核工程讲座《辐射探测（探测器与仪表）》课件 中国辐射防护研究院

1、辐射探测（探测器与仪表）,中国辐射防护研究院 陈慧莉,辐射与物质的相互作用,1 带电粒子与物质的相互作用,在辐射防护中，带电粒子主要是指粒子、-和+粒子。 带电粒子与物质的相互作用主要有电离和激发，弹性散射和轫致辐射等。 当具有一定能量的带电粒子与原子核外的轨道电子发生库仑作用时，把本身的部分能量传递给轨道电子。 电离：轨道电子获得的动能足以克服原子核的束缚，逃出原子壳层而成为自由电子的过程。 激发：轨道电子获得的动能不足以摆脱原子核的束缚，而是从低能级跃迁到高能级，使原子处于激发态的过程。,2 射线与物质的相互作用,射线与物质的主要作用过程是光电效应、康普顿效应和电子对效应。(射线与物质相互作用的三种原理图见图2-1) 光电效应：光子击中物质中原子轨道上的一个电子，光子的全部能量用于把电子从原子中逐出的过程。当光子的能量小于1MeV时，光电效应是主要的。 康普顿效应：一个光子冲撞一个电子并只交出它的一部分能量，光子的能量变小并且和初始方向成角的方向上散射的过程。 电子对效应：一个具有足够能量的光子在原子核附近放出它的全部能量而形成两个粒子，一个正电子和一个负电子的过程。,光子通过物质

2、时，经与物质的原子发生光电效应、康普顿效应或电子对效应而损失能量。这三种效应对于入射光子的能量和吸收物质的原子序数有一定的依赖关系，因而对于不同的光子能量和吸收物质，这三种效应的相对重要性是不同的。概括地说， （1）对于低能射线和原子序数高的吸收物质，光 电效应占有优势。 （2）对于中能射线和原子序数低的吸收物质，康 普顿效应占有优势。 （3）对于高能射线和原子序数高的吸收物质，电 子对效应占有优势。,中子与物质的相互作用,与上述辐射不同，中子不与吸收物质的核外电子相互作用。 原子核对中子的散射 入射中子改变运动方向或损失一部分能量。在弹性散射中，入射中子和碰撞原子核的总动量不变，靶核不发生状态的变化。在非弹性碰撞中，中子损失一部分能量使原子核激发，激发核放出光子后回到正常状态。 中子俘获 入射中子进入靶物质的原子核内部被靶核俘获，形成一个新的不稳定核。这个不稳定核通过发射光子、粒子、 粒子而蜕变，这个过程称为中子俘获 核反应 入射中子进入重原子核内部可能使重核裂变，即发生核反应（裂变反应）,气体探测器 气体探测器原理 气体探测器把辐射转变成电信号的物理过程都是在探测器内充特定气体的特

3、定体积中进行的，所以它们称为气体探测器。 1）气体原子的电离和激发 2）离子对的漂移 外加电场的影响 气体性质的影响 3）外加电场和离子对收集的关系 见下图,收集的离子对数与外加电压的关系,复合区：电压低时，收集离子需要较长的时间，以致有大量的离子复合，随电压的增加，有更多的离子被收集 饱和区：当继续增加电压，复合逐渐消失，产生的初级电离离子几乎全部被收集 正比区：随电压进一步增加，初电离产生的电子在电场作用下，获得动能向阳极加速运动，使气体分子发生次级电离，产生大量的次级离子对，最后到达阳极的电子数目大大增加，这种过程称为“气体放大”。收集到的离子对数N和初级电离的离子对数N之比A称为气体放大系数。气体放大倍数随电压的增加而增加。A的范围是1010000,有限正比区：当电压继续增加时，放大后的次级离子足够多，使得由电离电荷所产生的电场抵消了部分外电场，即“空间电荷效应”限制了次级离子的继续增加。 G-M区：继续增加电压时，倍增更加剧烈，形成自激放电，此时电流强度不再与初电离有关，初电离只起“点火”作用。 连续放电区：继续增加电压，“电子雪崩”无限制继续下去，该区不能作为探测器的工作区

4、。,气体探测器,常用的气体探测器： 电流电离室（简称电离室）工作在饱和区 正比计数器工作于正比区 G-M计数管工作于G-M区 。,气体探测器(续） 下面是典型的圆柱型气体探测器的示意图,阳极,阴极,V,V,入射粒子,闪烁探测器,闪烁探测器以闪烁体作为探测元件。闪烁体受到辐射照射后可以发射出光子，称为荧光光子。将这些荧光光子经光导收集，再用光电倍增管转换为电子并进行放大（数量倍增），从而获得电信号。,闪烁体探测器,1探测原理： 利用闪烁体在射线作用下发光的特性来探测射线：射线打入到闪烁体内，损失能量使闪烁体的分子或原子电离和激发，激发态的分子或原子退激时发射出荧光（闪烁光）。光子从产生地到达光电倍增管的光阴极，发生光电效应产生电子。产生的电子经倍增极（打拿极）倍增，最后在输出电路产生电压脉冲，产生的电压脉冲正比于粒子能量。,光电倍增管是一种光电器件，主要由光阴极、聚焦极、打那极和阴极组成封于玻璃壳内并有各电极的引出头作为管座。 光电倍增管需有良好的光阴极光谱响应并与闪烁体的发光光谱相匹配、具有合适的放大倍数、较低的暗电流和噪声水平、良好的工艺和稳定性。,闪烁探测器示意图,现在使用比较多的

5、闪烁体 无机闪烁体：NaI(Tl)、CsI(Tl) 密度大，原子 序数高，适于测量辐射和高能 X射线 有机闪烁体：塑料闪烁体和液体闪烁体，主要 用于辐射和中子的探测。,半导体探测器,半导体探测器是上世纪60年代发展起来的一种新型探测器，由于具有优良的能量分辨能力、分辨时间短、阻止本领大等优异的性能，在辐射探测的各个领域得到广泛的应用。 工作原理 半导体探测器使用半导体材料作为探测介质，由于掺杂的不同而分为P型半导体和N型半导体。如掺入硼的硅或锗是P型，而掺入磷的硅或锗是N型。半导体探测器的灵敏体积称为耗尽层。当入射粒子进入耗尽层后，电离产生的电子-空穴对在电场的作用下分别向两个电极运动，被电极收集，产生脉冲信号，然后对此信号进行处理，达到辐射探测的目的。,半导体探测器原理,探测原理： 和电离室类似，射线打到半导体中的灵敏体积，通过与半导体材料中的电子相互作用，损失能量，使电子由满带跳到空带中去，从而形成可以导电的电子-空穴对，在电场作用下，电子和空穴分别向两极漂移，于是在输出回路形成信号。 特点： 能量分辨率高，线性范围宽 受强辐照后性能变坏，性能随温度变化较大。,半导体探测器示意图,

6、半导体探测器方框图,半导体,半导体探测器的类型 半导体探测器有很多不同的类型，依制作工艺可以分为三类： 扩散结型：在P型硅的一侧表面上扩散入一薄层5价的磷， 使之成为N型硅，从而形成P-N结。 面垒型：在N型硅表面蒸发上薄薄的一层（只有几百个 原子厚）金而制成。 锂漂移型：先在P型晶体上扩散一层锂，形成P-N结，然 后在适当的温度下加上反向电压，使锂原子 在电场的作用下在晶格里漂移，并分布在一 定的区域内。,半导体探测器的性能 能量分辨本领高：每形成一个电子-空穴对所需要的能量小（硅3.5eV，锗2.94eV），而在气体电离室中需要30eV，闪烁探测器需要100-500eV。这样，相同能量的入射辐射可以产生多得多的电子，统计涨落大大减小，表现为半高全宽（FWHM）大大减小，增强了能谱分辨能力。 可以根据测量需要通过改变偏压来改变耗尽层的厚度，控制灵敏体积的大小。如，为了测量弱辐射，可以减小耗尽层的厚度，使之对和辐射不灵敏，从而降低本底，提高灵敏度。 射线在灵敏体积内的能量损失与生成的电子-空穴对数之间的线性关系好，使得输出脉冲的高度与入射粒子的能量正比相关，所以能够很好地测量入射辐射的

7、能量。 分辨时间短、本底低、稳定性好、体积小、寿命长,半导体探测器的使用 作为一种优异的探测器，半导体探测器已经得到广泛的应用， 特别在能谱测量和放射性强度测量（低本底、测低能辐射） 方面。 一些半导体探测器强度较小容易损坏，使用中应注意。如金硅 面垒型探测器的金硅面易划伤。 Ge(Li)探测器特别适用于能谱分析，但是必须在液氮温度 （77K）下工作和保存 近年发展起来的砷化镓（GaAs)、碲化镉（CdTe）、碘化汞 （HgI2)探测器扩大了使用温度范围，获得良好的能量分辨率和 效率,核电站自动辐射监测系统 （ARMS）,概述 核电站设有与电厂运行直接相关的自动辐射监测系统ARMS（Autometic Radiation Monitoring System）。它可自动地监测和判断核电厂运行工况是否符合设计要求和运行设定点，保证电站正常运行并对工作人员、环境和公众提供足够的防护。,ARMS系统的主要功能 （1）监测放射性和辐射屏障的完整性和有效性 核电站保护工作人员避免或减少受到辐射照射的基本方法是在放射性物质和人员工作区域之间加设适当的屏障。 多数情况下，对裂变产物设有四种屏障，而对活

8、化产物则只有两种屏障。 1）一种屏障是核燃料本身，裂变产物在其中产生，大部分也被限定在燃料元件之内； 2）第二种屏障是燃料包壳； 3）第三种屏障是反应堆压力容器和冷却剂系统管道； 4）第四种屏障是密封（双层）的安全壳所构成的反应堆厂房。 上述四种屏障的完整性和有效性并不是永久的或完善的，某一种屏障可能会发生自身慢慢的或偶然的失效，但是这并不意味着立刻会产生严重的危害，因此ARMS系统的设置是针对电厂或某一房间（厂房）的潜在的危害。该系统监测所有这些屏障的密封性或完整性。,（2）核设施非常复杂，不可能对每个房间所有的辐照源都进行连续监测，因此要定期用携便式监测仪表（如ARMS系统的携便式仪表）对控制区进行巡测，以便确定或中子剂量率（周围剂量当量率H*(10)）或表面污染水平。连续监测的固定式监测系统只是设在放射源或个人受照慢慢的或易于突然变化的那些场所。 执行这种功能的设备，在辐射水平超过阈值时能启动自动撤离信号，而发出的信息不易被误解。报警阈的设置考虑了实际存在的危害和辐射防护标准。 为了控制职业照射，ARMS还有个人剂量监测和污染监测系统和设备，能为个人剂量评价和场所辐射安全评价提供

9、基础数据。,（3）防止核电站周围居民（公众）受照 除非发生了严重的事故导致安全壳局部破裂，一般放射性流出物只经过预先设计的少数排放路径往环境排放。 居民受照主要来自流出物排放的放射性，为了保护居民免受照射，ARMS子系统AMRES（Autometic Monitoring System of Radioecological Envirenment System）要监测排放的流出物，确保气态和液态流出物的放射性水平不超过管理部门设定的限值。 在事故情况下，排放的流出物放射性浓度可能超过阈值，要有专门的通道跟踪释放的放射性。,1） 气态流出物 通过辅助厂房通风系统的烟囱排放。气体排放的跟踪（监测），对运行人员查明放射性气体浓度不合理的变化（如过滤器失效）是必不可少的。AMRES系统能测量排放的惰性气体的体积活度（浓度）或沉积在气溶胶过滤器或碘捕集器上的放射性活度。 2） 液态流出物 我国辐射防护和基本安全标准规定，液态流出物必须采用槽式排放，废液处理系统和排放系统的大罐内的液态流出物，经实验室分析后符合排放标准，则按一定程序分批排放，根据分析结果可知排放的每种核素的活度，而AMRES系统相关通道则连续监测流出物浓度（体积活度）的变化，在发生运行错误导致超阈值排放时能发出警报，使排放系统阀门自动关闭。 对符合要求直接排放的废液连续监测，当排放浓度（Bg/M3）超过规定的阈值时，排放阈门自动关闭，并报警。,（4）为了保护工作人员，能自动执行一些辐射安全措施 虽然ARMS系统的基本功能是保证辐射水平不超过正常运行水平，但其中一部分测量通道有助于监测和分析事故后果，它满足事故监测的某些设计要求，属于事故后监测系统（Past Accidental Monitoring System），满足事故后监测的某些功能，如就地读数，把测量数据传到数据中心；当出现误操作或系统故障时能给出指示信号；当测量结果超阈时，能发出报警。 由于事件或事故造成气态或液态废物排放对环境的污染，可通过通风系统或隔离系统的快速动作而减少，这些处置措施的采取就是以ARMS系统提供的监测数据基础

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