輻射的知識(shí)

一、輻射防護(hù)基本概念

　　1．β射線與物質(zhì)的相互作用：

　　（1）電子的能量損失：

　　a. 電離損失——快電子通過(guò)靶物質(zhì)時(shí)，與原子的核外電子發(fā)生非彈性碰撞，使物質(zhì)原子電離或激發(fā)，因而損失其能量，這與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(zhì)中損失能量的重要方式。

　　b. 輻射損失——這是β粒子與物質(zhì)原子的原子核非彈性碰撞時(shí)產(chǎn)生的一種能量損失。當(dāng)帶電粒子接近原子核時(shí)，速度迅速減低，會(huì)發(fā)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粒子與靶物質(zhì)原子核庫(kù)侖場(chǎng)作用時(shí)，只改變運(yùn)動(dòng)方向，而不輻射能量，這種過(guò)程稱為彈性散射。由于電子的質(zhì)量小，因而散射角度很大（與α粒子相比，β粒子的散射要大得多），而且會(huì)發(fā)生多次散射，后偏離原來(lái)的運(yùn)動(dòng)方向。同時(shí)，入射電子能量越低，及靶物質(zhì)的原子序數(shù)越大，散射也就越厲害。β粒子在物質(zhì)中經(jīng)過(guò)多次散射其后的散射角大于90°，這種散射成為反散射。

　　（3） β射線的射程和吸收；

　　2．γ射線與物質(zhì)的相互作用：

　　（1）光電效應(yīng)——γ光子與靶物質(zhì)原子相互作用，γ光子的全部能量轉(zhuǎn)移給原子中的束縛電子，使這些電子從原子中發(fā)射出來(lái)，γ光子本身消失。

　　（2）康普頓效應(yīng)（又稱康普頓散射）——入射γ光子與原子的核外電子發(fā)生非彈性碰撞，光子的一部分能量轉(zhuǎn)移給電子，使它反沖出來(lái)，而光子的運(yùn)動(dòng)方向和能量都發(fā)生都發(fā)生了變化，成為散射光子。

　　（3）電子對(duì)效應(yīng)——γ光子與靶物質(zhì)原子的原子核庫(kù)侖場(chǎng)作用，光子轉(zhuǎn)化為正-負(fù)電子對(duì)。

　　（4）相干散射——低能光子（hν<<m0c2>與束縛電子之間的彈性碰撞，而靶原子保持它的初始狀態(tài)。碰撞后的光子能量不變，即電磁波波長(zhǎng)不變，稱湯姆遜散射或相干散射。

　　（5）光致核反應(yīng)——大于一定能量的γ光子與物質(zhì)原子的原子核作用，能發(fā)射出粒子，例如（γ，n）反應(yīng)。但這種相互作用的大小與其它效應(yīng)相比是小的，所以忽略不計(jì)。

　　（6）核共振反應(yīng)——入射光子把原子核激發(fā)到激發(fā)態(tài)，然后退激時(shí)再放出γ光子。

　　★　探測(cè)器分類

3．氣體探測(cè)器

　　特點(diǎn)：以氣體為探測(cè)介質(zhì)。

　　歷史：在核物理發(fā)展的早期，它們?cè)?jīng)是應(yīng)用廣的探測(cè)器，50年代以后，由于閃爍計(jì)數(shù)器和半導(dǎo)體探測(cè)器的發(fā)展，才逐步被取代。

　　優(yōu)點(diǎn)：制備簡(jiǎn)單，性能可靠，成本低廉，使用方便等。

　　氣體探測(cè)器是利用收集輻射在氣體中產(chǎn)生的電離電荷來(lái)歷探測(cè)輻射的探測(cè)器。因此，探測(cè)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，常見的是兩個(gè)同軸的圓柱形電極，兩個(gè)電極由絕緣體隔開并密封于容器內(nèi)。電極間充氣體并外加一定的電壓。輻射使電極間的氣體電離，生成的電子和正離子在電場(chǎng)作用下漂移，后收集到電極上。電子和正離子生成后，由于靜電感應(yīng)，電極上將感生電荷，并且隨它們的漂移而變化。于是，在輸出回路中形成電離電流，電流的強(qiáng)度決定于被收集的離子對(duì)數(shù)。

　　電流電離室記錄大量輻射粒子平均效應(yīng)，主要用于測(cè)量X，γ，β和中子的強(qiáng)度或通量、劑量或劑量率。它是劑量監(jiān)測(cè)和反應(yīng)堆控制的主要傳感元件。

　　累計(jì)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成分、壓強(qiáng)都要根據(jù)輻射的性質(zhì)、實(shí)驗(yàn)的要求來(lái)確定。例如，測(cè)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(qū)內(nèi)。對(duì)γ射線強(qiáng)度作相對(duì)測(cè)量時(shí)，為了提高靈敏度，室壁材料宜用高原子序數(shù)的金屬，其厚度略大于室壁中次級(jí)電子的射程。作γ劑量測(cè)量時(shí)，須用與空氣或生物組織等價(jià)的材料作電極和室壁。

　　脈沖電離室所能記錄的帶電粒子數(shù)目不能過(guò)大，否則脈沖將重疊，甚至無(wú)法分辨。因此，在大量入射粒子的情況下，只能由平均電離電流或累積的總電荷來(lái)測(cè)定射線的強(qiáng)度，即電流電離室和累計(jì)電離室。

　　4．閃爍探測(cè)器

　　核輻射與某些透明物質(zhì)相互作用，會(huì)使其電離、激發(fā)而發(fā)射熒光，閃爍探測(cè)器就是利用這一特性來(lái)工作的。閃爍探測(cè)器由閃爍體、光電倍增管和相應(yīng)的電子儀器三個(gè)主要部分組成。閃爍計(jì)數(shù)器在核輻射探測(cè)中是應(yīng)用較廣泛的一種探測(cè)器，就其應(yīng)用歸結(jié)為四類：①能譜測(cè)量；②強(qiáng)度測(cè)量；③時(shí)間測(cè)量；④劑量測(cè)量。其中，劑量測(cè)量是強(qiáng)度和能量測(cè)量的結(jié)合。在這些測(cè)量中遇到的基本問(wèn)題：一是脈沖輸出，二是時(shí)間分辨，三是能量分辨。

　　閃爍計(jì)數(shù)器的工作可分為五個(gè)相互的過(guò)程：

　　（1）射線進(jìn)入閃爍體，與之發(fā)生相互作用，閃爍體吸收帶電粒子能量而使原子、分子的電離和激發(fā)；

　　（2）受激原子、分子退激時(shí)發(fā)射熒光光子；

　　（3）利用反射物和光導(dǎo)將閃爍光子盡可能多地收集到光電倍增管的光陰極上，由于光電效應(yīng)，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(shù)量由一個(gè)增加到104-109個(gè)，電子流在陽(yáng)極負(fù)載上產(chǎn)生電信號(hào)；

　　（5）此信號(hào)由電子儀器記錄和分析。

　　國(guó)產(chǎn)ST-型閃爍體主要用途一覽表：

    當(dāng)核輻射的能量全部耗盡在閃爍體內(nèi)時(shí)，即當(dāng)A=1時(shí)，探測(cè)器輸出脈沖幅度與入射粒子能量成正比，因此根據(jù)對(duì)脈沖幅度譜的分析來(lái)測(cè)定核粒子的能譜。目前，測(cè)量帶電粒子（電子或重帶電粒子）能譜大都應(yīng)用半導(dǎo)體探測(cè)器以及磁譜儀。在γ能譜測(cè)量領(lǐng)域，Ge半導(dǎo)體探測(cè)器雖有它突出的優(yōu)點(diǎn)，正逐漸被大家采用，但在工業(yè)、醫(yī)學(xué)等應(yīng)用領(lǐng)域中，以及在某些核物理實(shí)驗(yàn)中，閃爍譜儀，特別是NaI（Tl）單晶γ譜儀仍有相當(dāng)廣泛的用途。

　　5．半導(dǎo)體探測(cè)器

　　自從60年代有商品生產(chǎn)的半導(dǎo)體探測(cè)器以后，這種探測(cè)器得到了迅速的發(fā)展。它的工作原理類似于氣體電離室，而探測(cè)介質(zhì)是半導(dǎo)體材料。它的主要優(yōu)點(diǎn)是：

　　（1）電離輻射在半導(dǎo)體介質(zhì)中產(chǎn)生一對(duì)電子、空穴對(duì)平均所需能量大約為在氣體中產(chǎn)生一對(duì)離子對(duì)所需能量的十分之一，即同樣能量的帶電粒子在半導(dǎo)體中產(chǎn)生的離子對(duì)數(shù)要比在氣體中產(chǎn)生的約多一個(gè)量級(jí)，因而電荷數(shù)的相對(duì)統(tǒng)計(jì)漲落也就小得多，所以半導(dǎo)體探測(cè)器的能量分辨率很高；

　　（2）帶電粒子在半導(dǎo)體中形成的電離密度要比在一個(gè)大氣壓的氣體中形成的高，大約為三個(gè)量級(jí)，所以當(dāng)測(cè)高能電子或γ射線時(shí)半導(dǎo)體探測(cè)器的尺寸要比氣體探測(cè)器小得多，因而制成高空間分辨和快時(shí)間響應(yīng)的探測(cè)器；

　　（3）測(cè)量電離輻射的能量時(shí)，線性范圍寬。

　　半導(dǎo)體探測(cè)器的主要缺點(diǎn)是：

　　（1）對(duì)輻射損傷較靈敏，受強(qiáng)輻照后性能變差；

　　（2）常用的鍺探測(cè)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(dǎo)體探測(cè)器廣泛地應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域的射線能譜測(cè)量。近年來(lái)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(cè)器方面有了突破性的發(fā)展。

　　6．有關(guān)核探測(cè)器

　　★電流電離室

　　主要指標(biāo)：

　　（1）飽和特性；

　　（2）靈敏度——以單位強(qiáng)度的射線輻照下輸出的電離電流來(lái)量度。靈敏度與輻射的能量有關(guān)，它隨能量的變化稱為能量響應(yīng)。

　　（3）線性范圍——指電離室輸出電流與輻射強(qiáng)度保持線性關(guān)系的范圍。

　　（4）暗電流——脈沖探測(cè)器沒(méi)有放射源時(shí)探測(cè)器輸出的電流。

　　★正比計(jì)數(shù)器

　　優(yōu)點(diǎn)（與電離室相比）：

　　（1）脈沖幅度較大；

　　（2）靈敏度較高；

　　（3）乃沖幅度幾乎與原電離的地點(diǎn)無(wú)關(guān)。

　　缺點(diǎn)：脈沖幅度隨工作電壓變化較大，且容易受外來(lái)電磁干擾，因此，對(duì)電源的穩(wěn)定度要求也較高（≤0.1%）。

　　★ G-M計(jì)數(shù)器

　　在核物理發(fā)展的早期G-M計(jì)數(shù)器曾是使用廣的輻射探測(cè)器。至今，在放射性同位素應(yīng)用和劑量監(jiān)測(cè)工作中，仍是常用的探測(cè)元件。

　　分類（按充氣的性質(zhì)）：

　　（1）充純單原子或雙原子分子氣體——如惰性氣體或H2，N2等，稱為非自熄計(jì)數(shù)器，它使用不方便，很少采用了。

　　（2）充單原子分子與多原子分子的混合氣體或純多原子分子氣體——稱為自猝熄計(jì)數(shù)器。按猝熄氣體又可分為有機(jī)自猝熄和鹵素自猝熄計(jì)數(shù)器。

　　G-M計(jì)數(shù)管的特性：

　　（1）坪曲線；

　　a.起始電壓； b.坪斜； c.坪長(zhǎng)。

　　（2）死時(shí)間、恢復(fù)時(shí)間和分辨時(shí)間；

　　（3）計(jì)數(shù)管的探測(cè)效率；

　　（4）計(jì)數(shù)管的壽命；

　　（5）計(jì)數(shù)管的溫度效應(yīng)。

　　G-M計(jì)數(shù)器探測(cè)射線的優(yōu)點(diǎn)：

　　（1）靈敏度高；

　　（2）脈沖幅度大；

　　（3）穩(wěn)定性高；

　　（4）計(jì)數(shù)器的大小和幾何形狀可按探測(cè)粒子的類型和測(cè)量的要求在較大的范圍內(nèi)變動(dòng)；

　　（5）使用方便、成本低廉、制作的工藝要求和儀器電路均較簡(jiǎn)單。

　　缺點(diǎn)：

　　（1）不能鑒別粒子的類型和能量；

　　（2）分辨時(shí)間長(zhǎng)，約102μs，不能進(jìn)行快速計(jì)數(shù)；

　　（3）正常工作的溫度范圍較小（鹵素管略大些）；　（4）有亂真計(jì)數(shù)。

　　★　NaI（Tl）單晶γ譜儀

　　組成單元：

　　（1）閃爍探頭；

　　（2）高壓電源；

　　（3）線性放大器；

　　（4）脈沖幅度分析器。

　　★金硅面壘半導(dǎo)體探測(cè)器

　　主要用于測(cè)量短射程的帶電粒子的能譜。它的時(shí)間響應(yīng)速度與閃爍探測(cè)器差不多，所以可用來(lái)作定時(shí)探測(cè)器。它的本底很低，適于作低本底測(cè)量。

　　優(yōu)點(diǎn)：

　　（1）能量分辨率高；（2）設(shè)備簡(jiǎn)單；（3）使用方便。

　　缺點(diǎn)：靈敏體積不能做得很大，因而限制了大面積放射源的使用。

　　★高純鍺（HPGe）探測(cè)器

　　靈敏區(qū)比金硅面壘探測(cè)器厚，可用它探測(cè)β或γ射線的能譜。主要用于測(cè)量中、高能的帶電粒子（能量低于220 MeV的α粒子，低于60MeV的質(zhì)子和能量低于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(cè)器主要用于測(cè)量γ射線的能譜，其能量分辨率較高；

　　（2）探測(cè)效率；a.峰探測(cè)效率εp

　　b.相對(duì)效率；

　　（3）峰康比與峰形狀；

　　（4）電荷收集和時(shí)間特性；

　　（5）中子輻照損傷。

　　★鋰漂移硅探測(cè)器

　　主要是用于低能γ射線和X射線的測(cè)量。在以上三種半導(dǎo)體探測(cè)器中，它的靈敏區(qū)厚。近年來(lái)雖然Ge（Li）探測(cè)器已被HPGe探測(cè)器所取代，然而Si（Li）仍然起著重要作用。