电离辐射防护的基本概念概况.docx

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电离辐射防护的基本概念概况

辐射防护的基本概念

1．β射线与物质的相互作用：

• 电子的能量损失：

• 电离损失——快电子通过靶物质时，与原子的核外电子发生非弹性碰撞，使物质原子电离或激发，因而损失其能量，这与重带电粒子情况相类似。

电离损失（电子碰撞能量损失）是β射线在物质中损失能量的重要方式。

• 辐射损失——这是β粒子与物质原子的原子核非弹性碰撞时产生的一种能量损失。

当带电粒子接近原子核时，速度迅速减低，会发射出电磁波（光子），这种电磁辐射叫轫致辐射。

• 电子的散射；

β粒子与靶物质原子核库仑场作用时，只改变运动方向，而不辐射能量，这种过程称为弹性散射。

由于电子的质量小，因而散射角度可以很大（与α粒子相比，β粒子的散射要大得多），而且会发生多次散射，最后偏离原来的运动方向。

同时，入射电子能量越低，及靶物质的原子序数越大，散射也就越厉害。

β粒子在物质中经过多次散射其最后的散射角可以大于90°，这种散射成为反散射。

• β射线的射程和吸收；

2．γ射线与物质的相互作用：

• 光电效应——γ光子与靶物质原子相互作用，γ光子的全部能量转移给原子中的束缚电子，使这些电子从原子中发射出来，γ光子本身消失。

• 康普顿效应（又称康普顿散射）——入射γ光子与原子的核外电子发生非弹性碰撞，光子的一部分能量转移给电子，使它反冲出来，而光子的运动方向和能量都发生都发生了变化，成为散射光子。

• 电子对效应——γ光子与靶物质原子的原子核库仑场作用，光子转化为正-负电子对。

• 相干散射——低能光子（hν〈〈m0c2〉与束缚电子之间的弹性碰撞，而靶原子保持它的初始状态。

碰撞后的光子能量不变，即电磁波波长不变，称汤姆逊散射或相干散射。

• 光致核反应——大于一定能量的γ光子与物质原子的原子核作用，能发射出粒子，例如（γ，n）反应。

但这种相互作用的大小与其它效应相比是小的，所以可以忽略不计。

• 核共振反应——入射光子把原子核激发到激发态，然后退激时再放出γ光子。

★探测器分类

几类探测器

 气体探测器

 电离室

 脉冲电离室

电流电离室

累计电离室

正比计数器

G-M计数管

闪烁探测器

 NaI（Tl）单晶γ谱仪

半导体探测器

 金硅面垒半导体探测器

高纯锗（HPGe）探测器

 锂漂移硅探测器

原子核乳胶

 固体径迹探测器

 气泡室

 火花放电室

 多丝正比室

 切伦科夫计数器

 热释光探测器

 3．气体探测器

特点：

以气体为探测介质。

历史：

在核物理发展的早期，它们曾经是应用最广的探测器，50年代以后，由于闪烁计数器和半导体探测器的发展，才逐步被取代。

优点：

制备简单，性能可靠，成本低廉，使用方便等。

气体探测器是利用收集辐射在气体中产生的电离电荷来历探测辐射的探测器。

因此，探测器也就是离子的收集器。

它通常是由高压电极和收集电极组成，常见的是两个同轴的圆柱形电极，两个电极由绝缘体隔开并密封于容器内。

电极间充气体并外加一定的电压。

辐射使电极间的气体电离，生成的电子和正离子在电场作用下漂移，最后收集到电极上。

电子和正离子生成后，由于静电感应，电极上将感生电荷，并且随它们的漂移而变化。

于是，在输出回路中形成电离电流，电流的强度决定于被收集的离子对数。

电离室

 脉冲电离室

 记录单个辐射粒子，主要用于测量重带电粒子的能量和强度；按输出回路的参量，脉冲电离室又可区分为离子脉冲电离室和电子脉冲电离室。

 电流电离室

 记录大量辐射粒子平均效应，主要用于测量X，γ，β和中子的强度或通量、剂量或剂量率。

它是剂量监测和反应堆控制的主要传感元件。

累计电离室

 电离室的大小和形状，室壁和电极的材料以及所充的气体成分、压强都要根据辐射的性质、实验的要求来确定。

例如，测量α粒子能量的电离室，须要足够大的容积和气压，以便使α粒子的径迹都落在灵敏区内。

对γ射线强度作相对测量时，为了提高灵敏度，室壁材料宜用高原子序数的金属，其厚度略大于室壁中次级电子的射程。

作绝对γ剂量测量时，须用与空气或生物组织等价的材料作电极和室壁。

脉冲电离室所能记录的带电粒子数目不能过大，否则脉冲将重叠，甚至无法分辨。

因此，在大量入射粒子的情况下，只能由平均电离电流或累积的总电荷来测定射线的强度，即电流电离室和累计电离室。

4．闪烁探测器

核辐射与某些透明物质相互作用，会使其电离、激发而发射荧光，闪烁探测器就是利用这一特性来工作的。

闪烁探测器由闪烁体、光电倍增管和相应的电子仪器三个主要部分组成。

闪烁计数器在核辐射探测中是应用较广泛的一种探测器，就其应用可以归结为四类：

①能谱测量；②强度测量；③时间测量；④剂量测量。

其中，剂量测量是强度和能量测量的结合。

在这些测量中遇到的基本问题：

一是脉冲输出，二是时间分辨，三是能量分辨。

闪烁计数器的工作可分为五个相互联系的过程：

• 射线进入闪烁体，与之发生相互作用，闪烁体吸收带电粒子能量而使原子、分子的电离和激发；

• 受激原子、分子退激时发射荧光光子；

• 利用反射物和光导将闪烁光子尽可能多地收集到光电倍增管的光阴极上，由于光电效应，光子在光阴极上击出光电子；

• 光电子在光电倍增管中倍增，数量由一个增加到104-109个，电子流在阳极负载上产生电信号；

• 此信号由电子仪器记录和分析。

国产ST-型闪烁体主要用途一览表：

类型

 型号

 主要用途

NaI（Tl）

 ST-101

ST-102

ST-103

ST-104

ST-105

 测量γ射线强度、能谱

测量低能γ或X射线

加大立体角测量γ射线

测较高能量的γ射线

反符合屏蔽、低本底测量

 CsI（Tl）

 ST-121

ST-122

 测量α、β、γ，脉冲形状甄别γ场中

测量α、X射线

ZnS（Ag）

 ST-201

ST-202

ST-203

ST-206

ST-207

ST-211

ST-212

 γ场中测量α场度

测量氡及其子体

测量氡及其子体

测量快中子强度

测量快中子强度

测量热中子和慢中子强度

测量热中子和慢中子强度

 塑料

 ST-401

ST-402

ST-406

ST-407

ST-1421

ST-1422

 γ、β、快中子

强γ场下测量β

测γ射线的剂量，X射线

监测α、β强度

γ、快中子，高发光效率

快时间测量

液体

 ST-451

 用于n-γ分辨探测快中子

蒽晶体

 ST-501

 α、β、γ、快中子，比较标准

对联三苯

 ST-551

 低能β射线，强γ场中测量β

锂玻璃

 ST-601

ST-602

 测量α能谱

测量热中子到中能中子的强度

 当核辐射的能量全部耗尽在闪烁体内时，即当A=1时，探测器输出脉冲幅度与入射粒子能量成正比，因此可以根据对脉冲幅度谱的分析来测定核粒子的能谱。

目前，测量带电粒子（电子或重带电粒子）能谱大都应用半导体探测器以及磁谱仪。

在γ能谱测量领域，Ge半导体探测器虽有它突出的优点，正逐渐被大家采用，但在工业、医学等应用领域中，以及在某些核物理实验中，闪烁谱仪，特别是NaI（Tl）单晶γ谱仪仍有相当广泛的用途。

5．半导体探测器

自从60年代有商品生产的半导体探测器以后，这种探测器得到了迅速的发展。

它的工作原理类似于气体电离室，而探测介质是半导体材料。

它的主要优点是：

• 电离辐射在半导体介质中产生一对电子、空穴对平均所需能量大约为在气体中产生一对离子对所需能量的十分之一，即同样能量的带电粒子在半导体中产生的离子对数要比在气体中产生的约多一个量级，因而电荷数的相对统计涨落也就小得多，所以半导体探测器的能量分辨率很高；

• 带电粒子在半导体中形成的电离密度要比在一个大气压的气体中形成的高，大约为三个量级，所以当测高能电子或γ射线时半导体探测器的尺寸要比气体探测器小得多，因而可以制成高空间分辨和快时间响应的探测器；

• 测量电离辐射的能量时，线性范围宽。

半导体探测器的主要缺点是：

• 对辐射损伤较灵敏，受强辐照后性能变差；

• 常用的锗探测器，需要在低温（液氮）条件下工作，甚至要求在低温下保存，使用不便。

半导体探测器广泛地应用于各个领域的射线能谱测量。

近年来又受到高能物理工作者的重视，在高位置分辨的粒子径迹探测器方面有了突破性的发展。

6．有关核探测器

★电流电离室

主要指标：

• 饱和特性；

• 灵敏度——以单位强度的射线辐照下输出的电离电流来量度。

灵敏度与辐射的能量有关，它随能量的变化称为能量响应。

• 线性范围——指电离室输出电流与辐射强度保持线性关系的范围。

• 暗电流——脉冲探测器没有放射源时探测器输出的电流。

★正比计数器

优点（与电离室相比）：

• 脉冲幅度较大；

• 灵敏度较高；

• 乃冲幅度几乎与原电离的地点无关。

缺点：

脉冲幅度随工作电压变化较大，且容易受外来电磁干扰，因此，对电源的稳定度要求也较高（≤0.1%）。

★G-M计数器

在核物理发展的早期G-M计数器曾是使用最广的辐射探测器。

至今，在放射性同位素应用和剂量监测工作中，仍是常用的探测元件。

分类（按充气的性质）：

• 充纯单原子或双原子分子气体——如惰性气体或H2，N2等，称为非自熄计数器，它使用不方便，很少采用了。

• 充单原子分子与多原子分子的混合气体或纯多原子分子气体——称为自猝熄计数器。

按猝熄气体又可分为有机自猝熄和卤素自猝熄计数器。

G-M计数管的特性：

（1）坪曲线；a.起始电压；b.坪斜；c.坪长。

（2）死时间、恢复时间和分辨时间；

（3）计数管的探测效率；

（4）计数管的寿命；

（5）计数管的温度效应。

G-M计数器探测射线的优点：

• 灵敏度高；

• 脉冲幅度大；

• 稳定性高；

• 计数器的大小和几何形状可按探测粒子的类型和测量的要求在较大的范围内变动；

• 使用方便、成本低廉、制作的工艺要求和仪器电路均较简单。

缺点：

• 不能鉴别粒子的类型和能量；

• 分辨时间长，约102μs，不能进行快速计数；

• 正常工作的温度范围较小（卤素管略大些）；（4）有乱真计数。

★NaI（Tl）单晶γ谱仪

组成单元：

• 闪烁探头；

• 高压电源；

• 线性放大器；

• 脉冲幅度分析器。

★金硅面垒半导体探测器

主要用于测量短射程的带电粒子的能谱。

它的时间响应速度与闪烁探测器差不多，所以可用来作定时探测器。

它的本底很低，适于作低本底测量。

优点：

（1）能量分辨率高；

（2）设备简单；（3）使用方便。

缺点：

灵敏体积不能做得很大，因而限制了大面积放射源的使用。

★高纯锗（HPGe）探测器

灵敏区比金硅面垒探测器厚，可用它探测β或γ射线的能谱。

主要用于测量中、高能的带电粒子（能量低于220MeV的α粒子，低于60MeV的质子和能量低于10MeV的电子）和能量在300keV至600keV的X射线和低能γ射线。

主要性能：

• 能量分辨率；HPGe探测器主要用于测量γ射线的能谱，其能量分辨率较高；

• 探测效率；a.绝对全能峰探测效率εpb.相对效率；

• 峰康比与峰形状；

• 电荷收集和时间特性；

• 中子辐照损伤。

★锂漂移硅探测器

主要是用于低能γ射线和X射线的测量。

在以上三种半导体探测器中，它的灵敏区最厚。

近年来虽然Ge（Li）探测器已被HPGe探测器所取代，然而Si（Li）仍然起着重要作用。

辐射防护技术的基本概念

1．β射线与物质的相互作用：

•电子的能量损失：

•电离损失——快电子通过靶物质时，与原子的核外电子发生非弹性碰撞，使物质原子电离或激发，因而损失其能量，这与重带电粒子情况相类似。

电离损失（电子碰撞能量损失）是β射线在物质中损失能量的重要方式。

•辐射损失——这是β粒子与物质原子的原子核非弹性碰撞时产生的一种能量损失。

当带电粒子接近原子核时，速度迅速减低，会发射出电磁波（光子），这种电磁辐射叫轫致辐射。

•电子的散射；

β粒子与靶物质原子核库仑场作用时，只改变运动方向，而不辐射能量，这种过程称为弹性散射。

由于电子的质量小，因而散射角度可以很大（与α粒子相比，β粒子的散射要大得多），而且会发生多次散射，最后偏离原来的运动方向。

同时，入射电子能量越低，及靶物质的原子序数越大，散射也就越厉害。

β粒子在物质中经过多次散射其最后的散射角可以大于90°，这种散射成为反散射。

•β射线的射程和吸收；

2．γ射线与物质的相互作用：

•光电效应——γ光子与靶物质原子相互作用，γ光子的全部能量转移给原子中的束缚电子，使这些电子从原子中发射出来，γ光子本身消失。

•康普顿效应（又称康普顿散射）——入射γ光子与原子的核外电子发生非弹性碰撞，光子的一部分能量转移给电子，使它反冲出来，而光子的运动方向和能量都发生都发生了变化，成为散射光子。

•电子对效应——γ光子与靶物质原子的原子核库仑场作用，光子转化为正-负电子对。

•相干散射——低能光子（hν〈〈m0c2〉与束缚电子之间的弹性碰撞，而靶原子保持它的初始状态。

碰撞后的光子能量不变，即电磁波波长不变，称汤姆逊散射或相干散射。

•光致核反应——大于一定能量的γ光子与物质原子的原子核作用，能发射出粒子，例如（γ，n）反应。

但这种相互作用的大小与其它效应相比是小的，所以可以忽略不计。

•核共振反应——入射光子把原子核激发到激发态，然后退激时再放出γ光子。

★探测器分类

几类探测器

气体探测器

电离室

脉冲电离室

电流电离室

累计电离室

正比计数器

G-M计数管

闪烁探测器

NaI（Tl）单晶γ谱仪

半导体探测器

金硅面垒半导体探测器

高纯锗（HPGe）探测器

锂漂移硅探测器

原子核乳胶

固体径迹探测器

气泡室

火花放电室

多丝正比室

切伦科夫计数器

热释光探测器

3．气体探测器

特点：

以气体为探测介质。

历史：

在核物理发展的早期，它们曾经是应用最广的探测器，50年代以后，由于闪烁计数器和半导体探测器的发展，才逐步被取代。

优点：

制备简单，性能可靠，成本低廉，使用方便等。

气体探测器是利用收集辐射在气体中产生的电离电荷来历探测辐射的探测器。

因此，探测器也就是离子的收集器。

它通常是由高压电极和收集电极组成，常见的是两个同轴的圆柱形电极，两个电极由绝缘体隔开并密封于容器内。

电极间充气体并外加一定的电压。

辐射使电极间的气体电离，生成的电子和正离子在电场作用下漂移，最后收集到电极上。

电子和正离子生成后，由于静电感应，电极上将感生电荷，并且随它们的漂移而变化。

于是，在输出回路中形成电离电流，电流的强度决定于被收集的离子对数。

电离室

脉冲电离室

记录单个辐射粒子，主要用于测量重带电粒子的能量和强度；按输出回路的参量，脉冲电离室又可区分为离子脉冲电离室和电子脉冲电离室。

电流电离室

记录大量辐射粒子平均效应，主要用于测量X，γ，β和中子的强度或通量、剂量或剂量率。

它是剂量监测和反应堆控制的主要传感元件。

累计电离室

电离室的大小和形状，室壁和电极的材料以及所充的气体成分、压强都要根据辐射的性质、实验的要求来确定。

例如，测量α粒子能量的电离室，须要足够大的容积和气压，以便使α粒子的径迹都落在灵敏区内。

对γ射线强度作相对测量时，为了提高灵敏度，室壁材料宜用高原子序数的金属，其厚度略大于室壁中次级电子的射程。

作绝对γ剂量测量时，须用与空气或生物组织等价的材料作电极和室壁。

脉冲电离室所能记录的带电粒子数目不能过大，否则脉冲将重叠，甚至无法分辨。

因此，在大量入射粒子的情况下，只能由平均电离电流或累积的总电荷来测定射线的强度，即电流电离室和累计电离室。

4．闪烁探测器

核辐射与某些透明物质相互作用，会使其电离、激发而发射荧光，闪烁探测器就是利用这一特性来工作的。

闪烁探测器由闪烁体、光电倍增管和相应的电子仪器三个主要部分组成。

闪烁计数器在核辐射探测中是应用较广泛的一种探测器，就其应用可以归结为四类：

①能谱测量；②强度测量；③时间测量；④剂量测量。

其中，剂量测量是强度和能量测量的结合。

在这些测量中遇到的基本问题：

一是脉冲输出，二是时间分辨，三是能量分辨。

闪烁计数器的工作可分为五个相互联系的过程：

•射线进入闪烁体，与之发生相互作用，闪烁体吸收带电粒子能量而使原子、分子的电离和激发；

•受激原子、分子退激时发射荧光光子；

•利用反射物和光导将闪烁光子尽可能多地收集到光电倍增管的光阴极上，由于光电效应，光子在光阴极上击出光电子；

•光电子在光电倍增管中倍增，数量由一个增加到104-109个，电子流在阳极负载上产生电信号；

•此信号由电子仪器记录和分析。

国产ST-型闪烁体主要用途一览表：

类型

型号

主要用途

NaI（Tl）

ST-101

ST-102

ST-103

ST-104

ST-105

测量γ射线强度、能谱

测量低能γ或X射线

加大立体角测量γ射线

测较高能量的γ射线

反符合屏蔽、低本底测量

CsI（Tl）

ST-121

ST-122

测量α、β、γ，脉冲形状甄别γ场中

测量α、X射线

ZnS（Ag）

ST-201

ST-202

ST-203

ST-206

ST-207

ST-211

ST-212

γ场中测量α场度

测量氡及其子体

测量氡及其子体

测量快中子强度

测量快中子强度

测量热中子和慢中子强度

测量热中子和慢中子强度

塑料

ST-401

ST-402

ST-406

ST-407

ST-1421

ST-1422

γ、β、快中子

强γ场下测量β

测γ射线的剂量，X射线

监测α、β强度

γ、快中子，高发光效率

快时间测量

液体

ST-451

用于n-γ分辨探测快中子

蒽晶体

ST-501

α、β、γ、快中子，比较标准

对联三苯

ST-551

低能β射线，强γ场中测量β

锂玻璃

ST-601

ST-602

测量α能谱

测量热中子到中能中子的强度

当核辐射的能量全部耗尽在闪烁体内时，即当A=1时，探测器输出脉冲幅度与入射粒子能量成正比，因此可以根据对脉冲幅度谱的分析来测定核粒子的能谱。

目前，测量带电粒子（电子或重带电粒子）能谱大都应用半导体探测器以及磁谱仪。

在γ能谱测量领域，Ge半导体探测器虽有它突出的优点，正逐渐被大家采用，但在工业、医学等应用领域中，以及在某些核物理实验中，闪烁谱仪，特别是NaI（Tl）单晶γ谱仪仍有相当广泛的用途。

5．半导体探测器

自从60年代有商品生产的半导体探测器以后，这种探测器得到了迅速的发展。

它的工作原理类似于气体电离室，而探测介质是半导体材料。

它的主要优点是：

•电离辐射在半导体介质中产生一对电子、空穴对平均所需能量大约为在气体中产生一对离子对所需能量的十分之一，即同样能量的带电粒子在半导体中产生的离子对数要比在气体中产生的约多一个量级，因而电荷数的相对统计涨落也就小得多，所以半导体探测器的能量分辨率很高；

•带电粒子在半导体中形成的电离密度要比在一个大气压的气体中形成的高，大约为三个量级，所以当测高能电子或γ射线时半导体探测器的尺寸要比气体探测器小得多，因而可以制成高空间分辨和快时间响应的探测器；

•测量电离辐射的能量时，线性范围宽。

半导体探测器的主要缺点是：

•对辐射损伤较灵敏，受强辐照后性能变差；

•常用的锗探测器，需要在低温（液氮）条件下工作，甚至要求在低温下保存，使用不便。

半导体探测器广泛地应用于各个领域的射线能谱测量。

近年来又受到高能物理工作者的重视，在高位置分辨的粒子径迹探测器方面有了突破性的发展。

6．有关核探测器

★电流电离室

主要指标：

•饱和特性；

•灵敏度——以单位强度的射线辐照下输出的电离电流来量度。

灵敏度与辐射的能量有关，它随能量的变化称为能量响应。

•线性范围——指电离室输出电流与辐射强度保持线性关系的范围。

•暗电流——脉冲探测器没有放射源时探测器输出的电流。

★正比计数器

优点（与电离室相比）：

•脉冲幅度较大；

•灵敏度较高；

•乃冲幅度几乎与原电离的地点无关。

缺点：

脉冲幅度随工作电压变化较大，且容易受外来电磁干扰，因此，对电源的稳定度要求也较高（≤0.1%）。

★G-M计数器

在核物理发展的早期G-M计数器曾是使用最广的辐射探测器。

至今，在放射性同位素应用和剂量监测工作中，仍是常用的探测元件。

分类（按充气的性质）：

•充纯单原子或双原子分子气体——如惰性气体或H2，N2等，称为非自熄计数器，它使用不方便，很少采用了。

•充单原子分子与多原子分子的混合气体或纯多原子分子气体——称为自猝熄计数器。

按猝熄