传感器原理13.ppt

第13章 射线及微波检测传感器13.1 核辐射传感器13.2 超声检测13.3 红外辐射传感器13.4 微波传感器核辐射、红外、超声波、微波等新兴 检测技术在近年来获得飞速的发展，并 在很多领域得到越来越多的应用本章 介绍它们在检测技术中实现非电量测量 的基本原理和应用实例13.1 核辐射传感器 13.1.1 核辐射检测的物理基础1．同位素原子序数相同，原子质量数不同的元素称作同位素不须外因的作用，某些同位素的原子核会发生自动衰 变，并在衰变中放出射线，这类同位素称作“放射性同位 素”衰减规律为 初始时原子核数t秒后原子核数衰变常数(质子数目相同，中子数目不同) 放射性同位素的原子核很不稳定，会不间断地、自发地放射出射线，直至变成另一种稳定同位素，这就 是所谓“核衰变”放射性同位素在进行核衰变的时候 ，可放射出α射线、β射线、γ射线等，但是放射性同位素在进行核衰变的时候并不一定能同时放射出这几种 射线核衰变的速度不受温度、压力、电磁场等外界 条件的影响，也不受元素所处状态的影响，只和时间 有关放射性同位素衰变的快慢，通常用“半衰期”来表 示 半衰期是指放射性同位素的原子核数衰变到其一半 所需的时间，一般将它作为该放射性同位素的寿命。

如P(磷)－32的半衰期是14.3天，就是说，假使原 来有100万个P(磷)－32 原子，经过14.3天后，只剩下 50万个了半衰期是放射性同位素的一特征常数，不同的放 射性同位素有不同的半衰期，衰变的时候放射出射线 的种类和数量也不同2．核辐辐射放射性同位素在衰变过变过 程中放出带带有一定能量的粒子 或射线线，这这种现现象称为为“核辐辐射”核辐辐射包括a、b、g三 种射线线 ⑴ a 射线线由带带正电电的a 粒子组组成（即氦原子核）,其质量为 4.002775原子质量单位并带有2个正电荷α粒子主要用于气 体分析，测量气体压力、流量等 ⑵β射线线它实际实际 上是高速运动动的电电子，其质质量为为0.000549原 子质质量单单位，放射速度接近光速β衰变变是原子核中的一个 中子转变转变 成一个质质子而放出一个电电子的结结果β粒子用于 测测量材料厚度、密度等 ⑶γ射线线它是一种电电磁辐辐射处处于受激态态的原子核常在极短 的时间时间 内(10-14s)将自己多余能量以电电磁辐辐射(光子)形式放射 出来，而使其回到基态态γ射线线的波长较长较 短(约为约为 10-8 ~ 10-10cm)，不带电带电 。

γ射线线在物质质中的穿透能力很强，能穿透 几十厘米厚的固体物质质，在气体中射程达数百米γ射线线广 泛应应用于金属探伤伤、测测大厚度等 a射线的证实英国物理学家卢瑟福设计了一个非常巧妙的实验因 为a射线可以穿透很薄的玻璃，厚的玻璃却穿不过他把 放射a射线的物质，例如钋或氡，封在一个很薄的小玻璃 管里；这个小玻璃管的壁非常薄，钋或氡放射的a射线可 以穿过管壁跑出来他把这个管壁薄的装有钋或氡的小玻 璃管装在一个管壁厚的大一些的玻璃管里，然后把大玻璃 管抽成真空钋或氡不断地放射出a射线，a射线穿过薄玻璃管壁 跑出来，但是碰到外层的厚玻璃管壁时就跑不出去了a 射线被抓住了！几天以后，在两个玻璃管之间的夹层中已经捕捉到一 定数量的a射线了在厚玻璃管两端预先封好的电极上通 上高压电，管中发出黄色的辉光，用光谱仪检验，真的是 氦欧内斯特·卢瑟福 一、生平简介欧内斯特·卢瑟福(Ernest Rutherford, 1871—1937)英 国物理学家，1908年度诺贝尔化学奖的获得者1871年8月30日生于新西兰纳尔逊的一个手工业工人 家庭并在新西兰长大他进入新西兰的坎特伯雷学院学 习。

23岁时获得了三个学位（文学学士、文学硕士、理学 学士）1895年在新西兰大学毕业后，获得英国剑桥大学 的奖学金进入卡文迪许实验室，成为汤姆孙的研究生 1898年，在汤姆孙的推荐下，担任加拿大麦吉尔大学的物 理教授他在那儿呆了9年于1907年返回英国出任曼彻 斯特大学的物理系主任1919年接替退休的汤姆孙，担任 卡文迪许实验室主任1925年当选为英国皇家学会主席 1931年受封为纳尔逊男爵，1937年10月19日因病在剑桥逝 世，与牛顿和法拉第并排安葬，享年66岁二、科学成就 卢瑟福是二十世纪最伟大的实验物理学家之一，在放 射性和原子结构等方面，都做出了重大的贡献被称为近 代原子核物理学之父1、他关于放射性的研究确立了放射性是发自原子内部的 变化放射性能使一种原子改变成另一种原子，而这是一 般物理和化学变化所达不到的；这一发现打破了元素不会 变化的传统观念，使人们对物质结构的研究进入到原子内 部这一新的层次，为开辟一个新的科学领域——原子物理 学，做了开创性的工作2. 1912年，卢瑟福根据α粒子散射实验现象提出原子核式 结构模型该实验被评为“物理最美实验”之一3、质子的发现 1919年，卢瑟福做了用α粒子轰击氮核的 实验。

他从氮核中打出的一种粒子，并测定了它的电荷与 质量，它的电荷量为一个单位，质量也为一个单位，卢瑟 福将之命名为质子二、科学成就4、他通过α粒子为物质所散射的研究，无可辩驳地论证了 原子的核模型，因而一举把原子结构的研究引上了正确的 轨道，于是他被誉为原子物理学之父5、人工核反应的实现是卢瑟福的另一项重大贡献自从 元素的放射性衰变被确证以后，人们一直试图用各种手段 ，如用电弧放电，来实现元素的人工衰变，而只有卢瑟福 找到了实现这种衰变的正确途径这种用粒子或γ射线轰 击原子核来引起核反应的方法，很快就成为人们研究原子 核和应用核技术的重要手段在卢瑟福的晚年，他已能在 实验室中用人工加速的粒子来引起核反应放射性的强弱称为为放射性强度，由单单 位时间时间 内发发生衰变变的次数来表示放射性强 度也是按指数规规律随时间时间 而减小，即 初始时放射性强度t秒后放射性强度放射性强度的单单位是居里（Ci）1居里等于 放射源每秒钟发钟发 生3.7×1010次核衰变变在检测仪检测仪 表 中，居里单单位太大，所以经经常使用的单单位是毫居里 （mCi）在国际单际单 位制中，放射性强度单单位用贝贝柯勒 尔（becquerel）表示，简简称贝贝可，为为1秒钟钟内发发生 一次核衰变变，符号为为Bq。

1Bq=2.703×10-11Ci 3．核辐辐射与物质间质间 的相互作用放射性同位素放射出的射线碰到各种物质的 时候，会产生各种效应，它包括射线对物质的作 用和物质对射线的作用两个相互联系的方面对核射线来说，它是一种能量传递和能量损 耗过程，对受照射物质来说， 它是一种对外来 能量的物理性反应和吸收过程 核辐射与物质的相互作用主要是电离、吸收 和反射 1）电电离作用具有一定能量的带电带电 粒子在穿过过物质时质时 在它们经们经 过过的路程上形成许许多离子对对，称为电为电 离作用电电离作用 是带电带电 粒子与物质质相互作用的主要形式a粒子是高速运动的氦核，具有+2电荷，其通过物质 时，主要是与电子碰撞因为α粒子的质量比电子大得多 ，它与电子碰撞后，几乎不改变运动方向，而被原子核 散射的几率很小，所以α粒子在物质中的路径基本上是直 线，其路径长度与射程近乎相等（所谓谓射程是指带电带电 粒 子在物质质中穿行时时，在能量耗尽停止运动动前所经过经过 的直 线线距离） α粒子在通过物质时，物质原子的核外电子受到α粒 子的库仑作用而获得能量如果电子得到的能量可以克 服原子核的束缚，则成自由电子，原子发生电离。

a粒 子由于能量大，电电离作用最强，但射程较较短1）电电离作用β射线是快速电子流，其质量小，速度 快，因此它与物质原子的相互作用与α粒 子有很大的差别表现在电电离能力比同样样 能量的a 粒子要弱，而电离能量损失率小 ，故而穿透能力强 β粒子与原子相互作 用时，很容易改变运动方向（称之为散射 ），由于β粒子易于散射，所以其行程是 弯曲的1）电电离作用γ射线是不带电的高能光子流，因此它与物质 相互作用的机制与α、β等带电粒子不同， g 粒子 没有直接电电离的作用，可以发生光电效应和康普 顿效应 γ光子与物质原子中的束缚电子作用时，其能 量全部转移给电子，使它脱离原子飞出，而γ光 子本身消失，这种过程称为光电效应 γ光子与物质原子相互作用时，将一部分能量 转移给电子，使它脱离原子飞出，而入射光子损 失能量并改变运动方向，这种过程称为康普顿效 应，又叫康普顿散射 2）核辐辐射的散射与吸收a、b、g 射线线穿过过物质时质时 ，由于电电磁场场作用，原子中 的电电子会产产生共振振动动的电电子形成向四面八方的电电磁波 源，使粒子和射线线的能量被吸收而衰减能量的衰减规规律 ：式中J、J0分别为射线穿透物质前、后的辐射强度，h为 穿透物质的厚度，ρ为物质的密度，am为物质的质量吸收系 数。

三种射线线中，γ射线线穿透能力最强，β射线线次之，α射 线线最弱，γ射线线的穿透厚度比α、β要大得多β射线穿透物质时，容易改变其运动方向而产生散 射现象当产生相反方向散射时，即出现了反射现象 反射的大小取决于散射物质的性质和厚度β射线的散 射随物质的原子序数增大而加大当原子序数增大到极 限情况时，投射到反射物质上的粒子几乎全部反射回来 反射的大小与反射物质的厚度有如下关系：式中：Jh — 反射物质厚度为h(mm)时，放射线被反射 的强度；Jm — 当h趋向无穷大时的反射强度，Jm与原子序 数有关；μh— 辐射能量的常数当J0、am、Jm、μh、ρ等已知后，只要测出J或Jh就 可求出其穿透厚度h另一方面，当J0、am、h等已知后， 只要测出J就可求物质的密度ρ核辐射与物质间的相互作用是进行核辐射检测的物 理基础利用电离、吸收和反射作用并结合α 、 b 和γ射 线的特点可以完成多种基础工作 例如利用α射线实现气体分析、气体压力和流量的测 量；α射线由于贯穿本领强，可以用来检查金属内部有 没有沙眼或裂纹，所用的设备叫α射线探伤仪α射线 的 电离作用很强，可以用来消除机器在运转中因摩擦而产 生的有害静电。

利用b射线进线进 行带带材厚度、密度、覆盖层层厚度等的 检测检测 ；利用g射线线完成材料缺陷、物位、密度等检测检测 与 大厚度的测测量等 13.1.2 核辐辐射传传感器1．电电离室放射线传线传 感器电电离室放射线传线传 感器如图图所示电电离室两侧设侧设 有两 块块平行极板，它是在空气中设置一个平行极板电容器， 对其加上几百伏的极化电压，在极板间产生电场当有 粒子或射线射向二极板之间的空气时，它们在电场的作 用下，空气分子被电电离成正、负负离子正离子趋向负极 ，而负负离子趋向正极，便产生电离电流，并在外接电电阻 R上形成压压降测测量此压压降值值可得核辐辐射的强度(电电离室 输输出信号正比于电电离室处处射线线的强度 )电离室主要用于探测α、β粒子 电离室的窗口直径约100mm左右，不必 太大γ射线的电离室同α、β的电离 室不太一样，由于γ射线不直接产生电 离，因而只能利用它的反射电子和增加 室内气压来提高γ光子与物质作用的有 效性，因此，γ射线的电离室必须密闭 电离室具有成本低、寿命 长等优点但输出电流较 小 2．盖格计数管盖格计数管又称为气体放电计数管，其中心有一根金属丝并与管 子绝缘，它是计数管的阳极；管壳内壁涂有导电金属层，为计数管的 阴极，并在两极间加上适当电压。

计数管内充有氩、氮等气体当核 辐射进入计数管内后，管内气体被电离当电子在外电场的作用下向 阳极运动时，由于碰撞气体产生次级电子，次极电子又碰撞气体分子 ，产生新的次级电子，这样次级电子急剧倍增，发生“雪崩”现象使阳 极放电放电后由于雪崩产生的电子都被中和，阳极被许多正离子包 围着这些正离子被称为“正离子鞘”正离子鞘的形成，使阳极附近 电场下降，直到不再。