1、回顧1、核技術的概念，分為廣義和狹義。2、常用的核輻射類型，各種射線及其應用，核衰變規律，放射性活度3、射線與物質的相互作用，帶電粒子（重帶電粒子與輕帶電粒子）， 射線，中子。射線與物質作用時的衰減規律。1第二講 核探測技術及應用 2.1核探測器原理 2.2核探測技術應用2問題：核輻射眼睛看不見、耳朵聽不著、雙手摸不到，如何知道它的存在呢？哈爾濱銥-192之謎核探測器是核輻射的耳目！3中國日報消息：由于擔心恐怖分子利用海上進行核原料走私，美國與荷蘭政府簽署一項協議，自掏腰包為歐洲最大的海港鹿特丹港口安裝核物質探測器。 這套價值300萬美元的探測系統包括固定和手持的儀器，可以對通過港口的貨物集裝

2、箱進行掃描，檢查集裝箱里是否裝有核原料。 每年大約有數千艘商船通過鹿特丹港口，很多貨物都是從中東和世界其他地區經過這里轉運到美國的。美國安全官員一直擔心，恐怖分子會將核原料藏在集裝箱偷運到美國，然后用這些核原料制造“臟彈”。“臟彈”是一種大規模破壞性武器，引爆后將放出大量有害的放射性物質，不僅會造成人員傷亡，而且會使遭到攻擊的區域受到嚴重的放射性污染。4 核探測器（粒子探測器）：能夠指示、記錄和測量核輻射的材料或裝置。 原理：輻射與核輻射探測器內的物質相互作用而產生某種信息（如電、光脈沖或材料結構的變化），經放大后被記錄、分析，以確定粒子的數目、位置、能量、動量等。5宇觀宏觀微觀粒子（無窮大到

3、無窮小）從1026m到10-18m；物質的基本結構：由原子到夸克。夸克和輕子是物質的最基本組成；微觀粒子肉眼看不到，只能通過探測器探測到人類對物質世界的認識不斷深化，歸功于實驗和理論的相互促進，歸功于粒子加速器和粒子探測器的不斷建造和發展。使對物質世界的探索逐步走上現代實驗科學的軌道。核探測技術隨核物理的發展而發展6 粒子源種類輻射源 天外的：宇宙射線； 天然的：自然界自然存在的放射性核素鈾、釙、鐳、錒等； 人工的：用加速器、反應堆產生的放射性核素锝、钷、镎、钚、镅等。 78我們要知道有多少粒子，什么樣的粒子，還要知道它們的物理性質，來源。為此，探測器要測量許多物理量。計數和計數率：即粒子的通

4、量或流強；時間：粒子到達探測器時間或相對于某時刻時間間隔；能量：尤其中性粒子（中子，光子，中微子等）的能量；動量：主要是帶電粒子的動量；位置：粒子產生或衰變的位置，帶電粒子在探測器內的位置和飛行的軌跡，中性粒子進入探測器的位置和飛行方向；粒子的分辨：區別不同性質的粒子，特別需要分辨相同動量下不同質量的帶電粒子；核探測器測量的基本物理量9測量粒子與射線的基本性質，研究這些粒子之間的相互作用以及它們與宏觀 物質的相互作用等。將這些粒子與射線作為微小的探針來研究微觀或亞微觀結構，如晶體結構， 物質的表面結構，分子原子及核結構等。因為這些粒子來源不同，有的來自地球， 有的來自太陽 ，月亮或銀河以外，

5、它們會帶有與源有密切關系的信息。 通過這些粒子或射線來研究我們達不到的各種天體。粒子與射線在工業，農業，地質，醫療，環保，航天等領域被廣泛地應用， 不可替代地獲得對宏觀物質的形態，結構，成分的測量與研究。粒子探測器用途：10 6位獲諾貝爾獎的粒子探測器大師C.T.R.Wilson發明云室，一種觀測帶電粒子徑跡的方法和技術（1927年）P.M.S.Blackett發展Wilson云室技術，在核物理與宇宙線研究中做出貢獻（1948年）C.F.Powell發明核乳膠技術，在宇宙線中發現介子（1950年）D.A.Glaser發明氣泡室（1960年）L.W.Alvarez發展氣泡室及數據處理技術，發現大

6、量共振態（1968年）G.Charpak發明多絲正比室并發展氣體絲室技術（1992年）11丁肇中教授中國科大，中科院高能所，上硅所參加12The Alpha Magnetic Spectrometer Detector 國際空間站的一個粒子物理實驗（丁肇中教授領導）13 粒子探測基本原理粒子探測主要是指記錄粒子數目，測定其強度，確定粒子的性質（能量、動量、飛行方向等）。根據粒子的帶電性質分類帶電粒子：、p、e、等電磁輻射：x射線、射線中性粒子：n、0、0、等14（一）帶電粒子探測基本原理 入射帶電粒子與物質原子的軌道電子發生庫侖相互作用而損失能量，軌道電子獲得能量。當電子獲得能量足以克服原子核

7、的束縛，則電子就脫離原子成為自由電子。這就是電離。電離的結果形成一對正離子和自由電子。若內殼層電子被電離后，該殼層留下空穴，外層電子躍遷來填補，同時放出特征x射線或俄歇電子。當電子獲得能量較少，不足以克服原子核的束縛成為自由電子，將躍遷到較高的能級。這就是原子的激發。處于激發態的原子不穩定，作短暫停留后，將從激發態躍遷回到基態，這就是退激。退激時，釋放的能量以熒光的形式發射出來。15 利用電離或激發效應來記錄入射粒子是絕大多數探測器的物理基礎。它們的差別在于記錄方式不同，大致分為：（1）收集電離電荷的探測器主要收集電離效應產生的大量正負離子，記錄它們的電荷所形成的電壓或電流脈沖。這類探測器必須

8、加上適當的工作電壓，形成電場以有效收集電荷。如氣體探測器、半導體探測器。16（2）收集熒光的探測器被帶電粒子激發的原子退激時發出熒光。由于熒光很弱，需要通過一定的轉換放大，即把光脈沖轉換成較大的電脈沖光電倍增管。如閃爍計數器等。（3）利用離子集團作為徑跡中心的探測器，徑跡探測器。如核乳膠、云室、氣泡室、火花室等。（4）收集切倫科夫輻射的探測器，切倫科夫探測器。軔致輻射和同步輻射是附加產物，對高能電子探測器必須考慮它們的影響。17（二） 射線的探測射線與物質的相互作用主要有三個過程：光電效應康普頓效應電子對效應18光電效應光電效應：低能光子被介質原子吸收放出電子的效應。光電子能量 hv為入射光子

9、能量，Ei為第i殼層電子的結合能原子退激發時發射特征X射線或俄歇電子。入射光子原子光電子hv俄歇電子LK原子核19 散射光子不能直接探測到 反沖電子可以被探測到入射光子核外電子出射電子E出射光子康普頓-吳有訓效應20電子對效應電子對效應： 光子從原子核旁經過，當光子能量超過2個電子靜止質量之和即1.02MeV時， 在原子核庫侖場作用下， 光子轉化為正負電子對，正負電子能量之和等于入射光子能量。對一定能量的入射光子電子對效應產生的正負電子的動能之和為常數，但就電子或負電子而言其動能從02mec2都有可能，動能分配是任意的。入射光子能量越大，正負電子的發射方向越前傾。入射光子原子核正負電子對EE+

10、E-e+e-21射線與物質原子發生光電效應的總截面 1） 重元素的光電效應比輕元素強得多；2）低能射線比高能射線強得多；3）當射線能量接近電子的結合能時，光電效應截面最大。22光電效應、康普頓效應是光子與核外電子的作用結果，電子對效應是光子與原子核電磁場的作用結果。三種效應的相對重要性 對低能射線和原子序數高的物質光電效應占優勢； 對中能射線和原子序數低的物質康普頓效應占優勢； 對高能射線和原子序數高的物質電子對效應占優勢。三種效應相互競爭，可能同時存在。23在三種效應中，每個光子都是在一次作用中就損失其全部能量或相當大部分能量，并發射出電子。正是這些電子使得探測射線成為可能。光電效應和電子對

11、效應所發射的次級電子的能量單一，因此射線探測器的物質應選用Z盡可能大的材料。入射光子原子光電子hv入射光子核外電子出射電子E出射光子入射光子原子核正負電子對EE+E-24 （三）中子的探測中子與物質相互作用主要是中子與原子核的強相互作用，即核反應。探測中子就是探測中子與原子核核反應產生的次級粒子。中子不帶電，不受庫侖斥力影響，容易進入原子核發生核反應。不同能量中子的探測原理和探測器不同。中子能量的區分：（1）慢中子（2）中能中子（3）快中子25一、核反沖法核反沖法是記錄中子與原子核彈性散射后的反沖核。在彈性散射過程中，中子運動方向改變，能量減少。這減少的能量傳遞給原子核，使原子核以一定的速度運

12、動，該核稱作反沖核。反沖核具有電荷，可以作為帶電粒子記錄。記錄了反沖核，就探測到中子。該方法主要用于探測快中子。由能動量守恒，對En0的反應，放熱反應； Q值105。電子雪崩持續發展，形成自激放電，增殖的離子對總數與原電離無關。Q0MN0e常數。特點：1）靈敏度高；2）脈沖幅度大；3）穩定性高4）計數器大小和幾何形狀可以按要求有較大變化；5）使用方便，成本低，制作工藝和儀器電路均較簡單。47小結氣體探測器均以氣體作為探測介質。電離室、正比計數器、GM計數器是工作在電離放大曲線不同區段的探測器。在氣體探測器中雪崩倍增過程起著十分重要的作用。具有制備簡單、性能可靠、成本低廉、使用方便等優點，有廣泛

13、的應用。20世紀70年代以來，氣體探測器有很大發展，在高能物理和重離子物理實驗中獲得新的應用，并廣泛應用于核醫學、生物學、天體物理、凝聚態物理和等離子體物理等領域。481）PN結兩側存在電子和空穴，形成電場。2）PN結加上一定電壓，外加電壓幾乎全部加到PN結上，形成很高電場。3）粒子在PN結電場得到加速，在收集極被收集。二、半導體探測器49個人劑量儀個人劑量筆多功能數字核輻射儀 50三、閃爍探測器的工作原理 典型的閃爍探測器裝置51閃爍探測器光電倍增管52BGO, LSO & LYSO Samples53四、核乳膠工作原理組成：核乳膠由銀鹽顆粒和膠質組成。 溴化銀AgBr 大部分常用銀鹽 碘化

14、銀AgI 少量銀鹽顆粒對帶電粒子靈敏，而對光幾乎不靈敏。膠質：骨膠和明膠2. 工作原理：帶電粒子與AgBr晶粒作用，使AgBr分子分解成Ag 原子和Br原子，在一定條件下，Ag原子聚集成Ag集團，形成可顯影的核心“潛影”，經化學顯影處理，潛影的晶粒還原成黑色的Ag顆粒，把帶電粒子的徑跡顯示出來。54 粒子探測系統一、脈沖計數系統 主要用于放射性計數、強度和劑量的測量，加速器和反應堆的粒子通量的測量等等。55幅度甄別器：讓超過一定幅度的脈沖通過，有輸出，去除幅度小的噪聲本底和一些幅度小的不想要的粒子。脈沖形狀甄別器：利用不同粒子在探測器中產生的脈沖幅度相同，但是脈沖形狀不同來甄別。如 粒子質量大

15、，脈沖上升時間慢，粒子質量小，脈沖上升時間快，利用脈沖形狀不同來選擇所要的粒子。又如，利用、中子脈沖形狀不同，在強 本底下探測中子。定標器 預置時間，記錄一定時間內的脈沖數目。高低壓電源 探測器高壓供電和電子學儀器低壓供電56二、脈沖幅度分析系統 探測器的輸出脈沖幅度正比于入射粒子在探測器中損失的能量，如電離室、正比計數器、多絲正比室、半導體探測器、閃爍計數器等。57單道脈沖幅度分析器上閾：VU下閾：VL道寬： H=VU-VL用途：選擇一定幅度范圍內的信號58計數探測器的選擇 對重粒子：如粒子，選用ZnS(Ag)、金硅面壘半導體射線和電子：正比計數器、G-M計數器、塑料閃爍體。液體閃爍器等探測

16、器高能帶電粒子：塑料閃爍計數器、MWPC和C探測器射線：G-M計數器和NaI(Tl)計數器低能和X射線：正比計數器、薄窗MWPC、Si(Li)等中子： BF3正比計數器、裂變室、ZnS+H快中子屏、 ZnS+B慢中子屏59 核探測器總結： 將中性粒子或射線進行有效的轉化，通過各種反應轉化為帶電粒子。 將帶電粒子通過我們非常清楚的電磁相互作用轉化為電子， 離子或可見光。 利用宏觀的方法， 將轉化過來的電子， 離子或可見光進行高效的收集， 放大和接收。 將接收到的電子， 離子或可見光轉化為電信號電壓信號或電流信號。 電信號的處理，放大，成形，延遲以及數字化后輸出到電腦。 數字化信息的加工，得到要測

17、量得物理量。 雖然后兩項主要是電子學和電腦軟件， 但是與探測器密切相關，特別是前端電子學，會直接影響探測器的信號輸出。60國內外一些核儀器公司Canberra（堪培拉），美國ORTEC（奧泰克），美國ALOCA，日本牛津儀器，英國北京核儀器廠，261廠西安核儀器廠，262廠為什么競爭不過國外？61核探測技術應用在地學探礦中的應用，尋找鈾、釷、鐳礦。 測量對象是巖石和近地表土壤中的放射性核素。正常場會有一個放射性強度值，異常場的放射性強度值要高很多，以此作為探礦的重要依據。分為地面測量及航空測量。 62民航安全上的應用機場安檢普遍采用X射線金屬探測系統和化學氣體取樣分析系統。Semtex可塑性炸藥。熱中子分析系統（TNA），其原理是物質原子吸收中子放出射線，原子不同，射線能量不同，Semtex炸藥氮、氫含量高。用锎252產生的熱中子對行李照