核辐射探测的基本方案

什么是核辐射

核辐射通常称为放射性，存在于所有物质之中。核辐射是原子核从一种结构或者一种能量状态转变为另一种结构或者能量状态的过程中所产生的微观粒子流;各种物质都是由最简单的物质组成的，人们把这些最简单的物质称为元素组成元素最基本的单元就是原子，凡是在元素周期表中占同一位置，原子序相同原子质量不相同的元素称其为同位素。原子如果不是因为外来的原因而是自发的发生原子结构的变化我们称其为核衰变。具有这种核衰变性质的同位素我们称之为放射性同位素。在衰变过程中放射出一种特殊的带有一定能量的粒子或者射线，这种现象我们称之为核辐射或者放射性。

核辐射的种类和性质

根据核辐射的性质不同，放射出的粒子或射线有α射线，β射线，γ射线，X射线等。

第一，α粒子一般具有4～10Mev能量，用α粒子电离气体比其他辐射强得多，因此在检测中，α辐射主要用于气体分析，用来测量气体压力和流量等参数。

第二，β粒子实际上是高速运动的电子，它在气体中的射程可达20m。在自动检测仪表中，主要是根据β粒子的辐射和吸收来测量材料的厚度，密度或重量；根据辐射的反应和散射来测量覆盖的厚度，利用β粒子很大的电力能力来测量气体流量。

第三，λ射线是一种从原子核内发射出来的电磁辐射，它在物质中的穿透能力比较强,在其气体中的射程为数百纳米,能穿过几千米厚的固体物质。λ射线被广泛应用在各种检测仪表中，特别是需要辐射和穿透力前的情况，如金属探伤，侧厚以及测量物体的密度等。

第四，X射线是由原子核外的内层电子被激发而放出的电磁波能量。

核辐射的危害

当人们暴露于核辐射环境下，可能会得辐射病。这种病是有症状的。几小时内你就会感到恶心呕吐，随后会出现腹泻、头痛或发烧等症状。在最初的症状过去之后，可能会出现一个短暂的无症状期，但数周后就会出现新的、更严重的症状。在更高的辐射剂量下，这些症状可能出现的更快，也更明显。同时，核辐射会对人体内脏造成广泛的，很多时候甚至是致命的伤害。暴露在核辐射中，一半的健康成年人无法承受4戈雷的辐射剂量。

核辐射传感器

核辐射传感器利用放射性同位素来进行测量的传感器，又称放射性同位素传感器。核辐射传感器是基于被测物质对射线的吸收、反散射或射线对被测物质的电离激发作用而进行工作的。核辐射传感器一般由放射源，探测器以及电信号转换电路组成，可以检测厚度和物位等参数。

放射源和探测器是核辐射传感器的重要组成部分，放射源由放射性同位素物质组成。探测器即核辐射检测器，它可以探测出射线的强弱及变化。随着核辐射技术的发展,核辐射传感器的应用越来越广泛。

核辐射探测器

探测器就是核辐射的接收器,它是核辐射传感器的重要组成部分，是指能够指示、记录和测量核辐射的材料或装置。其用途就是将核辐射信号转化成电信号,从而探测出射线的强弱和变化。目前用于检测仪表上的主要有电离室，闪烁计数器和盖格计数等。

电离室

电离室是气体探测器中原理最简单的。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。电离室由两个基本电极组成，一个是高压电极，另一个是收集电极，室内充有高压气体氩气，外面是一个密封外壳。 气体探测器的原理是，当探测器受到射线照射时，射线与气体中的分子作用，产生由一个电子和一个正离子组成的离子对。这些离子向周围区域自由扩散。扩散过程中，电子和正离子可以复合重新形成中性分子。但是，若在构成气体探测器的收集极和高压极上加直流的极化电压V，形成电场，那么电子和正离子就会分别被拉向正负两极，并被收集。随着极化电压V逐渐增加，气体探测器的工作状态就会从复合区、饱和区、正比区、有限正比区、盖革区(G - M区)一直变化到连续放电区。

气体放电计数管(盖格计数管)

盖格计数管也是根据射线对气体的电离作用而设计的辐射探测器.它与电离室不同的地方主要在于工作在气体放电区域，具有放大作用。其结构如右图所示.计数管以金属圆筒为阴极，以筒中心的一根钨丝或钼丝为阳极，筒和丝之间用绝缘体隔开。计数管内充有氩、氦等气体。为了便于密封，计数管常用玻璃作外壳，而阴极用金属或石墨涂覆于玻璃表面内部或在外壳内用金属筒作阴极。

闪烁计数器

物质受放射线的作用而被激发,在由激发态跃迁到基态的过程中,发射出脉冲状的光的现象称为闪烁现象。能产生这样发光现象的物质称为闪烁体。闪烁计数器先将辐射能变为光能,然后再将光能变为电能而进行探测,它由闪烁体,光电倍增管和输出电器两组成。

正比计数管

它是由圆筒形的阴极和作为阳极的中央芯线组成的，内封有稀有气体、氮气、二氧化碳、氢气、甲烷丙烷等气体。当放射线射入使气体产生电离时,由于在芯线近旁电场密度高， 电子碰撞被加速，在气体中获得足够的能量，碰撞其它气体分子和原子而产生新的离子对；此过程反复进行而被放大，人们将此过程称为气体放大。放大作用仅限于芯线近旁，核辐射传感器所以可得到与放射线的入射区域无关的一定的放大倍数,由于放大而产生的阳离子迅速离开气体放大区域而产生输出脉冲。输出脉冲的大小正比于因放射线入射而产生电子、正离子对的数目，而电子、正离子对数正比于气体吸收的放射线的能量,因此，正比计数管可以探测入射放射线的能量。正比计数管大多数是圆柱形或者球形、半球形。其阳极很细，阴极直径较大，这主要是为了在外加电压较小的情况下，使阳极附近仍能有很强的电场以便有足够大的气体放大倍数。正比计数管可以在很宽的能量范围内测定入射粒子的能量，能量分辨率相当高，分辨时间很短，并且可作快速计数。

半导体探测器

半导体探测器是近年来迅速发展起来的一种射线探测器。我们知道荷电粒子一入射到固体中就与固体中的电子产生相互作用并失去能量而停止。入射到半导体中的荷电粒子在此过程产生电子和空穴对。

而X射线或γ射线由于光电效应、康普顿散射、电子对生成等而产生二次电子，此高速的二次电子经过与荷电粒子的情况相同的过程而产生电子和空穴。若取出这些生成的电荷，可以将放射线变为电信号。就半导体而言，主要使用的是Si和Ge，对GaAs、CdTe等材料也进行了研究。目前, 开发的半导体传感器有PN结型传感器、 表面势垒型传感器、锂漂移型传感器、非晶硅传感器等。(end)