核电厂辐射防护：第二章辐射探测基础.ppt

1,第二章 辐射探测基础,2.1 辐射探测基本原理 对于早期的放射性领域工作人员来说，由于当时的工艺和材料的限制，探测核辐射的仪器受到限制由于新技术和新器件的不断发展，为辐射探测开拓了各种新的方法 2.1.1 引言 辐射不是感觉器官所能感知的，因此，必须使用专门的探测器和仪器进行探测用计算方法求得的辐射剂量值是否正确，采取的辐射防护措施是否满足安全的要求，这都必须靠实际的测量予以检测 保健物理工作者主要任务之一是保护工作人员免受辐射的有害影响也就是说，它的责任是要提出一种安全地完成给定工作的方法这就要求：首先参照某种防护标准对辐射场进行测量，然后以此为基准评价辐射引起的危害根据这种分析，可以提出一种行动方针 在核电厂运行期间未来监督核电厂运行状况，监督燃料原件有无破损发生，监督向环境排放的放射性废气废液是否超过有关标准，监督辐射场的异常变化，需要设置各种各样的检测测量系统一旦核电厂有出现事故的可能，这些监督测量系统能够发出信号，提示操纵员作出判断，采取某种安全措施在这些监督测量系统中，都要使用核辐射探测器作为探测元件电离辐射与物质相互作用产生的各种效应都已成为显示和记录各种电离辐射的基础。

基于辐射在气体中的电离效应，产生了电离室、正比计数器和盖革计数管等，这些探测器已广泛应用到辐射测量工作中其他，诸如辐射的热作用、化学作用、光敏作用以及辐射导致固体材料物理性质的种种变化已成为辐射测量的常用手段 本节主要根据防护监测工作的需要，介绍辐射测量中经常使用的探测器 2.1.2 电离法 2.1.2.1 辐射在物质中引起的电离 光子、中子、或带电粒子通过物质时，能使该物质的原子或者分子去掉一个电子这种情况发生时，就形成一个离子对离子对是由这个自由电子和剩余的原子或分子构成的，剩余的原子或分子将带有一个正电荷在物质中形成离子对的过程称为电离离子对可以直接地或间接地形成辐射的这种致电离本领，不管是直接的还是间接的，已在许多装置中用以探测辐射 带电粒子和粒子，通过直接作用产生离子对这些带电粒子在通过物质的径迹上与原子的电子相互碰撞，并且将电子从原子中打出当这些带电粒子靠近电子通过时，可借助 与电场的作用将能量递给电子如果传递的能量不足以打出电子，这个原子就处在受激状态形成这些状态的过程称为激发2,3,光子和中子通过间接作用产生离子对它们同物质相互作用产生带电粒子，而这种带电粒子又进而使物质电离形成离子对或使原子激发。

辐射的能量和物质种类决定了在物质中形成的离子对的数目为了从给定的原子中打出电子，需要一定的能量这个能量称为该原子的电离电位对于多数元素而言，其值在520eV的范围之内在大多数物质中形成一个离子对所消耗的能量都大于电离电位这说明有些能量损失于激发因此，产生一个离子对所消耗的平均能量，即平均电离能，称W值，在辐射防护中是更有用的量知道了物质的W值和辐射能量就能估算形成离子对的数目，表2-1给出了电子和粒子在多种气体中典型的W值根据ICRU1979年的推荐，在标准压力和干燥空气中，电子每形成一个离子对需要消耗的平均能量为W= eV4,表2-1电子和a粒子在某些气体中的H值 本表略 早期应用最广泛的辐射探测器都是可以带电粒子通过气体时所引起的效应为依据的，其相互作用的主要方式是沿粒子路径的气体分子的电离和激发电离室、正比计数器和盖革计数管都是拾取在探测器所充气体内形成的离子对所引起的电输出信号，只是方式略有不同 就原理而言，电离室是所有气体探测器中最简单的电离室的正常工作是利用电场收集在气体中直接电离所产生的全部电荷电离室能够以电流方式或脉冲方式工作在常见的应用中，电离室是作为直流器件以电流方式应用的。

与此相反，正比计数器和盖革计数管总是以脉冲方式使用的、 2.1.2.2 离子对在气体中的漂移 无外加电场存在时，已产生的电子和正离子与气体分子一样，处于不停顿的热运动之中，因此有从高密度的原点扩散开的趋向 正离子遇到另一中性气体分子时可能出现电荷转移碰撞在这种碰撞中，把一个电子从 中性分子转移给离子，从而颠倒了彼此的角色在含有几种不同分子的混合气体中，这种电荷转移特别重要那时会有一种倾向把正电荷转移给电离能最低的气体，因此使这种气体分子成为正电离子的碰撞能释放能量5,初始离子对的自由电子在其正常扩散中也经历多次碰撞在某些气体分子中，可能有一种倾向使自由电子附着在中性气体分子上形成负离子这种负离子与电离过程中形成的初始正离子有许多相同的性质，只不过所带的电荷相反氧气就是一种容易吸附电子的气体与此相反，氮、氢、碳氢化合物气体以及惰性气体的电子附着系数都很低 正离子和自由电子之间的碰撞可以导致复合，在复合过程中正离子俘获电子恢复至中性的状态负离子可能与正离子碰撞，使它的多余电子转移给正离子，从而两种离子都被中和这两种情况都丢失了初始离子对呈现的电荷，对基于收集电离电荷的探测器信号不会有贡献 当对气体中存在离子和电子的区域施加外电场时，静电力趋于将电荷从原点上移开。

最终的运动是由无规则热运动速度与定向漂移速度迭加在一起正离子向习惯上的电场方向漂移，自由电子和负离子向相反方向漂移只有这种定向的漂移才能形成电流 离子漂移的速度很小自由电子的行为就大不相同它的质量小得多，使得在与中性气体分子的两次碰撞之间可以有较大的加速度，电子的漂移速度一般比离子大1000倍此外，自由电子的漂移速度有饱和效应，饱和漂移速度约为104105m s-1.,6,2.1.2.3 外加电场与离子对收集的关系 图2-1给出了气体探测器的结构示意图 外部直流电压源在气体探测器内部产生电场，电场强度的数值随着直流电压的增大而增大由带电粒子在气体探测器内部气体中产生的N0对离子对在电场作用下向着相反方向移动，最后分别收集到气体探测器的正极和负极上由于正极收集到的电子数目，或负极收集到的 图2-1气体探测器结构示间图（圆柱形） 正离子数目，是否正好等于N0呢？实践证明，并不正好等于N0，而是随着外加电压V的数值而变化，如图2-2所示图中纵坐标代表电压V的数值 由图2-2可以看出，有五个明显不同的区7,8,（1）区称为复合区 在此区域内，电极收集到的离子对数目N低于由带电粒子产生的离子对数目N0。

N0可以用下式计算 与外加直流电压V的关系: N0=E/W 式中，E射线在电离室中损失的能量； W平均电离能； N0中有一部分因为复合而消失 区称为饱和区 这是电离室的工作区这一区的特点是N正好等于N0，也就是说电极收集到的离子对数目达到饱和9,（2）区称为正比区 这是正比计数器选择的工作区这一区域的特点是N与N0的比值是常数，以M表示，M=N/N0完全由探测器的结构与外加直流电压的数值所决定，称为气体放大倍数，气体放大倍数不随N0而变化，即N总与N0成正比 （3）区称为有限正比区 这一区域的特点是M的数值与N0的大小有关，N0比较大时M就比较小 （4）区称为G-M区 该区是G-M计数器的工作区域，它的特点是N保持定值，仅由计数器的结构与外加电压的数值所决定，与N0无关 这里需要说明两个问题首先，对一支气体探测器来说，从原理上说可以改变外加电压数值使其工作在不同区域，但实际上由于结构已定，它只能适合于工作在某个区域；其次，用两只气体探测器来比较，尽管1只是工作于正比工作区的正比计数器，而另一只是工作于G-M区的G-M计数器，这并不能断定加到G-M计数器上的工作电压一定比另一只高，这是因为两只气体探测器的结构是不同的。

10,2.1.2.4 电离电流 当存在电场时，离子和电子所呈现的正电荷和负电荷的漂移构成电流一定体积的气体受稳定照射时，离子对的生成率是恒定的对于气体的任意小的检验体积，通过复合和从该体积向外的扩散或迁移而引起的离子对消失率会严格地与离子对的产生率保持平衡如果复合可以忽略并能有效地收集所有的电荷，所产生的稳定电流则是对该体积内离子对生成率的准确量度，他正比于周围的辐射水平电流电离室的基本原理就是测量这种电离电流 图2-3表明了电离室的基本原理将一定体积的气体密封在可利用外加电压产生电场的空间内达到平衡时，外电路中的电流就等于在电极上收集到的电离电流，因此测量外电路中的电流就可测量电离电流11,12,电离室的电流-电压特性曲线也简略地表示在图2-3中，忽略与扩散差异有关的某些细微效应，当不加电压时，由于气体中不存在电场就不应有静电流流过所生成的离子和电子通过复合或从有效体积向外扩散最后消失了随着电压的增加，所产生的电场开始使离子对较快地分开，复合减少，正电荷和负电荷还以渐增的漂移速度向相应的点电极冲击，这就降低了在起始点与电极间离子的复合由于这些效应减少了初始电荷的损失量，测得的电流随 外加电压的增加而增高。

在足够高的外加电压下，电场强到将复合有效地压低到可忽略的程度，电离过程中所产生的全部初始电荷都贡献给了电离电流，再增加电压就不能增加电流了这种情况下，在外电路中测得的电流是在电离室有效体积内由于电流引起的全部电荷的生成率的真实指标,13,2.1.2.5 电离电流的测量 电离室的输出电流一般在10-510-12A，因此必须使用由高输入阻抗的特殊器件组成的弱电流放大电路对他进行测量 弱电流放大器实际上是一个阻抗变换器，输出电压幅度等于输入电压幅度，但输出电压以低电阻形式输出，以达到能够用普通的设备测量或取出信号的目的 弱电流放大器的输出信号经A/D变换后，送入微处理器，然后以适当的单位在显示单元上显示图2-4给出了测量设备的方块图14,15,弱电流测量的另一种电路为直接积分式电流-频率转换器，输出的频率与输入的电流成正比在很宽的测量范围内，例如10-510-12A，仪器不必换挡在图2-5中，运算放大器作为积分器来工作，反馈电容C为积分电容，放大器的输出电压是输入电流的时间积分当输出电压累积到参考电压VB时，后面的电压比较器就被触发，其输出脉冲触发单稳态电路，使其输出一个宽度恒定的脉冲该脉冲电压通过电流开关送出一个宽度，幅度皆恒定的电流脉冲至放大器的输入端，电流脉冲极性与输入电流极性相反，因而使积分器输出电平恢复到原来的初始水平，这样就形成了一次积分周期。

同时，计数器将整形电路输出脉冲进行计数每当电压比较器翻转一次，相当于在积分电容器中积累了Q的电量在单位时间里得到的计数可以换算成输入电流这样，在测量过程中可以不改变量程开关，整个动态范围可达5-7个量程16,17,2.1.3 电离室 2.1.3.1 自由空气电离室射线照射量测量 电离室的一项最重要的应用是测量射线的照射量充空气的电离室特别适合这种应用， 因为照射量是以空气中产生的电离电荷定义的在适当的条件下，测定空气中的电离电荷可给出照射量的准确量度，而侧量电离电流则指示出照射量率 测量照射量不像想象的那样简单，因为照射量是由待测剂量的那一点产生的全部次级电子形成的电离定义的严格地说，需要跟踪每一个次级电子的整个射程沿其轨迹测量所有的电离普通能量的射线所产生的次级电子在空气中的射程有几米长所以要设计一种直接进行这种测量的仪器是不可能的，而是采用补偿原理 假设空气检验体积周围是在测量过程中受到同样照射量的无限的等效空气，检验体积就能得到严格补偿即，由检验体积内所形成的次级电子在检验体积内产生的电荷相平衡图2-6说明了这种补偿情形18,19,20,如果射线相互作用的密度是均匀的，检验体积所记录的电离量就恰恰等于沿着在检验体积内生成的所有次级电子的轨迹所产生的电离量（如图中轨迹1，2）。

这些电子在检验体积外所产生的电离为来自别处的电子（如轨迹3，4）在检验体积内产生的电离所补偿 注：在灵敏体积内生成的次级电子未能达到电极就停止运动只有平行于入射辐射的方向才需要补偿 图2-7是依据补偿原理设计的一种电离室简图，这种设计称为自由空气电离室由于保护电极接地，电离室的两端变得不灵敏了平行板几何结。