1、1回顾1、核技术的概念，分为广义和狭义。2、常用的核辐射类型，各种射线及其应用，核衰变规律，放射性活度3、射线与物质的相互作用，带电粒子（重带电粒子与轻带电粒子），射线，中子。射线与物质作用时的衰减规律。2第二讲 核探测技术及应用 2.1核探测器原理 2.2核探测技术应用3 问题：核辐射眼睛看不见、耳朵听不着、双手摸不到，如何知道它的存在呢？哈尔滨铱-192之谜 核探测器是核辐射的耳目！4中国日报消息：由于担心恐怖分子利用海上进行核原料走私，美国与荷兰政府签署一项协议，自掏腰包为欧洲最大的海港鹿特丹港口安装核物质探测器。这套价值300万美元的探测系统包括固定和手持的仪器，可以对通过港口的货物集
2、装箱进行扫描，检查集装箱里是否装有核原料。每年大约有数千艘商船通过鹿特丹港口，很多货物都是从中东和世界其他地区经过这里转运到美国的。美国安全官员一直担心，恐怖分子会将核原料藏在集装箱偷运到美国，然后用这些核原料制造“脏弹”。“脏弹”是一种大规模破坏性武器，引爆后将放出大量有害的放射性物质，不仅会造成人员伤亡，而且会使遭到攻击的区域受到严重的放射性污染。5 核探测器（粒子探测器）：能够指示、记录和测量核辐射的材料或装置。原理：辐射与核辐射探测器内的物质相互作用而产生某种信息（如电、光脉冲或材料结构的变化），经放大后被记录、分析，以确定粒子的数目、位置、能量、动量等。6 宇观宇观宏观宏观微观粒子（
3、无穷微观粒子（无穷大到无穷小）从大到无穷小）从10102626m m到到1010-18-18m m；物质的基本结构：由原子到夸克。物质的基本结构：由原子到夸克。夸克和轻子是物质的最基本组成；夸克和轻子是物质的最基本组成；微观粒子肉眼看不到，只能通过探微观粒子肉眼看不到，只能通过探测器探测到测器探测到 人类对物质世界的认识不断深化，人类对物质世界的认识不断深化，归功于实验和理论的相互促进，归归功于实验和理论的相互促进，归功于粒子加速器和粒子探测器的不功于粒子加速器和粒子探测器的不断建造和发展。使对物质世界的探断建造和发展。使对物质世界的探索逐步走上现代实验科学的轨道。索逐步走上现代实验科学的轨道
4、。核探测技术随核物理的发展而发展核探测技术随核物理的发展而发展7 粒子源种类粒子源种类l 辐射源 天外的：宇宙射线；天然的：自然界自然存在的放射性核素铀、钋、镭、锕等；人工的：用加速器、反应堆产生的放射性核素锝、钷、镎、钚、镅等。89 我们要知道有多少粒子，什么样的粒子，还要知道它们我们要知道有多少粒子，什么样的粒子，还要知道它们的物理性质，来源。为此，探测器要测量许多物理量。的物理性质，来源。为此，探测器要测量许多物理量。计数和计数率：计数和计数率：即粒子的通量或流强；即粒子的通量或流强；时间：时间：粒子到达探测器时间或相对于某时刻时间间隔；粒子到达探测器时间或相对于某时刻时间间隔；能量：能
5、量：尤其中性粒子（中子，尤其中性粒子（中子，光子，中微子等）的能量；光子，中微子等）的能量；动量：动量：主要是带电粒子的动量；主要是带电粒子的动量；位置：位置：粒子产生或衰变的位置，带电粒子在探测器内的粒子产生或衰变的位置，带电粒子在探测器内的位置和飞行的轨迹，中性粒子进入探测器的位置和飞行位置和飞行的轨迹，中性粒子进入探测器的位置和飞行方向；方向；粒子的分辨：粒子的分辨：区别不同性质的粒子，特别需要分辨相同区别不同性质的粒子，特别需要分辨相同动量下不同质量的带电粒子；动量下不同质量的带电粒子；核探测器测量的基本物理量核探测器测量的基本物理量10 测量粒子与射线的基本性质，研究这些粒子之间的相
6、测量粒子与射线的基本性质，研究这些粒子之间的相互作用以及它们与宏观互作用以及它们与宏观 物质的相互作用等。物质的相互作用等。将这些粒子与射线作为微小的探针来研究微观或亚微将这些粒子与射线作为微小的探针来研究微观或亚微观结构，如晶体结构，观结构，如晶体结构，物质的表面结构，分子原子及物质的表面结构，分子原子及核结构等。核结构等。因为这些粒子来源不同，有的来自地球，因为这些粒子来源不同，有的来自地球，有的来自太有的来自太阳阳，月亮或银河以外，月亮或银河以外，它们会带有与源有密切关系的它们会带有与源有密切关系的信息。信息。通过这些粒子或射线来研究我们达不到的各种通过这些粒子或射线来研究我们达不到的各
7、种天体。天体。粒子与射线在工业，农业，地质，医疗，环保，航天粒子与射线在工业，农业，地质，医疗，环保，航天等领域被广泛地应用，等领域被广泛地应用，不可替代地获得对宏观物质的不可替代地获得对宏观物质的形态，结构，成分的测量与研究。形态，结构，成分的测量与研究。粒子探测器用途：粒子探测器用途：11 6 6位获诺贝尔奖的粒子探测器大师位获诺贝尔奖的粒子探测器大师 C.T.R.Wilson发明云室，一种观测带电粒子径迹的方法和技术（1927年）P.M.S.Blackett发展Wilson云室技术，在核物理与宇宙线研究中做出贡献（1948年）C.F.Powell发明核乳胶技术，在宇宙线中发现介子（195
8、0年）D.A.Glaser发明气泡室（1960年）L.W.Alvarez发展气泡室及数据处理技术，发现大量共振态（1968年）G.Charpak发明多丝正比室并发展气体丝室技术（1992年）12丁肇中教授丁肇中教授中国科大，中科院高能所，上硅所参加中国科大，中科院高能所，上硅所参加13The Alpha Magnetic Spectrometer Detector 国际空间站的一个粒子物理实验（丁肇中教授领导）国际空间站的一个粒子物理实验（丁肇中教授领导）14 粒子探测基本原理粒子探测基本原理粒子探测粒子探测主要是指记录粒子数目，测定记录粒子数目，测定其强度，确定粒子的性质（能量、动量、其强度
9、，确定粒子的性质（能量、动量、飞行方向等）。飞行方向等）。根据粒子的带电性质分类根据粒子的带电性质分类带电粒子带电粒子：、p、e、等电磁辐射电磁辐射：x射线、射线1.中性粒子中性粒子：n、0、0、等15（一）带电粒子探测基本原理（一）带电粒子探测基本原理 入射带电粒子与物质原子的轨道电子发生库仑相互作用而入射带电粒子与物质原子的轨道电子发生库仑相互作用而损失能量，轨道电子获得能量。损失能量，轨道电子获得能量。当电子获得能量足以克服原子核的束缚，则电子就脱离原子成为自由电子。这就是电子就脱离原子成为自由电子。这就是电离电离。电离的结果形成一对正离子和自由电子。若内壳层。电离的结果形成一对正离子和
10、自由电子。若内壳层电子被电离后，该壳层留下空穴，外层电子跃迁来填补，电子被电离后，该壳层留下空穴，外层电子跃迁来填补，同时放出同时放出特征特征x射线射线或或俄歇电子俄歇电子。当电子获得能量较少，不足以克服原子核的束缚成为自由当电子获得能量较少，不足以克服原子核的束缚成为自由电子，将跃迁到较高的能级。这就是原子的电子，将跃迁到较高的能级。这就是原子的激发激发。处于激。处于激发态的原子不稳定，作短暂停留后，将从激发态跃迁回到发态的原子不稳定，作短暂停留后，将从激发态跃迁回到基态，这就是基态，这就是退激退激。退激时，释放的能量以荧光的形式发。退激时，释放的能量以荧光的形式发射出来。射出来。16 利用
11、电离或激发效应来记录入射粒子是绝大多数探测器的物理基础。它们的差别在于记录方式不同，大致分为：（1）收集电离电荷的探测器收集电离电荷的探测器主要收集电离效应产生的大量正负离子，记录它们的电荷所形成的电压或电流脉冲。这类探测器必须加上适当的工作电压，形成电场以有效收集电荷。如气体探测器、半导体探测器。17（2）收集荧光的探测器收集荧光的探测器被带电粒子激发的原子退激时发出荧光。由于荧光很弱，需要通过一定的转换放大，即把光脉冲转换成较大的电脉冲光电倍增管。如闪烁计数器等。（3）利用离子集团作为径迹中心的探测器，径迹探利用离子集团作为径迹中心的探测器，径迹探测器。测器。如核乳胶、云室、气泡室、火花室
12、等。（4）收集切伦科夫辐射的探测器，切伦科夫探测器。收集切伦科夫辐射的探测器，切伦科夫探测器。轫致辐射和同步辐射是附加产物，对高能电子探测器必须考虑它们的影响。18（二）（二）射线的探测射线的探测 射线与物质的相互作用主要有三个过程：光电效应 康普顿效应 电子对效应19光电效应光电效应 光电效应：光电效应：低能光子被介质原子吸收放出电子的效应。光电子能量光电子能量 hv为入射光子能量，Ei为第i壳层电子的结合能 原子退激发时发射特征特征X射线或俄歇电子射线或俄歇电子。入射光子原子光电子hv俄歇电子LK原子核eiEhE20 散射光子不能直接探测到散射光子不能直接探测到 反冲电子可以被探测到反冲电
13、子可以被探测到入射光子核外电子出射电子E出射光子EeE康普顿康普顿-吴有训效应吴有训效应21电子对效应电子对效应 电子对效应：电子对效应：光子从原子核旁经过，当光子能量超过2个电子静止质量之和即1.02MeV时，在原子核库仑场作用下，光子转化为正负电子对，正负电子能量之和等于入射光子能量。对一定能量的入射光子电子对效应产生的正负电子的动能之和为常数，但就电子或负电子而言其动能从02mec2都有可能，动能分配是任意的。入射光子能量越大，正负电子的发射方向越前倾。入射光子原子核正负电子对EE+E-22eeeEEEm ce+e-22 射线与物质原子发生光电效应的总射线与物质原子发生光电效应的总截面截
14、面 1）重元素的光电效应比轻元素强得多；重元素的光电效应比轻元素强得多；2）低能）低能 射线比高能射线比高能 射线强得多；射线强得多；3）当当 射线能量接近电子的结合能时，光电射线能量接近电子的结合能时，光电效应截面最大。效应截面最大。23光电效应、康普顿效应是光子与核外电子的作用结果，电子对效应是光子与原子核电磁场的作用结果。三种效应的相对重要性三种效应的相对重要性 对低能射线和原子序数高的物质光电效应占优势；对中能射线和原子序数低的物质康普顿效应占优势；对高能射线和原子序数高的物质电子对效应占优势。l三种效应相互竞争，可能同三种效应相互竞争，可能同时存在。时存在。24 在三种效应中，每个在
15、三种效应中，每个 光子光子都是在一次作用中就损失都是在一次作用中就损失其全部能量或相当大部分其全部能量或相当大部分能量，并发射出电子。能量，并发射出电子。正是这些电子使得探测射线成为可能。光电效应和电子对效应所光电效应和电子对效应所发射的次级电子的能量单发射的次级电子的能量单一，因此一，因此 射线探测器的物射线探测器的物质应选用质应选用Z Z尽可能大的材料。尽可能大的材料。入射光子原子光电子hv入射光子核外电子出射电子E出射光子入射光子原子核正负电子对EE+E-25（三）中子的探测（三）中子的探测中子与物质相互作用主要是中子与原子核的强相互作用，即核反应。探测中子就是探测中子与原子核核反应产生
16、的次级粒子。中子不带电，不受库仑斥力影响，容易进入原子核发生核反应。不同能量中子的探测原理和探测器不同。中子能量的区分：（1）慢中子（2）中能中子（3）快中子1nEkeV1100nkeVEkeV0.110nMeVEMeV26一、核反冲法一、核反冲法 核反冲法核反冲法是记录中子与原子核弹性散射后的反冲核。在弹性散射过程中，中子运动方向改变，能量减少。这减少的能量传递给原子核，使原子核以一定的速度运动，该核称作反冲核反冲核。反冲核具有电荷，可以作为带电粒子记录。记记录了反冲核，就探测到中子。录了反冲核，就探测到中子。该方法主要用于探测该方法主要用于探测快中子。快中子。由能动量守恒，对En0的反应，
17、放热反应；Q值105。电子雪崩持续发展，形成自激放电，增殖的离子对总电子雪崩持续发展，形成自激放电，增殖的离子对总数与原电离无关。数与原电离无关。Q0MN0e常数。常数。特点：特点：1）灵敏度高；）灵敏度高；2）脉冲幅度大；）脉冲幅度大；3）稳定性高）稳定性高4）计数器大小和几何形状可以按要求有较大变化；）计数器大小和几何形状可以按要求有较大变化；5）使用方便，成本低，制作工艺和仪器电路均较简单。）使用方便，成本低，制作工艺和仪器电路均较简单。48小结小结 气体探测器均以气体作为探测介质。气体探测器均以气体作为探测介质。电离室、正比计数器、电离室、正比计数器、GM计数器是工作在电离放大计数器是
18、工作在电离放大曲线不同区段的探测器。曲线不同区段的探测器。在气体探测器中雪崩倍增过程起着十分重要的作用。在气体探测器中雪崩倍增过程起着十分重要的作用。具有制备简单、性能可靠、成本低廉、使用方便等优具有制备简单、性能可靠、成本低廉、使用方便等优点，有广泛的应用。点，有广泛的应用。20世纪世纪70年代以来，气体探测器有很大发展，在高能年代以来，气体探测器有很大发展，在高能物理和重离子物理实验中获得新的应用，并广泛应用物理和重离子物理实验中获得新的应用，并广泛应用于核医学、生物学、天体物理、凝聚态物理和等离子于核医学、生物学、天体物理、凝聚态物理和等离子体物理等领域。体物理等领域。491 1）PNP
19、N结两侧存在电子结两侧存在电子和空穴，形成电场。和空穴，形成电场。2 2）PNPN结加上一定电压，结加上一定电压，外加电压几乎全部外加电压几乎全部加到加到PNPN结上，形成结上，形成很高电场。很高电场。3 3）粒子在）粒子在PNPN结电场得结电场得到加速，在收集极到加速，在收集极被收集。被收集。二、半导体探测器二、半导体探测器50个人剂量仪个人剂量笔多功能数字核辐射仪 51三、闪烁探测器的工作原理三、闪烁探测器的工作原理 典型的闪烁探测器装置典型的闪烁探测器装置闪烁体闪烁探测器 光电倍增管电子学仪器52闪烁探测器 光电倍增管光电倍增管53BGO,LSO&LYSO Samples54四、四、核乳
20、胶工作原理核乳胶工作原理组成：核乳胶由银盐颗粒和胶质组成。组成：核乳胶由银盐颗粒和胶质组成。溴化银溴化银AgBr 大部分大部分常用银盐常用银盐 碘化银碘化银AgI 少量少量银盐颗粒对带电粒子灵敏，而对光几乎不灵敏。银盐颗粒对带电粒子灵敏，而对光几乎不灵敏。胶质：骨胶和明胶胶质：骨胶和明胶2.工作原理：工作原理：带电粒子与带电粒子与AgBr晶粒作用，使晶粒作用，使AgBr分子分解成分子分解成Ag 原子和原子和Br原子，在一定条件下，原子，在一定条件下，Ag原子聚集成原子聚集成Ag集团，形成可显集团，形成可显影的核心影的核心“潜影潜影”，经化学显影处理，潜影的晶粒还原成黑，经化学显影处理，潜影的晶
21、粒还原成黑色的色的Ag颗粒，把带电粒子的径迹显示出来。颗粒，把带电粒子的径迹显示出来。55 粒子探测系统粒子探测系统一、脉冲计数系统一、脉冲计数系统 主要用于放射性计数、强度和剂量的测量，加速器主要用于放射性计数、强度和剂量的测量，加速器和反应堆的粒子通量的测量等等。和反应堆的粒子通量的测量等等。56幅度甄别器：幅度甄别器：让超过一定幅度的脉冲通过，有输出，去让超过一定幅度的脉冲通过，有输出，去除幅度小的噪声本底和一些幅度小的不想要的粒子。除幅度小的噪声本底和一些幅度小的不想要的粒子。脉冲形状甄别器：脉冲形状甄别器：利用不同粒子在探测器中产生的脉冲利用不同粒子在探测器中产生的脉冲幅度相同，但是
22、脉冲形状不同来甄别。如幅度相同，但是脉冲形状不同来甄别。如 粒子质量大，粒子质量大，脉冲上升时间慢，脉冲上升时间慢，粒子质量小，脉冲上升时间快，利用粒子质量小，脉冲上升时间快，利用脉冲形状不同来选择所要的粒子。又如，利用脉冲形状不同来选择所要的粒子。又如，利用、中子脉、中子脉冲形状不同，在强冲形状不同，在强 本底下探测中子。本底下探测中子。定标器定标器 预置时间，记录一定时间内的脉冲数目。预置时间，记录一定时间内的脉冲数目。高低压电源高低压电源 探测器高压供电和电子学仪器低压供电探测器高压供电和电子学仪器低压供电57 探测器的输出脉冲幅度正比于入射粒子在探探测器的输出脉冲幅度正比于入射粒子在探
23、测器中损失的能量，如电离室、正比计数器、测器中损失的能量，如电离室、正比计数器、多丝正比室、半导体探测器、闪烁计数器等。多丝正比室、半导体探测器、闪烁计数器等。5859 对重粒子：如对重粒子：如 粒子，选用粒子，选用ZnS(Ag)、金硅面垒半导体、金硅面垒半导体 射线和电子：正比计数器、射线和电子：正比计数器、G-M计数器、塑料闪烁体。计数器、塑料闪烁体。液体闪烁器等探测器液体闪烁器等探测器 高能带电粒子：塑料闪烁计数器、高能带电粒子：塑料闪烁计数器、MWPC和和C探测器探测器 射线：射线：G-M计数器和计数器和NaI(Tl)计数器计数器 低能低能 和和X射线：正比计数器、薄窗射线：正比计数器
24、、薄窗MWPC、Si(Li)等等 中子：中子：BF3正比计数器、裂变室、正比计数器、裂变室、ZnS+H快中子屏、快中子屏、ZnS+B慢中子屏慢中子屏6061国内外一些核仪器公司 Canberra（堪培拉），美国 ORTEC（奥泰克），美国 ALOCA，日本 牛津仪器，英国 北京核仪器厂，261厂 西安核仪器厂，262厂 为什么竞争不过国外？62核探测技术应用 在地学探矿中的应用，寻找铀、钍、镭矿。测量对象是岩石和近地表土壤中的放射性核素。正常场会有一个放射性强度值，异常场的放射性强度值要高很多，以此作为探矿的重要依据。分为地面测量及航空测量。63民航安全上的应用 机场安检普遍采用X射线金属探测
25、系统和化学气体取样分析系统。Semtex可塑性炸药。热中子分析系统（TNA），其原理是物质原子吸收中子放出射线，原子不同，射线能量不同，Semtex炸药氮、氢含量高。用锎252产生的热中子对行李照射，产生的射线由核探测器阵列吸收，即可探明这种炸药。64工业核仪表工业核仪表-NCSNCS 工业核仪表又称核控制系统（Nuclear Control System）,其组成为：辐射源+测量对象（探测介质）+辐射探测器及电子学、计算机系统。强度型：料位计、厚度计、密度计、质量计。65 最简单的工业核仪表料位计最简单的工业核仪表料位计 利用物料对射线的衰减、屏蔽作用来测量利用物料对射线的衰减、屏蔽作用来测量和指示物料的料位和指示物料的料位66连续型料位计：连续型料位计：67工业核仪表原理函数的应用实例：工业核仪表原理函数的应用实例：核子秤的实现核子秤的实现68本课小结 核探测器需探测的物理量。核探测器探测原理：带电粒子、射线、中子 气体探测器原理 探测器系统：计数、幅度 核探测工业应用
