的能量与射线的能量都有确定的对应关系，称为特征峰。全能峰：单逃逸峰：双逃逸峰：fEE511keVsEE1022keVdEE2022-6-843/87峰位和能量刻度峰位和能量刻度峰位即特征峰的中心位置，代表射线的能量能量刻度：选一组能量已知的射线标准源，用谱仪得到特征峰的峰位与射线能量的关系，称为对该谱仪的能量刻度2022-6-844/87峰宽
23、与能量分辨率峰宽与能量分辨率峰函数峰函数：用高斯函数表示。：用高斯函数表示。FWHM与与的关系的关系：能量分辨率能量分辨率：22() /2( )( )pi ipy iy ie 2.355FWHM100%pEhFWHMEhi2022-6-845/87源峰探测效率源峰探测效率、峰面积峰面积、峰总比峰总比、峰康比峰康比源峰探测效率源峰探测效率(又称又称峰探测效率峰探测效率) sp峰面积峰面积峰总比：峰总比：峰康比：峰康比： 表征射线探测器性能的一个指标，其数值为全能峰高与康普顿散射区高度之比。康普顿散射区包括康普顿坪区与康普顿边缘两部分，所以康普顿散射区高度为两部分之平均值。探测器的峰康比越高越好。
24、Rpii LNy谱的总面积谱的总面积特征峰面积特征峰面积 Tpf/P 全能峰的峰值康普顿平台的峰值2022-6-846/87能谱仪能量分辨率能谱仪能量分辨率55Fe 5.9keV137Cs 662keV60Co 1.33MeVSi(Li)4%正比计数器17%NaI(Tl)80%7-8%5-6%Ge(Li)1.32022-6-847/87谱仪的谱仪的能量能量刻度刻度能量刻度：确定对一定的谱仪测得的谱峰值(道数)所对应的射线的能量在一定试验条件下，利用几个已知能量的放射源，测出对应能量的全能峰峰位x(一般为道址)，得出一组数据。然后用作图法或最小二乘法做出全能峰位置与射线能量的关系曲线。理想的曲线
25、为直线，考虑非线性问题，曲线可用二次三项式表示2022-6-848/87效率刻度效率刻度效率刻度是用一个发射多种能量放射源，若源的活度A和各种能量的射线的分支比是精确已知的，能量为Ei的第i种射线的分支比为Ki，测得该种能量射线的全能峰内的计数率为npi，则对第i种能量射线的源峰效率为： 对各种能量的射线可得到一组(npi/Ki,Ei)，从而作出npi/Ki-Ei曲线，就得到效率刻度ipiAKnspi2022-6-849/87能谱定量分析能谱定量分析目标：找出被测样品所发射的射线能量，从而确定样品中含有什么核素步骤：谱光滑，寻峰，划分峰区，重峰分解，计算峰面积，核素识别，射线发射率或核素含量的
26、计算等2022-6-850/87谱的光滑谱的光滑 对谱采用适当的光滑处理，可以在保留谱的真实形状的前提下，减少计数的统计涨落的影响，有利于寻找弱峰，分解重叠峰，从而提高探测精确度最常用的光滑方法是多项式拟合移动光滑法式中yi和分别为测量谱和光滑谱的第i道计数数据，为权重因子，为归一化常数,1minjijjmm nyw yN2022-6-851/87寻峰寻峰寻峰就是利用计算机程序在能谱的一个谱段内确定是否有峰，峰是否重叠，并确立峰位。其基本方法是根据峰位处计数最大或由拟合曲线在峰位处的各阶导数性质判断所用的方法有：导数法、协方差法、匹配滤波器法和线性拟合法等2022-6-852/87导数法导数法
27、将光滑后的谱线看做是道数(或能量)的连续函数，利用峰位附近各阶导数的不同特点寻找峰光滑的峰可以用高斯函数来描述x0为峰位道址；y0为峰位处的计数；为高斯宽度2202/)(0)(xxeyxy2022-6-853/87导数法导数法高斯函数一阶导数的图形如图所示。利用一阶导数值在峰位处为零，而峰位两边由正连续变为负的特征可以找到单峰利用高斯函数的二阶导数在峰位处有较大的负极值，而且两边由正逐渐到负对称变化的特征，可以判断是否重峰(a)高斯函数的一阶导数 (b)高斯函数的二阶导数2022-6-854/87峰净面积的计算峰净面积的计算 峰面积一般是指峰内所有脉冲计数，也可以是与峰内计数成比例的一个数常用
28、计算方法：1.计算相加法：全峰面积法、Covell法、Wasson法等 2.函数拟合法：线性最小二乘函数拟合法、非线性最小二乘函数拟合法(Marguardr迭代法 )2022-6-855/87核素识别和定量计算核素识别和定量计算 由峰位能量找出各峰可能对应哪几种核素 核素名检索核素数据库，从库中取出该核素的数据(包括半衰期、各峰的能量、各峰的产额等)由探测效率、核素数据和净面积，计算出核素每秒发射的光子数及核素的含量 2022-6-856/87中子的探测方法 2022-6-857/87中子不带电，不受库仑场的阻碍，所以很容易靠近原子核或被原子核吸收，而与原子核发生以下作用过程(n,n)(n,n
29、)(n,n )(n,b)(n, )(n,fn势弹性散射共振弹性散射非弹性散射产生带电粒子的核反应复合核核辐射俘获发射多粒子的核反应核裂变）直接作用中间过程2022-6-858/87中子探测的主要作用过程中子探测的主要作用过程用于中子探测的主要作用过程(或机制)是势弹性散射、产生带电粒子的核反应和核裂变中子为中性粒子，不能直接引起探测介质的电离、激发在探测器或探测介质内必须具备能同中子发生相互作用产生可被探测的次级粒子的物质(辐射体)，中子在辐射体上发生核反应、核反冲、核裂变等次级过程，产生带电的次级粒子，如，p，f 等，探测器记录这些次级粒子并输出信号中子与辐射体有较大的作用截面，以获得较大的
30、中子探测效率2022-6-859/87核反冲法核反冲法利用中子与物质原子核发生弹性散射这种作用探测中子的方法常称为核反冲法当中子靠近原子核时，受到核力场的作用而被散射，入射中子把一部分能量转移给原子核，原子核获得反冲能，所以叫做反冲核散射后的中子运动方向和速度都发生了改变。核反冲法就是通过探测反冲核这种带电粒子来探测中子的。2022-6-860/87若入射中子的能量为En，反冲核获得的反冲能量为E反冲为：M和mn分别为原子核和中子质量；为反冲核飞出方向与中子入射方向之间的夹角22cos4MmMmEEnnn反冲2022-6-861/87核反冲法中辐射体的选择原则核反冲法中辐射体的选择原则反冲核动
31、能大，易被精确测量弹性散射截面大截面与中子能量的关系应平滑地变化，最好能遵循1/V定律反冲核的角分布简单按照上述原则，在核反冲法中通常都选用氢或含氢物质做靶材料根据动量、能量守恒定律，可推出反冲核的质量越小，反冲动能越大。氢核质量最轻，反冲能量最大。所以绝大多数反冲型探测器都用含氢物质作辐射体核反冲法主要用于快中子的探测，尤其是快中子能量的测量。因此，探测介质中富含含氢物质的探测器，如含氢正比管、有机闪烁体等适用于核反冲法测量快中子能谱2022-6-862/87核反应法核反应法主要的核反应有核反应法即利用上述的产生带电粒子核反应(n，b)，通过探测带电粒子(b表示)来间接探测中子的方法因为中子
32、核反应所产生的带电粒子数和中子与物质作用的反应截面以及中子能量密度成正比。所以通过带电粒子在探测器中产生的脉冲数就可以求出中子能量密度MeVLiBn792. 2710 MeVHeLin786. 436 MeVHpHen764. 033 228010113841m 2280106936m 228010105327m 2022-6-863/87核反应法核反应法中子不带电，它进入物质后不受库仑场的阻碍，形成复合核。复合核存在的时间(10-2010-16s)远大于中子直接穿过原子核的时间(10-22s)，所以在形成复合核的过程中，入射中子能量的一部分转化为复合核的动能，另一部分相对运动能和入射中子与靶
33、核的结合能Bn一起转化为复合核的激发能Ec*为：nnncBEmMME*2022-6-864/87核反应法核反应法反应截面反应截面与与中子能量中子能量的关系的关系1/v规律，即随中子能量增加，反应截面减小，因此核反应法适用于慢中子的测量，尤其是热中子的测量利用截面具有1/V定律的材料构成的探测器又称为1/V探测器。上述3种核反应的反应截面值都很大，所以采用这3种核反应来探测中子。nTvvv1100 2022-6-865/87核反应法核反应法10B(n，) 7Li反应应用最广泛，因为慢中子与10B的反应截面大，反应能也大，产生的粒子和Li核能量较大，分别为7/11Q和4/11Q，很容易被探测；硼材
34、料容易得到，可以用气态BF3，也可用固态单质硼或氧化硼，并且天然硼中10B的含量也较高，约占18%。6Li(n+) T反应放出的能量最大，放出的T和的动能分别为2.73MeV和2.05MeV以上，也比较容易探测，缺点是6Li不存在合适的气态化合物，只能用于固体探测器，而且天然锂中6Li的含量只有7.5%。3He(n，p) T反应截面最大，但放出能量最小，而且天然氦中3He含量仅为0.013%，因此一般仅在探测几十或几百keV能量的中子时应用2022-6-866/87反应均为放热反应，反应能Q在生成核与出射粒子之间分配。由于反应能Q比较大，又主要用于慢中子探测，即：故出射粒子能量难以反映慢中子的
35、能量，因此，核反应法常用于中子注量率的测量。这时，Q大易于甄别去除本底信号 探测介质中含有上述核素的气体探测器、闪烁探测器，或上述材料作为外辐射体的半导体探测器均可用核反应法进行中子探测。nTQ 2022-6-867/87核裂变法核裂变法快中子和热中子都能引发重核裂变，重核裂变生成的几个中等质量原子核称为裂变碎片，裂变碎片是重带电粒子，能使物质原子电离或激发。通过探测裂变碎片探测中子的方法称为核裂变法核裂变法的优点是裂变碎片的动能大，使探测器输出很大电信号，它形成的脉冲比本底脉冲大得多，可用于强辐射场内中子的测量。这对于探测反应堆的中子通量密度特别有意义2022-6-868/87核裂变法核裂变
36、法中子与重核发生核裂变产生的裂变碎片是巨大的带正电荷的粒子，能使探测器输出信号。通过测量碎片数，可求得中子注量率裂变碎片的总动能为150170MeV，形成的脉冲幅度比 本底脉冲幅度大得多，可用于强辐射场内中子的测量热中子可引起的核裂变核：233U，235U，239Pu。如235U的热中子截面为580b。对慢中子满足1/v 规律，仅适用于热中子的注量率测量一些重核只有当中子能量大于某一阈能才能发生核裂变，可用此判断中子的能量区间2022-6-869/87活化法活化法中子被稳定的原子核吸收后会形成放射性原子核。这种现象称为“活化”。通过测量被活化的原子核发射的粒子可探测中子能量密度，称为活化法选用
37、一些核素具有较高的活化截面，活化后放射性核素也具有较易测量的放射性测量粒子的发射率可确定中子的注量率。一般，热中子的活化截面较高，此法适用于热中子的注量率的测量 InInn116115vSnIn116116 2022-6-870/87中子探测的中子探测的4 4种基本方法种基本方法方法中子和核的作用所用材料(辐射体)截面用途核反应法 (n，d)(n，p)18B，6Li，3He103热、慢中子通量密度核反冲法(n，n)H1快中子通量密度核裂变法(n，f)235U，239Pu，等51021热中子通量密度活化法(n，)In，Au热中子1102共振中子1103快中子1中子通量密度2022-6-871/8
38、7中子探测器的灵敏度中子探测器的灵敏度在中子通量密度测量中可用BF3计数管、裂变室、中子闪烁探测器等必须知道探测器测量中子的灵敏度中子灵敏度定义 R 反应的发生率中子注量率 0)()(dEEENRt Nt 为探测器灵敏体积中辐射体的靶核数。2022-6-872/87对能量低于30KeV的中子：由， n(E)为能量E处单位能量间隔的中子密度， v为中子速度为中子密度(包括30KeV以下各种能量的中子)，所以探测器的计数直接代表了被测中子场的中子密度，即 R n KeVtdEEvvNR30000)( nvNdEEnvNRtKeVt0030000)( 2022-6-873/87中子注量率为其中v为中
39、子的平均速度对热中子，在T=20C时，热中子灵敏度为：0 0tRnvvNv 01.128tRN 01.128tNR2022-6-874/87中子源活度的测量中子源活度的测量标准中子源法用一个已知发射率Q的中子源作为标准中子源。当探测器离中子源较远时，可把中子源看作点源标准中子探测器法用一灵敏度已准确知道的标准中子探测器测得的中子计数率和待标定的中子探测器在相同条件下测得的计数率进行比较，得出待标定中子探测器的灵敏度2022-6-875/87中子源活度的测量中子源活度的测量小型同位素中子源常常可用来刻度中子探测器的效率，所以标定中子源的活度是一项重要工作。最常用的标定方法是锰浴法。锰浴是一个大体
40、积的容器，盛有一定浓度的硫酸锰水溶液。溶液的体积要大得足以保证中子得到充分慢化，中子源位于容器的中心。经过一定时间以后，溶液中的中子数目达到平衡：单位时间内被Mn核吸收的中子数等于中子源发出的中子数（对少量的其他核对中子的吸收要作修正）。因此测定生成核Mn的放射性就绝对测定了中子源的强度。误差小于 1。2022-6-876/87中子能谱的测量中子能谱的测量 核反应法。利用中子和6Li或3He发生的核反应，记录反应产物的能量，从而算出中子能量。核反冲法。根据中子弹性散射中反冲核的能谱，可求出中子能谱。飞行时间法。能量不同的中子具有不同速度，通过测量中子飞越一已知距离所需的时间得出中子能量。晶体衍
41、射法。由于中子具有波动性，当它的波长和物质中原子之间的距离同数量级时，会发生衍射现象。快中子能谱常用核反应法、反冲质子法、飞行时间法等。热中子的能谱测量主要是飞行时间法和晶体衍射法。2022-6-877/87常用中子探测器常用中子探测器硼电离室和裂变室辐射体：常用10B和235U涂敷在电极表面工作状态：一般工作于电流工作状态，裂变室也可工作于脉冲工作状态。硼电离室还常工作于补偿型状态，通过补偿消除本底的影响。裂变室由于裂变碎片射程很短，所以辐射体涂层很薄，为提高探测效率而做成多层裂变室2022-6-878/87常用中子探测器常用中子探测器10BF3和3He正比计数器工作气体：含10B的BF3或
42、含高丰度3He的氦气。工作状态：脉冲型工作状态。性能特点：BF3为负电性气体，性能较差；氦气(尤其是高丰度3He)价格昂贵2022-6-879/87常用中子探测器常用中子探测器含锂闪烁体常用6LiI(Eu)晶体；铈激活的锂玻璃等。利用质子反冲效应的探测器1) 含氢正比计数管气体介质含H2或CH4。2) 有机闪烁体富含H和C，还可以运用n/脉冲形状甄别技术，在较强的场中测量中子2022-6-880/87常用中子探测器常用中子探测器自给能探测器中心辐射体是中子活化材料，活化后具有 放射性。 粒子作为荷电粒子在极板间运动而在外回路中产生输出信号。不需要外加电源，称为自给能探测器。性能：灵敏度 1.2
43、10-21A/单位中子注量率;中子注量率测量范围1091014/cm2s；体积小：直径12mm；时间延迟5T1/2适合用于堆芯的中子注量率的测量2022-6-881/87堆用探测器堆用探测器专门用在反应堆上监测中子通量密度的探测器，统称为堆用探测器。它们大多是充气型的中子探测器。这是因为气体探测器具有：测量中子通量密度的范围较大，稳定性较好，耐辐照等优点。根据中子探测器在反应堆上放置的位置不同又分为两类。一类是放在堆芯(活性区)内的探测器，另一类是放在堆芯外的探测器。前者主要是提供有关堆芯内中子通量密度的空间分布的信息，后者一般放在反应堆压力容器外，主要用来监测反应堆的功率水平。监测反应堆功率
44、的探测器，由于反应堆功率可从零功率到满功率，中子通量密度可从0-1011中子cm2s，因此一种探测器的量程无法满足测量要求2022-6-882/87反应堆中子注量率监测反应堆中子注量率监测堆芯外用于监测反应堆功率水平，探测器置于压力壳外。启动量程：中子注量率102104/cm2s；较小，本底相对高；用脉冲裂变室或BF3正比计数器中间量程：106108/cm2s；较大，本底相对仍高；用电流型裂变室或补偿型电流硼电离室功率量程：大于1010/cm2s；足够大，本底相对较小；用电流型裂变室或硼电离室2022-6-883/87堆芯内中子探测器堆芯内中子探测器堆芯内的中子探测器要求体积小，寿命长。自给能
45、探测器指它不需要外接电源。中心的发射体是活化材料，经中子辐照后变成放射性物质，放出粒子。这些电子被收集，经同轴电缆将信号引出，直接用电流计就可测得其电流。收集到的电流与材料的放射性活度成正比，而材料的活度又与中子通量密度成正比。所以用测到电流值可表示堆芯中子通量密度的大小。由于信号电流全来自辐射体不断发射的电子，因此不需要外接电源。2022-6-884/87堆芯探测器堆芯探测器堆芯内中子注量率的空间分布要求体积小，寿命长；典型工作条件可选用微型裂变室，且电极涂235U+239Pu(可增殖，总积分通量由1.71021提高到4.81021中子)；也可以用自给能探测器scm28/105 hR/108
46、本底本底 C 300工作温度工作温度2/2500cmN工作压力工作压力2022-6-885/87习题习题1.试计算1eV,100eV,10keV,1MeV中子的速度及飞行1m所需的时间。2.用铟片活化法测量中子通量，铟箔面积为4 ,质量厚度为100 ，铟中In-115的丰度为95.7%，其热中子截面为145b，辐照100分钟后取出，等候10分钟测量其放射性活度，测量10分钟的总计数为164000 ，若探测器的探测效率为80%，求热中子通量密度。2cm2mgcm2022-6-886/87习题习题3.用NaI(Tl)测2.78MeV的射线的能谱时，可看到哪几个峰，分别计算其能量。4.设一半圆聚焦磁谱仪的磁感应强度B为1T，试问能量为5MeV的电子与粒子在该磁场中的轨道曲率半径各为多少？谢谢 谢！谢！
