第一章辐射与物质的相互作用
与物质相互作用:1.带电粒子与靶原子核的核外电子非弹性碰撞(电离,激发)2.带电粒子与靶原子核的非弹性碰撞(辐射损失)3.带电粒子与靶原子核弹性碰撞(核阻止)4.带电粒子与核外电子弹性碰撞
电离损失能量:入射带电粒子与核外电子发生非弹性碰撞使靶物质原子电离或激发而损失的能量(电离:核外层电子客服束缚成为自由电子,原子成为正离子激发:使核外电子由低能级跃迁到高能级而使原子处于激发状态)辐射损失能量:入射带电粒子与原子核发生非弹性碰撞以辐射光子损失能量轫致辐射:入射带电粒子与原子核之间的库仑力作用使带电粒子的速度和方向改变,并伴随发射电磁辐射
阻止本领:单位路径上的能量损失S=-dE/dx=S ion+S rad
重:S=S ion=(1/4πε0)2(4πz2e4/m0v)2NB
Bethe公式结论:1.电离能了损失率和入射带电粒子速度有关,质量无关2.和电荷数平方z2正比3.S ion随粒子E/n变化曲线:a段:入射粒子能量E较低时, S ion与z2成正比,曲线上升b段(0.03MeV-3000MeV):相对论项作用不显著, S ion与E成反比,曲线下降c段:能量较高时,相对论修正项起作用, S ion与B成正比,曲线上升4.高Z 和ρ物质阻止本领高
布拉格曲线:随穿透距离增大而上升,接近径迹末端,由于拾取电荷而下降。
同样能量的入射带电粒子经过一定距离后,各个粒子损失的能量不会完全相同,是随机性的,发生了能量离散,即能量歧离. 射程歧离:单能离子的射程也是涨落的为何峰值上升?因为部分粒子已经停止运动,相当于通道变窄,剩余粒子能量集中,导致峰值上升.沿x方向,能量降低,离散程度变大,峰值降低.
射程R带电粒子沿入射方向所行径的最大距离路程:实际轨迹长度
解释各种粒子的轨迹:重带电粒子质量大,其与物质原子的轨道电子相互作用基本不会导致运动方向有偏差,径迹几乎是直线:由于次级电离,曲线会有分叉:质子和α粒子粗细差别:能量提高,径迹变细.电子的径迹不是直线,散射大. 射程R正比于m/z2
1.v同两种粒子同物质R1/R2=m1/m2*（z2/z1）2
2.v同一种粒子两物质R a/R b=√A a/√A b *(ρb/ρa)
α粒子空气射程R0=0.318Eα1.5R=3.2*10-4√A/ρ*R air
比电离:带电粒子在穿透单位距离介质时产生的离子对的平均数
δ射线:带电粒子在穿透介质时产生的电子-离子对中的具有足够能量可以进一步电离的电子电子S rad/S ion=EZ/800
快电子S rad正比于z2E/m2*NZ2屏蔽电子材料:当要吸收、屏蔽β射线时,不宜选用重材料:当要获得强的X射线时,选用重材料做靶.
电子反散射及效应:电子由原入射方向的反方向反射回来,从入射表面射出.对于放射源,反散射可以提高产额:对于探测器,会产生测量偏差. When反散射严重:对于同种材料,入射电子能量越低反散射越严重:对同样能量的入射电子,原子序数越高的材料,反散射越严重
光电效应:光子把全部能量转移给某个束缚电子,使其发射出去而光子本身消失的过程.是光子和整个原子的作用结果,主要集中在内层电子,还会有俄歇电子或特征X射线.(为何不与自由电子-因为入射光子有部分能量传递给原子,使其发生反
冲,否则能量不守恒)
采用高Z材料可提高探测效率,有效阻挡γ射线:γ光子能量越高,光电效应截面σph 越小. 入射光子能量低时,光电子趋于垂直方向发射:入射光子能量高时,光电子趋于向前发射.
康普顿效应:γ射线和核外电子非弹性碰撞,入射光子一部分能量传递给电子,使之脱离原子成为反冲电子,光子受到散射,运动方向和速度改变,成为散射光子. 散射角θ=180时即入射光子和电子对心碰撞,散射光子沿入射光子反方向射出,反冲电子沿入射方向射出-反散射.能量高的入射光子有强烈的向前散射趋势,低的向前向后散射概率相当.
康普顿坪:单能入射光子所产生反冲电子的能量为连续分布,在能量较低处反冲电子数随能量变化小,呈平台状:康普顿边缘:在最大能量处,电子数目最多,呈尖锐的边界.峰值Ee=hν-200keV
电子对效应:当入射光子能量较高,从原子核旁边经过时,在库伦场作用下转换成一个正电子和一个负电子.电子对效应出现条件:hν>2m0c2=1.022MeV 电子和正电子沿入射光子方向的前向角度发射,能力越高,角度越前倾. 湮没辐射:正电子湮没放出光子的过程.实验上观测到511kev的湮没辐射为正电子的产生标志
单双逃逸峰:发生电子对效应后,正电子湮没放出的两个511keV的γ光子可能会射出探测器,使得γ射线在探测器中沉积的能量减小.
低能高Z光电,中能低Z康普顿,高能高Z电子对.
线形衰减系数μ=σγN 质量衰减系数μm=μ/ρ质量厚度x m=ρx
平均自由程: 表示光子每经过一次相互作用之前,在物质中所穿行的平均厚度
λ=1/μ 宽束N=N0Be-μd窄束I(x)=I0e-μx
半减弱厚度:射线在物质中强度减弱一半时的厚度D1/2= λ ln2
第二章气体探测器
信息载流子:气体(电子离子对w=30eV,F=0.2-0.5)闪烁体(第一打拿极收集到的光电子w=300ev,F=1)半导体(电子空穴对w=3ev,F=0.1 )
平均电离能:带电粒子在气体中产生一对离子对所平均消耗的能量
电子和离子相对运动速度:电子漂移速度为离子1000倍,约106cm/s
雪崩:电子在气体中碰撞电离的过程. 条件:足够强的电场和电离产生的自由电子非自持放电:雪崩只发生一次自持放电:通过光子作用和二次电子发射,雪崩持续
发展R0C0<<1/n脉冲(电子T-<
1.仅当正离子漂移时外回路才有离子电流i+(t)
2.正离子从初始位置漂移到负极过程,流过外回路电荷量不是离子自身的电荷量e,而是在正极感应电荷量q1 电子电流i-(t)同理本征电流i(t)=i+(t)+i-(t) q1+q2=e
电离室构成:高压极,收集极,保护极和负载电阻工作气体:充满电离室内部的工作介质,应选用电子吸附系数小的气体.
圆柱型电子脉冲原理:利用圆柱形电场的特点来减少Q-对入射粒子位置的依赖关
系,达到利用”电子脉冲”来测量能量的目的.
能量分辨率η=ΔE/E*100%=Δh/h*100%=2.36ΔE能谱半高宽
FWHM=ηE=2.36=2.36σ探测效率:入射到脉冲探测器灵敏体积内辐射粒子
被记录下的百分比总输出电荷量Q=N*e=E/W*e
脉冲电离室饱和特性曲线:饱和区斜率成因:灵敏体积增加,对复合的抑制,对扩散的抑制饱和电压V1-对应90%饱和区的脉冲幅度放电电压V2工作电压V=V1+(V2-V1)/3 坪特性曲线:描绘电离室计数率和工作电压关系成因:甄别阈不同电压小于V1时在符合区,但不是每个粒子都能形成一个电子离子对.仅少数可达到计数阈值h,V0上升至饱和电压后电子离子对N基本不变
分辨时间(死时间):能分辨开两个相继入射粒子间的最小时间间隔
时滞:入射粒子的入射时刻和输出脉冲产生的时间差
累计电离室工作状态要求输出信号的相对均方涨落V I2≈1/nT<<1 V V2≈1/2R0C0n<<1 饱和特性曲线斜率:灵敏体积增大,复合的抑制,漏电流灵敏度η=输出电流或电压值/射粒子流强度(采用多级平行电极系统可提高) why曲线后部分离:部分电子离子对复合,未达到饱和电压,引起输出电流信号偏小
正比计数器是一种非自持放电的气体探测器,利用碰撞电荷讲入射粒子直接产生的电离效应进行放大,使得正比计数器的输出信号幅度比脉冲电离室显著增大输出电荷信号主要由正离子漂移贡献r处场强E(r)=V0/rlnb/a V T=ET*alnb/a 只有V0>V T才工作于正比工作区,否则电离室区气体放大倍数A=n(a)/n(r0)A仅于V0V T有关,与入射粒子位置无关气体放大过程(电子雪崩)当电子到打距极丝一定距离r0后,通过碰撞电离过程电子数目不断增加
电子与气体分子碰撞过程中碰撞电离,碰撞激发(气体退激发射子外光子,阴极打出次级电子,次级电子碰撞电离) 光子反馈:次级电子在电场加速下发生碰撞电
离A t=A/1-γA 光子反馈很快;加入少量多原子分子气体M可以强烈吸收气体分子
退激发出的紫外光子变成M*,后来又分解为小分子(超前离解) 气体放大过程中正离子作用:1.停止电子倍增2.再次触发电子倍增(离子反馈)
输出信号:1.电流脉冲形状一定,与入射粒子位置无关,电压脉冲为定前沿脉冲2.响应时间快3.R0C0>>T+时,获得最大输出脉冲幅度ANe/C0
分辨时间/死时间τD与脉冲宽度正比,τD内产生的脉冲不会被记录造成计数损失,死时间可扩展. m=n/1-nτD m真实n测量时滞:初始电子由产生处漂移到阳极时间时间分辨本领:正比计数器对时间测量的精度正比计数器坪特性曲线斜率:由于负电性气体、末端与管壁效应等,有部分幅度较小的脉冲随工作电压升高而越来越多地被记录下来
GM放电过程:1.初始电离和碰撞电离:电子加速发生碰撞电离形成电子潮-雪崩 2.放电传播(光子反馈):Ar*放出紫外光子打到阴极上打出次级电子 3.正离子鞘向阴极漂移,形成离子电流4.离子反馈:正离子在阴极表面电荷中和缺点GM
死时间长,仅计数A t=A/1-γA
自持放电:阴极新产生电子向阳极漂移引起新的雪崩,从而在外回路形成第二个脉冲,周而复始.-实现自熄:改变工作高压,增加猝熄气体-有机(阻断光子,离子反馈;工
作机制:1.电子加速发生碰撞电离形成电子潮-雪崩过程 2.Ar*放出紫外光子被有机气体分子吸收3. 正离子鞘向阴极漂移实现电荷交换4.有机气体离子在阴极电荷中和),卤素(工作机制:1.电离过程靠Ne的亚稳态原子的中介作用形成电子潮2.Ne*退激发出光子在阴极打出电子,或被Br2吸收打出新点子3.正离子鞘Br+向阴极漂移4.Br+在阴极表面与电子中和超前解离)
GM管和正比计数器区别:GM输出信号幅度和能量无关,只能计数,死时间非扩展型死时间校正:m=n(mτD+1)
GM坪特性曲线坪斜成因:随工作电压增高,正离子鞘电荷量增加,负电性气体电子释放增加,灵敏体积增大,尖端放电增加
死时间t d:电子再次在阳极附近雪崩的时间复原时间t e:从死时间到正离子被阴极收集,输出脉冲恢复正常的时间分辨时间t f:从0到第二个脉冲超过甄别阈的时间
GM计数管离子对收集数N与工作电压关系图:1.复合区(电压上升,复合减少,曲线上升)2.饱和区(电荷全被收集)3.正比区N=N0M(碰撞电离产生气体放大,总电荷量正比于原电荷量)4.有限正比区N>>N0(M过大,过渡区)5.盖格区(随电压升高形成自持放电,总电离电荷与原电离无关,几条曲线重合)
第三章闪烁体探测器
优点:1.探测效率高,可测量不带电粒子,对于中子和γ光子可测得能谱2.时间特性好,可实现ns的时间分辨工作过程：射线沉积能量,电离产生荧光,荧光转换为光电子,光电子倍增,信号流经外回路
闪烁体探测器组成:闪烁体,光电倍增管,高压电源,低压电源,分压器和前置放大器分类:无机闪烁体(无机盐晶体,玻璃体,纯晶体),有机闪烁体(有机晶体,有机液体闪烁体,塑料闪烁体)气体闪烁体(氩、氙)
无机闪烁体发光机制:入射带电粒子可以产生电子空穴对,也可以产生激子(相互转化) 有机闪烁体发光机制:由分子自身激发和跃迁产生激发和发光气体闪烁体发光机制:入射粒子径迹周围部分气体被激发,返回基态时发射出光子产生电子空穴对需要三倍禁带宽度能量
光能产额Y ph=n ph/E=4.3*104/MeV 闪烁效率C ph=E ph/E=13%
闪烁光子传输和收集通道:反射层,光学耦合剂,光导反射层:把光子反射到窗:镜面反射和漫反射耦合剂(折射系数较大的透明介质,周围介质折射系数n1,闪烁体
n0,全反射的临界角θc=sin-1n1/n0):排除空气,减少由全反射造成的闪烁光子损失
光导:具有一定形状的光学透明固体材料,连接闪烁体和光电倍增管,有效地把光传输到光电转换器件上:具有较高折射系数,与闪烁体和光电转换器光学接触好. 光电倍增管PMT:把光信号转换为电信号并放大;由入射窗,光阴极,聚焦电极,电子倍增极(打拿极,次级电子产额δ=发射的次级电子数/入射的初级电子数),阳极和密封玻璃外壳组成.
光谱效应:光阴极受到光照射后发射光电子的几率为波长的函数量子效率Q k(λ)=发射电子数/入射光子数光阴极的光照灵敏度S k=i k/F S a=i a/F S a=g c*M*S k第一打
拿极的电子收集系数g c=第一打拿极收集到的光电子数/光阴极发出的光电子数PMT的电流放大倍数M=阳极收集到的电子数/第一打拿极收集到的电子数
飞行时间(渡越时间)te:一个光电子从光阴极到达阳极的平均时间渡越时间离散Δte为te的分布函数的半宽度
闪光照射到光阴极时,阳极输出信号可能不同-原因:1.光阴极的灵敏度在不同位置不同2.光阴极不同位置产生的光电子被第一打拿极收集的效率不同解决:1.改进光阴极均匀性 2.改进光电子收集均匀性 3.利用光导把光电子分散在整个光阴极
输出信号:闪烁体发出闪烁光子数n ph=Y ph E 第一打拿极收集到光电子数n e=n ph T 阳极收集到电子数n A=n e M 输出电荷量Q=n A e=Y ph TMe
电压脉冲型工作状态R0C0>>τ优:脉冲幅度大缺:脉冲前沿后沿慢电流脉冲型工作状态R0C0<<τ优: 脉冲前沿后沿快缺:脉冲幅度小
小尺寸闪烁体:仅吸收次级电子的能量,
大尺寸闪烁体:吸收全部次级电子、次级电磁辐射能量
中尺寸闪烁体:吸收次级电子能量,可能吸收次级电磁辐射能量;康普顿边沿与全能峰之间连续部分-多次康普顿散射造成-康普顿效应产生的散射光子又发生康普顿效应;单逃逸峰-正电子湮没辐射时产生的两个511keV的湮没光子一个逃逸而另一个被吸收,双逃逸峰-两个光子都逃逸;全能峰-对应γ射线能量的单一能峰第四章半导体探测器
本征半导体:理想的纯净半导体,价带填满电子,导带无电子禁带宽度硅300K-1.115ev 0K-1.165ev锗300K-0.665ev 0K-0.746ev 电子空穴密度硅n=p=2*1010/cm3锗n=p=2.4*1013/cm3
半导体探测器分类:均匀型,PN结型,PIN结型,高纯锗HPG,化合物半导体,雪崩半导体,位置灵敏半导体半导体探测器的优点:1.非常好的位置分辨率 2.很高的能量分辨率3.很宽的线形范围4.非常快的响应时间
Si:适合带电粒子测量,射程短Ge:纯度高,可以做成较大的探测器:可用于γ能谱测量掺有施主杂质的半导体中多数载流子是电子,叫做N型半导体:掺有受主杂质的半导体中多数载流子是空穴,叫P型半导体
补偿效应:当p>n,N型转换为P型半导体p=n时完全补偿平均电离能特点:1.近似与入射粒子种类和能量无关,根据电子空穴对可推入射粒子能量 2.入射粒子电离产生的电子与空穴数目相等 3.半导体平均电离能约3eV,远小于气体平均电离能30eV 陷落和复合使载流子减少
半导体探测器材料特性:长载流子寿命(保证载流子可被收集),高电阻率(漏电流小,结电容小)
PN型半导体:适合测量α粒子这类短射程粒子,不适合测量穿透力强的射线
势垒高度V0=eN d W2/2ε宽度W=(2εV0/eN d)1/2=(2εV0ρnμn)1/2
PIN半导体:温度升高,Li+漂移变快;Li+形成PN结,Li+与受主杂质中和,实现自动补偿形成I区(完全补偿区,耗尽层,灵敏体积),形成PIN结
why半导体PN结可作为灵敏区？1.在PN结区可移动的载流子基本被耗尽,只留下电离了的正负电中心,具有高电阻率 2.PN结上加一定负偏压,耗尽区扩展,可达全耗尽,死层极薄,外加电压几乎全部加到PN结上,形成高电场 3.漏电流小,具有高信噪比
高纯锗:一面通过蒸发扩散或加速器离子注入施主杂质形成N区,并形成PN结,另一面蒸金属形成P+作为入射窗,两端引出电极
第五章辐射探测中的统计学
f(t)=me-mt t=1/m σt2=1/m2
第六章核辐射测量方法
符合事件:两个或以上在时间上相关的事件真符合:用符合电路选择同时事件反符合:用反符合电路来消除同时事件,当一个测量道没有输入信号时,另一道的
信号才能从符合装置输出符合道计数率nc=Aεβεγ偶然符合:在偶然情况下同时达到符合电路的非关联事件引起的符合(偶然计数n rc=2τs n1n2) 电子学分辨时间τe=FWHM/2符合计数n c=n co+n rc 真偶符合比R=n co/n rc=1/2τs A
电压工作状态脉冲幅度?h=Ne/C0 E=Κ1?h+K2=Gx+E0 G0增益E0零截
α能量分辨率FWHMs=2.36√FEαW0
探测器选择α:金硅面垒半导体探测器、屏栅电离室、带窗正比计数器β:半导体探测器、磁谱仪γ:单晶γ谱仪
全能峰E f=Eγ单Es= Eγ-511keV双E d= Eγ-1022keV
y(i)=y(I p)exp[-(i-I p)2/2σ2] η=FWHM/I p FWHM=2.36σ
峰康比p=全能峰的峰值/康普顿平台的峰值半导体
峰总比f p/T=特征峰面积/谱总面积
第七章中子探测
反应堆周期T:反应堆内中子密度变化e倍所需时间平均每代时间τ:上一代中子的产生到被吸收后又产生新一代中子的平均时间K=堆内一代裂变中子总数/堆内上一代裂变中子总数T=τ/K-1
反应堆功率测量系统功能:为反应堆提供工况控制信息(控制方面),为反应堆的安全保护系统提供安全保护信号(安全方面)
中子测量方法:核反冲法,核反应法,核裂变法,活化法中子能谱测量方法：核反应法,核反冲法,飞行时间法
中子探测器原理:通过中子与核相互作用产生可被探测的次级粒子并记录这些刺激粒子探测过程:1.中子和辐射体发生相互作用产生带电粒子或感生放射性2.在某种探测仪表记录这些带电粒子或放射性中子探测器种类:1.气体探测器(BF3正比计数管,涂硼正比计数管,长计数管,平行板电离室,圆柱形电离室,γ补偿电离室,长中子电离室)2.固体探测器(硫化锌快中子屏,硫化锌慢中子屏,含锂闪烁体,有机闪烁体)
堆芯外仪表:核仪表系统(2个源量程测量通道2个中间量程测量通道4个功率量程测量通道),提供信号,提供控制信号,监测功能
堆芯内仪表:堆芯裂变电离室,涂硼室,γ温度计.自给能探测器
堆芯中子注量率测量系统:驱动装置,组选择器,路选择器,中子探头
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+→。
一、名词解释（每名词3分，共24分） 半衰期：放射性核素数目衰减到原来数目一半所需要的时间的期望值。 放射性活度：表征放射性核素特征的物理量，单位时间内处于特定能态的一定量的核素发生自发核转变数的期望值。A＝ｄN/dt。 射气系数：在某一时间间隔内，岩石或矿石析出的射气量N1与同一时间间隔内该岩石或矿石中由衰变产生的全部射气量N2的比值，即η*= N1/N2×100%。 原子核基态：处于最低能量状态的原子核，这种核的能级状态叫基态。 核衰变：放射性核素的原子核自发的从一个核素的原子核变成另一种核素的原子核，并伴随放出射线的现象。 α衰变：放射性核素的原子核自发的放出α粒子而变成另一种核素的原子核的过程成为α衰变 衰变率：放射性核素单位时间内衰变的几率。 轨道电子俘获：原子核俘获了一个轨道电子，使原子核内的质子转变成中子并放出中微子的过程。 衰变常数：衰变常数是描述放射性核素衰变速度的物理量，指原子核在某一特定状态下，经历核自发跃迁的概率。线衰减系数：射线在物质中穿行单位距离时被吸收的几率。 质量衰减系数：射线穿过单位质量介质时被吸收的几率或衰减的强度，也是线衰减系数除以密度。 铀镭平衡常数：表示矿（岩）石中铀镭质量比值与平衡状态时铀镭质量比值之比。 吸收剂量：电力辐射授予某一点处单位质量物质的能量的期望值。D=dE/dm，吸收剂量单位为戈瑞（Gy）。 平均电离能：在物质中产生一个离子对所需要的平均能量。 碰撞阻止本领：带电粒子通过物质时，在所经过的单位路程上，由于电离和激发而损失的平均能量。 核素:具有特定质量数，原子序数和核能态，而且其平均寿命长的足以已被观察的一类原子 粒子注量：进入单位立体球截面积的粒子数目。 粒子注量率：表示在单位时间内粒子注量的增量 能注量：在空间某一点处，射入以该点为中心的小球体内的所有的粒子能量总和除以该球的截面积 能注量率：单位时间内进入单位立体球截面积的粒子能量总和 比释动能：不带电电离粒子在质量为dm的某一物质内释放出的全部带电粒子的初始动能总和 剂量当量：某点处的吸收剂量与辐射权重因子加权求和 同位素:具有相同的原子序数，但质量数不同，亦即中子数不同的一组核素 照射量：X=dq/dm，以X射线或γ射线产出电离本领而做出的一种量度 照射量率：单位质量单位时间内γ射线在空间一体积元中产生的电荷。 剂量当量指数：全身均匀照射的年剂量的极限值 同质异能素：具有相同质量数和相同原子序数而半衰期有明显差别的核素 平均寿命：放射性原子核平均生存的时间.与衰变常熟互为倒数。 电离能量损耗率：带电粒子通过物质时，所经过的单位路程上，由于电离和激发而损失的平均能量 平衡含量铀：达到放射性平衡时的铀含量 分辨时间: 两个相邻脉冲之间最短时间间隔 康普顿边:发生康普顿散射时，当康普顿散射角为一百八十度时所形成的边 康普顿坪：当康普顿散射角为零到一百八十度时所形成的平台 累计效应:指y光子在介质中通过多次相互作用所引起的y光子能量吸收 边缘效应: 次级电子产生靠近晶体边缘，他可能益处晶体以致部分动能损失在晶体外，所引起的脉冲幅度减小 和峰效应: 两哥y光子同时被探测器晶体吸收产生幅度更大的脉冲，其对应能量为两个光子能量之和 双逃逸峰：指两个湮没光子不再进行相互作用就从探测器逃出去 响应函数: 探测器输出的脉冲幅度与入射γ射线能量之间的关系的数学表达式 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 探测效率：表征γ射线照射量率与探测器输出脉冲1. 峰总比:全能峰的脉冲数与全谱下的脉冲数之比 峰康比:全能峰中心道最大计数与康普顿坪内平均计数之比
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（）？
“核辐射测量方法”思考题 一、名词解释 1.核素 2.半衰期 3.碰撞阻止本领 4.平均电离能 5.粒子注量 6.粒子注量率 7.能注量 8.能注量率 9.比释动能 10.吸收剂量 11.剂量当量 12.辐射量 13.同位素 14.放射性活度 15.照射量 16.剂量当量指数 17.射气系数 18.α衰变 19.核衰变 20.同质异能素 21.轨道电子俘获 22.半衰期 23.平均寿命 24.电离能量损耗率 25.衰变常数 26.伽玛常数 27.平衡铀含量 28.分辨时间 29.轫致辐射 30.康普顿边 31.康普顿坪 32.累计效应 33.边缘效应 34.和峰效应 35.双逃逸峰
36.响应函数 37.衰变率 38.能量分辨率 39.探测效率 40.峰总比 41.峰康比 42.能量线性 43.入射本征效率 44.本征峰效率 45.源探测效率 46.源峰探测效率 47.俄歇电子 48.线衰减系数 49.光电吸收系数 50.质量衰减系数 51.光电截面 52.原子核基态 53.铀镭平衡常数 54.放射性活度 55.碰撞阻止本领 56.离子复合 57.光能产额 58.绝对闪烁效率 59. 二、填空 1.天然放射性钍系列的起始核素是其半衰期是。 2.天然放射性铀系列的起始核素是其半衰期是。 3.铀系、钍系和锕铀系中的气态核素分别是、和； 其半衰期分别是、和。 4.α射线与物质相互作用的主要形式是和。 5.β射线与物质相互作用的主要形式是、和。 6.天然γ射线与物质相互作用的主要形式是、和 7.β衰变的三种形式是、和。 8.形成电子对效应的入射光子能量应大于MeV。 9.用γ能谱测定铀、钍、钾含量，一般选择的γ辐射体是、和； 其γ光子的能量分别是、和。 10.β－衰变的实质是母核中的一个转变为。
第一章 辐射源 1、实验室常用辐射源有哪几类？按产生机制每一类又可细分为哪几种？ 带电粒子源 快电子源： β衰变 内转换 俄歇电子 重带电粒子源： α衰变 自发裂变 非带电粒子源 电子辐射源：伴随衰变的辐射、湮没辐射、伴随核反应的射线、轫致辐射、特征X 射线 中子源：自发裂变、放射性同位素（α，n ）源、光致中子源、加速的带电粒子引起的反应 2、选择辐射源时，常需要考虑的几个因素是什么？ 答：能量，活度，半衰期。 3、252Cf 可做哪些辐射源？ 答：重带点粒子源（α衰变和自发裂变均可）、中子源。 第二章 射线与物质的相互作用 电离损失：入射带电粒子与核外电子发生库仑相互作用，以使靶物质原子电离或激发的方式而损失其能量 作用机制：入射带电粒子与靶原子的核外电子间的非弹性碰撞。 辐射损失：入射带电粒子与原子核发生库仑相互作用，以辐射光子的方式损失其能量。 作用机制：入射带电粒子与靶原子核间的非弹性碰撞。 能量歧离：单能粒子穿过一定厚度的物质后，将不再是单能的，而发生了能量的离散；这种能量损失的统计分布，称为能量歧离。 引起能量歧离的本质是：能量损失的随机性。 射程：带电粒子沿入射方向所行径的最大距离。 路程：入射粒子在物质中行径的实际轨迹长度。 入射粒子的射程：入射粒子在物质中运动时，不断损失能量，待能量耗尽就停留在物质中，它沿原来入射方向所穿过的最大距离，称为入射粒子在该物质中的射程。 重带电粒子与物质相互作用的特点： 1、主要为电离能量损失 2、单位路径上有多次作用——单位路径上会产生许多离子对 3、每次碰撞损失能量少 4、运动径迹近似为直线 5、在所有材料中的射程均很短 电离损失： 辐射损失： 快电子与物质相互作用的特点： 1、电离能量损失和辐射能量损失 2、单位路径上较少相互作用——单位路径上产生较少的离子对 3、每次碰撞损失能量大 4、路径不是直线，散射大 ?? ???242ion 0dE 4πz e -=NZB dx m v ()()??rad ion dE/dx E Z dE/dx 800 2 22NZ m E z dx dE rad ∝??? ??-21m S rad ∝E S rad ∝2 NZ S rad ∝
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
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.
成都理工大学学年 第一学期《核辐射测量方法》考试试题 参考答案与评分标准 一、名词解释（每名词3分，共18分） 1. 探测效率：探测效益率是表征γ射线照射量率与探测器输出脉冲计数之间关系的重要物理参数。 2. 衰变常数：衰变常数是描述放射性核素衰变速度的物理量，指原子核在某一特定状态下，经历核自发跃迁的概率。 3. 吸收剂量：电力辐射授予某一点处单位质量物质的能量的期望值。D=dE/dm，吸收剂量单位为戈瑞（Gy）。 4. 平均电离能：在物质中产生一个离子对所需要的平均能量。 5. 放射性活度：表征放射性核素特征的物理量，单位时间内处于特定能态的一定量的核素发生自发核转变数的期望值。A＝ｄN/dt。 6.碰撞阻止本领：带电粒子通过物质时，在所经过的单位路程上，由于电离和激发而损失的平均能量。 二、填空题（每空0.5分，共9分） 1.α射线与物质相互作用的主要形式是电离和激发。 2.铀系气态核素是222Rn；其半衰期是 3.825d。 3.用γ能谱测定铀、钍、钾含量，一般选择的γ辐射体是214Bi 、208Tl 和40K；其γ光子的能量分别是 1.76MeV 、 2.62MeV和 1.46MeV。 4.β＋衰变的实质是母核中的一个质子转变为中子。 5.放射性活度的单位为：Bq；照射量率的单位为：C/kg*s；能注量率的单位为 W/m2。 6.β射线与物质相互作用方式主要有电离与激发、轫致辐射和弹性散射。
三、简要回答下列问题（每题6分，共36分） 1.简述NaI(Tl)探测器的特征X射线逃逸以及对谱线的影响。 解答：当γ光子在晶体内发生光电效应时，原子的相应壳层上将留一空位，当外层电子补入时，会有特征X射线或俄歇电子发出（3分）。若光电效应发生在靠近晶体表面处时，则改特征X射线有可能逃逸出探测晶体，使入射光子在晶体内沉淀的能量小于光子能量，光子能量与在晶体内沉淀能量即差为特征X射线能量（2分）。因此，使用Na(Tl)晶体做探测器时，碘原子K层特征射线能量为38keV，在测量的γ谱线上将会出一个能量比入射γ射线能量小28keV的碘特征射线逃逸峰（2分）。随着入射射线能量增加和探测晶体体积的增大，NaI(Tl)探测器的特征X射线逃逸峰会逐渐消失。（2分） 2.画出γ能谱仪的基本框图，并说明各个部分的作用。 图（3分） 闪烁体和倍增管是探测器部分，用于将γ射线的能量转化为可以探测的电信号。前置放大器是将信号进行一定倍数的放大。主放大器是将信号转化微可以供多道脉冲幅度分析器使用的信号。多道脉冲幅度分析器将信号转化成数字信号。微机对采集的信号进行软件的处理。（3分） 3.随着入射γ射线能量的变化，γ射线与物质相互作用的主要效应所占比例如何变化？ 解答：伽马射线与物质相互作用的主要形式是光电效应、康普顿效应和电子对效应。随着入射伽玛射线能量的变化，三种效应所占比例是不同的。低能光子与物质作用的主要形式是光电效应（2分）；随着射线能量增大，光电效应所占比例逐渐降低，康普顿效应所占比例增加，成为射线与物质作用的主要形式（2分）。当入射光子能量大于1.02MeV，将存在形成电子对效应的几率，并随着能量的继续增大，电子对效应所占的比例会逐渐增大；而康普顿效应和光电效应所占比例逐渐降低。电子对效应是高能量光子与物质作用的主要的作用形式。（2分） 4.简述半导体探测器的工作原理。 解答：半导体探测器工作时，在搬半导体P区和N区加反向电压，使空间电荷电场增强。电子和空穴分别向正负两级扩散，使得探测器灵敏区的厚度增大。（3分）当探测的射线进入
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
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
剂量当量：是用适当的修正因数对吸收剂量进行修正，使得修正后的吸收剂量更好地和辐射所引起的有害效应联系起来。定义为在组织内所关心的一点上的吸收剂量D 、品质因数Q 、修正因子的三项乘积。 这组辐射物理量适用于度量在各种介质中的各种射线。 吸收剂量与照射量的关系：空气辐射场的X 或γ射线，可通过下式将照射量X 换算为吸收剂量D ： 其中：g 表示发生韧致辐射而逃逸出去的能量（未发生电离产生离子对）；W 为平均电离能；e 为电子电量。 2、简要说明放射性物质的常用重量单位及其适用对象，常用 的活度单位及其适用对象，常用的含量单位有哪些？ 放射性物质的重量（常将重量和质量称呼一致）单位常用的有克、千克，适用长寿核素；常用的活度单位有Bq 、Ci ，适用长寿和短寿核素。固体物质中放射性核素的含量单位有：克/克、克/100克（%）、克/吨（g/t ）、ppm ；液体或气体物质中放射性核素的含量单位有：g/L, mg/L ，Bg/L,Bg/m3。 3、说明放射性活度与射线强度的区别。 放射性活度：指单位时间内发生衰变的原子核数目。射线强度：放射源在单位时间内放出某种射线的个数。 4、放射性核素的活度经过多少个半衰期以后，可以减少至原 来的15%、7%、0.1%？ 根据： ， 依次类推。 5、采用两种方法计算距一个活度为1居里的60Co 放射源一米远处的伽玛射线照射量率（注： 60CO 每次衰变放出能量为1.17MeV 和1.33MeV 的光子各一个，在空气中的质量吸收系数为2.66×10-3m2/Kg ）。 解法一（查表法）： 查表知 解法二（物理法）： 6、简述外照射防护的基本原则和基本方法，以及内照射防护 的最根本方法。 外照射防护基本原则：尽量减少或避免射线从外部对人体的照射，使之所受照射N Q D H ??=W e g D W e g dm dE dm dQ X ?-=?-==)1()1(2/12 ln T =λt T t e A e A t A 2/121ln )0()0()(==-λ2/121 ln 3.0ln )0()0(15.02/1T t e A A t T =?=118-2 1 11218102 109.25)1(10503.2107.31------????≈????????=Γ ?=s kg C m s Bq kg m C Bq R A X 24R E An πψγ γ= 118-19123261102109.2585.3310602.11066.2)1(1415926.3410)33.117.1(107.314------????≈????????+???= ???? ??=???? ??=s kg C eV kg m m eV s W e R E An W e X a en a en Ｃρμπρμψγγ
核辐射物理与探测学复习 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（）？ 答：
放射性同位素的检测方 法和仪器 Revised as of 23 November 2020
放射性同位素的检测方法和仪器 核辐射与物质间的相互作用是核辐射检测方法的物理基础。放射性同位素发出的射线与物质相互作用，会直接或间接地产生电离和激发等效应，利用这些效应，可以探测放射性的存在、放射性同位素的性质和强度。用来记录各种射线的数目，测量射线强度，分析射线能量的仪器统称为检测器。 一．核辐射的检测方法 使用相关核辐射检测仪器是检测核辐射的重要方法，利用物质衰变辐射后的电离、吸收和反射作用并结合α、β和γ射线的特点可以完成多种检测工作。对人体进行核辐射检查，主要先做物理性检测，如果发现检测指标异常，再进行生理性检测。主要采取以下方法： （一）使用核辐射在线测厚仪 核辐射在线测厚仪是利用物质对射线的吸收程度或核辐射散射与物质厚度有关的原理进行工作的。 （二）使用核辐射物位计
不同介质对γ射线的吸收能力是不同的，固体吸收能力最强，液体次之，气体最弱。若核辐射源和被测介质一定，则被测介质高度与穿过被测介质后的射线强度将被探测器将穿过被测介质的I值检测出来，并通过仪表显示H值。 （三）使用核辐射流量计 测量气体流量时，通常需将敏感元件插在被测气流中，这样会引起压差损失，若气体具有腐蚀性又会损坏敏感元件，应用核辐射测量流量即可避免上述问题。 （四）使用核辐射探伤 放射源放在被测管道内，沿着平行管道焊缝与探测器同步移动。当管道焊缝质量存在问题时，穿过管道的γ射线会产生突变，探测器将接到的信号经过放大，然后送入记录仪记录下来。 二．核辐射的检测仪器 检测核辐射有各种不同的仪器，一般将检测器分为两大类：一是“径迹型”检测器，如照像乳胶、云室、气泡室、火花室、电介质粒子探测器和光色探测器等，它们主要用于高能
第一章射线与物质的相互作用 1.不同射线在同一物质中的射程问题 如果已知质子在某一物质中的射程和能量关系曲线，能否从这一曲线求得d （氘核）与t （氚核）在同一物质中的射程值？如能够，请说明如何计算？ 解：P12”利用Bethe 公式，也可以推算不同带点例子在某一种吸收材料的射程。”根据公式：)()(22 v R M M v R b a b b a a Z Z = ，可求出。 步骤：1先求其初速度。 2查出速度相同的粒子在同一材料的射程。 3带入公式。 2：阻止时间计算： 请估算4MeV α粒子在硅中的阻止时间。已知4MeV α粒子的射程为17.8μm 。 解：解：由题意得 4MeV α粒子在硅中的射程为17.8um 由T ≌1.2×107-R E Ma ，Ma=4得 T ≌1.2×107-×17.8×106-×4 4()s ＝2.136×1012-()s 3：能量损失率计算 课本3题，第一小问错误，应该改为“电离损失率之比”。更具公式1.12-重带点粒子电离能量损失率精确表达式。及公式1.12-电子由于电离和激发引起的电离能量损失率公式。代参数入求解。 第二小问：快电子的电离能量损失率与辐射能量损失率计算： ()2082 2.34700700 ()rad ion dE E Z dx dE dx *?? =≈ 4光电子能量： 光电子能量：（带入B K ） 康普顿反冲电子能量： 200.511m c Mev = i e hv E ε-=
22020 0(1cos ) 2.04(1cos 20) 4.16160.06 0.3947(1cos )0.511 2.04(1cos 20)0.511 2.040.06 Er Ee Mev m c Er θθ--?====+-+-+?5:Y 射线束的吸收 解：由题意可得线性吸收系数10.6cm μ-=，311.2/pb g cm ρ= 122 2 0.6 5.3610/11.2/m pb cm cm g g cm μμρ--∴===?质量吸收系数 由r N μσ=*可得吸收截面： 123 2223 0.61.84103.2810/ r cm cm N cm μ σ--===?? 其中N 为吸收物质单位体积中的原子数2233.2810/N cm =? 0()t I t I e μ-=要求射到容器外时强度减弱99.9% 0 () 0.1%0.001t I t e I μ-∴ =∴=即t=5In10 =11.513cm 6：已知)1()(t ι- -=e A t f t 是自变量。 ①求ι增大时，曲线的变化形势。 ②画出f(t)的曲线。 答：①当ι增大时，曲线同一个自变量t 值最后将是函数结果减小。 当A>0时，f(t)=)1(A /Γ--t e 的图像为下面图一：其中y1,y2,y3,y4,y5,y6分别为Γ为0.25,0.5,1,2,3,4时的图像 当A<0时，f(t)=)1(A /Γ--t e 的图像为下面图二：其中y1,y2,y3,y4,y5,y6分别为Γ为