1、核仪器设计核仪器设计第一章 核 仪器设计基础知识2核仪器设计核仪器设计章节安排章节安排（课堂教学（课堂教学 2424学时）学时）第一章第一章 核仪器设计基础知识（核仪器设计基础知识（4学时）学时）第二章第二章 核辐射探测器与连接电路（核辐射探测器与连接电路（4学时）学时）第三章第三章 总量辐射仪设计（总量辐射仪设计（4学时）学时）第四章第四章 能谱仪设计（能谱仪设计（2学时）学时）第五章第五章 测氡仪设计（测氡仪设计（4学时）学时）第六章第六章 X射线荧光仪设计（射线荧光仪设计（2学时）学时）第七章第七章 数字化核仪器介绍（数字化核仪器介绍（2学时）学时）第八章第八章 课堂讨论（课堂讨论（2学
2、时）学时）第一章 核 仪器设计基础知识3核仪器设计核仪器设计实验安排实验安排（实验教学（实验教学 2424学时）学时）6C802 1、总量总量辐射仪电路原理图辐射仪电路原理图设计设计2、电子电子元器件元器件选购和准备选购和准备3、单元电路的单元电路的PCB设计设计4、电路焊接电路焊接准备准备5、电路电路焊接焊接6、单元电路单元电路调试调试7、单元电路性能单元电路性能测试测试8、整机装配（配接整机装配（配接）9、整机整机调试调试10、整机性能整机性能测试测试11、样机应用样机应用试验试验12、实验课程实验课程报告报告第一章 核 仪器设计基础知识4第一章第一章 核仪器设计核仪器设计基本知识基本知识
3、本课程将以本课程将以核辐射测量方法核辐射测量方法、核电子学基核电子学基础础、核核检测方法与检测方法与仪器仪器等等放射性放射性专业课知识为基专业课知识为基础，学习核仪器设计的基本方法，并通过实验掌握核仪础，学习核仪器设计的基本方法，并通过实验掌握核仪器设计和制作的全过程。器设计和制作的全过程。一、核辐射基本知识一、核辐射基本知识二、核仪器设计基础二、核仪器设计基础（一）放射性现象（一）放射性现象（二）射线与物质相互作用（二）射线与物质相互作用（三）放射性测量常用单位（三）放射性测量常用单位一、核辐射基本知识一、核辐射基本知识u 放射性放射性(radioactivity)这一名词首次首次被利用是这
4、一名词首次首次被利用是Marie Curie。在。在1898,她首先用来描述能发出电离辐射她首先用来描述能发出电离辐射(ionizing radiation)的物质的外部特征的物质的外部特征,进一步证明了电离辐射与电进一步证明了电离辐射与电磁辐射的差别。磁辐射的差别。u 放射性的最早研究者：伦琴（放射性的最早研究者：伦琴（Roentgen);1895年，伦琴年，伦琴用阴极射线（电子束）在放电管壁上的作用产生用阴极射线（电子束）在放电管壁上的作用产生x射线射线（x ray)。u 首先发现放射性：首先发现放射性：1896年，贝可勒尔年，贝可勒尔(Becquerel)发现铀发现铀矿石使胶卷暴光，称之
5、为矿石使胶卷暴光，称之为radiation actives。（一）放射性现象（一）放射性现象第一章 核 仪器设计基础知识7u 1898年，施密特发现钍（年，施密特发现钍（Th）具有与铀矿石相同的特征。）具有与铀矿石相同的特征。u 1899年，卢瑟福（年，卢瑟福（Rutherford）和欧文斯（）和欧文斯（Owens）发现）发现射气（射气（emanation)现象。现象。u 1901年，年，Pierre 和和Marie Curie发现镭（发现镭（Ra）之后又发现了）之后又发现了钋（钋（Po）。通过研究铀钍矿石的放射性，发现）。通过研究铀钍矿石的放射性，发现 Ra比铀、比铀、钍具有更强的放射性，于
6、是从沥青中提炼出镭。钍具有更强的放射性，于是从沥青中提炼出镭。u 1903年，年，Becquerel 和和Marie Curie夫妇分别获得物理诺贝夫妇分别获得物理诺贝尔奖。尔奖。u 1911年，年，Marie Curie 获得化学获得化学 Nobel Prize for isolatiing radium（Pierre died in 1906）。）。u Marie Curie died in 1934 at the age of 67 years as a result of prolonged exposure to radioactivity Ra.第一章 核 仪器设计基础知识8u 1
7、9111911年，卢瑟福（年，卢瑟福（RutherfordRutherford）用）用射线轰击各种原子，射线轰击各种原子，观测到观测到射线发生偏折，从而确定了核结构，并提出了原射线发生偏折，从而确定了核结构，并提出了原 子结构的行星模型，奠定了原子结构和原子核结构的研究基子结构的行星模型，奠定了原子结构和原子核结构的研究基础。础。u 此后不久，玻尔提出了原子的壳结构和电子在原子中的运此后不久，玻尔提出了原子的壳结构和电子在原子中的运 动规律，同时建立了描述微观世界的量子力学。动规律，同时建立了描述微观世界的量子力学。u 19191919年，在卡文迪许实验室，实现了人工核蜕变核反应，年，在卡文迪
8、许实验室，实现了人工核蜕变核反应，它是用它是用粒子轰击氦核能放出质子，反应式如下：粒子轰击氦核能放出质子，反应式如下：u 19321932年，发现中子（年，发现中子（neutron)neutron)。u 19341934年，人工放射性核素合成成功。年，人工放射性核素合成成功。HOHeN1118842147+放射性现象放射性现象核辐射核辐射(nuclear radiation)核的变换核的变换 nuclide transformation 来源来源 粒子加速器粒子加速器 particle acceleration 宇宙射线宇宙射线 cosmic ray from outer space 产生机理
9、角度产生机理角度9第一章 核 仪器设计基础知识 地地-空界面空界面上核辐射的来源上核辐射的来源人工放射性人工放射性 7.2%n大气核试验大气核试验n核工业与核技核工业与核技术应用术应用n核医学诊断核医学诊断陆地放射性陆地放射性 80.0%n铀系列核素铀系列核素n钍系列核素钍系列核素n钾钾-40-40n其它核素其它核素宇宙射线宇宙射线 12.8%n电离成份电离成份 10.5%n中子中子 2.3%从空间分布角度从空间分布角度10第一章 核 仪器设计基础知识核辐射的分类核辐射的分类 带电粒子辐射带电粒子辐射 重带电粒子重带电粒子快电子快电子 rayx ray电磁辐射电磁辐射中子中子非带电辐射非带电辐
10、射 ray ray11第一章 核 仪器设计基础知识第一章 核 仪器设计基础知识12原子和原子核原子和原子核第一章 核 仪器设计基础知识13原子与原子核原子与原子核的大小的大小第一章 核 仪器设计基础知识14原子和原子核原子和原子核质子质子：决定元素的种类，与中子共同决定：决定元素的种类，与中子共同决定 原子的相对原子质量。原子的相对原子质量。中子中子：决定原子的种类，与质子共同决定：决定原子的种类，与质子共同决定原子的相对原子质量。原子的相对原子质量。电子电子：最外层电子数决定元素的化学性质。：最外层电子数决定元素的化学性质。化学元素周期表化学元素周期表放射性衰变种类放射性衰变种类（1）衰变衰
11、变 例例1 1602 1602年年 4.602 4.602 MeVMeV 4.785 4.785 MeVMeV 5%5%95%95%0.183MeV 0.183MeV 3.825 3.825天天 HeRnRa422228622688Ra22688Rn22286HeYXAZAZ4242 衰变衰变第一章 核 仪器设计基础知识见P.172p2n90p144n铀铀-238（母核母核）钍钍-234（子核子核）氦氦-4(粒子粒子)衰变产物衰变产物质子质子中子中子92p146n例例2：U238的的 衰变示意图衰变示意图铀原子的电子模型图铀原子的电子模型图 HeThUHeYXAZAZ4223490238924
12、242（）（）衰变衰变 放出放出 粒子粒子 beta particle beta particle 高速运动的电子高速运动的电子分为衰变；衰变分为衰变；衰变 衰变衰变 YXAZAZ1PaTh2349123490 pnNiCo60286027BaCs1375613755 衰变衰变衰变衰变 衰变；衰变；30 30 年年 1.17 1.17 MeVMeV 0.51 0.51 MeVMeV8%8%92%92%0.661 0.661 MeVMeV 基态基态 BaCs1375613755Cs13755Ba13756 衰变衰变第一章 核 仪器设计基础知识2091p143n钍钍-234（母核母核）镤镤-234
13、（子核子核）电子电子 e-（粒子）粒子）衰变产物衰变产物质子质子中子中子90p144npn-1+1e-+1質量質量 0（3）跃迁跃迁 -transition-transition 在在衰变衰变 、衰变衰变 过程中，伴随放出过程中，伴随放出辐射辐射 gamma radiationgamma radiation例：例：基态基态 0.059MeV,0.059MeV,99.7%99.7%1.54MeV 1.54MeV 0.31MeV 0.31MeV0.3%0.3%1.17MeV1.17MeV 1.33MeV 1.33MeV 基态基态 Co6027Ni6028 衰变衰变第一章 核 仪器设计基础知识22
14、射线射线90p144n钍钍-234钍钍-23490p144n具具有有多余的能量多余的能量衰变产物衰变产物能量能量放射性系列放射性系列 镎系镎系 neptunium series Np-237 A=4n+1 铀系铀系 uranium series U-238 A=4n+2钍系钍系 thorium series Th-232 A=4n锕铀系锕铀系 actinium uranium series U-235 A=4n+3不成系列的天然放射性核素不成系列的天然放射性核素 K-40 1.46 MeV T=1.3 109a Rb-87 T=5.0 1010a Sm-147 T=1.06 1011a见教材见
15、教材P.16铷铷钐钐钾钾（二）射线与物质相互作用（二）射线与物质相互作用 粒子粒子与物质相互作用与物质相互作用1.主要形式主要形式 *电离、激发、次级电离电离、激发、次级电离.*约约6080%的离子对是次级电离产生的的离子对是次级电离产生的.电离电离：粒子与物质的束缚电子（原子轨道电子或称壳粒子与物质的束缚电子（原子轨道电子或称壳层电子）发生静电作用，使束缚电子获得能量而变层电子）发生静电作用，使束缚电子获得能量而变成自由电子，便形成电子与正离子组成的离子对，成自由电子，便形成电子与正离子组成的离子对，这就是电离作用。这就是电离作用。激发激发：如果：如果束缚电子获得的能量不能够使它变成自由电束
16、缚电子获得的能量不能够使它变成自由电子，而只能跃迁到更高的能级，这称为激发作用。子，而只能跃迁到更高的能级，这称为激发作用。次级电离次级电离：当入射的：当入射的 粒子在物质中由于直接碰撞打出粒子在物质中由于直接碰撞打出能量较高的电子，这个电子再次与物质中的束缚电子能量较高的电子，这个电子再次与物质中的束缚电子起作用，而发生一次新的电离，形成离子对，这就是起作用，而发生一次新的电离，形成离子对，这就是次级电离。次级电离。粒子是氦的原子核，带两粒子是氦的原子核，带两个单位正电荷，质量数为个单位正电荷，质量数为4。天然核素衰变放出的天然核素衰变放出的粒子粒子能量在能量在48MeV。初始速度约初始速度
17、约在在(12)109cm/s。由于由于为重粒子，与物质为重粒子，与物质散射作用不明显，在气体中的散射作用不明显，在气体中的径迹是直线径迹是直线2.粒子的射程粒子的射程l粒子的射程用平均射程代表；粒子的射程用平均射程代表；l粒子是重粒子，射程涨落小。粒子是重粒子，射程涨落小。5MeV 粒子粒子,涨落约涨落约1；l同一物质中，同一物质中，粒子的射程与初始能量有关，能量大，射程粒子的射程与初始能量有关，能量大，射程长；长；粒子在空气中射程可以用经验公式计算：粒子在空气中射程可以用经验公式计算：天然天然粒子在空气中的射程有粒子在空气中的射程有表表(表表2-1)可可查。查。2/30318.0ER 粒子的
18、射程粒子的射程 能量在能量在 4 48 8 MeVMeV,在空气中的射程在空气中的射程 2 28 cm 8 cm 在其他物质中的射程在其他物质中的射程 几十微米几十微米 测量装置的设计及防护讨论。测量装置的设计及防护讨论。2/3318.0ER ARR4102.3射线射线与物质的相互作用与物质的相互作用电离、次级电离电离、次级电离（占（占707080%80%）激发激发弹性散射弹性散射轫致辐射轫致辐射 射程射程：粒子的运动轨迹是粒子的运动轨迹是 折线折线快电子（快电子（粒子）粒子）与物质的相互作用与物质的相互作用弹性散射弹性散射粒子与原子核发生库仑作用，只改变方粒子与原子核发生库仑作用，只改变方向
19、，不辐射能量向，不辐射能量,这种过程称为这种过程称为弹性辐射弹性辐射。2)(ZP反散射反散射粒子在物质中经过多次散射，其最后的粒子在物质中经过多次散射，其最后的散射角可以大于散射角可以大于90，这种散射成为，这种散射成为反散射反散射。弹性辐射弹性辐射反散射反散射韧致辐射韧致辐射高速运动的高速运动的粒子或其它带电粒子通过物质时，在核库粒子或其它带电粒子通过物质时，在核库仑场作用下，改变运动速度，伴随放出电磁辐射。此称仑场作用下，改变运动速度，伴随放出电磁辐射。此称韧致辐射。韧致辐射。原子核P.53粒子在物质中的衰减粒子在物质中的衰减 近似按指数规律衰减。近似按指数规律衰减。ReII0粒子在物质中
20、的衰减粒子在物质中的衰减P.57 cm=(g/cm2)/(g/cm3)R 吸收厚度吸收厚度(单位单位)：cm，g/cm2射线的射程射线的射程粒子在物质中衰减粒子在物质中衰减1半所经过的厚度。半所经过的厚度。粒子经过粒子经过10倍半吸收厚度，剩余倍半吸收厚度，剩余1/1024。小。小 于于1/1000，故将，故将10倍半吸收厚度定义为倍半吸收厚度定义为粒子的射程。粒子的射程。即：某一能量的即：某一能量的 粒子通过物质，几乎全部被介质吸粒子通过物质，几乎全部被介质吸收时的厚度，就是收时的厚度，就是 粒子的射程。粒子的射程。射程单位：射程单位：cm，g/cm22ln21210DII时，粒子在物质中的
21、射程可按下列经验公示计算：粒子在物质中的射程可按下列经验公示计算：P.57133.0542.00ER当E00.8MeV38.10407.0ER 当0.15MeVE00.8MeVR(单位单位)：g/cm2（面密度）（面密度）E(单位单位)：MeV实验测定岩石、矿石中的实验测定岩石、矿石中的 射线射程见射线射程见p.57,p.57,表表2-52-5l 天然放射性核素中的天然放射性核素中的 射线最大能量及其分布。射线最大能量及其分布。l 在岩矿石中的最大射程。在岩矿石中的最大射程。l 表中最大射程单位是：表中最大射程单位是：g/cm2l 当使用当使用cm表示表示 射线的射程时：射线的射程时：l 在在
22、空气空气（密度（密度1.201.25kg/m3）中约为：）中约为：1200cm；l 在金属铝（密度在金属铝（密度2.70g/cm3）中约为：）中约为：0.6cm；l 在混凝土（密度在混凝土（密度2.202.5g/cm3)中约为：中约为：0.7cml 在岩矿粉末（密度约在岩矿粉末（密度约1.54g/cm3）中约为：）中约为：1.0cm；l 在干沙子（密度约在干沙子（密度约1.50g/cm3）中约为：）中约为：1.03 cm2.2.放射层中放射层中 射线的自吸收射线的自吸收dXeIdIX0)1(heIIP.58光电效应光电效应康康普顿普顿-吴有训效应吴有训效应形成形成电子对效应电子对效应 射线与物
23、质相互作用射线与物质相互作用两步过程两步过程三种作用效应三种作用效应 光电效应光电效应 康普顿效应康普顿效应 电子对效应电子对效应 产生次级电子产生次级电子电离效应电离效应次级电子使次级电子使物质原子电离物质原子电离射线射线第第 1 1 步步初级作用初级作用第第 2 2 步步次级作用次级作用射线对射线对物质产生电离作用的过程：物质产生电离作用的过程：定义：定义：当当射线与物质原射线与物质原子中的束缚电子作用时子中的束缚电子作用时,将全部能量转移给某个将全部能量转移给某个束缚电子束缚电子,使之发射出去使之发射出去,成为光电子，而成为光电子，而射线射线本身被完全吸收本身被完全吸收,这种过这种过程称
24、为光电效应程称为光电效应。光电效应光电效应自由电子自由电子原子原子受激原子光电效应光电效应光子同光子同(整个整个)原子作用，把自己的全部能量传递给原原子作用，把自己的全部能量传递给原子，壳层中某一电子获得动能克服原子束缚跑出来子，壳层中某一电子获得动能克服原子束缚跑出来,成为自成为自由电子，光子本身消失了。由电子，光子本身消失了。+A +A A A*+e e-（光电子）光电子）原子原子 A A +特征特征X X 射线射线l 入射入射光子的能量必须大于壳层电子结合能，才能发生光电光子的能量必须大于壳层电子结合能，才能发生光电效应。效应。l 光子与自由电子不能发生光电效应，只有原子核参加反应，光子
25、与自由电子不能发生光电效应，只有原子核参加反应，才能满足动量守恒。才能满足动量守恒。l K层电子发生光电效应几率最大、层电子发生光电效应几率最大、L层次之、层次之、M层更小层更小。实际上，实际上，80的光电效应发生在与的光电效应发生在与K层电子的作用上。层电子的作用上。l 光电效应伴随着特征光电效应伴随着特征X射线或俄歇电子的发射。这是因为射线或俄歇电子的发射。这是因为靶原子发射光电子后，内壳层出现电子空位而处于激发态。靶原子发射光电子后，内壳层出现电子空位而处于激发态。P.60光电效应光电效应入射入射射线光电子特征射线光电子特征X射线射线 外层电子直接跃迁填充内层电子空位，使原子回复到较外层
26、电子直接跃迁填充内层电子空位，使原子回复到较低的能量状态，跃迁过程中，放出电磁辐射，其能量等低的能量状态，跃迁过程中，放出电磁辐射，其能量等于两个电子壳层的结合能之差。于两个电子壳层的结合能之差。)11()(21222nnZRhCEnx特征特征X射线产生的原理：射线产生的原理：电子跃迁过程中释放的电磁辐射是一种电子跃迁过程中释放的电磁辐射是一种X射线。由于其射线。由于其能量取决于原子的结构，故对每一种元素来说，都是特能量取决于原子的结构，故对每一种元素来说，都是特征的，故称其为征的，故称其为“特征特征X射线射线”。处于激发态的靶原子可以通过两种方式退激：处于激发态的靶原子可以通过两种方式退激：
27、（1）壳层电子在跃迁过程中不发壳层电子在跃迁过程中不发射特征射特征X射线，而是将激发射线，而是将激发能转移给一外壳层电子，使能转移给一外壳层电子，使它从原子中发射出来。它从原子中发射出来。俄歇电俄歇电子子俄歇电子产生的原理：俄歇电子产生的原理：处于激发态的靶原子可以通过两种方式退激：处于激发态的靶原子可以通过两种方式退激：（2）如果忽略原子核获得的反冲能，根据能量守恒如果忽略原子核获得的反冲能，根据能量守恒原理，可以写出光电子的能量为原理，可以写出光电子的能量为jehE光电效应光电效应P.60Ee：光电子的动能；：光电子的动能；h：入射射线能量；：入射射线能量；j：j壳层电子的电离能。壳层电子
28、的电离能。光电效应截面与入射光子能量、核靶物质原子序数光电效应截面与入射光子能量、核靶物质原子序数有关。有关。Ka45光电效应光电效应P.61一个入射光子与单位面积上一个靶原一个入射光子与单位面积上一个靶原子发生光电效应的几率。子发生光电效应的几率。a：原子光电效应吸收截面；即原子与入：原子光电效应吸收截面；即原子与入射光子发生光电效应的几率；射光子发生光电效应的几率；K：射线在射线在K层产生光电效应的几率。层产生光电效应的几率。K ：入射光子在入射光子在K层光电效应的几率层光电效应的几率m0C2：电子静止时的能量：电子静止时的能量=0.51MeV5.351hZCK152hZCK20CmhBK
29、20CmhnminiiZCZ11有效式中式中n在在2.24间选择间选择不同入射不同入射 射线能量时的射线能量时的光电效应截面经验计算公式：光电效应截面经验计算公式：光电效应光电效应l当靶物质为复杂物质时，式中当靶物质为复杂物质时，式中Z应为有效原子序数。应为有效原子序数。与与 轨道电子轨道电子 光电子光电子 消失消失 特征特征 X X 射线射线 K K 层层 几率最大几率最大khE 光电子能量：光电子能量：2/75EZ光电效应的几率：光电效应的几率：低能、重物质低能、重物质式中：式中：E 光电子的动能，光电子的动能，h 入射光子的能量；入射光子的能量；k 层电子的电离能层电子的电离能（复习）（
30、复习）光电效应光电效应康普康普顿散射顿散射当当光子与原子的核外电光子与原子的核外电子发生弹性碰撞时子发生弹性碰撞时,光子的一光子的一部分能量转移给电子部分能量转移给电子,使它脱使它脱离原子成分反冲电子离原子成分反冲电子,而散射而散射光子的能量和运动方向都发光子的能量和运动方向都发生变化，这一过程称为康普生变化，这一过程称为康普顿效应顿效应 。定义定义康普顿散射康普顿散射2 2）能量）能量分配与散射角的关系分配与散射角的关系 hv入射光子的能量入射光子的能量.hv 散射光子的能量散射光子的能量.Ee反冲电子的动能反冲电子的动能.V光子的速度光子的速度.散射光子的散射角散射光子的散射角.反冲电子的
31、反冲角反冲电子的反冲角.与与核外电子发生作用核外电子发生作用.非弹性碰撞非弹性碰撞,光子损失部分能量光子损失部分能量.作用后作用后,光子运动方向改变光子运动方向改变.形成反冲电子形成反冲电子.P.641 1）基本）基本特征特征 光子与原子的外层电光子与原子的外层电子发生碰撞，一部分能量传子发生碰撞，一部分能量传给电子使它脱离原子射出而给电子使它脱离原子射出而成为成为“反冲电子反冲电子”，同时光，同时光子损失能量并改变方向成为子损失能量并改变方向成为“散射光子散射光子”。原子核 入射光子 h 电子 反冲电子 Ee 散射光子 h 康普顿效应与光电效应的不同之处主要有两点，一是康普顿效应与光电效应的
32、不同之处主要有两点，一是康普顿效应中反冲电子只获得光子一部分能量，并且作用康普顿效应中反冲电子只获得光子一部分能量，并且作用完后仍然存在散射光子。二是康普顿效应发生在外层电子完后仍然存在散射光子。二是康普顿效应发生在外层电子上，而光电效应主要发生在最内层电子上。上，而光电效应主要发生在最内层电子上。康普顿散射康普顿散射eEhhcoscosPchchsinsinPch)cos1(120cmhhEh)cos1()cos1()(202hcmhEe2120tgcmhctg设入射光子能量设入射光子能量h ，动量为，动量为h/c。散射光子能量为。散射光子能量为h，动量为动量为h /c。反冲电子的动能为。反
33、冲电子的动能为Ee，反冲电子的动量为，反冲电子的动量为P。散射角散射角，反冲角，反冲角。则有下列关系式成立：。则有下列关系式成立：康普顿散射康普顿散射核辐射测量原理核辐射测量原理P.78在不同的散射角在不同的散射角方向上，散射光子数为：方向上，散射光子数为：ddnrn021单位立体角的微分截面可以按下式计算单位立体角的微分截面可以按下式计算2)cos1(112cos1020rdd202220cos11cos1cos1）（式中，式中，r0电子的经典半径，电子的经典半径，r0=e2/m0C2=2.81810-13cm 0以静止电子为单位的光子能量以静止电子为单位的光子能量0=h/m0C2康普顿散射
34、康普顿散射 180o反散射光子的能量反散射光子的能量h 是最小的，此时：是最小的，此时：)/(21/2minmchhh 不同入射光子能量不同入射光子能量h 所产生的所产生的 180o反散射光子的能量反散射光子的能量h 均在均在200keV左右。左右。h 0.50.661.01.52.03.04.0h 0.1690.1840.2030.2180.2260.2350.240MeV 入射光子与原子的康普顿效应总截面入射光子与原子的康普顿效应总截面 c等于它与各个等于它与各个电子的康普顿效应截面电子的康普顿效应截面 ce之和：之和：7）康普顿散射效应截面）康普顿散射效应截面cecZ 由量子力学可以导出
35、整个原子的康普顿效应截面公式：由量子力学可以导出整个原子的康普顿效应截面公式：Zrc038212ln202020cmhhcmrZch m0c2核辐射测量原理核辐射测量原理P.81当当光子从原子核旁经过时光子从原子核旁经过时,在原子核的库仑场作用下在原子核的库仑场作用下,光子转化为一个正电子和一个负电子光子转化为一个正电子和一个负电子,这种过程称为电子这种过程称为电子对效应对效应。（1 1）作用特征）作用特征 与原子核发生作用.入射光子消失.形成正、负电子对.2.2.3 2.2.3 形成电子对形成电子对定义定义（2 2）产生条件）产生条件 必要条件:hv 2m0C2=1.02 MeV.m0C2电
36、子静止时的能量=0.51MeV.必须有第三者(原子核)参加.（3 3）电子对的动能）电子对的动能Ee+Ee-=hv 1.02.形成电子对形成电子对（4 4）电子对的湮没电子对的湮没 正电子正电子与负电子不同，它很不稳定，其寿命约与负电子不同，它很不稳定，其寿命约10-1010-7s。正电子在物质中由于电离而损失能量后，将与电子结。正电子在物质中由于电离而损失能量后，将与电子结合，通常转化合，通常转化为两个为两个能量为能量为0.51MeV且方向相反的且方向相反的光子光子。这。这种现象称为电子对湮没。放出的种现象称为电子对湮没。放出的光子叫做湮没辐射光子叫做湮没辐射.形成电子对形成电子对（5 5）
37、电子对电子对效应截面效应截面 对于各种原子的电子对效应，可由理论计算得到其反应对于各种原子的电子对效应，可由理论计算得到其反应截面截面 p是入射光子能量和吸收物质原子序数的函数：是入射光子能量和吸收物质原子序数的函数：形成电子对形成电子对rpEZ2rpEZ ln2当当 h 稍大于稍大于 2m0c2当当 h 2m0c2核辐射测量原理核辐射测量原理P.84放射性勘探方法放射性勘探方法P.58)02.1(21hZcp当当h 稍大于稍大于2m0c2时，随入射射线能量的增加，电子对截面时，随入射射线能量的增加，电子对截面将迅速增加。将迅速增加。)ln(22hZcp当当h 远大于远大于2m0c2时，随入射
38、射线能量的增加，电子对截面时，随入射射线能量的增加，电子对截面的增加速度变缓慢。的增加速度变缓慢。0.01 0.1 10 1 100 0 25 50 75 100 光电效应占优 康普顿效应占优 电子对效应占优 入射光子能量)MeV(E 原子序数 Z 三种主要效应的截面随原子序数和入射光子能量变化的关系三种主要效应的截面随原子序数和入射光子能量变化的关系 占优表示：作占优表示：作用几率大于总用几率大于总几率几率50区域区域1、放射性物质、放射性物质的重量的重量、含量单位、含量单位2、放射性测量常用物理量和单位、放射性测量常用物理量和单位（三）（三）放射性测量常用单位放射性测量常用单位1、放射性物
39、质、放射性物质的重量的重量、含量单位、含量单位放射性物质的重量放射性物质的重量 单位：千克单位：千克千克千克放射性物质的重量单位放射性物质的重量单位 对于一些长寿的核素，如铀、钍等的量可以用千克（或其对于一些长寿的核素，如铀、钍等的量可以用千克（或其导出单位克）为单位来表示。对于这些核素可以用称量法测量导出单位克）为单位来表示。对于这些核素可以用称量法测量。由于它们的衰变期比较长，我们用精密的天平就可以称出它。由于它们的衰变期比较长，我们用精密的天平就可以称出它们的重量。们的重量。但是，是不是所有的放射性物质都可以用称量法来确定它但是，是不是所有的放射性物质都可以用称量法来确定它们的量呢？们的
40、量呢？对于那些半衰期极短的放射性核素，因其衰变很快，并且对于那些半衰期极短的放射性核素，因其衰变很快，并且无法将它们提取到化学纯度来供测量，此外它们的量往往是极无法将它们提取到化学纯度来供测量，此外它们的量往往是极微小的，以致最精密的天平也无法称出其量。因此无法用称量微小的，以致最精密的天平也无法称出其量。因此无法用称量法来确定其量，必须采用测量其放射性衰变率等方法来度量。法来确定其量，必须采用测量其放射性衰变率等方法来度量。固体固体物质中物质中放射性物质的放射性物质的含量含量克/克克（放射性核素）/克（岩石）克/100克%克/吨ppm=10-6放射性物质的含量放射性物质的含量液体液体或气体物
41、质中放射性核素的含量或气体物质中放射性核素的含量克克/升升g/L,mg/LBg/L,Bg/m3 1 Bg/L=1000Bg/m3 1g/L=1000mg/LCi/L,Ci/m3 1 Ci/L=1000Ci/m3=3.71010Bg/L 爱曼（爱曼（em），），1em=10-10Ci/L=3.7 Bg/L=3700Bg/m3 （1）放射性活度）放射性活度（2）照射量）照射量 X （3）照射量）照射量率率（4）吸收剂量）吸收剂量 D（5）吸收剂量）吸收剂量率率（6）当量）当量剂量剂量 HDX（7）比）比释动能释动能 K（8）粒子）粒子注注量与粒子量与粒子注量率注量率（9）能）能注注量与能注量量与能
42、注量率率2、放射性测量常用物理量和单位、放射性测量常用物理量和单位放射性活度（放射性活度（A）A=dN/dt 国际单位国际单位(SI)为贝可为贝可勒尔勒尔，简称贝可，简称贝可(Bq)曾用单位：居里（曾用单位：居里（Ci）1Ci=3.71010Bq=3.71010核衰变核衰变/秒秒。（1）放射性活度）放射性活度照射量照射量 X 表示表示 X 或或 射线在射线在空气中空气中产生电离能力大小的辐射量。产生电离能力大小的辐射量。法定单位：法定单位：库仑每千克（库仑每千克（C/kg）曾用单位曾用单位：伦琴（伦琴（R）1C/kg=3.877103R1R=2.5810-4C/kg =0.258 mC/kg（
43、2）照射量）照射量 照射量率照射量率法定法定单位：单位：单位时间内的照射量。（单位时间内的照射量。（C/kgs）曾用单位：曾用单位：微伦琴每小时微伦琴每小时(R/h),简称伽玛简称伽玛()1=1R/h=2.5810-10C/(kgh)注意：照射量和照射量率只对空气而言，只是从电离本领的角度说明注意：照射量和照射量率只对空气而言，只是从电离本领的角度说明X射射线或线或射线在空气中的辐射场性质，仅适用于射线在空气中的辐射场性质，仅适用于X射线或射线或射线射线。1=7.17*10-14C/kg.s1R/h=106 =7.17*10-8C/kg.sX（3）照射量率）照射量率吸收剂量吸收剂量（D）表示单
44、位质量受照物质中吸收的平均辐射能量。表示单位质量受照物质中吸收的平均辐射能量。dmdED式中：式中：dE 是电离辐射（包括是电离辐射（包括X、中子等各种辐射）给予、中子等各种辐射）给予质量为质量为dm 的物质的平均授予能量。或单位质量的某物质所吸的物质的平均授予能量。或单位质量的某物质所吸收的平均能量。收的平均能量。（4）吸收剂量）吸收剂量吸收剂量，国际单位制戈瑞（Gy）与曾用单位拉德（rad）之间的换算关系：法定单位：法定单位：戈瑞（戈瑞（Gy）,焦耳每千克焦耳每千克 1 Gy=1 J/kg，1 n Gy=10-9 Gy 曾用单位曾用单位：拉德：拉德（red）1 red=10-2 Gy =0
45、.01Gy=10mGy1 Gy=100 red 1 毫拉德毫拉德 =10 微戈瑞微戈瑞 证：证：1red=103mred=10-2Gy=10-2106Gy;1mred=10Gy吸收剂量率：吸收剂量率：表示单位时间的吸收剂量（表示单位时间的吸收剂量（Gy/S）吸收剂量吸收剂量率率DdtdDD吸收剂量率单位是：吸收剂量率单位是：Jkg-1.s-1（5）吸收剂量率）吸收剂量率详见：2008.12 核科学概论 第9章 辐射防护与辐射环境监测吸收剂量与照射量的区别（参考，待证）吸收剂量：适用于任何射线和任何靶物质，衡量的指标是被吸收剂量：适用于任何射线和任何靶物质，衡量的指标是被照射物质所吸收的辐射能量
46、。照射物质所吸收的辐射能量。照射量：只适用于照射量：只适用于X射线及射线及射线，靶物质是空气，衡量的指射线，靶物质是空气，衡量的指标是在空气体积内形成的次级电子所产生离子总电荷量，即标是在空气体积内形成的次级电子所产生离子总电荷量，即X射射线或线或射线通过该体积的空气时所放出的能量，是辐射场的量度射线通过该体积的空气时所放出的能量，是辐射场的量度。空气辐射场的空气辐射场的X或或射线，可通过下式将照射量换算为吸收剂射线，可通过下式将照射量换算为吸收剂量量D：D =33.84 X式中，式中，D的单位为的单位为Gy（Jkg-1）；）；X 为照射量，单位为为照射量，单位为Ckg-1；33.84为换算系
47、数。为换算系数。照射量与吸收剂量的关系（参考，待证）对空气介质照射量与吸收剂量的关系：对空气介质照射量与吸收剂量的关系：1D(Gy)=8.69 10-3X(R)1Gy/h=86.9 1 0.01150748Gy/h 11.50748nGy/h H(当量剂量当量剂量)=D(吸收剂量吸收剂量)QN式中，式中，Q：为品质因数（反映特定类型辐射引起的损伤能力：为品质因数（反映特定类型辐射引起的损伤能力）N：为修正因子，它包括了诸如吸收剂量率和分次照射等所：为修正因子，它包括了诸如吸收剂量率和分次照射等所有其他修正因素的影响，目前，有其他修正因素的影响，目前，ICRP指定指定 N的的 值为值为1。品质因
48、数品质因数 Q 值一览表值一览表辐射类型辐射类型QX射线、射线、射线、电子射线、电子1热中子热中子2.3快中子、质子快中子、质子10粒子粒子20（6 6）当量剂量当量剂量（H H）法定单位法定单位:戈瑞（戈瑞（Gy）希沃特（希沃特（Sv）曾用单位：曾用单位：拉德（拉德（rad）雷姆雷姆 (rem)比比释动能（释动能（K）不带电粒子将能量授与不带电粒子将能量授与物质物质的过程的过程可以分成两个可以分成两个阶段：阶段：第一阶段，第一阶段，不带电不带电粒子与物质粒子与物质相互作用，相互作用，释放释放出次级带电粒子，出次级带电粒子，不带电粒子的能量转移不带电粒子的能量转移给次级带电粒子。给次级带电粒子
49、。第二阶段，第二阶段，带电带电粒子通过电离、激发粒子通过电离、激发，把从不带电粒子那，把从不带电粒子那里得来的能量授于物里得来的能量授于物质。质。吸收剂量吸收剂量比释动能比释动能（7 7）比释动能比释动能（K K）比释动能（比释动能（K）trdKdmtrd 式中，式中，是不是不带电粒子在质量带电粒子在质量 dm 的的物质中释放出来的全部物质中释放出来的全部带电粒子的初始动能总和的平均值。带电粒子的初始动能总和的平均值。它既包括这些带电粒子在轫致辐射过程中辐射出来的能量，也它既包括这些带电粒子在轫致辐射过程中辐射出来的能量，也包括在该体积元内发生的次级过程所产生的任何带电粒子的能量。包括在该体积
50、元内发生的次级过程所产生的任何带电粒子的能量。比释动能（比释动能（K）单位：单位：J/Kg 或或 Gy（与吸收剂量单位相同）（与吸收剂量单位相同）比释动能只适用于不带电粒子，但吸收剂量适用于任比释动能只适用于不带电粒子，但吸收剂量适用于任何物质。何物质。它也是一个与无限小体积相联系的辐射量。在受照物它也是一个与无限小体积相联系的辐射量。在受照物质中每一点上都有特定的比释动能值。质中每一点上都有特定的比释动能值。所以在给出比释动能数值时，也必须同时指出与该比所以在给出比释动能数值时，也必须同时指出与该比释动能相联系的物质和该物质的部位。释动能相联系的物质和该物质的部位。D、K 和和 X 的区别的
