輻射防護(hù)技術(shù)的基本概念

2005/10/5 0:42:00

1 ． β射線與物質(zhì)的相互作用：

•  電子的能量損失：

•  電離損失 ——快電子通過(guò)靶物質(zhì)時(shí)，與原子的核外電子發(fā)生非彈性碰撞，使物質(zhì)原子電離或激發(fā)，因而損失其能量，這與重帶電粒子情況相類似。電離損失（電子碰撞能量損失）是β射線在物質(zhì)中損失能量的重要方式。

•  輻射損失 ——這是β粒子與物質(zhì)原子的原子核非彈性碰撞時(shí)產(chǎn)生的一種能量損失。當(dāng)帶電粒子接近原子核時(shí)，速度迅速減低，會(huì)發(fā)射出電磁波（光子），這種電磁輻射叫軔致輻射。

•  電子的散射；

β粒子與靶物質(zhì)原子核庫(kù)侖場(chǎng)作用時(shí)，只改變運(yùn)動(dòng)方向，而不輻射能量，這種過(guò)程稱為彈性散射。由于電子的質(zhì)量小，因而散射角度可以很大（與α粒子相比，β粒子的散射要大得多），而且會(huì)發(fā)生多次散射，最后偏離原來(lái)的運(yùn)動(dòng)方向。同時(shí)，入射電子能量越低，及靶物質(zhì)的原子序數(shù)越大，散射也就越厲害。β粒子在物質(zhì)中經(jīng)過(guò)多次散射其最后的散射角可以大于 90 °，這種散射成為反散射。

•  β射線的射程和吸收；

2 ． γ射線與物質(zhì)的相互作用：

•  光電效應(yīng) ——γ光子與靶物質(zhì)原子相互作用，γ光子的全部能量轉(zhuǎn)移給原子中的束縛電子，使這些電子從原子中發(fā)射出來(lái)，γ光子本身消失。

•  康普頓效應(yīng) （又稱康普頓散射）——入射γ光子與原子的核外電子發(fā)生非彈性碰撞，光子的一部分能量轉(zhuǎn)移給電子，使它反沖出來(lái)，而光子的運(yùn)動(dòng)方向和能量都發(fā)生都發(fā)生了變化，成為散射光子。

•  電子對(duì)效應(yīng) ——γ光子與靶物質(zhì)原子的原子核庫(kù)侖場(chǎng)作用，光子轉(zhuǎn)化為正 - 負(fù)電子對(duì)。

•  相干散射 ——低能光子（ h ν〈〈 m 0 c 2 〉與束縛電子之間的彈性碰撞，而靶原子保持它的初始狀態(tài)。碰撞后的光子能量不變，即電磁波波長(zhǎng)不變，稱湯姆遜散射或相干散射。

•  光致核反應(yīng) ——大于一定能量的γ光子與物質(zhì)原子的原子核作用，能發(fā)射出粒子，例如（γ， n ）反應(yīng)。但這種相互作用的大小與其它效應(yīng)相比是小的，所以可以忽略不計(jì)。

•  核共振反應(yīng) ——入射光子把原子核激發(fā)到激發(fā)態(tài)，然后退激時(shí)再放出γ光子。

★ 探測(cè)器分類

幾 類 探 測(cè) 器	氣體探測(cè)器	電離室	脈沖電離室
			電流電離室
			累計(jì)電離室
		正比計(jì)數(shù)器
		G-M 計(jì)數(shù)管
	閃爍探測(cè)器	NaI(Tl) 單晶γ譜儀
	半導(dǎo)體探測(cè)器	金硅面壘半導(dǎo)體探測(cè)器
		高純鍺（ HPGe ）探測(cè)器
		鋰漂移硅探測(cè)器
	原子核乳膠
	固體徑跡探測(cè)器
	氣泡室
	火花放電室
	多絲正比室
	切倫科夫計(jì)數(shù)器
	熱釋光探測(cè)器

3 ． 氣體探測(cè)器

特點(diǎn) ：以氣體為探測(cè)介質(zhì)。

歷史 ：在核物理發(fā)展的早期，它們?cè)?jīng)是應(yīng)用最廣的探測(cè)器， 50 年代以后，由于閃爍計(jì)數(shù)器和半導(dǎo)體探測(cè)器的發(fā)展，才逐步被取代。

優(yōu)點(diǎn) ：制備簡(jiǎn)單，性能可靠，成本低廉，使用方便等。

氣體探測(cè)器是利用收集輻射在氣體中產(chǎn)生的電離電荷來(lái)歷探測(cè)輻射的探測(cè)器。因此，探測(cè)器也就是離子的收集器。它通常是由高壓電極和收集電極組成，常見(jiàn)的是兩個(gè)同軸的圓柱形電極，兩個(gè)電極由絕緣體隔開并密封于容器內(nèi)。電極間充氣體并外加一定的電壓。輻射使電極間的氣體電離，生成的電子和正離子在電場(chǎng)作用下漂移，最后收集到電極上。電子和正離子生成后，由于靜電感應(yīng)，電極上將感生電荷，并且隨它們的漂移而變化。于是，在輸出回路中形成電離電流，電流的強(qiáng)度決定于被收集的離子對(duì)數(shù)。

電 離 室	脈沖電離室	記錄單個(gè)輻射粒子，主要用于測(cè)量 重帶電粒子的能量和強(qiáng)度 ；按輸出回路的參量，脈沖電離室又可區(qū)分為 離子脈沖電離室 和 電子脈沖電離室 。
	電流電離室	記錄大量輻射粒子平均效應(yīng)，主要用于測(cè)量 X ，γ，β和中子的強(qiáng)度或通量、劑量或劑量率 。它是劑量監(jiān)測(cè)和反應(yīng)堆控制的主要傳感元件。
	累計(jì)電離室
電離室的大小和形狀，室壁和電極的材料以及所充的氣體成分、壓強(qiáng)都要根據(jù)輻射的性質(zhì)、實(shí)驗(yàn)的要求來(lái)確定。例如， 測(cè)量α粒子能量 的電離室，須要足夠大的容積和氣壓，以便使α粒子的徑跡都落在靈敏區(qū)內(nèi)。 對(duì)γ射線強(qiáng)度作相對(duì)測(cè)量 時(shí)，為了提高靈敏度，室壁材料宜用高原子序數(shù)的金屬，其厚度略大于室壁中次級(jí)電子的射程。 作絕對(duì)γ劑量測(cè)量 時(shí)，須用與空氣或生物組織等價(jià)的材料作電極和室壁。 脈沖電離室所能記錄的帶電粒子數(shù)目不能過(guò)大，否則脈沖將重疊，甚至無(wú)法分辨。因此，在大量入射粒子的情況下，只能由平均電離電流或累積的總電荷來(lái)測(cè)定射線的強(qiáng)度，即電流電離室和累計(jì)電離室。

4 ． 閃爍探測(cè)器

核輻射與某些透明物質(zhì)相互作用，會(huì)使其電離、激發(fā)而發(fā)射熒光，閃爍探測(cè)器就是利用這一特性來(lái)工作的。閃爍探測(cè)器由閃爍體、光電倍增管和相應(yīng)的電子儀器三個(gè)主要部分組成。閃爍計(jì)數(shù)器在核輻射探測(cè)中是應(yīng)用較廣泛的一種探測(cè)器，就其 應(yīng)用 可以歸結(jié)為四類：①能譜測(cè)量；②強(qiáng)度測(cè)量；③時(shí)間測(cè)量；④劑量測(cè)量。其中，劑量測(cè)量是強(qiáng)度和能量測(cè)量的結(jié)合。在這些測(cè)量中遇到的基本 問(wèn)題 ：一是脈沖輸出，二是時(shí)間分辨，三是能量分辨。

閃爍計(jì)數(shù)器的 工作 可分為五個(gè)相互聯(lián)系的 過(guò)程 ：

•  射線進(jìn)入閃爍體，與之發(fā)生相互作用，閃爍體吸收帶電粒子能量而使原子、分子的電離和激發(fā)；

•  受激原子、分子退激時(shí)發(fā)射熒光光子；

•  利用反射物和光導(dǎo)將閃爍光子盡可能多地收集到光電倍增管的光陰極上，由于光電效應(yīng)，光子在光陰極上擊出光電子；

•  光電子在光電倍增管中倍增，數(shù)量由一個(gè)增加到 10 4 -10 9 個(gè)，電子流在陽(yáng)極負(fù)載上產(chǎn)生電信號(hào)；

•  此信號(hào)由電子儀器記錄和分析。

國(guó)產(chǎn) ST- 型閃爍體主要用途一覽表：

類 型	型 號(hào)	主 要 用 途
NaI(Tl)	ST-101 ST-102 ST-103 ST-104 ST-105	測(cè)量γ射線強(qiáng)度、能譜 測(cè)量低能γ或 X 射線 加大立體角測(cè)量γ射線 測(cè)較高能量的γ射線 反符合屏蔽、低本底測(cè)量
CsI(Tl)	ST-121 ST-122	測(cè)量α、β、γ，脈沖形狀甄別γ場(chǎng)中 測(cè)量α、 X 射線
ZnS(Ag)	ST-201 ST-202 ST-203 ST-206 ST-207 ST-211 ST-212	γ場(chǎng)中測(cè)量α場(chǎng)度 測(cè)量氡及其子體 測(cè)量氡及其子體 測(cè)量快中子強(qiáng)度 測(cè)量快中子強(qiáng)度 測(cè)量熱中子和慢中子強(qiáng)度 測(cè)量熱中子和慢中子強(qiáng)度
塑 料	ST-401 ST-402 ST-406 ST-407 ST-1421 ST-1422	γ、β、快中子 強(qiáng)γ場(chǎng)下測(cè)量β 測(cè)γ射線的劑量， X 射線 監(jiān)測(cè)α、β強(qiáng)度 γ、快中子，高發(fā)光效率 快時(shí)間測(cè)量
液 體	ST-451	用于 n- γ分辨探測(cè)快中子
蒽 晶 體	ST-501	α、β、γ、快中子，比較標(biāo)準(zhǔn)
對(duì)聯(lián)三苯	ST-551	低能β射線，強(qiáng)γ場(chǎng)中測(cè)量β
鋰 玻 璃	ST-601 ST-602	測(cè)量α能譜 測(cè)量熱中子到中能中子的強(qiáng)度

當(dāng)核輻射的能量全部耗盡在閃爍體內(nèi)時(shí)，即當(dāng) A=1 時(shí)，探測(cè)器輸出脈沖幅度與入射粒子能量成正比，因此可以 根據(jù)對(duì)脈沖幅度譜的分析來(lái)測(cè)定核粒子的能譜 。目前， 測(cè)量帶電粒子（電子或重帶電粒子）能譜大都應(yīng)用半導(dǎo)體探測(cè)器以及磁譜儀 。在 γ能譜測(cè)量領(lǐng)域， Ge 半導(dǎo)體探測(cè)器 雖有它突出的優(yōu)點(diǎn)，正逐漸被大家采用，但在工業(yè)、醫(yī)學(xué)等應(yīng)用領(lǐng)域中，以及在某些核物理實(shí)驗(yàn)中，閃爍譜儀，特別是 NaI(Tl) 單晶γ譜儀 仍有相當(dāng)廣泛的用途。

5 ． 半導(dǎo)體探測(cè)器

自從 60 年代有商品生產(chǎn)的半導(dǎo)體探測(cè)器以后，這種探測(cè)器得到了迅速的發(fā)展。它的工作原理類似于氣體電離室，而探測(cè)介質(zhì)是半導(dǎo)體材料。它的 主要優(yōu)點(diǎn) 是：

•  電離輻射在半導(dǎo)體介質(zhì)中產(chǎn)生一對(duì)電子、空穴對(duì)平均所需能量大約為在氣體中產(chǎn)生一對(duì)離子對(duì)所需能量的十分之一，即同樣能量的帶電粒子在半導(dǎo)體中產(chǎn)生的離子對(duì)數(shù)要比在氣體中產(chǎn)生的約多一個(gè)量級(jí)，因而電荷數(shù)的相對(duì)統(tǒng)計(jì)漲落也就小得多，所以半導(dǎo)體探測(cè)器的能量分辨率很高；

•  帶電粒子在半導(dǎo)體中形成的電離密度要比在一個(gè)大氣壓的氣體中形成的高，大約為三個(gè)量級(jí)，所以當(dāng)測(cè)高能電子或γ射線時(shí)半導(dǎo)體探測(cè)器的尺寸要比氣體探測(cè)器小得多，因而可以制成高空間分辨和快時(shí)間響應(yīng)的探測(cè)器；

•  測(cè)量電離輻射的能量時(shí)，線性范圍寬。

半導(dǎo)體探測(cè)器的 主要缺點(diǎn) 是：

•  對(duì)輻射損傷較靈敏，受強(qiáng)輻照后性能變差；

•  常用的鍺探測(cè)器，需要在低溫（液氮）條件下工作，甚至要求在低溫下保存，使用不便。

半導(dǎo)體探測(cè)器廣泛地應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域的 射線能譜測(cè)量 。近年來(lái)又受到高能物理工作者的重視，在高位置分辨的粒子徑跡探測(cè)器方面有了突破性的發(fā)展。

6 ．有關(guān)核探測(cè)器

★電流電離室

主要指標(biāo)：

•  飽和特性；

•  靈敏度——以單位強(qiáng)度的射線輻照下輸出的電離電流來(lái)量度。靈敏度與輻射的能量有關(guān)，它隨能量的變化稱為能量響應(yīng)。

•  線性范圍——指電離室輸出電流與輻射強(qiáng)度保持線性關(guān)系的范圍。

•  暗電流——脈沖探測(cè)器沒(méi)有放射源時(shí)探測(cè)器輸出的電流。

★ 正比計(jì)數(shù)器

優(yōu)點(diǎn) （與電離室相比）：

•  脈沖幅度較大；

•  靈敏度較高；

•  乃沖幅度幾乎與原電離的地點(diǎn)無(wú)關(guān)。

缺點(diǎn) ：脈沖幅度隨工作電壓變化較大，且容易受外來(lái)電磁干擾，因此，對(duì)電源的穩(wěn)定度要求也較高（≤ 0.1% ）。

★ G-M 計(jì)數(shù)器

在核物理發(fā)展的早期 G-M 計(jì)數(shù)器曾是使用最廣的輻射探測(cè)器。至今，在放射性同位素應(yīng)用和劑量監(jiān)測(cè)工作中，仍是常用的探測(cè)元件。

分類 （按充氣的性質(zhì)）：

•  充純單原子或雙原子分子氣體——如惰性氣體或 H 2 ， N 2 等，稱為非自熄計(jì)數(shù)器，它使用不方便，很少采用了。

•  充單原子分子與多原子分子的混合氣體或純多原子分子氣體——稱為自猝熄計(jì)數(shù)器。按猝熄氣體又可分為有機(jī)自猝熄和鹵素自猝熄計(jì)數(shù)器。

G-M 計(jì)數(shù)管的 特性 ：

（ 1 ）坪曲線； a. 起始電壓； b. 坪斜； c. 坪長(zhǎng)。

（ 2 ）死時(shí)間、恢復(fù)時(shí)間和分辨時(shí)間；

（ 3 ）計(jì)數(shù)管的探測(cè)效率；

（ 4 ）計(jì)數(shù)管的壽命；

（ 5 ）計(jì)數(shù)管的溫度效應(yīng)。

G-M 計(jì)數(shù)器探測(cè)射線的 優(yōu)點(diǎn) ：

•  靈敏度高；

•  脈沖幅度大；

•  穩(wěn)定性高；

•  計(jì)數(shù)器的大小和幾何形狀可按探測(cè)粒子的類型和測(cè)量的要求在較大的范圍內(nèi)變動(dòng)；

•  使用方便、成本低廉、制作的工藝要求和儀器電路均較簡(jiǎn)單。

缺點(diǎn) ：

•  不能鑒別粒子的類型和能量；

•  分辨時(shí)間長(zhǎng)，約 10 2 μ s ，不能進(jìn)行快速計(jì)數(shù)；

•  正常工作的溫度范圍較小（鹵素管略大些）； （ 4 ） 有亂真計(jì)數(shù)。

★ NaI(Tl) 單晶γ譜儀

組成單元：

•  閃爍探頭；

•  高壓電源；

•  線性放大器；

•  脈沖幅度分析器。

★ 金硅面壘半導(dǎo)體探測(cè)器

主要用于 測(cè)量短射程的帶電粒子的能譜 。它的時(shí)間響應(yīng)速度與閃爍探測(cè)器差不多，所以可用來(lái)作定時(shí)探測(cè)器。它的本底很低，適于作低本底測(cè)量。

優(yōu)點(diǎn) ：

（ 1 ）能量分辨率高；（ 2 ）設(shè)備簡(jiǎn)單；（ 3 ）使用方便。

缺點(diǎn)： 靈敏體積不能做得很大，因而限制了大面積放射源的使用。

★ 高純鍺（ HPGe ）探測(cè)器

靈敏區(qū)比金硅面壘探測(cè)器厚，可用它探測(cè)β或γ射線的能譜。主要用于 測(cè)量中、高能的帶電粒子 （能量低于 220 MeV 的α粒子，低于 60MeV 的質(zhì)子和能量低于 10MeV 的電子）和能量在 300keV 至 600keV 的 X 射線和低能γ射線 。

主要性能 ：

•  能量分辨率； HPGe 探測(cè)器主要用于測(cè)量γ射線的能譜，其能量分辨率較高；

•  探測(cè)效率； a. 絕對(duì)全能峰探測(cè)效率ε p b. 相對(duì)效率；

•  峰康比與峰形狀；

•  電荷收集和時(shí)間特性；

•  中子輻照損傷。

★ 鋰漂移硅探測(cè)器

主要是用于 低能γ射線和 X 射線的測(cè)量 。在以上三種半導(dǎo)體探測(cè)器中，它的靈敏區(qū)最厚。近年來(lái)雖然 Ge(Li) 探測(cè)器已被 HPGe 探測(cè)器所取代，然而 Si(Li) 仍然起著重要作用。