輻射的知識

一、輻射防護基本概念

　　1．β射線與(yu) 物質的相互作用：

　　（1）電子的能量損失：

　　a. 電離損失——快電子通過靶物質時，與(yu) 原子的核外電子發生非彈性碰撞，使物質原子電離或激發，因而損失其能量，這與(yu) 重帶電粒子情況相類似。電離損失（電子碰撞能量損失）是β射線在物質中損失能量的重要方式。

　　b. 輻射損失——這是β粒子與(yu) 物質原子的原子核非彈性碰撞時產(chan) 生的一種能量損失。當帶電粒子接近原子核時，速度迅速減低，會(hui) 發射出電磁波（光子），這種電磁輻射叫軔致輻射。

　　（2）電子的散射；

　　β粒子與(yu) 靶物質原子核庫侖(lun) 場作用時，隻改變運動方向，而不輻射能量，這種過程稱為(wei) 彈性散射。由於(yu) 電子的質量小，因而散射角度很大（與(yu) α粒子相比，β粒子的散射要大得多），而且會(hui) 發生多次散射，後偏離原來的運動方向。同時，入射電子能量越低，及靶物質的原子序數越大，散射也就越厲害。β粒子在物質中經過多次散射其後的散射角大於(yu) 90°，這種散射成為(wei) 反散射。

　　（3） β射線的射程和吸收；

　　2．γ射線與(yu) 物質的相互作用：

　　（1）光電效應——γ光子與(yu) 靶物質原子相互作用，γ光子的全部能量轉移給原子中的束縛電子，使這些電子從(cong) 原子中發射出來，γ光子本身消失。

　　（2）康普頓效應（又稱康普頓散射）——入射γ光子與(yu) 原子的核外電子發生非彈性碰撞，光子的一部分能量轉移給電子，使它反衝(chong) 出來，而光子的運動方向和能量都發生都發生了變化，成為(wei) 散射光子。

　　（3）電子對效應——γ光子與(yu) 靶物質原子的原子核庫侖(lun) 場作用，光子轉化為(wei) 正-負電子對。

　　（4）相幹散射——低能光子（hν<<m0c2>與(yu) 束縛電子之間的彈性碰撞，而靶原子保持它的初始狀態。碰撞後的光子能量不變，即電磁波波長不變，稱湯姆遜散射或相幹散射。

　　（5）光致核反應——大於(yu) 一定能量的γ光子與(yu) 物質原子的原子核作用，能發射出粒子，例如（γ，n）反應。但這種相互作用的大小與(yu) 其它效應相比是小的，所以忽略不計。

　　（6）核共振反應——入射光子把原子核激發到激發態，然後退激時再放出γ光子。

　　★　探測器分類

3．氣體(ti) 探測器

　　特點：以氣體(ti) 為(wei) 探測介質。

　　曆史：在核物理發展的早期，它們(men) 曾經是應用廣的探測器，50年代以後，由於(yu) 閃爍計數器和半導體(ti) 探測器的發展，才逐步被取代。

　　優(you) 點：製備簡單，性能可靠，成本低廉，使用方便等。

　　氣體(ti) 探測器是利用收集輻射在氣體(ti) 中產(chan) 生的電離電荷來曆探測輻射的探測器。因此，探測器也就是離子的收集器。它通常是由高壓電極和收集電極組成，常見的是兩(liang) 個(ge) 同軸的圓柱形電極，兩(liang) 個(ge) 電極由絕緣體(ti) 隔開並密封於(yu) 容器內(nei) 。電極間充氣體(ti) 並外加一定的電壓。輻射使電極間的氣體(ti) 電離，生成的電子和正離子在電場作用下漂移，後收集到電極上。電子和正離子生成後，由於(yu) 靜電感應，電極上將感生電荷，並且隨它們(men) 的漂移而變化。於(yu) 是，在輸出回路中形成電離電流，電流的強度決(jue) 定於(yu) 被收集的離子對數。

　　電流電離室記錄大量輻射粒子平均效應，主要用於(yu) 測量X，γ，β和中子的強度或通量、劑量或劑量率。它是劑量監測和反應堆控製的主要傳(chuan) 感元件。

　　累計電離室

　　電離室的大小和形狀，室壁和電極的材料以及所充的氣體(ti) 成分、壓強都要根據輻射的性質、實驗的要求來確定。例如，測量α粒子能量的電離室，須要足夠大的容積和氣壓，以便使α粒子的徑跡都落在靈敏區內(nei) 。對γ射線強度作相對測量時，為(wei) 了提高靈敏度，室壁材料宜用高原子序數的金屬，其厚度略大於(yu) 室壁中次級電子的射程。作γ劑量測量時，須用與(yu) 空氣或生物組織等價(jia) 的材料作電極和室壁。

　　脈衝(chong) 電離室所能記錄的帶電粒子數目不能過大，否則脈衝(chong) 將重疊，甚至無法分辨。因此，在大量入射粒子的情況下，隻能由平均電離電流或累積的總電荷來測定射線的強度，即電流電離室和累計電離室。

　　4．閃爍探測器

　　核輻射與(yu) 某些透明物質相互作用，會(hui) 使其電離、激發而發射熒光，閃爍探測器就是利用這一特性來工作的。閃爍探測器由閃爍體(ti) 、光電倍增管和相應的電子儀(yi) 器三個(ge) 主要部分組成。閃爍計數器在核輻射探測中是應用較廣泛的一種探測器，就其應用歸結為(wei) 四類：①能譜測量；②強度測量；③時間測量；④劑量測量。其中，劑量測量是強度和能量測量的結合。在這些測量中遇到的基本問題：一是脈衝(chong) 輸出，二是時間分辨，三是能量分辨。

　　閃爍計數器的工作可分為(wei) 五個(ge) 相互的過程：

　　（1）射線進入閃爍體(ti) ，與(yu) 之發生相互作用，閃爍體(ti) 吸收帶電粒子能量而使原子、分子的電離和激發；

　　（2）受激原子、分子退激時發射熒光光子；

　　（3）利用反射物和光導將閃爍光子盡可能多地收集到光電倍增管的光陰極上，由於(yu) 光電效應，光子在光陰極上擊出光電子；

　　（4）光電子在光電倍增管中倍增，數量由一個(ge) 增加到104-109個(ge) ，電子流在陽極負載上產(chan) 生電信號；

　　（5）此信號由電子儀(yi) 器記錄和分析。

　　國產(chan) ST-型閃爍體(ti) 主要用途一覽表：

    當核輻射的能量全部耗盡在閃爍體(ti) 內(nei) 時，即當A=1時，探測器輸出脈衝(chong) 幅度與(yu) 入射粒子能量成正比，因此根據對脈衝(chong) 幅度譜的分析來測定核粒子的能譜。目前，測量帶電粒子（電子或重帶電粒子）能譜大都應用半導體(ti) 探測器以及磁譜儀(yi) 。在γ能譜測量領域，Ge半導體(ti) 探測器雖有它突出的優(you) 點，正逐漸被大家采用，但在工業(ye) 、醫學等應用領域中，以及在某些核物理實驗中，閃爍譜儀(yi) ，特別是NaI（Tl）單晶γ譜儀(yi) 仍有相當廣泛的用途。

　　5．半導體(ti) 探測器

　　自從(cong) 60年代有商品生產(chan) 的半導體(ti) 探測器以後，這種探測器得到了迅速的發展。它的工作原理類似於(yu) 氣體(ti) 電離室，而探測介質是半導體(ti) 材料。它的主要優(you) 點是：

　　（1）電離輻射在半導體(ti) 介質中產(chan) 生一對電子、空穴對平均所需能量大約為(wei) 在氣體(ti) 中產(chan) 生一對離子對所需能量的十分之一，即同樣能量的帶電粒子在半導體(ti) 中產(chan) 生的離子對數要比在氣體(ti) 中產(chan) 生的約多一個(ge) 量級，因而電荷數的相對統計漲落也就小得多，所以半導體(ti) 探測器的能量分辨率很高；

　　（2）帶電粒子在半導體(ti) 中形成的電離密度要比在一個(ge) 大氣壓的氣體(ti) 中形成的高，大約為(wei) 三個(ge) 量級，所以當測高能電子或γ射線時半導體(ti) 探測器的尺寸要比氣體(ti) 探測器小得多，因而製成高空間分辨和快時間響應的探測器；

　　（3）測量電離輻射的能量時，線性範圍寬。

　　半導體(ti) 探測器的主要缺點是：

　　（1）對輻射損傷(shang) 較靈敏，受強輻照後性能變差；

　　（2）常用的鍺探測器，需要在低溫（液氮）條件下工作，甚至要求在低溫下保存，使用不便。

　　半導體(ti) 探測器廣泛地應用於(yu) 各個(ge) 領域的射線能譜測量。近年來又受到高能物理工作者的重視，在高位置分辨的粒子徑跡探測器方麵有了突破性的發展。

　　6．有關(guan) 核探測器

　　★電流電離室

　　主要指標：

　　（1）飽和特性；

　　（2）靈敏度——以單位強度的射線輻照下輸出的電離電流來量度。靈敏度與(yu) 輻射的能量有關(guan) ，它隨能量的變化稱為(wei) 能量響應。

　　（3）線性範圍——指電離室輸出電流與(yu) 輻射強度保持線性關(guan) 係的範圍。

　　（4）暗電流——脈衝(chong) 探測器沒有放射源時探測器輸出的電流。

　　★正比計數器

　　優(you) 點（與(yu) 電離室相比）：

　　（1）脈衝(chong) 幅度較大；

　　（2）靈敏度較高；

　　（3）乃衝(chong) 幅度幾乎與(yu) 原電離的地點無關(guan) 。

　　缺點：脈衝(chong) 幅度隨工作電壓變化較大，且容易受外來電磁幹擾，因此，對電源的穩定度要求也較高（≤0.1%）。

　　★ G-M計數器

　　在核物理發展的早期G-M計數器曾是使用廣的輻射探測器。至今，在放射性同位素應用和劑量監測工作中，仍是常用的探測元件。

　　分類（按充氣的性質）：

　　（1）充純單原子或雙原子分子氣體(ti) ——如惰性氣體(ti) 或H2，N2等，稱為(wei) 非自熄計數器，它使用不方便，很少采用了。

　　（2）充單原子分子與(yu) 多原子分子的混合氣體(ti) 或純多原子分子氣體(ti) ——稱為(wei) 自猝熄計數器。按猝熄氣體(ti) 又可分為(wei) 有機自猝熄和鹵素自猝熄計數器。

　　G-M計數管的特性：

　　（1）坪曲線；

　　a.起始電壓； b.坪斜； c.坪長。

　　（2）死時間、恢複時間和分辨時間；

　　（3）計數管的探測效率；

　　（4）計數管的壽命；

　　（5）計數管的溫度效應。

　　G-M計數器探測射線的優(you) 點：

　　（1）靈敏度高；

　　（2）脈衝(chong) 幅度大；

　　（3）穩定性高；

　　（4）計數器的大小和幾何形狀可按探測粒子的類型和測量的要求在較大的範圍內(nei) 變動；

　　（5）使用方便、成本低廉、製作的工藝要求和儀(yi) 器電路均較簡單。

　　缺點：

　　（1）不能鑒別粒子的類型和能量；

　　（2）分辨時間長，約102μs，不能進行快速計數；

　　（3）正常工作的溫度範圍較小（鹵素管略大些）；　（4）有亂(luan) 真計數。

　　★　NaI（Tl）單晶γ譜儀(yi)

　　組成單元：

　　（1）閃爍探頭；

　　（2）高壓電源；

　　（3）線性放大器；

　　（4）脈衝(chong) 幅度分析器。

　　★金矽麵壘半導體(ti) 探測器

　　主要用於(yu) 測量短射程的帶電粒子的能譜。它的時間響應速度與(yu) 閃爍探測器差不多，所以可用來作定時探測器。它的本底很低，適於(yu) 作低本底測量。

　　優(you) 點：

　　（1）能量分辨率高；（2）設備簡單；（3）使用方便。

　　缺點：靈敏體(ti) 積不能做得很大，因而限製了大麵積放射源的使用。

　　★高純鍺（HPGe）探測器

　　靈敏區比金矽麵壘探測器厚，可用它探測β或γ射線的能譜。主要用於(yu) 測量中、高能的帶電粒子（能量低於(yu) 220 MeV的α粒子，低於(yu) 60MeV的質子和能量低於(yu) 10MeV的電子）和能量在300keV至600keV的X射線和低能γ射線。

　　主要性能：

　　（1）能量分辨率；HPGe探測器主要用於(yu) 測量γ射線的能譜，其能量分辨率較高；

　　（2）探測效率；a.峰探測效率εp

　　b.相對效率；

　　（3）峰康比與(yu) 峰形狀；

　　（4）電荷收集和時間特性；

　　（5）中子輻照損傷(shang) 。

　　★鋰漂移矽探測器

　　主要是用於(yu) 低能γ射線和X射線的測量。在以上三種半導體(ti) 探測器中，它的靈敏區厚。近年來雖然Ge（Li）探測器已被HPGe探測器所取代，然而Si（Li）仍然起著重要作用。