第4章-带电粒子测量方法.ppt

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,辐射探测技术基础,主讲教师,:,辐射探测技术基础,课程讲授的,主要内容,本课程的理论学时,24,学时，主要讲授内容包括：,放射性测量的基本知识（,4,学时）；,射线与物质相互作用（,4,学时）；,射线测量方法（,3,学时）,；,核辐射测量的统计误差和数据处理（,4,学时）；,带电粒子测量方法（,6,学时）；,核辐射测量单位及核辐射防护（,3,学时）；,第四章 带电粒子测量方法,4.1,带电粒子测量的基本原理,4.2,氡气测量方法,泛指,核衰变或核裂变放出的粒子，和由加速器或核反应产生的各种粒子,，包括,、,3,He,、,p,、,d,、,T,、,、,、,X,、,n,、重离子和裂片等。,射线（核辐射）：,核辐射粒子的基本性质,1.008665,0,n,中 子,1.007276,+1,p,质 子,0,0,5.48610,-4,1,e,4.00279,+2,4,He,质 量,(,u),电荷,(e),符号,种类,可见：射线的本质就是核辐射粒子,4.1.1,核辐射探测对象,一、核辐射探测的主要对象,带电粒子：,重带电粒子（,粒子、裂变碎片）,轻带电粒子（快电子，,粒子）,非带电粒子：,X,、,射线,中子,非带电粒子与物质作用时，先与物质相互作用产生带电的次级粒子后（如载能电子），由次级电子使物质原子电离,间接致电离辐射,。,二、核辐射探测对象与物质发生相互作用的特点,带电粒子与物质作用时，可,直接发生电离作用,（使物质原子电离，产生电子和正离子）称为,（致）电离辐射或直接致电离辐射,。,4.1.2,核辐射探测器概述,一、核辐射探测器定义,利用核辐射在气体、液体或固体中引起的电离、发光现象等物理、化学变化进行核辐射探测的元件称为核辐射探测器。,将核辐射转变为电信号或可记录径迹的元件称为核辐射探测器。,通过核辐射与物质相互作用提供有关核辐射信息并对其进行分析处理的实验仪器称为核辐射探测器。,二、放射性测量装置的组成,一台完整的放射性测量装置应包括两部分,:,第一部分是将射线的辐射能转变为电信号的,能量转换器,辐射探测器或辐射探测元件,；,第二部分是,各种特殊的电子线路,，它是将,灵敏的辐射探测器输出的信号,经放大、鉴别、记录，进行对比测量，从而得到入射射线的计数率和能量分布等情况。,三、核辐射探测器的分类,按“利用核辐射与物质相互作用的不同过程”进行分类,:,电离型,核辐射探测器：基于核辐射在阻止介质中的电离效应,带电粒子在探测器中直接产生电离；,射线、中子等不带电粒子则是先与物质相互作用产生带电的次级粒子后再在探测器中产生电离。,按“工作状态”进行分类,:,脉冲型核辐射探测器：,平均电流型核辐射探测器：,响应于,单个核辐射粒子,与介质的相互作用；,输出的,每个脉冲信号,代表,一个,射线粒子与介质相互作用的结果,；,输出信号是,大量,射线粒子与探测器相互作用的,平均效果,，,不,企图区分单个射线粒子的效应；,在核反应堆、核电站等核设施运行中，大量使用平均型探测器来监测、控制正常工作状态和核辐射剂量防护,（如电流电离室，其输出电流强度正比于单位时间射入探测器的核辐射粒子数目）,；,4.1.3,带电粒子的测量,一、气体探测器,对,带电粒子测量,常用的三类核辐射探测器：,以,气体为探测介质,，利用,电离作用,的,气体探测器,；,以,闪烁晶体为探测介质,，利用,闪烁效应,的,闪烁探测器,；,以,半导体为探测介质,，利用,电离作用,的,半导体探测器,。,气体电离探测器是早期应用最广的核辐射探测器，五十年代后逐渐被闪烁和半导体探测器代替，但至今在工业上仍广泛应用。其主要原因是：,制备简单；,成本低廉；,较好的特性：低噪声、高能量分辨率。,1,、气体的电离,1,）带电的入射粒子通过气体；,2,）粒子与气体分子轨道电子发生碰撞，引发电离或激发；,3,）在通过的径迹上生成大量离子对。,总电离,=,初电离,+,次级电离,初电离（直接电离）：入射粒子直接产生的电离,次（级）电离：初电离产生的次级粒子如果能量较大，与气体分子产生的电离。一般多为电子，称为,电子,平均电离能,(W),：入射粒子在气体中产生一对离子所需的平均能量。约为,30eV,最低电离点位,总电离离子对数,N,与入射粒子在气体中损失的总能量,E,成正比关系：,电离碰撞中被激发的原子，即受激原子有三种退激方式：,1,）辐射光子：光子可能在周围介质中打出光电子，或被某些气体分子吸收而使分子解离（在受激后,10,-9,s,内完成）；,2,）俄歇效应：发射俄歇电子，内层电子的空穴被外层电子填充，伴随发射特征,X,射线（在受激后,10,-9,s,内完成）；,3,）亚稳原子：只能与其它粒子发生非弹性碰撞才能退激，这种原子的寿命较长，约,10,-2,10,-4,s,。,2,、电子和正离子在气体中的运动,在气体中，电离后生成的电子和离子的运动：,1,）杂乱无章的热运动；,从密度大向密度小的空间扩散，温度越高，气压越低，扩散系数越大。,3,）吸附：电子与气体分子碰撞时，可能被捕获而形成负离子。,4,）复合：,电子和正离子碰撞或负离子和正离子碰撞可复合成中性原子或中性分子，前者称电子复合，后者称离子复合。,离子复合几率比电子大几个量级。,电子被捕获形成负离子的结果使漂移速度大大地减慢，从而增加了复合损失。,2,）两种定向运动：,漂移。沿电场方向漂移，一方面与气体碰撞损失能量，另一方面从电场获得能量；,3,、离子的收集和外加电压关系,气体探测器利用收集射线在气体中产生的电离电荷来探测入射粒子。,当一个射线粒子进入灵敏体积内，由于与工作气体分子作用产生电子离子对数目,N,，在收集电场作用下，正离子和电子分别向内壁和中心丝运动。当,RC,时间常量,比电荷收集时间长得多的条件下，收集全部离子对数目随所加工作电压,V,的变化曲线如下图所示（曲线分为,6,个区域）：,第,区：收集的离子对数目（电离电流）随收集电压增大而增加。表明在,区域内,收集电压还不够高,，射线粒子在工作气体中产生的,电子,-,正离子对由于复合损失而未被完全收集,。,第,区：称,饱和区或电离室区,。在,区，收集电压实现了对射线粒子在工作气体中产生,离子对的完全收集,（设离子对数目为,N,0,）。因而，,在一定的电压变化范围内,，,收集离子对数目不随工作电压而变化，电离室就工作在这个区域,。,外加电压与电离电流曲线,（图中两条曲线分别代表具有不同比电离的,粒子和,粒子）,第,区：称为正比区。继续增加工作电压，,收集到的离子对数目,又会重新随,V,增加而增大，且,仍保持与射线粒子在工作气体中产生的初始离子对数目,N,0,成正比,（离子对数目为,N=MN,0,，,M,称为气体放大倍数），因此称为正比区。,（二）电离室,1,、电离室结构,电离室的主体由两个处于不同电位的电极组成，电极之间用绝缘体隔开，并密封于充一定气体的容器内。典型结构如下：,高压极,(K),：正高压或负高压；,收集极,(C),：,与测量仪器相联的电极，处于与地接近的电位；,保护极,(G),：,又称保护环，处于与收集极相同的电位；,负载电阻,(R,L,),：,电流流过时形成电压信号。,平行板型电离室,圆柱型电离室,平行板型电离室,2,、电离室的分类,1,）,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。,2,）,电流电离室和累计电离室,，分别记录大量辐射粒子平均效应和累计效应，主要用于测量,X,、,、,和中子的照射量率或通量、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。,当离子对全部到达电极，此时的电压脉冲值为：,电子漂移速度,10,6,cm/s,，正离子,10,3,cm/s,。设,T,-,和,T,+,分别代表收集电子和正离子所需的时间，所以脉冲的快成分是电子的贡献（电子全部被收集的过程）；慢成分是正离子的贡献（正离子全部被收集的过程）。,离子脉冲电离室,离子脉冲电离室的工作条件为,RCT,+,，其中：,R,L,：负载电阻；,R,i,：放大器的输入电阻；,C,i,：放大器的输入电容；,C,0,：电离室电容；,C,：杂散电容,理解：电流脉冲先给电容,C,充电，在充电过程中，因,RC,很大使在,R,上流过的电荷可忽略。当,t=T,+,时，充电达最大值。当,tT,+,后，充电停止，,C,上的电荷通过,R,放电，电压,V,C,(t),按指数规律下降。,离子脉冲电离室可用来测量带电粒子的能量,，特别是重带电粒子（如,粒子,）。,缺点,：,脉冲延续时间太长,（,ms,），当计数率大于,10,2,cps,时，脉冲可能发生重叠。,当,tT,+,时，脉冲是上升阶段，当,t=T,+,时，脉冲达到最大值，随后，按时间常数为,RC,的指数规律下降。,在此条件下，,V,c,(t),波形为：,结论：,脉冲的变化率取决于漂移速度。脉冲前沿主要是电子脉冲的贡献，但脉冲幅度与电离产生的地点有关。,至于脉冲最终达到的最大幅度只决定于原电离的离子对总数，而与电离产生的地点无关。认为电子脉冲和离子脉冲的贡献是各占一半的概念也是错误的。,RC,是电路的时间衰减常数，其大小直接影响脉冲幅度和形状，因而影响电离室的性能。,电离室工作在饱和区，此时，没有电离离子数的放大存在。,4,、讨论,电离室的大小和形状，壁厚和电极的材料、充气成分、电压强度等，根据辐射的性质、实验的要求而确定。,对重带电粒子可测量能量（,FWHM1%,），对,X,、,、,与中子主要是测量其通量（粒子注量率），强度和剂量（率）。,测量,射线时，则要求电离室具有较厚的室壁，以阻隔住,射线、,X,射线等。,用于,粒子测量时，要求电离室的容积要大，充较高气压的气体。,电离室气体探测器的探测效率较低。,（三）正比计数器,1,、正比计数器的结构,为获得好的能量分辨率，大多数采用圆筒形、鼓形结构，以便有均匀的电场分布，可使射线入射窗作得很大。阳极丝加正高压，金属壳为阴极，面对入射窗设置一个出射窗，好让未被气体吸收的光子穿出。,正比计数器是一种充气型辐射探测器，,工作在,气体电离放电伏安特性曲线的,正比区,。,使气体原子电离,初级射线,高压,气体放大机制：,即满足,收集到的离子对数目,N,与射线离子在工作气体中产生的,初始离子对数目,N,0,成正比：,N=MN,0,广泛应用于正比计数器的电极结构：,设圆柱形计数管的阳极半径为,a,，电位为,V,c,；阴极半径为,b,，电位为,V,k,；外加工作电压 ，则沿着径向位置为,r,的电场强度为,:,E(r),随距中心丝距离减小而急剧增强,。原始电离的自由电子当漂移至中心丝阳极附近时就会,引发气体放大,。由于电子具有高迁移率且就在中心丝周围，所以被很快收集，随后正离子开始向阴极运动，在中心丝阳极上感应出电荷，选取,RCT,+,（正离子收集时间），所以,正比室的,输出脉冲窄,且,其幅度正比于,电离辐射在工作气体中产生的,原电离而与产生位置无关,，特别适合测量低电离辐射粒子的能量（如,粒子、软,X,射线,），且可忍受较高的计数率。,3,、讨论,1,）工作在正比区，有气体放大效应，输出信号幅度较电离室大；,2,）输出信号幅度尚与充气气压有关。,3,）采用不同的结构，充不同的气体，可以设计出测量不同射线：,、,、,、,X,、,n,的正比计数管。,例如：充,BF,3,测量中子；,4,）可以进行能量与强度测量（即能注量率和粒子注量率的测量）。,探测中子的本质,是探测中子与原子核的相互作用中产生的次级带电粒子。,探测中子的,4,种基本方法,：核反应法、核反冲法、核裂变法和核活化法。,10,B(n,),7,Li,反应是目前应用最广泛的，主要原因是硼材料容易获得，气态可选用,BF,3,气体。,核反应法,：由于中子核反应所产生的带电粒子与中子和靶核的作用截面以及中子注量率成正比，即 ，所以通过测得带电粒子在探测器中产生的脉冲数可求出中子注量率。主要用来探测慢中子注量率。,（四）,G-M,计数器,1,、,G-M,计数器的结构,圆柱形计数管为圆柱形玻璃外壁，内衬一金属圆筒或涂一层导电物质（,Hg,或,ZnCl,2,）作为阴极。计数管内沿轴心穿一根细钨丝作为阳极。钟罩形计数管外观象一个扣着的钟罩，供射线进入的底窗是云母片制成的。,G-M,计数管内充工作气体：惰性气体（氩、氖、氮）；猝灭气体（乙醇、二乙醚、溴、氯等）。,2,、,G-M,计数器的工作原理,惰性气体的作用是射线照射后引起气体的电离，产生放电。,猝灭气体的作用是,防止,计数管在一次放电之后，发生连续放电。,1,）射线进入计数管内，引起管内惰性气体电离，形成正负离子对。在电场作用下，正离子向负极，电子向正极移动。射线引起的电离称为,原电离,。,2,）当电子靠近阳极电场强度越大，受到作用也大，运动速率加快，,又碰撞到,阳极附近,的惰性气体分子,引起次级电离,。多次的新的次级电离，使得阳极附近在极短时间内，产生大量次级电子，这种现象称为,雪崩,。,3,）沿整个阳极金属线引起雪崩的结果，大量的电子跑到阳极上，阳极产生放电，产生脉冲电压，记录即可检测粒子的数目。,4,）惰性气体正离子这时在,阳极丝周围,形成正离子鞘。,5,）惰性气体正离子与猝灭气体发生电子交换，恢复成中性。猝灭气体正离子移动到阴极通过解离（分解成小分子）释放能量，抑制连续放电。,3,、讨论,1,）工作在,GM,计数区，有很大的气体放大效应，输出信号幅度较正比计数器大；,2,）输出信号幅度尚与充气气压有关。,3,）采用不同的结构，充不同的气体，可以设计出测量不同射线：,、,、,、,X,的,G-M,计数管。,4,）只能进行粒子的强度测量。即只能用作计数（测粒子注量）、显示有无射线进入探测器，根本无法分辨射线的种类和能量。,二、闪烁探测器,核辐射与物质相互作用会使阻止介质原子或分子被激发，当其退激的过程中，将把从辐射粒子处获得的能量以一定波长的光的形式释放出来，这种光的波长属于可见光波长范围，称为闪烁光。闪烁探测器就是利用这一特性来工作的。,1,、闪烁探测器的结构,闪烁探测器是由,闪烁体,、,光学收集系统,和,光电转换器件,组成。,闪烁晶体,，如：,NaI(Tl,),晶体、,BGO,（锗酸铋，,Bi,4,Ge,3,O,12,）晶体、,CsI(Tl,),晶体、,ZnS(Ag,),、蒽、塑料、液体闪烁体等。其中，,NaI(Tl,),晶体应用最为广泛。有常用的标准探测器，还有根据用户具体应用而设计的特殊探测器。,光学收集系统,，包括：反射层、光学耦合剂、光导。,光电转换器件,，如：光电倍增管（,PMT,或,GDB,）、光电二极管，及所需的电子学电路组成。,NaI(Tl),BGO,BaF,2,塑料闪烁体,CsI(Tl),闪烁晶体,几种主要闪烁体介绍：,NaI(Tl,),晶体：,Z,较大、易潮解、易碎裂、温度稳定要求高，与,PMT,的光谱匹配好，,FWHM,优于,8%,主要用于探测低能,射线和,X,射线。,CsI(Tl,),晶体：,不潮解，,密度和,Z,比,NaI(Tl,),大，机械强度大，,温度稳定性好,，,贵,。,对重带电粒子阻止本领高，便于在高能,辐射本底下测量,及低能,X,射线等。,对,粒子的发光效率很高，早期常作为,闪烁谱仪的闪烁晶体。对,210,Po,的,5.3MeV,的,粒子，能量分辨率优于,4%,。,ZnS(Ag,),闪烁体：,多晶粉末，易塑性，,Z,较大，半透明，发光效率极高，对重带电粒子阻止本领很大。对,射线极不灵敏。,很适合于在,、,本底场中测量重带电粒子,、,p,等。缺点：由于透明度和能量分辨率较差，不能用来测量,能量，只能作,强度测量。,BGO,（锗酸铋，,Bi,4,Ge,3,O,12,）晶体：,Z,较大、,不潮解、,透明度高,，,与,PMT,的光谱匹配好,。对低能,X,射线和高能,有特别高的探测效率。,主要用于探测低能,X,射线和高能,射线或电子。,液体闪烁体：,塑料闪烁体：,用发光物质溶于有机溶液内制成。优点：发光衰减时间短,(,毫微秒数量级,),、透明度好、容易制备、成本较低、,Z,小、易塑性、体积不受限。,主要用于测量中子及,射线，在某些弱放射性或液态样品的测量中也广泛采用。,掺,Gd(,g,),的液体闪烁体,特点：制作简便、发光衰减时间短,(13ns),、透明度高、光传输性能好、性能稳定、机械强度高。,可测量,、,、,、快中子、质子、宇宙射线及裂变碎片等。,光电倍增管（,PMT,）：,结构：,由光阴极,K,、阳极,A,、倍增级（通常为,1214,级）以及高压（,HV,）组成。,作用：,将闪烁体发出的闪烁光转换成光电子，并进行倍增。,工作原理：,PMT,通常工作在,10002500V,的高压下，光阴极最低，阳极最高。每个相邻倍增极间分别有,100200V,电位差，通过分压电阻向各倍增极提供电压。,闪烁体发出的光子通过光导照射到光阴极,K,上，通过光电效应产生光电子发射。在电场加速下，光电子打在倍增极上，通过电离引起倍增极的二次电子发射。每个电子能从倍增极上打出,36,个次级电子，倍增极使电子再次加速倍增，电子流逐渐升高，最后到达阳极的电子流增益在,10,5,10,6,数量级。,PMT,把阴极的光电流放大几万,几百万倍。,2,、闪烁探测器的工作原理,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,10,4,10,9,个，电子流在阳极负载上产生电信号；,电信号由电子仪器记录和分析。,输出信号幅度,V,与入射粒子能量,E,的关系：,1200V,入射射线,E,V,输出端电信号,NaI(Tl),PMT,脉冲信号产生率单位时间进入探测器射线数,通过分辨信号幅度，可以分辨射线能量；,通过测量脉冲信号数，可以测定射线强弱,。,ZnS,NaI,3,、闪烁探测器测量射线信号的基本特征,典型的闪烁探测器测量的,137,Cs,的,射线谱线,184KeV,（反散射峰）,三、半导体探测器,1,、半导体探测器的结构及工作原理,半导体探测器（,semiconductor detector,）是以半导体材料为探测介质的辐射探测器。最通用的半导体材料是锗和硅。,PN,结型,面垒型,固体半导体探测器可看作,固体电离室,，即“填充”半导体晶体（而不是气体）作介质的电离室。因此其工作原理与电离室相同（通过电离将入射射线转换成电信号）。,半导体探测器有两个电极，加有一定的偏压。当入射粒子进入半导体探测器的灵敏区时，即产生,电子,-,空穴对,。,在两极加上电压后，电荷载流子就向两极作漂移运动，收集电极上会感应出电荷，从而在外电路形成信号脉冲,。,由于固体半导体探测器阻止本领比电离室中所充气体的大好几倍。产生一个电子,-,空穴对所需的平均能量，硅为,3.6eV,，锗为,2.8eV,。而在气体中产生一对离子对，需要电离能量,36.5eV,左右。闪烁探测器产生一个光电子需,100eV,。射线消耗相同能量，在半导体探测器中产生的电子,-,空穴对数要多得多，因而形成脉冲幅度的相对涨落要小得多，所以半导体探测器的能量分辨率好得多。,PN,结型,面垒型,2,、常用的半导体探测器,金硅面垒型半导体探测器：,金硅面垒探测器，,由于耗尽层厚度较薄,，,主要用于探测带电重粒子,(,如,、,P,等,),，亦可用作能谱测量，探测效率近于,100,。,也可用于,射线测量，对,射线不灵敏,。,金硅面垒探测器属于,PN,结型半导体探测器，以,N,型硅单晶作基片。基片经酸处理后形成一氧化层，氧化层具有,P,型硅特性，氧化层构成,PN,结耗尽层为金硅面垒探测器的灵敏区。在氧化层上镀一层金膜,(,约,10nm,厚,),。,下图为使用不同孔径滤膜采集的空气样品，用,金硅面垒探测器,测得的,214,Po,（,7.687MeV,）和,218,Po,（,6.002MeV,）的,能量谱。,根据,能谱仪测得的能量峰，可以确定样品中的不同核素，以及各单个核素的活度水平。,cpm:,counts per minute,仪器常用单位：,金硅面垒探测器测量的,能谱,HPGe,（高纯锗）半导体探测器：,HPGe,灵敏区的厚度与材料的电阻的平方根成正比，所以高纯度的,Ge,的探测灵敏区厚度可达,10mm,，一般有平面型和同轴型两种。常温时,Ge,的禁带太小（且同轴型结电容较大），因此必须在低温下工作。,主要测量,射线和,X,射线,。,3,、半导体探测器的特点,主要优点：,能量分辨率高（优于正比计数器、闪烁计数器）。例如：金硅面垒探测器对,241,Am,的,5.486MeV,的,射线峰的线宽度达,10.8KeV,。,线性范围宽。在很大能量范围内，探测器的输出幅度与所测射线的能量都精确地成正比。,主要缺点：,受强辐照后性能变坏，输出脉冲幅度小，性能随温度变化较大等。,脉冲上升时间较短，可用于快速测量；窗可以做得很薄，可测量低能,X,射线；结构简单，体积小，重量轻，不用很高电压，适合空间环境的严格要求。,典型的,粒子探测器：,闪烁体：,ZnS,、无屏蔽层无机闪烁体探测器,半导体：金硅面垒探测器、,HPGe,、,PIN,气体电离探测器：电离室、正比管、,G-M,计数管,典型的,粒子探测器：,闪烁体：蒽、萘、有机玻璃等有机闪烁体探测器,气体电离探测器：,G-M,管、正比管,第二节 氡气测量方法,同时，可利用氡气的一些性质，广泛应用于铀矿资源勘查、石油天然气勘查、裂隙基岩地下水资源勘查、地质构造勘查、地震预报、地质灾害探测、环境监测等领域,。,随着人类对氡认识的深入，氡是人类健康危害最大的天然核素，据统计研究表明，室内氡气污染是仅次于吸烟导致肺癌的第二大诱因。自世界卫生组织公布为,19,个致癌因素之一以来，其在辐射环境研究中倍受重视。,目前对,天然放射性核素衰变产生的,射线测量主要应用于氡气测量,。,4.2.1,氡的常规测量方法,4.2.2,氡的累积测量方法,4.2.3,测氡仪的标定,4.2.1,氡的常规测量方法,在铀系中,222,Rn,及其子体,218,Po,、,214,Po,和,210,Po,都是强,辐射体，占铀系,辐射体能量的,57.1%,，是测氡方法的主要辐射体。,214,Pb,和,214,Bi,是主要的,辐射体。,测量,射线的方法有：瞬时测氡法，径迹蚀刻法，,聚集器方法，钋,-210,法，以及半导体,仪方法和液体闪烁测量方法等。,和,射线兼用的方法有：活性炭吸附器测量法和热释光测量方法等。,测量土壤中氡,和,测量空气中氡,，由于目的要求不同，在技术方法上也有所不同,。,一、瞬时土壤氡测量方法,瞬时氡测量方法或称微分氡测量方法，又叫常规氡测量方法，区别于,20,世纪,70,年代发展起来的多种累积测氡方法。这是一种最早用于土壤氡测量的方法。,（一）土壤测氡仪简介,FD-3017,型测氡仪的特点：,探测器不受氡子体的污染，也不受钍射气的干扰。,适于现场快速获得测量结果，探测灵敏度高，操作简便。,近年来从国外进口多种类型的测氡仪，如,RAD7,测氡仪。,1985,年国产的,FD-3017,型测氡仪，是通过测量,222,Rn,衰变产生的,218,Po,来测氡的浓度，可用于测量土壤、水的氡的浓度。,由于,FD-3017,型测氡仪是目前我国应用最广、性能最好的测量氡子体,218,Po,的仪器。因此，着重介绍该仪器。,1,、,FD-3017,型测氡仪的工作原理,经过一段时间加电压收集后,，,取出金属片放入到操作台的探测器内测量,218,Po,的,放射性，其活度将与氡浓度成正比,。,FD-3017,型测氡仪由测量操作台、抽气泵和取样（氡）器三部分组成。抽气泵除了完成抽取地下气体或水样脱气任务外，还将起到贮存收集氡子体的功能。,当氡气经干燥器被抽入筒内后，随即开始衰变，并产生子体,218,Po(RaA),，它在初始形成的瞬间是带正电的离子,，,FD-3017,型测氡仪就是,利用它的带电特性，采用加电场的方式对它进行收集，使,218,Po,离子在电场作用下被浓集在带负高压的金属,(Ni),收集片上,。,可见：,即使抽入的气样中含有,Tn,等其它气体（如土壤气样），但由于仪器只将,Rn,产生的子体,218,Po,收集至金属片上。因此探测器不会受,储气筒内,Rn,的其它子体污染，也不受钍射气,Tn,的干扰。探测灵敏度高。,因为仪器,不受钍射气,Tn,的干扰,无法在野外条件下直接确定铀钍性质,。,2,、,FD-3017,型测氡仪的结构,通过插入土壤中的取样器，使用抽气泵，抽取土壤,(,或水,),中的氡气。先经过干燥器脱除水气，使干燥氡气进入储气筒内，利用加负高压的金属片收集氡第一代衰变子体,218,Po(RaA),。抽气后静置,1020s,，,2min,后将沉积有,218,Po,的金属片，放置到金硅面垒半导体探测器位置，测量,射线的放射性活度浓度,(,Bq,/L),。,表,FD-3017,型测氡仪测量土壤气和水中气采用的两种时间,FD-3017,型测氡仪的原理结构如图所示。采用的是金硅面垒半导体探测器。由于输出脉冲信号幅度很小，随后需要一个灵敏放大器。在线性放大器之后，采用的是单道脉冲幅度分析器。其主要用途是去除幅度较小的噪声脉冲；同时去除,214,Po,高能,射线,(E,平均加权,=7.687MeV),产生的影响，,只记录,218,Po,的,信号,(E,平均加权,=6.002MeV),。通过计数换算显示出土壤,(,或水,),中氡浓度,(,Bq,/L),值。,仪器使用的金硅面垒探测器直径为,26mm,，面积,531mm,2,。仪器保证在,-10+40,环境温度下工作。最小探测限为,0.37Bq/L,；对,239,Pu,源探测效率,40%,；本底计数,4/h,。,3,、其它测氡仪简介,RAD7,测氡仪：可连续氡监测也可抽吸测氡的手提式测氡仪,原理：测量氡子体,218,Po,产生的,射线,特点：配置相应探头可测空气、土壤、水中的氡；内置气泵，可充电电池，红外接口,HP,打印机；容易操作使用，微电脑指示操作步骤,测量范围：,3.7Bq/m,3,740000Bq/m,3,RAD7,测氡仪,（,美国产,）,（二）工作方法和技术,土壤氡测量常用的是浅孔氡气测量，一般土壤层厚度不超过,5m,时，取样孔深,80cm,左右。,当土壤层较厚,(5m,收集正离子所需的时间,T,+,，当,tT,+,时，脉冲是上升阶段，当,t=T,+,时，脉冲达到最大值，随后，按时间常数为,RC,的指数规律下降。因此，离子脉冲电离室可用来测量带电粒子的能量，特别是重带电粒子（如,粒子）。即可测量入射粒子的能注量率和粒子注量率。缺点：脉冲延续时间太长（,ms,），当计数率大于,10,2,cps,时，脉冲可能发生重叠。,因而，脉冲宽度为,RC,的量级（,10,-4,10,-5,s,），最大幅度决定于 ，但 与离子对产生的地点有关。所以，电子脉冲电离室的缺点是不能用于分析带电粒子的能量,(,不能测量能注量率,),，可用于测入射粒子的粒子注量率，并可获得更高的计数率。,屏栅电离室克服了电子脉冲电离室的脉冲幅度与电离产生地点有关的缺点，使脉冲高度正比于原始电离电荷，而不再与产生位置有关。因此可用于测入射粒子的粒子注量率和能注量率。,电子脉冲电离室的工作条件为,T,-,（收集电子所需时间）,RCT,+,（收集正离子所需时间），在,tT,-,以后就以时间常数,RC,放电。可认为电子已被收集而正离子几乎还没动。,正比计数器是一种充气型辐射探测器，工作在气体电离放电伏安特性曲线的正比区。,因为工作电压足够高，在中心丝阳极附近出现了高电场，在离子收集的过程中将出现气体放大现象，即被加速的原电离电子在电离碰撞中逐次倍增（雪崩现象）。所以最后收集到的离子对总电荷量不再等于射线粒子产生的原始电荷量,Q,，收集的总电量变为,MQ,，,M,称为气体放大倍数（可高达,10,4,）。于是，在收集电极上感生的脉冲幅度,V,将是原电离感生的脉冲幅度的,M,倍，即,在正比区，,M,与射线离子的原始比电离无关，只决定与工作电压，收集的总电量,MQ,仍保持着与射线粒子在灵敏体积内产生的总离子对数目成正比。,当选取,RCT,+,（正离子收集时间）时，正比室的输出脉冲窄且其幅度正比于电离辐射在工作气体中产生的原电离而与产生位置无关，因此可用于测入射粒子的粒子注量率和能注量率，特别适合测量低电离辐射粒子的能量（如,粒子、软,X,射线），且可忍受较高的计数率。,2,、说明正比计数器的工作原理，它可用于测量入射粒子的哪些物理量（如粒子注量率、能注量率）及其原因？,3,、说明,G-M,计数器的工作原理，它可用于测量入射粒子的哪些物理量（如粒子注量率、能注量率）及其原因？,G-M,计数器,工作在气体电离放电伏安特性曲线的,G-M,区,。,在这个区域内，收集的离子对数目根本与射线粒子在工作气体中产生的初始离子对数目无关，即使在工作气体中只产生一对离子对，收集的离子对数目也是很大的，其数值完全由气体探测器本身的特性及相随电子学电路来决定。因此只能进行粒子注量率的测量（强度测量），不能用来测能注量率。,闪烁探测器以闪烁晶体为探测介质，利用闪烁效应来探测入射粒子，工作原理如下：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,10,4,10,9,个，电子流在阳极负载上产生电信号；电信号由电子仪器记录和分析。,输出信号幅度,V,与入射粒子能量,E,的关系：，因此，通过分辨信号幅度，可分辨射线能量；通过测量脉冲信号数，可测定射线强弱。即可进行能注量率和粒子注量率的测量。,4,、说明闪烁探测器的工作原理，它可用于测量入射粒子的哪些物理量（如粒子注量率、能注量率）及其原因？,5,、说明半导体探测器的工作原理，它可用于测量入射粒子的哪些物理量（如粒子注量率、能注量率），与气体探测器和闪烁探测器相比，它的主要优缺点有哪些？,固体半导体探测器可看作固体电离室，即“填充”半导体晶体（而不是气体）作介质的电离室。因此其工作原理与电离室相同（通过电离将入射射线转换成电信号）。半导体探测器有两个电极，加有一定的偏压。当入射粒子进入半导体探测器的灵敏区时，即产生电子,-,空穴对。在两极加上电压后，电荷载流子就向两极作漂移运动，收集电极上会感应出电荷，从而在外电路形成信号脉冲。可用于测入射粒子的粒子注量率和能注量率。,半导体探测器的主要优缺点如下：,主要优点：,能量分辨率高（优于正比计数器、闪烁计数器）。例如：金硅面垒探测器对,241,Am,的,5.486MeV,的,射线峰的线宽度达,10.8KeV,。,线性范围宽。在很大能量范围内，探测器的输出幅度与所测射线的能量都精确地成正比。,脉冲上升时间较短，可用于快速测量；窗可以做得很薄，可测量低能,X,射线；结构简单，体积小，重量轻，不用很高电压，适合空间环境的严格要求。,主要缺点：,受强辐照后性能变坏，输出脉冲幅度小，性能随温度变化较大等。,6,、请简述采用,FD-3017(,或,IED-3000R),型测氡仪进行野外土壤氡气测量的工作程序。,答：由于,FD-3017(,或,IED-3000R),型测氡仪不受钍射气的干扰，在野外进行野外土壤氡气测量的工作程序如下：,先用铁锤和六棱钢钎，在测点处土壤层打孔。然后取出钢钎，插入取样器，周围用土壤封紧以免进入空气。,用橡皮管连接取样器和仪器，放入探测片,(,收集片，注意：收集片上有记号的面朝上，光面向下,),，打开仪器，抽取地下气样，等待一定时间（,2min,），使,218,Po,在带负高压的探测片上沉积。,7,、请简述气球法测空气中氡浓度的原理。,答：气球法测氡，实质上是双滤膜法的变种。它将双滤膜管改为一个球，气体入口和出口为同一通道。抽气泵开动，充气过程中：入口滤膜只让氡气,(,纯氡,),进入气球，在气球内产生新的子体。排气过程中，出口滤膜上收集到一部分新生子体，测量出口滤膜上的,活度来计算氡的浓度。,8,、请简述采用,径迹测量土壤氡的操作程序。,答：,径迹蚀刻测量应用在地质条件对成矿有利，地面有浮土覆盖的地区。根据需要布置好测线和测点。工作方法如下：,准备探测装置（探测器及探杯）：将,径迹探测片，切成一定形状，一般取,0.8cm1.5cm,，将探测片固定在探杯,(T-702,型,),内的支架上，并在径迹片和杯上统一编号。,将探测装置埋入地下：在测点挖埋杯探坑，如下图所示。一般深度,40cm,，将探杯倒扣坑中，用塑料袋装土将探杯压紧，盖上填土，在地表插上标志。,埋杯采样时间：使探测器接受,辐射，一般为,20d,左右。,化学蚀刻液的配制与蚀刻，受,辐射过的探测器进行化学处理，各种探测器有一定差别。,确定径迹密度：用一般光学显微镜观察，探测器上径迹密度（劳动强度大，速度慢）；或用径迹扫描仪计数径迹密度（减轻劳动强度，提高效率）。,平均氡浓度的计算：,式中：,n,Rn,探测片上每,cm,2,净计数（净径迹密度），单位：径迹数,/cm,2,；,t,布放探测器时间（暴露时间），单位：,h,；,k,s,刻度系数。,9,、简述采用,210,Po,法测量土壤氡浓度的操作程序。,答：操作程序如下：,根据测网，在每点,2040cm,深处取土样,50g,。,取土样,4g,，置于,100mL,烧杯中；加入,0.5g,抗坏血酸和一片直径,d=16mm,的铜片；再加入,20ml,，,3mol/L,盐酸溶液；放入恒温摇床振荡箱，在,40,下振荡,3h,，或在,60,下振荡,2.5h,。在这期间铜片上的铜与钋发生置换反应，钋沉浸在铜片的表面。然后取出铜片，洗净晾干。,为了消除,218,Po,的影响，将铜片放置,30min,后，等,218,Po,衰变完后进行测量，以避免,218,Po,的干扰。用,辐射仪，测量铜片,粒子活度，每个样品测量时间一般为,10min,。活度低的可延长至,30min,或,1h,，甚至更长。,10,、测氡仪有哪三种常用的标定方法，简述各种标定方法的适用条件。,测氡仪的标定方法：循环法、真空法、自由扩散法。循环法一般用于野外工作标定常规氡测量仪器；真空法大都用于室内氡测量仪器和测水中氡仪器的标定；自由扩散法一般用于,径迹蚀刻测量用探测器、,卡探测器及,硅探测器等累积法测氡仪的标定。,