西南科技大学2011-2012-1学期
《原子核物理及辐射探测学》本科期末考试试卷(A 卷)
一．填空题（每空1分，共30分）
1.1896年，贝克勒尔发现了铀的放射性，这是人类第一次在实验室里观察到原子核现象。他发现用黑纸包得很好的铀盐仍可以使照相底片感光，实验结果说明铀盐可以放射出能透过黑纸的射线。通常人们把这一重大发现看成是核科学的开端。
2.原子光谱的精细结构是由于电子自旋而产生的，超精细的结构是由于核自旋而产生的。
3.大多数原子核的形状是偏离球形不大的轴对称椭球，这一点由原子核具有电四极矩得到证明。
4.宇称是微观物理领域中特有的概念，它描写微观体系状态波函数的一种空间反演性质。
5.核的磁矩比原子中的电子磁矩要小得多，因此超精细谱线的间距比精细谱线间距小得多。
6.核力的主要性质是核力是短程强作用力、核力与电荷无关、核力具有饱和性、核力在极短程内有排斥芯。
7.32S 核的自旋是整数（整数或半整数），它是波色子（波色子或费米子）。 提示：偶偶核（A =16,Z =32）自旋为0，为波色子。
8.放射性衰变服从指数衰减基本规律。
9.地壳中存在的一些重放射性核素形成钍系、铀系、铀—锕系三个天然放射系。
10.衰变常数λ的物理意义是单位时间内一个原子核发生衰变的概率。
11.1 MeV 质子在某介质中的阻止本领比2 MeV 氘在同种介质中的阻止本领相同（大、小或相同）。
提示：利用Bethe 公式，E 与22
v
Z 成正比。 12. γ射线与物质相互作用主要有三种机制光电效应、康普顿效应、电子对效应。
13.电子与物质作用时，随着电子能量的增大，辐射能量损失所占的比例逐渐增大。
14.Ge 75
32进行-
β衰变，始态和末态的自旋和宇称分别为=21和=23，该衰变级次为允许跃迁。
提示：利用自旋12
321-=-=
?I ，宇称1)1()1(π=-?-=?判断为允许跃迁。 15.列举可作为核燃料的易裂变核素233U 、235U 、239Pu 。
16.核反应O p),N(α17814
7，N 147核和α粒子两者对心碰撞，角动量分别为1和0；反
应产物O 17
8核和质子的角动量分别为5/2和1/2。试问O 178核与质子间的轨道
角动量l 的可能取值1,2,3或2,3,4。（根据角动量守恒）
17.复合核的激发能*E 由两部分组成，一部分是入射粒子的相对运动动能T ’，另
一部分是入射粒子与靶核的结合能B av 。
18.核反应截面的物理意义是一个入射粒子入射到单位面积内只有一个原子核的靶上发生核反应的概率。
19. β衰变放出的β射线的能谱是连续的，发出的电子的动能具有从零到某一最
大值之间的任意数值，与α粒子的分立、不连续能谱形成明显对照。
二．填空题（每空2分，共22分）
1.有机闪烁体蒽的发光常数为30ns ，则闪烁体被激发后发射其总光产额90%的光
子所需要的时间是69.07 ns 。
解析：X t ln τ-=，其中X 为剩下光子的百分比（本题为0.1）。
2.光电倍增第一打拿极的倍增因子为20，第2~20个打拿极的倍增因子为4，打
拿极间电子传输效率为0.8，则光电倍增管的倍增系数为101092.7?。
解析：11)(-?=n g M δδ。
3.放射源发出射线的时间间隔服从指数分布。
4.电离电子在气体中的运动主要包括漂移、扩散和复合。
5.坪特性曲线是描述探测器的计数率与工作电压之间变化关系的曲线。
6.射线在G-M 计数器灵敏体积内分别产生1对和10对电子-离子对时，输出信号
的幅度之比是1:1。
解析：G-M 计数器输出信号的幅度与入射粒子性质（种类、能量）无关。
7.气体放大倍数指的是正比计数器中，对直接电离效应放大的倍数称为气体放大倍数。
8.对于一个由中等大小闪烁体晶体构成的闪烁谱仪，若入射γ光子束能量为 2.5
MeV ，则双逃逸峰对应的能量1.478 MeV ，康普顿边缘对应的能量为2.268 MeV 。
解析：双逃逸峰能量：478.1022.15.222γ=-=-c m E e MeV
康普顿边缘对应的能量：268.25
511.015.221γ2
γ
=+=+E c m E e MeV
三．解答题（每空4分，共20分）
1.什么是时滞、时间分辨本领？
2.简述高纯锗探测器的结构和工作原理，和PN 结探测器相比它有什么优点？
3.有机闪烁体进行中子探测的基本原理是什么？
4.什么是离子反馈？对于正比计数器或G-M 计数器，如何消除离子反馈？
5.PN 结探测器在工作状态下的反向电流主要包括哪些？
四．计算题（共28分）
1.标准状态下的0.64cm 3的氚气（H 2）样品，热辐射率为0.2 J/h ，试求粒子的平均能量βE 和最大能量E m ，（已知氚的半衰期为1
2.33a ），请写出衰变式。（10分） 解析：氚气（双原子分子摩尔数乘2）含有的原子个数为：
19
233
1044.31002.64.221064.02?=????==-A m N V V N 放射性活度：1019
2/11013.63600
2436533.121044.3693.02ln ?=?????===N T N A λ Bq 平均能量：664.5keV 10
6.11013.6136002.0/1610=????==-A P E β keV 最大能量：19)3,2()3,1(=?-?=m E keV
2.试求O p),N(17814
7α核反应的反应能Q 和阈能E th 。(10分)
解析：核反应方程为：O p N 17814
7+→+α
反应能：191.1)17,8()1,1()4,2()14,7(-=?-?-?+?=Q MeV(Q<0，放热反应，存在阈能) 阈能：531.1191.114
414A A A N αN th =?+=+=Q E MeV 3.能量为 1 GeV 的质子垂直射入灵敏区厚度为20mm 的平板电离室，若质子在电离室工作气体中的平均能量损失率为 6 keV/cm ，工作气体的平均电离能为30 eV ，工作气体的法诺因子为0.4，试计算质子产生的电子-离子对的平均个数及其相对均方根涨落。（8分）
解析：电子-离子对的平均个数：40030
21063=??=?==W d E W E N l 相对均方根涨落：0316.0400
4.0==?==d E FW N F l ν
一.选择题: 1、写出放射性原子核衰变时所服从的泊松分布和高斯分布表达式。 答： m n e n m n P- = ! ) ( 2 2 2 ) ( 2 1 ) (σ σ π m n e n P - - = 。 2、描述探测器分辨时间的模型如下图所示，请给出这两个模型对测量计数的修正公式。 解：真实计数率为n, 探测器测得的计数率 m, 探测器分辨时间为τ 3、用正比计数管测量辐射如示意图，画出测得的微分能谱 解： τ m m n - = 1 τn ne m- = 非时滞延迟模型 时滞延迟模型
4、电离室中存在的负电性气体分子会： （1）捕获电子形成负离子，减小复合损失； （2）捕获离子，形成负离子，增加复合损失； （3）捕获电子形成负离子，增加复合损失； （4）捕获离子，形成负离子，增加复合损失 （ ） 5、减小由于负离子的形成而造成的复合损失的措施 （1）增加工作气体的压力； （2）减小工作电压； （3）纯化气体，添加少量双原子气体； （4）减小电子的漂移速度 （ ） 6、电离室输出的脉冲信号是由 （1）电极完全收集电子和离子后形成的； （2）电极收集电子和离子过程中，电极上感生电荷的变化形成的； （3）收集快电子形成的； （4）收集慢离子形成的 （ ） 7. 什么原因造成电离室在饱和区内电流仍随电压升高而增大？ （1）电压升高时，电极边缘的电场增强，使实际的灵敏体积扩大 （2）由于负电性气体杂质的存在，消除负离子和正离子复合需要更强的电场。 8. 电离室测量辐射时，输出的电流或电压信号，试分析他们的成份，并画出随时间变化规律的示意图。 电离室的电流或电压信号是由电子和离子的定向漂移，在电极上感生电荷的变化形成的，其主要成分为，电子脉冲和离子脉冲， 其变化规律如图发射的光子， 分析气体探测器中的电压信号的成分，并给出信号随时间变化的关系和变化曲线示意图。 答：主要有电子和离子的漂移感生的两种信号构成： 其变化如图所示 0000 000 ()() 3.13()(3.13)(3.13) C x e V t W W t t a C d W x d x e W t x t b C d W W d x e t c C W +-- +-+ + = +< -=+≤≤-== 当（） 当当
第一章 原子核的基本性质 1-1 当电子的速度为18105.2-?ms 时，它的动能和总能量各为多少？ 1-2 将α粒子的速度加速至光速的0.95时，α粒子的质量为多少？ 1-5 已知()()92,23847.309,92,23950.574MeV MeV ?=?= ()()92,23540.921,92,23642.446MeV MeV ?=?= 试计算239U ，236U 最后一个中子的结合能。 1-8 利用结合能半经验公式，计算U U 239236,最后一个中子的结合能，并与1－5式的结果进行比较。 第二章 原子核的放射性 2.1经多少半衰期以后，放射性核素的活度可以减少至原来的3%,1%,0.5%,0.01%? 2.7 人体内含%18的C 和%2.0%的K 。已知天然条件下C C 1214与的原子数之比为12102.1，C 14的573021=T 年；K 40的天然丰度为%0118.0，其半衰期a T 911026.1?=。求体重为Kg 75的人体内的总放射性活度。 2-8 已知Sr 90按下式衰变： Zr Y Sr h a 90 64,901.28,90??→????→?--ββ(稳定) 试计算纯Sr 90放置多常时间，其放射性活度刚好与Y 90的相等。 2-11 31000 cm 海水含有g 4.0K 和g 6108.1-?U 。假定后者与其子体达平衡，试计算31000 cm 海水的放射性活度。 第三章 原子核的衰变 3.1 实验测得 Ra 226 的α能谱精细结构由()%95785.41MeV T =α和()%5602.42 MeV T =α两种α粒子组成，试计算如下内容并作出Ra 226衰变网图（简图） （1）子体Rn 222核的反冲能； （2）Ra 226的衰变能； （3）激发态Rn 222发射的γ光子的能量。 3.2 比较下列核衰变过程的衰变能和库仑位垒高度： Th He U 2304234+→； Rn C U 22212234+→； Po O U 21816234+→。
第七章作业答案 1.设测量样品的平均计数率是5计数/s,使用泊松分布公式确定在任1s 内得到计数小于或等于2个的概率。 解： 5152 5(,)!5(0;5)0.00670!5(0;5)0.03371! 5(0;5)0.08422! N N r r r r N P N N e N P e P e P e ----=?=?==?==?= 在1秒内小于或等于2的概率为： (0;5)(1;5)(2;5)0.00670.03370.08420.1246r r r P P P ++=++= 2.若某时间内的真计数值是100，求得到计数为104的概率。 解： 高斯概率密度函数为： 2 22220.012102()2(100104)4(;,)100,10 104 (104;100;10)0.0145 N N P N N e N N P e e σσσ?-----======== 5.本底计数率n b =15计数/min,测量样品计数率n 0=60计数/min,试求对给定的测 量时间t b +t s 来说净计数率精确度最高时的最优比值t b /t s ;若净计数率的误差为 5％，t b 和t s 的最小值是多少？ 解： 2:2:1 s b s b t t t t ==== 若要使净计数率的误差为5％ 1122222211222222()60(6015)17.778().(6015).(5%) ()15(6015)8.889().(6015).(5%)s s s s b s s b n b s b b s b n n n n t n n n n n t n n δδ+?+?===--+?+?= ==-- 6.为了探测α粒子，有两种探测器可以选择，一种的本底为7计数/min,效率为0.02;另一种的本底为3计数/min,效率为0.016,对于低水平测量工作，应选用
X X X X X X 2007 –2008 学年度第2学期 核辐射探测 课程试卷(A 卷、05级反应堆工程、生物医学工程专业) 考试日期：2008年6月13日 考试类别：考试 考试时间：120分钟 题号 一 二 三 四 五 …… 总分 得分 一、简答题：（共 35 分） 1．带电粒子与物质发生相互作用有哪几种方式？（5分） 与原子核弹性碰撞；（核阻止）（1分） 与原子核的非弹性碰撞；（轫致辐射）（1分） 与核外电子弹性碰撞； （1分） 与核外电子的非弹性碰撞；（电离和激发）（1分） 正电子湮灭；（1分） 2．气体探测器两端收集到的离子对数和两端外加电压存在一定的关系。具体如下图所示。（5分） 填空: Ⅰ 复合区（1分）Ⅱ饱和区（电离室区）（1分）Ⅲ 正比（计数）区（1分） Ⅳ 有限正比区 （1分）Ⅴ G-M 区 （1分） 注：1）有限区的0.5分 3．通用闪烁体探头的组成部件有那些？为什么要进行避光处理？（5分） 答案要点1）闪烁体（1分）、光学收集系统（1分）（硅油和反射层）、光电倍增管（1分）、 2）光电倍增管的光阴极（1分）具有可见光光敏性（1分），保护光电倍增管。 4．PN 结型半导体探测器为什么要接电荷灵敏前置放大器？（5分） 答：由于输出电压脉冲幅度h 与结电容Cd 有关（1分），而结电容 随偏压（2分）而变化，因此当所加偏压不稳定时，将会使h 发生附加的涨落，不利于能谱的测量；为解决该矛盾，PN 结半导体探测器通常不用电压型或电流型前置放大器，而是采用电荷灵敏前置放大器。电荷灵敏放大器的输入电容极大，可以保证 C 入 >> Cd ，（2分）而 C 入是十分稳定的，从而大大减小了Cd 变化的影响。可以保证输出脉冲幅度不受偏压变化的 得分 阅卷人 学院 专业 考号 姓名 ………………………………………线………………………………………订………………………………………装……………………………………… 0/1V C d
西南科技大学2010-2011-1学期 《核辐射探测学》本科期末考试试卷(B卷) 课程代码 2 4 3 1 4 0 9 8 0 命题单位国防科技学院辐射防护与环境工程教研室 一．填空题（每空2分，共30分） 1.带电粒子的射程是指__________________，重带电粒子的射程与其路程_________。 2.根据Bethe公式，速度相同的质子和氘核入射到靶物质中后，它们的能量损失率之比是 _________ 3.能量为2.5 MeV的γ光子与介质原子发生康普顿散射，反冲电子的能量范围为_________， 反冲角的变化范围是_________。 4.无机闪烁体NaI的发光时间常数是430 ns，则闪烁体被激发后发射其总光子数目90%的光 子所需要的时间是_________。 5.光电倍增管第一打拿极的倍增因子是20，第2~20个打拿极的倍增因子是4，打拿极间电 子传输效率为0.8，则光电倍增管的倍增系数为_________。 6.半导体探测器中，γ射线谱中全能峰的最大计数率同康普顿峰的最大计数率之比叫做____。 7.电离电子在气体中的运动主要包括_________、_________、_________。 8.探测效率是指___________与进入探测器的总的射线个数的比值。 9.若能量为2 keV的质子和能量为4 keV的α粒子将能量全部沉积在G-M计数器的灵敏体积 内，计数器输出信号的幅度之比是_________。 10.当PN结探测率的工作电压升高时，探测器的结电容_________，反向电流_________。 二．名词解释（每题4分，共16分） 1.湮没辐射 2.量子效率 3.电子脉冲电离室 4.分辨时间 三．简答题（每题8分，共32分） 1.电离室的工作机制？屏栅电离室相比一般的平板电离室有什么优点？ 2.有机闪烁体中“移波剂”、无机闪烁体中“激活剂”，他们的作用分别是什么？ 3.简述PIN结探测器的结构和工作原理，和PN结探测器相比它有什么优点？ 4.气体探测器、闪烁探测器、半导体探测器各有什么优点？用于α粒子探测的主要是哪类探 测器，为什么？ 四．计算题（共22分）
核技术 核探测复习材料 一、简答题： 1．γ射线与物质发生相互作用有哪几种方式？（ 5分） 答：γ射线与物质发生相互作用（1）光电效应 （2）康普顿效应（得2分）（3）电子对效应（得2分） 2．典型的气体探测器有哪几种？各自输出的最大脉冲幅度有何特点，试用公式表示。（5分） 答：典型的气体探测器有（1）电离室（得1分）（2）正比计数管（得1分）（3）G-M 计数管（得1分） 脉冲幅度：（1）电离室：C e w E v = （得1分）（2）正比计数管：C e w E M v ?= （得0.5分）（3）G-M 计数管 最大脉冲幅度一样（得0.5分） 3．简述闪烁体探测器探测γ射线的基本原理。（5分） 答：γ射线的基本原理通过光电效应 、 康普顿效应和电子对效应产生次级电子（得1分），次级电子是使闪烁体激发（得1分），闪烁体退激发出荧光（得1分），荧光光子达到光电倍增管光阴极通过光电效应产生光电子（得1分），光电子通过光电倍增管各倍增极倍增最后全部被阳极收集到（得1分），这就是烁体探测器探测γ射线的基本原理。 注：按步骤给分。 4．常用半导体探测器分为哪几类？半导体探测器典型优点是什么？（5分） 答：常用半导体探测器分为(1) P-N 结型半导体探测器（1分）(2) 锂漂移型半导体探测器；（1分）(3) 高纯锗半导体探测器；（1分） 半导体探测器典型优点是(1) 能量分辨率最佳；（1分）(2)射线探测效率较高，可与闪烁探测器相比。（1分） 5．屏蔽β射线时为什么不宜选用重材料？（5分） 答：β射线与物质相互作用损失能量除了要考虑电离损失，还要考虑辐射损失（1分），辐 射能量损失率 2 22NZ m E z dx dE S rad rad ∝??? ??-= 与物质的原子Z 2成正比（2分），选用重材料 后，辐射能量损失率必然变大，产生更加难以防护的x 射线（2分）。故不宜选用重材料。 注：按步骤给分。 6．中子按能量可分为哪几类？中子与物质发生相互作用有哪几种方式。（5分） 答案要点：第1问：快中子、热中子、超热中子、慢中子 答对3个以上得1分 第2问：中子的弹性和非弹性散射（1分）、中子的辐射俘获（1分）、中子核反应（1分）、中子裂变反应（1分） 二、证明题：（共10分） 1． （5分）试证明γ光子只有在原子核或电子附近，即存在第三者的情况下才能发生电 子对效应，而在真空中是不可能的。 答： 答：对γ光子能量 νγh E =；（1分）动量c h P ν γ=。（1分） 由能量守恒，有
核辐射物理与探测学复习 注：本提纲中的问题覆盖范围并不完备，因此不能完全替代书本复习，仅作参考之用！ 一、关于载流子 1) 无论是气体探测器，还是闪烁、半导体探测器，其探测射线的本质都是将射线沉积在探 测器灵敏体积内的能量转换为载流子。这三种探测器具有不同的载流子，分别是：气体（），闪烁体（），半导体（）； 答： 气体：电子－离子对； 闪烁体：第一个打拿极收集到的光电子； 半导体：电子－空穴对； 2) 在这个转换过程中，每产生一个载流子都要消耗一定的能量，称之为（），对于三种探测 器来说，这个能量是不同的，分别大概是多少？气体（），闪烁体（），半导体（）。这个能量是大些好，还是小些好？为什么？ 答： 平均电离能；30eV，300eV，3eV； 这个能量越小越好，因为平均电离能越小，产生的载流子就越多，而载流子的数目服从法诺分布，载流子越多则其数目的相对涨落越小，这会导致更好的能量分辨率； 3) 在这个转换过程中，射线沉积在探测器中的能量是一个（）变量，而载流子的数目是一 个（）变量，载流子的数目是不确定的，它服从（）分布，该分布的因子越是大些好，还是小些好？为什么？ 答：连续型变量；离散型变量；法诺分布；法诺因子越小越好，小的法诺因子意味着小的统计涨落，导致好的能量分辨率； 二、关于探测效率 1) 对于不带电的粒子（如γ、中子），在探测器将射线沉积在其灵敏体积中的能量转换为载 流子之前，还需要经历一个过程，如果没有该过程，则探测器无法感知射线。以γ射线为例，这个过程都包含哪些反应（）？这个过程的产物是什么（）？对于1个1MeV的入射γ射线，请随便给出一个可能的该产物能量（）？ 答： 对于γ射线，这些反应包括光电效应、康普顿散射以及电子对效应（如果γ射线的能量>1.022MeV）； 这些反应的产物都是次级电子； 对于1个1MeV的γ射线，次级电子的能量可以是几十keV～几百keV，也可以是接近1MeV； 2) 这个过程发生将主要地决定探测器的探测效率，那么影响探测效率（本征）的因素都有 哪些（）？在选择探测器的时候，为了得到高的探测效率（本征），应该做什么考虑（）？
核数据处理理论知识 核辐射测量数据特征：随机性（被测对象测量过程）局限性混合型空间性 数据分类：测量型计数型级序型状态型名义型 精度：精密度正确度准确度 统计误差：核辐射测量中，待测物理量本身就是一个随机变量。准确值为无限次测量的平均值， 实际测量为有限次，把样本的平均值作为真平均值，因此存在误差。 变量分类：（原始组合变换）变量 误差来源：（设备方法人员环境被测对象）误差 误差分类：系统误差随机误差统计误差粗大误差 放射性测量统计误差的规律答：各次测量值围绕平均值涨落二项分布泊松分布高斯分布 精度的计算，提高测量精度的方法？答：采用灵敏度高的探测器增加放射源强度增加测量次数延长测量时间减少测量时本底计数 放射性测量中的统计误差与一般测量的误差的异同点？答：不同点：测量对象是随机的，核衰变本身具有统计性，放射性测量数据间相差可能很大。测量过程中存在各种随机因素影响。相同点：测量都存在误差。 样本的集中性统计量？答：算术平均值几何平均值中位数众数（最大频数） 样本的离散性统计量？答：极差方差变异系数或然系数算术平均误差 单变量的线性变换方法？答： 1.标准化变换 2.极差变换 3.均匀化变换 4.均方差变换 单变量的正态化变换方法？答：标准化变化角度变换平方根变换对数变换 数据网格化变换的目的？答： 1.把不规则的网点变为规则网点 2.网格加密 数据网格变换的方法？答： 1.插值法（拉格朗日插值三次样条插值距离导数法方位法） 2.曲面拟合法（趋势面拟合法趋势面和残差叠加法加权最小二乘拟合法） 边界扩充的方法有哪些？答：拉格朗日外推法余弦尖灭法偶开拓法直接扩充法补零法 核数据检验目的： 1.帮助检查测量系统的工作和测量条件是否正常和稳定，判断测量除统计误差外是否存在其它的随机误差或系统误差 2.确定测量数据之间的差异是统计涨落引起的，还是测量对象或条件确实发生了变化引起的 变量选择的数学方法：几何作图法（点聚图数轴）相关法（简单相关系数逐步回归分析秩相关 系数）秩和检验法 谱数据处理—问答题谱的两大特点？答： 1.放射性核素与辐射的能量间存在一一对应关系 2.放射性核素含量和辐射强度成正比 谱光滑的意义是什么？方法有哪些？答：意义 1.由于核衰变及测量的统计性，当计数较小时， 计数的统计涨落比较大，计数最多的一道不一定是高斯分布的期望，真正峰被湮没在统计涨落中2.为了在统计涨落的影响下，能可靠的识别峰的存在，并准确确定峰的位置和能量，从而完成定 性分析，就需要谱光滑 3.由于散射的影响，峰边界受统计涨落较大，需要谱光滑方法算术滑动平均法重心法多项式最小二乘法其他（傅里叶变换法） 寻峰的方法有哪些？答：简单比较法导数法对称零面积变换法二阶插值多项式计算峰位法 重心法拟合二次多项式计算峰位法 峰面积计算的意义和方法？答： 1）峰面积的计算是定量分析的基础。2）知道了特征峰的净峰面积，就可以计算目标元素的含量线性本底法（科沃尔沃森 Sterlinski ）峰面积法单峰曲面拟合法 谱的定性分析、定量分析的内容？答：定性：确定产生放射性的核素或元素定量：峰边界的确定峰面积计算重锋分析含量计算 核辐射测量特点：核辐射是核衰变的产物核辐射的能量具有特征性核素的含量与特征辐射的
《核辐射探测学》研究生课程习题与思考题 第一套 1. 当电子的速度为 2.5×108m/s 时，它的动能和总能量各为多少MeV ？ 2. 已知32P ，14C ，238U 的半衰期分别为14.26d,5370a,4.468×109a ，试求它们的衰变常数（以s -1为单位）。 3.238Pu 的重要用途之一为制造核电池。假定238Pu （1/2T 87.75, 5.4992a E MeV α==）的α衰变能的5%转变为电能，当电池的输出 功率为20W 时，此电池应装多少克238Pu ？ 4. 确定下列核反应中的未知粒子x : (a) 188(,)O d p x ， (b) 8739(,)x p Y α ， (c) 123124 5253(,)Te x d I 。 5. 试计算234U 和241m A 的裂变阈能。 第二套 1. 已知： △（92，238）= 47.307MeV ； △(92,239) = 50.572MeV ； △ ( 92, 235) = 40.916MeV ； △(92,236)= 4 2.442MeV ； 试计算239U,236U 最后一个中子的结合能。 2. 计算下面1.0Ci 的放射源的原子核数？ （a ）18F ； (b)14C ； (c)222Rn ； (d)235U 。 3. 设Bb （A,Z ），Bb （4He ），Bb （A-4，Z-2）分别为母核、α粒子、子核的结合能，试证明 4Bb(A-4,Z-2)+Bb(He)-Bb(A,Z)Q α=。 4. 能量为6MeV 的质子投射到静态的12C 核上，试求质心的运动速度，取质子 的质量为1u 。 5. 设一个聚变堆的功率为100万kW ，以d+T 为燃料，试计算一年要消耗多少 氘？这么大功率的电站，若改用煤作燃料，则每年要消耗多少煤（煤的燃料热约为3.3×710 J/kg ）？ 第三套 1. 当质子在球形核里均匀均匀分布时，原子核的库仑能为： 203(1)54C e Z Z E R π-=ε Z 为核电荷数，R 为核半径，r 0 取1.5×10-15m 。试计算13C 和13N 核的库
西南科技大学 原子核物理与辐射探测学1-10章课后习题答案 第一章 习题答案 1-1 当电子的速度为18105.2-?ms 时，它的动能和总能量各为多少？ 答：总能量 ()MeV ....c v c m mc E e 92400352151101222 2=??? ??-=-==； 动能 ()MeV c v c m T e 413.011122=???? ??????--= 1-2.将α粒子的速度加速至光速的0.95时，α粒子的质量为多少？ 答：α粒子的静止质量 ()()()u M m M m e 0026.44940 .9314,244,224,20=?+=≈-= α粒子的质量 g u m m 23220 10128.28186.1295.010026.41-?==-=-=βα 1-4 kg 1的水从C 00升高到C 0100，质量增加了多少？ 答：kg 1的水从C 00升高到C 0100需做功为 J t cm E 510184.41001184.4?=??=?=?。 () kg c E m 12285 21065.4100.310184.4-?=??=?=? 1-5 已知：()();054325239;050786238239238u .U M u .U M == ()() u .U M ;u .U M 045582236043944235236235==
试计算U-239,U-236最后一个中子的结合能。 答：最后一个中子的结合能 ()()()[]M e V .uc .c ,M m ,M ,B n n 774845126023992238922399222==?-+= ()()()[]MeV .uc .c ,M m ,M ,B n n 54556007027023692235922369222==?-+= 也可用书中的质量剩余()A ,Z ?： ()()()()MeV ....,n ,,B n 806457250071830747239922389223992=-+=?-?+?= ()()()()MeV ....,n ,,B n 545644242071891640236922359223692=-+=?-?+?= 其差别是由于数据的新旧和给出的精度不同而引起的。 1-6当质子在球形核里均匀分布时，原子核的库仑能为 RZZeEc024)1(53πε?= Z 为核电荷数，R 为核半径，0r 取m15105.1?×。试计算C13和N13核的库仑能之差。 答：查表带入公式得ΔΕ=2.935MeV 1-8 利用结合能半经验公式，计算U U 239236,最后一个中子的结合能，并与1－5式的结果进行比较。 答：()P sym C S V B A Z A a A Z a A a A a A Z B +??? ??----=--12 312322, 最后一个中子的结合能 ()()()[]2,1,,c A Z M m A Z M A Z S n n -+-= ()()()()[]()()A Z B A Z B c m Z A ZM m m Z A ZM n n n ,1.1,111,12+--?---+--+= ()()1,,--=A Z B A Z B 对U 236，144,236,92===N A Z 代入结合能半经验公式，得到
1. 小于10-5Ω·cm ；大于1014Ω·cm ；10-2 ～109Ω·cm 。 2. 核辐射粒子射入PN 结区后，通过与半导体的相互作用，损失能量产生电子-空穴对。在 外电场作用下，电子和空穴分别向两极漂移，于是在输出回路中形成信号，当电场足够强时，电子和空穴在结区的复合和俘获可以忽略时，输出信号的幅度与带电粒子在结区消耗的能量成正比。 3. 金硅面垒α半导体探测器；Ge （Li ）探测器；Si （Li ）探测器；HPGe 探测器；HgI 2探 测器；CdTe 探测器；CdSe 探测器。 4. 扩散型；面垒型；离子注入。 5. PN 结加偏压的目的是：使得PN 结的传导电流很小，相当于PN 结二极管加上反向电压 的情况；内部工作机理是相当于加上反向偏压后P 区中空穴从结区被吸引到接触点，相同的是，N 区中的电子也向结区外移动，那么结区宽度就会变宽。 6. 电荷运动的瞬时涨落。 7. 记录到的脉冲数；入射到探测器灵敏体积内的γ光子数。 8. ε源=π4Ω·ε本征 9. 全能峰内的计数；源发射的γ光子数。 10. 前置放大器与探测器的连接方式有交流耦合和直流耦合两种；其中，交流耦合的优点是 探测器和前置放大器的直流工作点互相隔离，设计简单。缺点是由于探测器负载电阻和耦合电容的存在，增加了分布电容，使得噪声增加，能量分辨率变差。直流耦合的特点是消除了耦合电容和负载电阻对地的分布电容，有效地提高信噪比，对低能X 射线的探测尤为重要。 11. 半导体探测器受强辐射照射一段时间以后性能会逐渐变坏，这种效应称为半导体探测器 的辐射损伤效应。辐射损伤是由于入射粒子通过半导体材料撞击原子产生填隙空位对引起的，它在半导体材料中形成的施主、受主、陷阱等可以作为俘获中心，从而降低载流子的寿命，影响载流子的收集，而且使电阻率发生变化，材料性能变化会使探测器性能变坏。 12. 半导体探测器的优点是： A 电离辐射在半导体介质中产生一对电子、空穴所需能量大约比气体中产生一对电子、离子对少一个数量级，因而电荷数的相对统计涨落也就小很多，能量分辨率高； B 带电粒子在半导体中形成电离密度要比在气体中形成高大约3个数量级，因而具有高空间分辨和快时间响应的探测器。 C 测量电离辐射的能量时，线性范围宽。 半导体探测器的缺点是： A 对辐射损伤效应灵敏，受强辐照后性能变差。 B 常用的Ge 探测器，要在低温条件下工作，使用不便，限制了应用范围。
核辐射测量方法 葛良全 周四春 成都理工大学核技术与自化工程学院 2007．8
前言 本讲义旨在缓解我院“核工程与核技术”专业人才培养计划调整后尚无专业教材的状况。主要内容有核辐射测量基础知识、射线与物质相互作用、核辐射测量的单位、核辐射防护知识、γ射线测量方法、β射线测量方法、α射线测量方法、X射线荧光测量方法、核辐射测量统计学与误差预测等。该讲义可作为“核工程与核技术”和“辐射防护与环境保护”专业的核辐射测量方法课程的教材，也可作为“测控技术与仪器”、“勘查技术工程”和“地球化学”（铀矿地质勘探方向）等本科专业的教学参考书，以及“核科学与技术”学科专业研究生教学的参考书。 本讲义相关内容主要从以下几本参考书的有关内容编辑： [1]章晔，华荣洲、石柏慎编著，放射性方法勘查，原子能出版社，1990 [2]葛良全，周四春，赖万昌编著，原位X辐射取样技术，四川科学技 术出版社，1997 [3]格伦敦F 诺尔著（李旭等译），辐射探测与测量，原子能出版社， 1984。 [4]复旦大学、清华大学、北京大学，原子核物理实验方法，北京，原 子能出版社，1985 [5]李星洪等编，辐射防护基础，北京，原子能出版社，1982 [6]吴慧山，核技术勘查，北京，原子能出版社，1998 [7]王韶舜，核与粒子物理实验方法，北京，原子能出版社，1989
1 第1章 放射性方法勘查的基本知识 1.1 原子和原子核 1.1.1 原 子 原子是构成自然界各种元素的最基本单位，由原子核及核外轨道电子(又称束缚 电子或绕行电子)组成。原子的体积很小，直径只有10－ 8cm 左右，原子的质量也很小， 例如氢原子质量为1.67356×10－ 24g ，铀原子的质量为3.951×10-22g 。原子的中心为原子核，它的直径比原子的直径小得多，为n·10-13～n ·10-12(cm)，但它集中了原子的绝大部分质量。例如氢原子由原子核和一个束缚电子组成，其结构示于图1-1，氢核的质量为1.67×10-24g ，而束缚电子的质量仅 为9.1×10-28g ，两者的比值近似为1/1840。对 于原子序数较大的原子，这个比值更小些。例如，铀原子92个绕行电子的总质量和原子核质量之比为1/4717。 原子核带正电荷，束缚电子带负电荷，两者所带的电荷量相等，符号相反，因此原子本身呈中性。当原子吸收外来的能量，使轨道上的电子脱离原子核的吸引而自由运动时，原子便失去电子而呈现电性，成为正离子。 原子中束缚电子按一定的轨道绕原子核运动，相应的原子处于一定的能量状态。对一种原子来说，它的绕行电子的数目和运动轨道都是一定的，因此每一个原子只能处于一定的，不连续的一系列稳定状态中。这一系列稳定状态，可用相应的一组能量W i 表征，W 称为原子的能级。处于稳定状态的原子，不放出能量。当原子由较高能级W 1跃迁到较低的能级W 2时，相应的能量变化△W 即W 1一W 2，以发射光子的形式释放出来，此时光子的能量为： 21W W hv ?= 式中，h ——普朗克常数，等于6.6262×10-34J·s ； v ——光子的频率。 将某种原子发射的各种频率的光子按波长排列起来，便构成了该种原子的发射 图1-1 氢原子核结构示意图 10-13cm 10-8cm
核辐射物理及探测学 辐射的定义（R a d i a t i o n）: 以玻或运动粒子的形式向周围空间或物质发射并在其中传播的能量（如声辐射、热辐射、电磁辐射、α辐射、β辐射、中子辐射等）的统称。 通常论及的“辐射”概念是狭义的，它不包括无线电波和射频波等低能电磁辐射，也不包括声辐射和热辐射，而仅是指高能电磁辐射（光辐射）和粒子辐射。这种狭义的“辐射”又称为“射线”。 按照其来源，辐射（射线）可以分为核辐射、原子辐射、宇宙辐射等，又可分为天然辐射、人工辐射等。 按照其荷电情况和粒子性质，辐射（射线）又可分为：带电粒子辐射，如α、p、D、T、±π、±μ、±e等；中性粒 子，如n、ν、?π等；电磁辐射，如γ射线和X射线等。 课程介绍： 核辐射物理及探测学是工程物理系本科生的一门主干专业基础课。本课程要使学生对于核辐射物理学、辐射探测器的原理、性能和应用以及探测辐射的基本理论与方法具有深入明确的了解，并具有创造性地灵活应用的能力。经过后续实验课的学习，学生在辐射探测实验技术方面将进一步获得充分的训练。 核辐射物理及探测学是一门内容非常丰富与科学实验关系极其密切的课程。核辐射物理涉及原子核的基本性质、各种辐射的产生、特征，辐射与物质的相互作用及微观世界的统计概率特性等，是核科学及核工程的基础。辐射探测学是近百年来核科学工作者在实践中发明、发展的探测器与探测方法的归纳和总结。通过课程学习应当培养学生掌握如何从实际出发分析问题、解决问题，以及如何综合应用基础理论和所学的各种知识的思维方法和能力，本课程中讲授的核辐射物理、辐射探测器与探测方法方面的知识，将为学生将来从事核能与核科学科研、生产、管理等工作打下良好的基础。 本课程主要由三部分组成： （1）核辐射物理学。（第一章～第六章）这既是辐射探测的物理基础，又是其他专业课的基础。 22学时 （2）辐射探侧器件与装置的原理、性能和应用。（第七章～第十章）26学时 （3）探测辐射的理论和方法。（第十一章，第十二章）16学时 教科书：《核辐射物理与探测学》（讲义）陈伯显编著 《致电离辐射探测学》（讲义）安继刚编著 参考书：《原子核物理实验方法》复旦,清华,北大合编出版社：原子能出版社 《辐射探测与测量》(美)格伦F.诺尔著出版社：原子能出版社 《N u c l e a r R a d i a t i o n P h y s i c s》 R a l p h E. L a p p a n d H o w a r d L. A n d r e w s, P r e n t i c e-H e l l, I n c, E n d l e w o o d C l i f f s, N e w J e r s e y, 1997.
《核辐射探测器与核电子学》期末考试复习题 一、填空题（20分，每小题2分） 1．α粒子与物质相互作用的形式主要有以下两种：激发、电离 2．γ射线与物质相互作用的主要形式有以下三种：康普顿散射、光电效应、形成电子对 3．β射线与物质相互作用的主要形式有以下四种：激发、电离、形成离子对、形成电子-空穴对、轫致辐射 4．由NaI(Tl)组成的闪烁计数器，分辨时间约为：几μs；Ｇ-Ｍ计数管的分辨时间大约为：一百μs。 5．电离室、正比计数管、G-M计数管输出的脉冲信号幅度与入射射线的能量成正比。 6．半导体探测器比气体探测器的能量分辨率高，是因为：其体积更小、其密度更大、其电离能更低、其在低温下工作使其性能稳定、气体探测器有放大作用而使其输出的脉冲幅度离散性增大 7．由ZnS(Ag)组成的闪烁计数器，一般用来探测α射线的强度 8．由NaI(Tl)组成的闪烁计数器，一般用来探测γ、X 射线的能量、强度、能量和强度 9．电离室一般用来探测α、β、γ、X、重带电粒子射线的能量、强度、能量和强度。 10．正比计数管一般用来探测β、γ、X 射线的能量 11．Ｇ-Ｍ计数管一般用来探测α、β、γ、X 射线的强度 12．金硅面垒型半导体探测器一般用来探测α射线的能量、强度、能量和强度 13．Si(Li)半导体探测器一般用来探测α、β、γ、X射线的能量、强
度、能量和强度 14．HPGe半导体探测器一般用来探测α、β、γ、X、带电粒子、重带电粒子射线的能量 15．对高能γ射线的探测效率则主要取决于探测器的有效体积 16．对低能γ射线的探测效率则主要取决于“窗”的吸收 17．Ｇ-Ｍ计数管的输出信号幅度与工作电压无关。 18．前置放大器的类型主要分为以下三种：电压型、电流型、电荷灵敏型19．前置放大器的两个主要作用是：提高信-噪比、阻抗匹配。 20．谱仪放大器的两个主要作用是：信号放大、脉冲成形 21．滤波成效电路主要作用是：抑制噪声、改造脉冲波形以满足后续测量电路的要求 22．微分电路主要作用是：使输入信号的宽度变窄和隔离低频信号 23．积分电路主要作用是：使输入信号的上升沿变缓和过滤高频噪声24．单道脉冲幅度分析器作用是：选择幅度在上下甄别阈之间的信号25．多道脉冲幅度分析器的道数（M）指的是：多道道脉冲幅度分析器的分辨率 26．谱仪放大器的线性指标包括：积分非线性INL、微分非线性DNL 二、名词解释及计算题（10分，每小题5分） 1.能量分辨率: 表征γ射线谱仪对能量相近的γ射线分辨本领的参数，可用 全能峰的半高宽度FWHM或相对半高宽度表示 2.探测效率：定义为探测器输出信号数量(脉冲数)与入射到探测器(表面) 的粒子数之比 3.仪器谱：由仪器(探测器)探测(响应)入射射线而输出的脉冲幅度分布图， 是一连续谱
第一章 习题答案 1-1 当电子的速度为18105.2-?ms 时，它的动能和总能量各为多少？ 答：总能量 () MeV ....c v c m m c E e 924003521511012 2 22 =?? ? ??-= -= =； 动能 () MeV c v c m T e 413.0111 2 2=??? ? ? ?? ?? ?--= 1-2.将α粒子的速度加速至光速的0.95时，α粒子的质量为多少？ 答：α粒子的静止质量 ()()()u M m M m e 0026.44940 .9314,244,224,20=?+ =≈-= α粒子的质量 g u m m 232 2 010128.28186.1295.010026.41-?==-= -= βα 1-4 kg 1的水从C 00升高到C 0100，质量增加了多少？ 答：kg 1的水从C 00升高到C 0100需做功为 J t cm E 510184.41001184.4?=??=?=?。 () kg c E m 122 8 5 21065.4100.310184.4-?=??=?=? 1-5 已知：()();054325239;050786238239238u .U M u .U M ==
( )( ) u .U M ;u .U M 045582236043944235236 235 == 试计算U-239,U-236最后一个中子的结合能。 答：最后一个中子的结合能 ()()()[]MeV .uc .c ,M m ,M ,B n n 774845126023992238922399222==?-+= ()()()[]MeV .uc .c ,M m ,M ,B n n 54556007027023692235922369222==?-+= 也可用书中的质量剩余()A ,Z ?： ()()()()MeV ....,n ,,B n 806457250071830747239922389223992=-+=?-?+?=()()()()MeV ....,n ,,B n 545644242071891640236922359223692=-+=?-?+?= 其差别是由于数据的新旧和给出的精度不同而引起的。 1-6 求C 136和N 13 7核库仑能之差。 答：C 136和N 137核库仑能之差为 ()()?? ?????---?=?3 1011220211453A r Z Z Z Z e E C πε () ??? ? ???????-????? =---311512 2 19 131051566710858410602153...π MeV .J .935210696413=?=- 1-8利用结合能半经验公式，计算U U 239236,最后一个中子的结合能，并与1－5式的结果进行比较。 答：()P sym C S V B A Z A a A Z a A a A a A Z B +?? ? ??----=--12 3 123 22, 最后一个中子的结合能 ()()()[]2,1,,c A Z M m A Z M A Z S n n -+-= ()()()()[]()()A Z B A Z B c m Z A ZM m m Z A ZM n n n ,1.1,111,12+--?---+--+= ()()1,,--=A Z B A Z B
辐射探测学复习要点 第一章辐射与物质的相互作用（含中子探测一章） 1.什么是射线？ 由各种放射性核素发射出的、具有特定能量的粒子或光子束流。 2.射线与物质作用的分类有哪些？ 重带电粒子、快电子、电磁辐射（γ射线与X射线）、中子与物质的相互作用 3.电离损失、辐射损失、能量损失率、能量歧离、射程与射程歧离、阻止时 间、反散射、正电子湮没、光子与物质的三种作用 电离损失：对重带电粒子，辐射能量损失率相比小的多，因此重带电粒子的能量损失率就约等于其电离能量损失率。 辐射损失：快电子除电离损失外，辐射损失不可忽略；辐射损失率与带电粒子静止质量m 的平方成反比。所以仅对电子才重点考虑 辐射能量损失率：单位路径上，由于轫致辐射而损失的能量。 能量损失率：指单位路径上引起的能量损失，又称为比能损失或阻止本领。按能量损失作用的不同，能量损失率可分为“电离能量损失率”和“辐射能量损失率” 能量歧离(Energy Straggling)：单能粒子穿过一定厚度的物质后，将不再是单能的（对一组粒子而言），而发生了能量的离散。 电子的射程比路程小得多。 射程：带电粒子在物质中不断的损失能量，待能量耗尽就停留在物质中，它沿初始运动方向所行径的最大距离称作射程，R。实际轨迹叫做路程P。 射程歧离(Range Straggling)：由于带电粒子与物质相互作用是一个随机过程，因而与能量歧离一样，单能粒子的射程也是涨落的，这叫做能量歧离。 能量的损失过程是随机的。 阻止时间：将带电粒子阻止在吸收体内所需要的时间可由射程与平均速度 来估算。与射程成正比，与平均速度成反比。 反散射：由于电子质量小，散射的角度可以很大，多次散射，最后偏离原来的运动方向，电子沿其入射方向发生大角度偏转，称为反散射。 正电子湮没放出光子的过程称为湮没辐射 光子与物质的三种作用：光电效应（吸收）、康普顿效应（散射）、电子对效应（产生） 电离损失、辐射损失：P138 4.中子与物质的相互作用，中子探测的特点、基本方法和基本原理 中子本身不带电，主要是与原子核发生作用，与射线一样，在物质中也不能直接引起电离，主要靠和原子核反应中产生的次级电离粒子而使物质电离。 390 5.Bethe公式应用 对各种带电粒子是有效的，条件是这些粒子的速度保持大于物质原子中电子的轨道运动速度。 重离子治癌，质子刀，“大部分的能量沉积在病灶” Bethe公式是描写电离能量损失率Sion与带电粒子速度v、电荷Z等关系的经典公式。
<<核辐射探测作业答案>> 第一章作业答案 α在铝中的射程 3．从重带电粒子在物质中的射程和在物质中的平均速度公式，估算4MeV 的非相对论α粒子在硅中慢化到速度等于零（假定慢化是匀速的）所需的阻止时间（4MeV α粒子在硅中的射程为17.8㎝）。 解： 依题意慢化是均减速的，有均减速运动公式： 依题已知：17.8s R cm α== 由2 212E E m v v m αααααα = ?= 可得：82.5610t s -=? 这里 27271322 71044 1.6610() 6.646510() 44 1.60101.38910() m u kg kg E MeV J v v m s ααα------==??=?==??==? 4．10MeV 的氘核与10MeV 的电子穿过铅时，它们的辐射损失率之比是多少？ 20MeV 的电子穿过铅时，辐射损失率和电离损失率之比是多少？ 解： 由22rad dE z E dx m ?? ∝ ??? 5．能量为13.7MeV 的α粒子射到铝箔上，试问铝箔的厚度多大时穿过铝箔的α粒子的能量等于7.0MeV? 解： 13.7MeV 的α粒子在铝箔中的射程1R α，7.0MeV α粒子在铝箔中的射程2R α之差即为穿过铝箔的厚度d 由 6．当电子在铝中的辐射损失是全部能量损失的1/4时，试估计电子的动能。27MeV 的电子在铝中的总能量损失率是多少？ 解： 不考虑轨道电子屏蔽时 考虑电子屏蔽时 123122326 3 4(1)1 ()[ln((83))]13718 41314 6.02310277.3107.9510[((8313)0.06] 3.03/() 3.03/0.437 6.93() 3.03 6.939.9610/e rad e ion z z NE dE r z dx MeV cm dE dx dE MeV cm dx -- --+-=+=???????????+=- ===+=≈和7.当快电子穿过厚为0.40㎝的某物质层后，其能量平均减少了25%.若已知电子的能量损失基本上是辐射损失，试求电子的辐射长度。