1、核仪器设计,第一章 核 仪器设计基础知识,2,核仪器设计章节安排（课堂教学 24学时）,第一章 核仪器设计基础知识（4学时）第二章 核辐射探测器与连接电路（4学时）第三章 总量辐射仪设计（4学时）第四章 能谱仪设计（2学时）第五章 测氡仪设计（4学时）第六章 X射线荧光仪设计（2学时）第七章 数字化核仪器介绍（2学时）第八章 课堂讨论（2学时）,第一章 核 仪器设计基础知识,3,核仪器设计实验安排（实验教学 24学时）6C802,1、 总量辐射仪电路原理图设计2、 电子元器件选购和准备3、 单元电路的PCB设计4、 电路焊接准备5、 电路焊接6、 单元电路调试7、 单元电路性能测试8、 整机装
2、配（配接）9、 整机调试10、 整机性能测试11、 样机应用试验12、 实验课程报告,第一章 核 仪器设计基础知识,4,第一章 核仪器设计基本知识,本课程将以核辐射测量方法、核电子学基础、核检测方法与仪器等放射性专业课知识为基础，学习核仪器设计的基本方法，并通过实验掌握核仪器设计和制作的全过程。,一、核辐射基本知识二、核仪器设计基础,（一）放射性现象（二）射线与物质相互作用（三）放射性测量常用单位,一、核辐射基本知识,放射性(radioactivity)这一名词首次首次被利用是Marie Curie。在1898,她首先用来描述能发出电离辐射(ionizing radiation)的物质的外部特
3、征,进一步证明了电离辐射与电磁辐射的差别。 放射性的最早研究者：伦琴（Roentgen); 1895年，伦琴用阴极射线（电子束）在放电管壁上的作用产生x射线（x ray)。首先发现放射性：1896年，贝可勒尔(Becquerel)发现铀矿石使胶卷暴光，称之为radiation actives。,（一）放射性现象,第一章 核 仪器设计基础知识,7,1898年，施密特发现钍（Th）具有与铀矿石相同的特征。 1899年，卢瑟福（Rutherford）和欧文斯（Owens）发现射气（emanation)现象。1901年，Pierre 和Marie Curie发现镭（Ra）之后又发现了钋（Po）。通过研
4、究铀钍矿石的放射性，发现 Ra比铀、钍具有更强的放射性，于是从沥青中提炼出镭。1903年， Becquerel 和Marie Curie夫妇分别获得物理诺贝尔奖。1911年， Marie Curie 获得化学 Nobel Prize for isolatiing radium（ Pierre died in 1906）。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,8,1911年，卢瑟福（Rutherfor
5、d）用射线轰击各种原子， 观测到射线发生偏折，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础。 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。 1919年，在卡文迪许实验室，实现了人工核蜕变核反应， 它是用粒子轰击氦核能放出质子，反应式如下： 1932年，发现中子（neutron)。 1934年，人工放射性核素合成成功。,放射性现象,核辐射 (nuclear radiation ) 核的变换 nuclide transformation 来源 粒子加速器 particle acceleration 宇宙射线
6、cosmic ray from outer space,产生机理角度,9,第一章 核 仪器设计基础知识,地-空界面上核辐射的来源,人工放射性 7.2%大气核试验核工业与核技术应用核医学诊断,陆地放射性 80.0%铀系列核素钍系列核素钾-40其它核素,宇宙射线 12.8%电离成份 10.5%中子 2.3%,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,11,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,第一章 核 仪器设计基础知识,13,原子与原子核的大小,第一章 核 仪器设计基础知识,14,原子和原子核,质子：决定元素的种类，与中子共同决定
7、 原子的相对原子质量。中子：决定原子的种类，与质子共同决定原子的相对原子质量。电子：最外层电子数决定元素的化学性质。,化学元素周期表,放射性衰变种类,（1）衰变 例1 1602年 4.602 MeV 4.785 MeV 5 % 95 % 0.183MeV 3.825天, 衰变,第一章 核 仪器设计基础知识,见P.17,例2：U238的衰变示意图,铀原子的电子模型图,（） 衰变 放出 粒子 beta particle 高速运动的电子分为衰变；衰变 衰变, 衰变,衰变 衰变； 30 年 1.17 MeV 0.51 MeV8 % 92 % 0.661 MeV 基态, 衰变,第一章 核 仪器设计基础知
8、识,20,钍-234 （母核）,镤-234 （子核）,电子 e- （ 粒子）,衰变产物,质子,中子,質量 0,（3） 跃迁 - transition 在衰变 、 衰变 过程中，伴随放出辐射 gamma radiation例： 基态 0.059MeV,99.7% 1.54MeV 0.31MeV0.3% 1.17MeV 1.33MeV 基态, 衰变,第一章 核 仪器设计基础知识,22, 射线,具有多余的能量,衰变产物,能量,放射性系列,镎系 neptunium series Np- 237 A=4n+1,铀系 uranium series U - 238 A=4n+2钍系 thorium seri
9、es Th- 232 A=4n锕铀系 actinium uranium series U- 235 A=4n+3,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P.16,铷,钐,钾,（二）射线与物质相互作用,粒子与物质相互作用,1. 主要形式 * 电离、激发、次级电离. * 约6080%的离子对是次级电离产生的.,电离：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。,激发：如果束缚电子获
10、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。,次级电离：当入射的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起作用，而发生一次新的电离，形成离子对，这就是次级电离。,粒子是氦的原子核，带两个单位正电荷，质量数为4。,天然核素衰变放出的粒子能量在48MeV。初始速度约在(12)109cm/s。,由于为重粒子，与物质散射作用不明显，在气体中的径迹是直线。,2. 粒子的射程,粒子的射程用平均射程代表；粒子是重粒子，射程涨落小。5MeV 粒子,涨落约1；同一物质中，粒子的射程与初始能量有关，能量大，射程长；4 8MeV粒子在空气中射程可以用经验
11、公式计算：,天然粒子在空气中的射程有表(表2-1)可查。, 粒子的射程 能量在 48 MeV,在空气中的射程 28 cm 在其他物质中的射程 几十微米 测量装置的设计及防护讨论。,射线与物质的相互作用,电离、次级电离（占7080%）激发弹性散射轫致辐射 射程： 粒子的运动轨迹是 折线,快电子（粒子）与物质的相互作用,弹性散射粒子与原子核发生库仑作用，只改变方向，不辐射能量,这种过程称为弹性辐射。,反散射粒子在物质中经过多次散射，其最后的散射角可以大于90，这种散射成为反散射。,弹性辐射,反散射,韧致辐射,高速运动的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。
12、此称韧致辐射。,轫致辐射放出的电磁辐射是连续能量的X射线。,原子核,使用辐射损耗率描述在单位距离上轫致辐射的能量损耗。,P.53,粒子在物质中的衰减 近似按指数规律衰减。,粒子在物质中的衰减,P.57,cm = (g/cm2) / (g/cm3 ),R 吸收厚度(单位)：cm，g/cm2,射线的射程,半吸收厚度：粒子在物质中衰减1半所经过的厚度。,射程：粒子经过10倍半吸收厚度，剩余1/1024。小 于1/1000，故将10倍半吸收厚度定义为粒子的射程。,即：某一能量的 粒子通过物质，几乎全部被介质吸收时的厚度，就是粒子的射程。,射程单位：cm，g/cm2, 粒子在物质中的射程可按下列经验公示
13、计算：,P.57,当E00.8MeV,当0.15MeVE00.8MeV,R (单位)：g/cm2（面密度）E (单位)：MeV,实验测定岩石、矿石中的射线射程见p.57,表2-5,天然放射性核素中的 射线最大能量及其分布。在岩矿石中的最大射程。表中最大射程单位是：g/cm2,当使用cm表示 射线的射程时：在空气（密度1.201.25kg/m3）中约为：1200cm；在金属铝（密度2.70g/cm3）中约为：0.6cm；在混凝土（密度2.202.5g/cm3)中约为：0.7cm在岩矿粉末（密度约1.54g/cm3）中约为：1.0cm；在干沙子（密度约1.50g/cm3）中约为：1.03 cm,2
14、. 放射层中 射线的自吸收,P.58,光电效应康普顿-吴有训效应形成电子对效应, 射线与物质相互作用,两步过程,三种作用效应 光电效应 康普顿效应 电子对效应 产生次级电子,电离效应次级电子使物质原子电离,射线,第 1 步初级作用,第 2 步次级作用,射线对物质产生电离作用的过程：,定义：,当射线与物质原子中的束缚电子作用时,将全部能量转移给某个束缚电子,使之发射出去,成为光电子，而射线本身被完全吸收,这种过程称为光电效应 。,光电效应,光电效应,1）作用机制,光子同(整个)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,成为自由电子，光子本身消失了。 + A
15、A* + e- （光电子） 原子 A + 特征X 射线,入射光子的能量必须大于壳层电子结合能，才能发生光电效应。光子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。K层电子发生光电效应几率最大、L层次之、M层更小。实际上，80的光电效应发生在与K层电子的作用上。光电效应伴随着特征X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。,2）特点,P.60,光电效应,外层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，其能量等于两个电子壳层的结合能之差。,特征X射线产生的原理：,电子跃迁过程中释放的电磁辐射是一种X
16、射线。由于其能量取决于原子的结构，故对每一种元素来说，都是特征的，故称其为“特征X射线”。,处于激发态的靶原子可以通过两种方式退激：（1）,壳层电子在跃迁过程中不发射特征X射线，而是将激发能转移给一外壳层电子，使它从原子中发射出来。,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：（2）,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,3）光电子的能量,光电效应,P.60,Ee：光电子的动能；h：入射射线能量；j：j壳层电子的电离能。,4）光电效应截面,光电效应截面与入射光子能量、核靶物质原子序数有关。,光电效应,P.61,原子的光电截面：一个入射光子与单位
17、面积上一个靶原子发生光电效应的几率。,a：原子光电效应吸收截面；即原子与入射光子发生光电效应的几率；K：射线在K层产生光电效应的几率。, K ： 入射光子在K层光电效应的几率m0C2：电子静止时的能量=0.51MeV,式中n在2.24间选择,不同入射射线能量时的光电效应截面经验计算公式：,光电效应,当靶物质为复杂物质时，式中Z应为有效原子序数。, 与 轨道电子 光电子 消失 特征 X 射线 K 层 几率最大,光电子能量：,式中：E 光电子的动能，h 入射光子的能量；k 层电子的电离能,（复习）,光电效应,康普顿散射,当光子与原子的核外电子发生弹性碰撞时,光子的一部分能量转移给电子,使它脱离原子
18、成分反冲电子,而散射光子的能量和运动方向都发生变化，这一过程称为康普顿效应 。,定义,康普顿散射,2）能量分配与散射角的关系,hv入射光子的能量. hv 散射光子的能量. Ee反冲电子的动能.V光子的速度.散射光子的散射角.反冲电子的反冲角.,与核外电子发生作用. 非弹性碰撞, 光子损失部分能量. 作用后, 光子运动方向改变. 形成反冲电子.,P.64,1）基本特征,光子与原子的外层电子发生碰撞，一部分能量传给电子使它脱离原子射出而成为“反冲电子”，同时光子损失能量并改变方向成为“散射光子”。,康普顿效应与光电效应的不同之处主要有两点，一是康普顿效应中反冲电子只获得光子一部分能量，并且作用完后
19、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。,3）与光电效应的区别,康普顿散射,设入射光子能量h ，动量为h/c。散射光子能量为h，动量为h /c。反冲电子的动能为Ee ，反冲电子的动量为P。散射角，反冲角。则有下列关系式成立：,4）康普顿散射射线能量,康普顿散射,核辐射测量原理P.78,在不同的散射角方向上，散射光子数为：,单位立体角的微分截面可以按下式计算,式中，r0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0 =h/ m0C2,5）康普顿散射光子的角分布,康普顿散射,180o反散射光子的能量h是
20、最小的，此时：,不同入射光子能量h 所产生的 180o反散射光子的能量h 均在200keV左右。,MeV,6）康普顿散射的反散射光子,入射光子与原子的康普顿效应总截面c等于它与各个电子的康普顿效应截面ce之和：,7）康普顿散射效应截面,由量子力学可以导出整个原子的康普顿效应截面公式：,h m0c2,核辐射测量原理P.81,当光子从原子核旁经过时,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,这种过程称为电子对效应。,（1）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 形成电子对,定义,（2）产生条件 必要条件: hv 2m0C2 = 1.02 Me
21、V. m0C2电子静止时的能量=0.51MeV. 必须有第三者(原子核)参加.,（3）电子对的动能,Ee+ + Ee- = hv 1.02.,形成电子对,（4）电子对的湮没 正电子与负电子不同，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，将与电子结合，通常转化为两个能量为0.51MeV且方向相反的光子。这种现象称为电子对湮没。放出的光子叫做湮没辐射.,形成电子对,（5）电子对效应截面 对于各种原子的电子对效应，可由理论计算得到其反应截面p是入射光子能量和吸收物质原子序数的函数：,形成电子对,当 h稍大于 2m0c2,当 h 2m0c2,核辐射测量原理P.84,
22、放射性勘探方法P.58,电子对效应截面,(1) 当h稍大于2m0c2时，有：,当h稍大于2m0c2时，随入射射线能量的增加，电子对截面将迅速增加。,(2) 当h 2m0c2时，有：,当h远大于2m0c2时，随入射射线能量的增加，电子对截面的增加速度变缓慢。,结论：不论h为多少，电子对截面都正比于原子序数的平方。,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,射线与物质相互作用时，三种效应比较概念图,占优表示：作用几率大于总几率50区域,1、放射性物质的重量、含量单位2 、放射性测量常用物理量和单位,（三）放射性测量常用单位,1、放射性物质的重量、含量单位,放射性物质的重量 单位：千克,
23、千克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们的量呢？ 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。,固体物质中放射性物质的含量,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,液体或气体
24、物质中放射性核素的含量,克/升g/L, mg/L,Bg/L, Bg/m3,1 Bg/L = 1000Bg/m3,1g/L = 1000mg/L,Ci/L, Ci/m3,1 Ci/L = 1000Ci/m3 =3.71010Bg/L,爱曼（em），1em = 10-10Ci/L = 3.7 Bg/L = 3700Bg/m3,（1）放射性活度（2）照射量 X （3）照射量率（4）吸收剂量 D（5）吸收剂量率（6）当量剂量 H,（7）比释动能 K（8）粒子注量与粒子注量率（9）能注量与能注量率,2 、放射性测量常用物理量和单位,放射性活度（A）A=dN/dt 国际单位(SI)为贝可勒尔，简称贝可(B
25、q) 曾用单位：居里（Ci） 1Ci = 3.71010Bq = 3.71010核衰变/秒。,（1）放射性活度,照射量 X 表示 X 或 射线在空气中产生电离能力大小的辐射量。,法定单位：库仑每千克（C/kg）曾用单位：伦琴（R）,1C/kg = 3.877103R,1R = 2.5810-4C/kg = 0.258 mC/kg,（2）照射量,照射量率法定单位：单位时间内的照射量。（C/kgs） 曾用单位：微伦琴每小时(R/h), 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X射线或射线在空气中的辐射场性质，仅适用
26、于X射线或射线 。,1= 7.17*10-14C/kg.s,1R/h = 106 = 7.17*10-8C/kg.s,（3）照射量率,吸收剂量（D）表示单位质量受照物质中吸收的平均辐射能量。,式中：dE 是电离辐射（包括X、中子等各种辐射）给予质量为dm 的物质的平均授予能量。或单位质量的某物质所吸收的平均能量。,（4）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：戈瑞（Gy）,焦耳每千克 1 Gy = 1 J/kg， 1 n Gy = 10-9 Gy 曾用单位：拉德 （red）1 red = 10-2 Gy = 0.01Gy = 10mGy1
27、Gy = 100 red 1 毫拉德 = 10 微戈瑞 证：1red=103mred=10-2Gy = 10-2106Gy; 1mred=10Gy,吸收剂量率：表示单位时间的吸收剂量（Gy/S）,吸收剂量率,吸收剂量率单位是： Jkg-1.s-1,（5）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，衡量的指标是被照射物质所吸收的辐射能量。 照射量：只适用于X射线及射线，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X射线或射线通过该体积的空气时所放出的能量，是
28、辐射场的量度。 空气辐射场的X或射线，可通过下式将照射量换算为吸收剂量D：D = 33.84 X式中，D的单位为Gy（Jkg-1）；X 为照射量，单位为Ckg-1； 33.84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：1D(Gy)=8.69 10-3X(R)1Gy/h =86.9 1 0.01150748Gy/h 11.50748nGy/h,H(当量剂量)=D(吸收剂量)QN,（6）当量剂量（H）,法定单位 : 戈瑞（Gy） 希沃特（Sv）曾用单位： 拉德（rad） 雷姆 ( rem ),比释动能（ K ）,不带电粒子将能量授与物质的过程可以分成两个
29、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，带电粒子通过电离、激发，把从不带电粒子那里得来的能量授于物质。,吸收剂量,比释动能,（7）比释动能（ K ）,比释动能（ K ）,式中， 是不带电粒子在质量 dm 的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。 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。,比释动能（ K ）,单位：J/Kg 或 Gy（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何物质。 它也是一个与无限小体积相联系的
30、辐射量。在受照物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释动能相联系的物质和该物质的部位。,D、K 和 X 的区别,D、K 和 X 的区别（参考）,条件：带电粒子平衡 & 轫致辐射效应忽略 & 低能X或射线,若满足：,则：比释动能=吸收剂量D = K,若为高能X或射线，由于次级带电粒子是电子，有一部分能量在物质中转变为轫致辐射而离开所关心的那个体积元，故 kD。,则：,g 为次级电子慢化过程中，能量损失于轫致辐射的能量份额。,核辐射测量原理p.37,粒子注量,ICRU(国际辐射剂量与测量委员会)引入了一般性概念：辐射场中某一点的粒子注量是以进入该点为球
31、心、截面积为da的小球体内的粒子数dN与该截面积da之商。,式中，粒子注量的单位为m-2；小球体内的截面积da的单位为m2。,（8）粒子注量与粒子注量率,核辐射测量原理p.37,粒子注量率,粒子注量率是单位时间内的粒子注量，简称注量率，其定义式为：,式中，d表示在时间间隔dt内的粒子注量的增量，则注量率表示单位时间进入单位截面积的小球体内的粒子数，注量率的单位为m -2 s-1。,能注量,能量注量是根据入射粒子的能量大小来描述辐射场性质的物理量，即表示进入单位截面积的小球体内的所有粒子能量之和(扣除静止能量)，简称为能注量，其定义式为：,式中，dER为进入截面积为da的小球体内的所有粒子能量之
32、和(扣除静止能量)，单位为J；能注量的单位为J m-2。,核辐射测量原理p.38,（9）能注量与能注量率,能注量率,能量注量率是描述单位时间进入单位截面积的小球体内所有粒子能量之和，简称为能注量率，其定义式为：,式中，d表示在时间间隔dt内进入截面积为da的球体内的所有粒子能量之和，即在时间间隔dt内的能注量的增量；能注量率的单位为J m -2 s-1。,能注量率与注量率的关系,当粒子能量为单一能量E 时，能注量率与注量率的关系为：,核辐射测量原理p.38,（一）核仪器的主要功能（二）核仪器的基本构成（三）核仪器的设计原则,二、核仪器设计基础,（一）核仪器的主要功能,发现肉眼难以（或不能）观察
33、到的放射性射线。将放射性射线的物理信号转换为电信号（电荷量、电流量、电压量、电脉冲数）。区分射线的种类，测量和记录射线的数量，计算放射性射线的强弱，确定放射性核素的量（含量或活度、照射量、剂量）。区分射线的能量，测量和记录射线的能量谱线，分析特征谱峰的能量，确定放射性核素的性质（核素的种类）,（二）核仪器的基本构成,核探测器,电子记录系统,核探测器,核电子学电路,电子记录显示器,（三）核仪器的设计原则,根据任务和目标，展开调研，查阅资料，确定核仪器的功能和技术指标，制定设计方案，编写设计说明书。根据核仪器的功能和技术指标，选购核辐射探测器。设计整机结构，绘制机械装配图，加工核仪器整机结构。设计电路原理图。选购电子元器件。设计PCB电路板图，加工作电路板。制作单元电路和部件，调试单元部件。整机装配，连接调试。整机性能测试，编写测试报告。编写核仪器使用说明书。,第一章 核 仪器设计基础知识,92,谢谢同学们在课堂上的合作！请继续下面章节的学习。,
