一核儀器設(shè)計(jì)基礎(chǔ)知識(shí)-課件

核儀器設(shè)計(jì)核儀器設(shè)計(jì)第一章核儀器設(shè)計(jì)基礎(chǔ)知識(shí)2《核儀器設(shè)計(jì)》章節(jié)安排

（課堂教學(xué)24學(xué)時(shí)）第一章核儀器設(shè)計(jì)基礎(chǔ)知識(shí)（4學(xué)時(shí)）第二章核輻射探測(cè)器與連接電路（4學(xué)時(shí)）第三章γ總量輻射儀設(shè)計(jì)（4學(xué)時(shí)）第四章γ能譜儀設(shè)計(jì)（2學(xué)時(shí)）第五章α測(cè)氡儀設(shè)計(jì)（4學(xué)時(shí)）第六章X射線熒光儀設(shè)計(jì)（2學(xué)時(shí)）第七章數(shù)字化核儀器介紹（2學(xué)時(shí)）第八章課堂討論（2學(xué)時(shí)）第一章核儀器設(shè)計(jì)基礎(chǔ)知識(shí)2《核儀器設(shè)計(jì)》章節(jié)安排

（課堂第一章核儀器設(shè)計(jì)基礎(chǔ)知識(shí)3《核儀器設(shè)計(jì)》實(shí)驗(yàn)安排

（實(shí)驗(yàn)教學(xué)24學(xué)時(shí)）6C802

1、

γ總量輻射儀電路原理圖設(shè)計(jì)2、電子元器件選購(gòu)和準(zhǔn)備3、單元電路的PCB設(shè)計(jì)4、電路焊接準(zhǔn)備5、電路焊接6、單元電路調(diào)試7、單元電路性能測(cè)試8、整機(jī)裝配（配接）9、整機(jī)調(diào)試10、整機(jī)性能測(cè)試11、樣機(jī)應(yīng)用試驗(yàn)12、實(shí)驗(yàn)課程報(bào)告第一章核儀器設(shè)計(jì)基礎(chǔ)知識(shí)3《核儀器設(shè)計(jì)》實(shí)驗(yàn)安排

（實(shí)驗(yàn)第一章核儀器設(shè)計(jì)基礎(chǔ)知識(shí)4第一章核儀器設(shè)計(jì)基本知識(shí)本課程將以《核輻射測(cè)量方法》、《核電子學(xué)基礎(chǔ)》、《核檢測(cè)方法與儀器》等放射性專業(yè)課知識(shí)為基礎(chǔ)，學(xué)習(xí)核儀器設(shè)計(jì)的基本方法，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)掌握核儀器設(shè)計(jì)和制作的全過(guò)程。一、核輻射基本知識(shí)二、核儀器設(shè)計(jì)基礎(chǔ)第一章核儀器設(shè)計(jì)基礎(chǔ)知識(shí)4第一章核儀器設(shè)計(jì)基本知識(shí)本（一）放射性現(xiàn)象（二）射線與物質(zhì)相互作用（三）放射性測(cè)量常用單位一、核輻射基本知識(shí)（一）放射性現(xiàn)象一、核輻射基本知識(shí)放射性(radioactivity)這一名詞首次首次被利用是MarieCurie。在1898,她首先用來(lái)描述能發(fā)出電離輻射(ionizingradiation)的物質(zhì)的外部特征,進(jìn)一步證明了電離輻射與電磁輻射的差別。放射性的最早研究者：倫琴（Roentgen);1895年，倫琴用陰極射線（電子束）在放電管壁上的作用產(chǎn)生x射線（x–ray)。首先發(fā)現(xiàn)放射性：1896年，貝可勒爾(Becquerel)發(fā)現(xiàn)鈾礦石使膠卷暴光，稱之為radiationactives。（一）放射性現(xiàn)象放射性(radioactivity)這一名詞首次首次被利用是第一章核儀器設(shè)計(jì)基礎(chǔ)知識(shí)71898年，施密特發(fā)現(xiàn)釷（Th）具有與鈾礦石相同的特征。1899年，盧瑟福（Rutherford）和歐文斯（Owens）發(fā)現(xiàn)射氣（emanation)現(xiàn)象。1901年，Pierre和MarieCurie發(fā)現(xiàn)鐳（Ra）之后又發(fā)現(xiàn)了釙（Po）。通過(guò)研究鈾釷礦石的放射性，發(fā)現(xiàn)Ra比鈾、釷具有更強(qiáng)的放射性，于是從瀝青中提煉出鐳。1903年，Becquerel和MarieCurie夫婦分別獲得物理諾貝爾獎(jiǎng)。1911年，MarieCurie獲得化學(xué)NobelPrizeforisolatiingradium（Pierrediedin1906）。MarieCuriediedin1934attheageof67yearsasaresultofprolongedexposuretoradioactivityRa.第一章核儀器設(shè)計(jì)基礎(chǔ)知識(shí)71898年，施密特發(fā)現(xiàn)釷（Th第一章核儀器設(shè)計(jì)基礎(chǔ)知識(shí)8

1911年，盧瑟福（Rutherford）用α射線轟擊各種原子，觀測(cè)到α射線發(fā)生偏折，從而確定了核結(jié)構(gòu)，并提出了原子結(jié)構(gòu)的行星模型，奠定了原子結(jié)構(gòu)和原子核結(jié)構(gòu)的研究基礎(chǔ)。此后不久，玻爾提出了原子的殼結(jié)構(gòu)和電子在原子中的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，同時(shí)建立了描述微觀世界的量子力學(xué)。

1919年，在卡文迪許實(shí)驗(yàn)室，實(shí)現(xiàn)了人工核蛻變核反應(yīng)，它是用α粒子轟擊氦核能放出質(zhì)子，反應(yīng)式如下：

1932年，發(fā)現(xiàn)中子（neutron)。

1934年，人工放射性核素合成成功。第一章核儀器設(shè)計(jì)基礎(chǔ)知識(shí)81911年，盧瑟福（Rut放射性現(xiàn)象核輻射(nuclearradiation)

核的變換nuclidetransformation

來(lái)源粒子加速器particleacceleration宇宙射線cosmicrayfromouterspace

產(chǎn)生機(jī)理角度9第一章核儀器設(shè)計(jì)基礎(chǔ)知識(shí)放射性現(xiàn)象核輻射(nuclearradiation)地-空界面上核輻射的來(lái)源人工放射性7.2%大氣核試驗(yàn)核工業(yè)與核技術(shù)應(yīng)用核醫(yī)學(xué)診斷陸地放射性80.0%鈾系列核素釷系列核素鉀-40其它核素宇宙射線12.8%電離成份10.5%中子2.3%從空間分布角度10第一章核儀器設(shè)計(jì)基礎(chǔ)知識(shí)地-空界面上核輻射的來(lái)源人工放射性7.2%陸地放射核輻射的分類

帶電粒子輻射

重帶電粒子快電子γrayxray電磁輻射中子非帶電輻射αrayβray11第一章核儀器設(shè)計(jì)基礎(chǔ)知識(shí)核輻射的分類帶電粒子輻射重帶電粒子快電子γrayxr第一章核儀器設(shè)計(jì)基礎(chǔ)知識(shí)12原子和原子核第一章核儀器設(shè)計(jì)基礎(chǔ)知識(shí)12原子和原子核第一章核儀器設(shè)計(jì)基礎(chǔ)知識(shí)13原子與原子核的大小第一章核儀器設(shè)計(jì)基礎(chǔ)知識(shí)13原子與原子核的大小第一章核儀器設(shè)計(jì)基礎(chǔ)知識(shí)14原子和原子核質(zhì)子：決定元素的種類，與中子共同決定原子的相對(duì)原子質(zhì)量。中子：決定原子的種類，與質(zhì)子共同決定原子的相對(duì)原子質(zhì)量。電子：最外層電子數(shù)決定元素的化學(xué)性質(zhì)。第一章核儀器設(shè)計(jì)基礎(chǔ)知識(shí)14原子和原子核質(zhì)子：決定元素的化學(xué)元素周期表化學(xué)元素周期表放射性衰變種類（1）α衰變

例11602年↙↙α4.602MeV↙↙α4.785MeV5%↙↙95%↓γ0.183MeV↙↓↙3.825天

α衰變放射性衰變種類（1）α衰變?chǔ)了プ兊谝徽潞藘x器設(shè)計(jì)基礎(chǔ)知識(shí)見(jiàn)P.172p2n90p144n鈾-238（母核）釷-234（子核）氦-4(

粒子)衰變產(chǎn)物質(zhì)子中子92p146n例2：U－238的衰變示意圖鈾原子的電子模型圖第一章核儀器設(shè)計(jì)基礎(chǔ)知識(shí)見(jiàn)P.172p2n90p144n（２）β衰變

放出β粒子betaparticle高速運(yùn)動(dòng)的電子分為衰變；衰變

衰變

衰變（２）β衰變衰變?chǔ)滤プ兯プ儯?/p>

30年↘↘

β1.17MeV↘↘β0.51MeV8%↘↘92%↘↓γ0.661MeV↘↓基態(tài)

衰變?chǔ)滤プ兯プ兊谝徽潞藘x器設(shè)計(jì)基礎(chǔ)知識(shí)2091p143n釷-234（母核）鏷-234（子核）電子

e-

（

粒子）衰變產(chǎn)物質(zhì)子中子90p144npn-1+1e-+1質(zhì)量0第一章核儀器設(shè)計(jì)基礎(chǔ)知識(shí)2091p143n釷-234（（3）γ躍遷

γ-transition在α衰變、β衰變過(guò)程中，伴隨放出γ輻射gammaradiation例：基態(tài)↘↓γ0.059MeV,99.7%

β1.54MeV↘↘β0.31MeV0.3%↘↓γ

1.17MeV↓γ1.33MeV

基態(tài)

γ衰變（3）γ躍遷γ-transitionγ衰變第一章核儀器設(shè)計(jì)基礎(chǔ)知識(shí)22

射線90p144n釷-234釷-23490p144n具有多余的能量衰變產(chǎn)物能量第一章核儀器設(shè)計(jì)基礎(chǔ)知識(shí)22射線90p144n釷-2放射性系列

镎系neptuniumseriesNp-237A=4n+1

鈾系uraniumseriesU-238A=4n+2釷系thoriumseriesTh-232A=4n錒鈾系actiniumuraniumseriesU-235A=4n+3放射性系列镎系neptuniumserie不成系列的天然放射性核素

K-401.46MeVT=1.3×109aRb-87T=5.0×1010aSm-147T=1.06×1011a見(jiàn)教材P.16銣釤鉀不成系列的天然放射性核素見(jiàn)教材P.16銣釤鉀（二）射線與物質(zhì)相互作用（二）射線與物質(zhì)相互作用粒子與物質(zhì)相互作用1.主要形式*電離、激發(fā)、次級(jí)電離.*約60～80%的離子對(duì)是次級(jí)電離產(chǎn)生的.粒子與物質(zhì)相互作用1.主要形式電離：粒子與物質(zhì)的束縛電子（原子軌道電子或稱殼層電子）發(fā)生靜電作用，使束縛電子獲得能量而變成自由電子，便形成電子與正離子組成的離子對(duì)，這就是電離作用。激發(fā)：如果束縛電子獲得的能量不能夠使它變成自由電子，而只能躍遷到更高的能級(jí)，這稱為激發(fā)作用。次級(jí)電離：當(dāng)入射的粒子在物質(zhì)中由于直接碰撞打出能量較高的電子，這個(gè)電子再次與物質(zhì)中的束縛電子起作用，而發(fā)生一次新的電離，形成離子對(duì)，這就是次級(jí)電離。電離：粒子與物質(zhì)的束縛電子（原子軌道電子或稱殼層電子）發(fā)生α粒子是氦的原子核，帶兩個(gè)單位正電荷，質(zhì)量數(shù)為4。

天然核素衰變放出的α粒子能量在4～8MeV。初始速度約在(1～2)×109cm/s。

由于α為重粒子，與物質(zhì)散射作用不明顯，在氣體中的徑跡是直線。α粒子是氦的原子核，帶兩個(gè)單位正電荷，質(zhì)量數(shù)2.α粒子的射程α粒子的射程用平均射程代表；α粒子是重粒子，射程漲落小。5MeVα粒子,漲落約1％；同一物質(zhì)中，α粒子的射程與初始能量有關(guān)，能量大，射程長(zhǎng)；4～8MeVα粒子在空氣中射程可以用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算：天然α粒子在空氣中的射程有表(表2-1)可查。2.α粒子的射程α粒子的射程用平均射程代表；天然α粒子α粒子的射程能量在4—8MeV,在空氣中的射程

2—8cm

在其他物質(zhì)中的射程幾十微米

測(cè)量裝置的設(shè)計(jì)及防護(hù)討論。α粒子的射程β射線與物質(zhì)的相互作用電離、次級(jí)電離（占70—80%）激發(fā)彈性散射軔致輻射

射程：β

粒子的運(yùn)動(dòng)軌跡是折線β射線與物質(zhì)的相互作用電離、次級(jí)電離（占70—80%）快電子（β粒子）與物質(zhì)的相互作用彈性散射—β粒子與原子核發(fā)生庫(kù)侖作用，只改變方向，不輻射能量,這種過(guò)程稱為彈性輻射。反散射—β粒子在物質(zhì)中經(jīng)過(guò)多次散射，其最后的散射角可以大于90°，這種散射成為反散射。彈性輻射反散射快電子（β粒子）與物質(zhì)的相互作用彈性散射—β粒子與原子核發(fā)生韌致輻射高速運(yùn)動(dòng)的β粒子或其它帶電粒子通過(guò)物質(zhì)時(shí)，在核庫(kù)侖場(chǎng)作用下，改變運(yùn)動(dòng)速度，伴隨放出電磁輻射。此稱韌致輻射。軔致輻射放出的電磁輻射是連續(xù)能量的X射線。原子核使用輻射損耗率描述在單位距離上軔致輻射的能量損耗。P.53韌致輻射高速運(yùn)動(dòng)的β粒子或其它帶電粒子通過(guò)物質(zhì)時(shí)，在核庫(kù)侖場(chǎng)β粒子在物質(zhì)中的衰減近似按指數(shù)規(guī)律衰減。β粒子在物質(zhì)中的衰減P.57cm=(g/cm2)/(g/cm3)R

吸收厚度(單位)：cm，g/cm2β粒子在物質(zhì)中的衰減β粒子在物質(zhì)中的衰減P.57cmβ射線的射程半吸收厚度：β粒子在物質(zhì)中衰減1半所經(jīng)過(guò)的厚度。射程：β粒子經(jīng)過(guò)10倍半吸收厚度，剩余1/1024。小于1/1000，故將10倍半吸收厚度定義為β粒子的射程。即：某一能量的粒子通過(guò)物質(zhì)，幾乎全部被介質(zhì)吸收時(shí)的厚度，就是粒子的射程。射程單位：cm，g/cm2β射線的射程半吸收厚度：β粒子在物質(zhì)中衰減1半所經(jīng)過(guò)的厚度。β粒子在物質(zhì)中的射程可按下列經(jīng)驗(yàn)公示計(jì)算：P.57當(dāng)E0>0.8MeV當(dāng)0.15MeV<E0<0.8MeVR(單位)：g/cm2（面密度）E(單位)：MeVβ粒子在物質(zhì)中的射程可按下列經(jīng)驗(yàn)公示計(jì)算：P.57當(dāng)E0>實(shí)驗(yàn)測(cè)定巖石、礦石中的射線射程見(jiàn)p.57,表2-5天然放射性核素中的射線最大能量及其分布。在巖礦石中的最大射程。表中最大射程單位是：g/cm2當(dāng)使用cm表示射線的射程時(shí)：在空氣（密度1.20~1.25kg/m3）中約為：1200cm；在金屬鋁（密度2.70g/cm3）中約為：0.6cm；在混凝土（密度2.20~2.5g/cm3)中約為：0.7cm在巖礦粉末（密度約1.54g/cm3）中約為：1.0cm；在干沙子（密度約1.50g/cm3）中約為：1.03cm實(shí)驗(yàn)測(cè)定巖石、礦石中的射線射程見(jiàn)p.57,表2-5天然放射2.放射層中β射線的自吸收P.582.放射層中β射線的自吸收P.58光電效應(yīng)康普頓-吳有訓(xùn)效應(yīng)形成電子對(duì)效應(yīng)射線與物質(zhì)相互作用光電效應(yīng)射線與物質(zhì)相互作用兩步過(guò)程三種作用效應(yīng)

光電效應(yīng)康普頓效應(yīng)電子對(duì)效應(yīng)

產(chǎn)生次級(jí)電子電離效應(yīng)次級(jí)電子使物質(zhì)原子電離γ射線第1步初級(jí)作用第2步次級(jí)作用γ射線對(duì)物質(zhì)產(chǎn)生電離作用的過(guò)程：兩步過(guò)程三種作用效應(yīng)電離效應(yīng)γ射線第1步第2步γ射線定義：當(dāng)γ射線與物質(zhì)原子中的束縛電子作用時(shí),將全部能量轉(zhuǎn)移給某個(gè)束縛電子,使之發(fā)射出去,成為光電子，而γ射線本身被完全吸收,這種過(guò)程稱為光電效應(yīng)。光電效應(yīng)定義：當(dāng)γ射線與物質(zhì)原子中的束縛電子作用時(shí),將全部能量轉(zhuǎn)移給自由電子原子受激原子光電效應(yīng)1）作用機(jī)制光子同(整個(gè))原子作用，把自己的全部能量傳遞給原子，殼層中某一電子獲得動(dòng)能克服原子束縛跑出來(lái),成為自由電子，光子本身消失了。

γ+AA*+

e-（光電子）

原子

A+特征X射線自由電子原子受激原子光電效應(yīng)1）作用機(jī)制光子同(整個(gè))原子作入射γ光子的能量必須大于殼層電子結(jié)合能，才能發(fā)生光電效應(yīng)。γ光子與自由電子不能發(fā)生光電效應(yīng)，只有原子核參加反應(yīng)，才能滿足動(dòng)量守恒。K層電子發(fā)生光電效應(yīng)幾率最大、L層次之、M層更小…。實(shí)際上，80％的光電效應(yīng)發(fā)生在與K層電子的作用上。光電效應(yīng)伴隨著特征X射線或俄歇電子的發(fā)射。這是因?yàn)榘性影l(fā)射光電子后，內(nèi)殼層出現(xiàn)電子空位而處于激發(fā)態(tài)。2）特點(diǎn)P.60光電效應(yīng)入射γ光子的能量必須大于殼層電子結(jié)合能，才能發(fā)生光電效應(yīng)。2入射γ射線光電子特征X射線外層電子直接躍遷填充內(nèi)層電子空位，使原子回復(fù)到較低的能量狀態(tài)，躍遷過(guò)程中，放出電磁輻射，其能量等于兩個(gè)電子殼層的結(jié)合能之差。特征X射線產(chǎn)生的原理：電子躍遷過(guò)程中釋放的電磁輻射是一種X射線。由于其能量取決于原子的結(jié)構(gòu)，故對(duì)每一種元素來(lái)說(shuō)，都是特征的，故稱其為“特征X射線”。處于激發(fā)態(tài)的靶原子可以通過(guò)兩種方式退激：（1）入射γ射線光電子特征X射線外層電子直接躍遷填充內(nèi)層電子空殼層電子在躍遷過(guò)程中不發(fā)射特征X射線，而是將激發(fā)能轉(zhuǎn)移給一外殼層電子，使它從原子中發(fā)射出來(lái)。俄歇電子俄歇電子產(chǎn)生的原理：處于激發(fā)態(tài)的靶原子可以通過(guò)兩種方式退激：（2）殼層電子在躍遷過(guò)程中不發(fā)射特征X射線，而是將激發(fā)能轉(zhuǎn)移給一外如果忽略原子核獲得的反沖能，根據(jù)能量守恒原理，可以寫(xiě)出光電子的能量為3）光電子的能量光電效應(yīng)P.60Ee：光電子的動(dòng)能；h：入射射線能量；j：j殼層電子的電離能。如果忽略原子核獲得的反沖能，根據(jù)能量守恒原理，可以寫(xiě)出光電子4）光電效應(yīng)截面光電效應(yīng)截面與入射光子能量、核靶物質(zhì)原子序數(shù)有關(guān)。光電效應(yīng)P.61原子的光電截面：一個(gè)入射光子與單位面積上一個(gè)靶原子發(fā)生光電效應(yīng)的幾率。a：原子光電效應(yīng)吸收截面；即原子與入射光子發(fā)生光電效應(yīng)的幾率；K：射線在K層產(chǎn)生光電效應(yīng)的幾率。4）光電效應(yīng)截面光電效應(yīng)截面與入射光子能量、核靶物質(zhì)原子序數(shù)τK：入射光子在K層光電效應(yīng)的幾率m0C2：電子靜止時(shí)的能量=0.51MeV式中n在2.2～4間選擇不同入射射線能量時(shí)的光電效應(yīng)截面經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式：光電效應(yīng)當(dāng)靶物質(zhì)為復(fù)雜物質(zhì)時(shí)，式中Z應(yīng)為有效原子序數(shù)。τK：入射光子在K層光電效應(yīng)的幾率式中n在2.γ與軌道電子光電子γ消失特征X射線

K層幾率最大

光電子能量：光電效應(yīng)的幾率：

低能、重物質(zhì)式中：E光電子的動(dòng)能，h入射光子的能量；k層電子的電離能（復(fù)習(xí)）光電效應(yīng)γ與軌道電子光電子γ消失特征X康普頓散射當(dāng)γ光子與原子的核外電子發(fā)生彈性碰撞時(shí),光子的一部分能量轉(zhuǎn)移給電子,使它脫離原子成分反沖電子,而散射光子的能量和運(yùn)動(dòng)方向都發(fā)生變化，這一過(guò)程稱為康普頓效應(yīng)。定義康普頓散射當(dāng)γ光子與原子的核外電子發(fā)生彈性碰撞時(shí),光子的一部康普頓散射2）能量分配與散射角的關(guān)系hv—入射光子的能量.hvˊ—散射光子的能量.Ee—反沖電子的動(dòng)能.V—光子的速度.θ—散射光子的散射角.Φ—反沖電子的反沖角.與核外電子發(fā)生作用.

非彈性碰撞,γ光子損失部分能量.

作用后,γ光子運(yùn)動(dòng)方向改變.

形成反沖電子.P.641）基本特征康普頓散射2）能量分配與散射角的關(guān)系hv—入射光子的能量γ光子與原子的外層電子發(fā)生碰撞，一部分能量傳給電子使它脫離原子射出而成為“反沖電子”，同時(shí)光子損失能量并改變方向成為“散射光子”。康普頓效應(yīng)與光電效應(yīng)的不同之處主要有兩點(diǎn)，一是康普頓效應(yīng)中反沖電子只獲得光子一部分能量，并且作用完后仍然存在散射光子。二是康普頓效應(yīng)發(fā)生在外層電子上，而光電效應(yīng)主要發(fā)生在最內(nèi)層電子上。3）與光電效應(yīng)的區(qū)別康普頓散射γ光子與原子的外層電子發(fā)生碰撞，一部分能量傳設(shè)入射光子能量h

，動(dòng)量為h/c。散射光子能量為h’，動(dòng)量為h’/c。反沖電子的動(dòng)能為Ee

，反沖電子的動(dòng)量為P。散射角θ，反沖角φ。則有下列關(guān)系式成立：4）康普頓散射射線能量康普頓散射《核輻射測(cè)量原理》P.78設(shè)入射光子能量h，動(dòng)量為h/c。散射光子能量為h’，在不同的散射角θ方向上，散射光子數(shù)為：?jiǎn)挝涣Ⅲw角的微分截面可以按下式計(jì)算式中，r0—電子的經(jīng)典半徑，r0=e2/m0C2=2.818×10-13cm

ω0—以靜止電子為單位的光子能量ω0=hν/m0C25）康普頓散射光子的角分布康普頓散射在不同的散射角θ方向上，散射光子數(shù)為：?jiǎn)挝涣Ⅲw角的微分截面可

180o反散射光子的能量h’是最小的，此時(shí)：不同入射光子能量h所產(chǎn)生的180o反散射光子的能量h’均在200keV左右。h0.50.661.01.52.03.04.0h’0.1690.1840.2030.2180.2260.2350.240MeV6）康普頓散射的反散射光子180o反散射光子的能量h’是最小的，此時(shí)入射光子與原子的康普頓效應(yīng)總截面c等于它與各個(gè)電子的康普頓效應(yīng)截面ce之和：7）康普頓散射效應(yīng)截面由量子力學(xué)可以導(dǎo)出整個(gè)原子的康普頓效應(yīng)截面公式：h<<m0c2h>>m0c2《核輻射測(cè)量原理》P.81入射光子與原子的康普頓效應(yīng)總截面c等于它與當(dāng)γ光子從原子核旁經(jīng)過(guò)時(shí),在原子核的庫(kù)侖場(chǎng)作用下,γ光子轉(zhuǎn)化為一個(gè)正電子和一個(gè)負(fù)電子,這種過(guò)程稱為電子對(duì)效應(yīng)。（1）作用特征與原子核發(fā)生作用.

入射γ光子消失.

形成正、負(fù)電子對(duì).2.2.3形成電子對(duì)定義當(dāng)γ光子從原子核旁經(jīng)過(guò)時(shí),在原子核的庫(kù)侖場(chǎng)作用下,γ光子轉(zhuǎn)（2）產(chǎn)生條件必要條件:hv>2m0C2=1.02MeV.m0C2——電子靜止時(shí)的能量=0.51MeV.

必須有第三者(原子核)參加.（3）電子對(duì)的動(dòng)能Ee++Ee-=hv–1.02.形成電子對(duì)（2）產(chǎn)生條件（3）電子對(duì)的動(dòng)能Ee++Ee-=（4）電子對(duì)的湮沒(méi)

正電子與負(fù)電子不同，它很不穩(wěn)定，其壽命約10-10～10-7s。正電子在物質(zhì)中由于電離而損失能量后，將與電子結(jié)合，通常轉(zhuǎn)化為兩個(gè)能量為0.51MeV且方向相反的γ光子。這種現(xiàn)象稱為電子對(duì)湮沒(méi)。放出的γ光子叫做湮沒(méi)輻射.形成電子對(duì)（4）電子對(duì)的湮沒(méi)形成電子對(duì)（5）電子對(duì)效應(yīng)截面對(duì)于各種原子的電子對(duì)效應(yīng)，可由理論計(jì)算得到其反應(yīng)截面p是入射光子能量和吸收物質(zhì)原子序數(shù)的函數(shù)：形成電子對(duì)當(dāng)h稍大于

2m0c2當(dāng)h>>2m0c2《核輻射測(cè)量原理》P.84《放射性勘探方法》P.58（5）電子對(duì)效應(yīng)截面形成電子對(duì)當(dāng)h稍大于2m0c2當(dāng)電子對(duì)效應(yīng)截面(1)當(dāng)h稍大于2m0c2時(shí)，有：當(dāng)h稍大于2m0c2時(shí)，隨入射射線能量的增加，電子對(duì)截面將迅速增加。(2)當(dāng)h＞＞2m0c2時(shí)，有：當(dāng)h遠(yuǎn)大于2m0c2時(shí)，隨入射射線能量的增加，電子對(duì)截面的增加速度變緩慢。結(jié)論：不論h為多少，電子對(duì)截面都正比于原子序數(shù)的平方。電子對(duì)效應(yīng)截面(1)當(dāng)h稍大于2m0c2時(shí)，有：當(dāng)h稍三種主要效應(yīng)的截面隨原子序數(shù)和入射光子能量變化的關(guān)系射線與物質(zhì)相互作用時(shí)，三種效應(yīng)比較概念圖

占優(yōu)表示：作用幾率大于總幾率50％區(qū)域三種主要效應(yīng)的截面隨原子序數(shù)和入射光子能量變化的關(guān)系射1、放射性物質(zhì)的重量、含量單位2、放射性測(cè)量常用物理量和單位（三）放射性測(cè)量常用單位1、放射性物質(zhì)的重量、含量單位（三）放射性測(cè)量常用單位1、放射性物質(zhì)的重量、含量單位放射性物質(zhì)的重量

單位：千克千克——放射性物質(zhì)的重量單位對(duì)于一些長(zhǎng)壽的核素，如鈾、釷等的量可以用千克（或其導(dǎo)出單位克）為單位來(lái)表示。對(duì)于這些核素可以用稱量法測(cè)量。由于它們的衰變期比較長(zhǎng)，我們用精密的天平就可以稱出它們的重量。但是，是不是所有的放射性物質(zhì)都可以用稱量法來(lái)確定它們的量呢？對(duì)于那些半衰期極短的放射性核素，因其衰變很快，并且無(wú)法將它們提取到化學(xué)純度來(lái)供測(cè)量，此外它們的量往往是極微小的，以致最精密的天平也無(wú)法稱出其量。因此無(wú)法用稱量法來(lái)確定其量，必須采用測(cè)量其放射性衰變率等方法來(lái)度量。1、放射性物質(zhì)的重量、含量單位放射性物質(zhì)的重量單固體物質(zhì)中放射性物質(zhì)的含量克/克——克（放射性核素）/克（巖石）克/100克——%克/噸——ppm=10-6放射性物質(zhì)的含量固體物質(zhì)中放射性物質(zhì)的含量克/克——克（放射性核素）/克（巖液體或氣體物質(zhì)中放射性核素的含量克/升——g/L,mg/LBg/L,Bg/m3

1Bg/L=1000Bg/m3

1g/L=1000mg/LCi/L,Ci/m3

1Ci/L=1000Ci/m3=3.7×1010Bg/L愛(ài)曼（em），1em=10-10Ci/L=3.7Bg/L=3700Bg/m3

液體或氣體物質(zhì)中放射性核素的含量克/升——g/L,mg/（1）放射性活度（2）照射量X

（3）照射量率（4）吸收劑量D（5）吸收劑量率（6）當(dāng)量劑量H（7）比釋動(dòng)能K（8）粒子注量與粒子注量率（9）能注量與能注量率2、放射性測(cè)量常用物理量和單位（1）放射性活度（7）比釋動(dòng)能K2、放射性測(cè)量常用物理量放射性活度（A）A=dN/dt國(guó)際單位(SI)為貝可[勒爾]，簡(jiǎn)稱貝可(Bq)

曾用單位：居里（Ci）1Ci=3.7×1010Bq=3.7×1010核衰變/秒。（1）放射性活度放射性活度（A）（1）放射性活度照射量X表示X或γ

射線在空氣中產(chǎn)生電離能力大小的輻射量。法定單位：庫(kù)侖每千克（C/kg）曾用單位：倫琴（R）1C/kg=3.877×103R1R=2.58×10-4C/kg=0.258mC/kg

（2）照射量照射量X法定單位：庫(kù)侖每千克（C/kg）1C/kg=3照射量率法定單位：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)的照射量。（C/kg·s）

曾用單位：微倫琴每小時(shí)(μR/h),簡(jiǎn)稱伽瑪()

1γ=1μR/h=2.58×10-10C/(kg·h)注意：照射量和照射量率只對(duì)空氣而言，只是從電離本領(lǐng)的角度說(shuō)明X射線或γ射線在空氣中的輻射場(chǎng)性質(zhì)，僅適用于X射線或γ射線。1γ=7.17*10-14C/kg.s1R/h=106=7.17*10-8C/kg.s（3）照射量率照射量率注意：照射量和照射量率只對(duì)空氣而言，只是從電離本領(lǐng)的吸收劑量（D）表示單位質(zhì)量受照物質(zhì)中吸收的平均輻射能量。式中：dE是電離輻射（包括X、γ、中子等各種輻射）給予質(zhì)量為dm的物質(zhì)的平均授予能量。或單位質(zhì)量的某物質(zhì)所吸收的平均能量。（4）吸收劑量吸收劑量（D）式中：dE是電離輻射（包括X、γ、中子等各種吸收劑量，國(guó)際單位制戈瑞（Gy）與曾用單位拉德（rad）之間的換算關(guān)系：法定單位：戈瑞（Gy）,焦耳每千克1Gy=1J/kg，1nGy=10-9Gy

曾用單位：拉德

（red）1red=10-2Gy=0.01Gy=10mGy1Gy=100red1毫拉德=10微戈瑞

證：1red=103mred=10-2Gy=10-2×106μGy;1mred=10μGy吸收劑量，國(guó)際單位制戈瑞（Gy）與曾用單位拉德（rad）之間吸收劑量率：表示單位時(shí)間的吸收劑量（Gy/S）吸收劑量率吸收劑量率單位是：Jkg-1.s-1（5）吸收劑量率吸收劑量率：表示單位時(shí)間的吸收劑量（Gy/S）吸收劑量率吸收詳見(jiàn)：2008.12核科學(xué)概論第9章輻射防護(hù)與輻射環(huán)境監(jiān)測(cè)吸收劑量與照射量的區(qū)別（參考，待證）吸收劑量：適用于任何射線和任何靶物質(zhì)，衡量的指標(biāo)是被照射物質(zhì)所吸收的輻射能量。照射量：只適用于X射線及γ射線，靶物質(zhì)是空氣，衡量的指標(biāo)是在空氣體積內(nèi)形成的次級(jí)電子所產(chǎn)生離子總電荷量，即X射線或γ射線通過(guò)該體積的空氣時(shí)所放出的能量，是輻射場(chǎng)的量度。空氣輻射場(chǎng)的X或γ射線，可通過(guò)下式將照射量換算為吸收劑量D：D=33.84X式中，D的單位為Gy（Jkg-1）；X為照射量，單位為C·kg-1；33.84為換算系數(shù)。詳見(jiàn)：2008.12核科學(xué)概論第9章輻射防護(hù)照射量與吸收劑量的關(guān)系（參考，待證）對(duì)空氣介質(zhì)照射量與吸收劑量的關(guān)系：1D(Gy)=8.69×10-3X(R)1μGy/h=86.9γ1γ＝

0.01150748μGy/h＝

11.50748nGy/h

照射量與吸收劑量的關(guān)系（參考，待證）對(duì)空氣介質(zhì)照射量與吸收劑H(當(dāng)量劑量)=D(吸收劑量)×Q×N式中，Q：為品質(zhì)因數(shù)（反映特定類型輻射引起的損傷能力）N：為修正因子，它包括了諸如吸收劑量率和分次照射等所有其他修正因素的影響，目前，ICRP指定N的值為1。品質(zhì)因數(shù)Q

值一覽表輻射類型QX射線、γ射線、電子1熱中子2.3快中子、質(zhì)子10α粒子20（6）當(dāng)量劑量（H）法定單位:Ｄ戈瑞（Gy）Ｈ希沃特（Sv）曾用單位：Ｄ拉德（rad）Ｈ雷姆(rem)H(當(dāng)量劑量)=D(吸收劑量)×Q×N式中，Q：為品質(zhì)因數(shù)比釋動(dòng)能（K）

不帶電粒子將能量授與物質(zhì)的過(guò)程可以分成兩個(gè)階段：

第一階段，不帶電粒子與物質(zhì)相互作用，釋放出次級(jí)帶電粒子，不帶電粒子的能量轉(zhuǎn)移給次級(jí)帶電粒子。

第二階段，帶電粒子通過(guò)電離、激發(fā)，把從不帶電粒子那里得來(lái)的能量授于物質(zhì)。吸收劑量比釋動(dòng)能（7）比釋動(dòng)能（K）比釋動(dòng)能（K）不帶電粒子將能量授與物質(zhì)的過(guò)程可以分成比釋動(dòng)能（K）

式中，是不帶電粒子在質(zhì)量dm的物質(zhì)中釋放出來(lái)的全部帶電粒子的初始動(dòng)能總和的平均值。它既包括這些帶電粒子在軔致輻射過(guò)程中輻射出來(lái)的能量，也包括在該體積元內(nèi)發(fā)生的次級(jí)過(guò)程所產(chǎn)生的任何帶電粒子的能量。比釋動(dòng)能（K）式中，是不帶比釋動(dòng)能（K）單位：J/Kg或Gy（與吸收劑量單位相同）比釋動(dòng)能只適用于不帶電粒子，但吸收劑量適用于任何物質(zhì)。它也是一個(gè)與無(wú)限小體積相聯(lián)系的輻射量。在受照物質(zhì)中每一點(diǎn)上都有特定的比釋動(dòng)能值。所以在給出比釋動(dòng)能數(shù)值時(shí)，也必須同時(shí)指出與該比釋動(dòng)能相聯(lián)系的物質(zhì)和該物質(zhì)的部位。比釋動(dòng)能（K）單位：J/Kg或Gy（與吸收劑量單位相D、K和X的區(qū)別D、K和X的區(qū)別輻射量吸收劑量（D）比釋動(dòng)能（K）照射量（X）適用范圍適用于任何帶電粒子及不帶電粒子和任何物質(zhì)適用于不帶電粒子如X、γ光子、中子和任何物質(zhì)僅適用于X或γ射線，并僅限于空氣介質(zhì)劑量學(xué)含意表征輻射在所關(guān)心的體積V內(nèi)沉積的能量，這些能量可來(lái)自V內(nèi)或V外。表征不帶電粒子在所關(guān)心的體積V內(nèi)交給帶電粒子的能量，不必注意這些能量在何處，以何種方式損失的。表征X或γ射線在所關(guān)心的空氣體積V內(nèi)交給次級(jí)電子用于電離激發(fā)的那部分能量。D、K和X的區(qū)別D、K和X的區(qū)別輻射量吸收劑量（D、K和X的區(qū)別（參考）條件：帶電粒子平衡&&軔致輻射效應(yīng)忽略&&低能X或γ射線若滿足：則：比釋動(dòng)能=吸收劑量D=K若為高能X或γ射線，由于次級(jí)帶電粒子是電子，有一部分能量在物質(zhì)中轉(zhuǎn)變?yōu)檐愔螺椛涠x開(kāi)所關(guān)心的那個(gè)體積元，故k≠D。則：g為次級(jí)電子慢化過(guò)程中，能量損失于軔致輻射的能量份額。D、K和X的區(qū)別（參考）條件：帶電粒子平衡&&《核輻射測(cè)量原理》p.37粒子注量ICRU(國(guó)際輻射劑量與測(cè)量委員會(huì))引入了一般性概念：輻射場(chǎng)中某一點(diǎn)的粒子注量Φ是以進(jìn)入該點(diǎn)為球心、截面積為da的小球體內(nèi)的粒子數(shù)dN與該截面積da之商。式中，粒子注量Φ的單位為m-2；小球體內(nèi)的截面積da的單位為m2。（8）粒子注量與粒子注量率《核輻射測(cè)量原理》p.37粒子注量ICRU(國(guó)際輻射劑量與測(cè)《核輻射測(cè)量原理》p.37粒子注量率粒子注量率φ是單位時(shí)間內(nèi)的粒子注量，簡(jiǎn)稱注量率φ，其定義式為：式中，dΦ表示在時(shí)間間隔dt內(nèi)的粒子注量的增量，則注量率φ表示單位時(shí)間進(jìn)入單位截面積的小球體內(nèi)的粒子數(shù)，注量率φ的單位為m-2·s-1?！逗溯椛錅y(cè)量原理》p.37粒子注量率粒子注量能注量能量注量是根據(jù)入射粒子的能量大小來(lái)描述輻射場(chǎng)性質(zhì)的物理量，即表示進(jìn)入單位截面積的小球體內(nèi)的所有粒子能量之和(扣除靜止能量)，簡(jiǎn)稱為能注量Ψ，其定義式為：式中，dER為進(jìn)入截面積為da的小球體內(nèi)的所有粒子能量之和(扣除靜止能量)，單位為J；能注量Ψ的單位為J·m-2。《核輻射測(cè)量原理》p.38（9）能注量與能注量率能注量能量注量是根據(jù)入射粒子的能量大小來(lái)描述輻射場(chǎng)性質(zhì)的物理能注量率能量注量率ψ是描述單位時(shí)間進(jìn)入單位截面積的小球體內(nèi)所有粒子能量之和，簡(jiǎn)稱為能注量率ψ，其定義式為：式中，dΨ表示在時(shí)間間隔dt內(nèi)進(jìn)入截面積為da的球體內(nèi)的所有粒子能量之和，即在時(shí)間間隔dt內(nèi)的能注量的增量；能注量率ψ的單位為J·m-2·s-1。能注量率能量注量率ψ是描述單位時(shí)間進(jìn)入單位截面積的小球體內(nèi)所能注量率與注量率的關(guān)系

當(dāng)粒子能量為單一能量E時(shí)，能注量率ψ與注量率φ的關(guān)系為：《核輻射測(cè)量原理》p.38能注量率與注量率的關(guān)系《核輻射測(cè)量原理》p.（一）核儀器的主要功能（二）核儀器的基本構(gòu)成（三）核儀器的設(shè)計(jì)原則二、核儀器設(shè)計(jì)基礎(chǔ)（一）核儀器的主要功能二、核儀器設(shè)計(jì)基礎(chǔ)（一）核儀器的主要功能發(fā)現(xiàn)肉眼難以（或不能）觀察到的放射性射線。將放射性射線的物理信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)（電荷量、電流量、電壓量、電脈沖數(shù)）。區(qū)分射線的種類，測(cè)量和記錄射線的數(shù)量，計(jì)算放射性射線的強(qiáng)弱，確定放射性核素的量（含量或活度、照射量、劑量）。區(qū)分射線的能量，測(cè)量和記錄射線的能量譜線，分析特征譜峰的能量，確定放射性核素的性質(zhì)（核素的種類）（一）核儀器的主要功能發(fā)現(xiàn)肉眼難以（或不能）觀察到的放射性射（二）核儀器的基本構(gòu)成核探測(cè)器電子記錄系統(tǒng)（二）核儀器的基本構(gòu)成核探測(cè)器電子記錄系統(tǒng)核探測(cè)器核電子學(xué)電路電子記錄顯示器核探測(cè)器核電子學(xué)電路電子記錄（三）核儀器的設(shè)計(jì)原則根據(jù)任務(wù)和目標(biāo)，展開(kāi)調(diào)研，查閱資料，確定核儀器的功能和技術(shù)指標(biāo)，制定設(shè)計(jì)方案，編寫(xiě)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)。根據(jù)核儀器的功能和技術(shù)指標(biāo)，選購(gòu)核輻射探測(cè)器。設(shè)計(jì)整機(jī)結(jié)構(gòu)，繪制機(jī)械裝配圖，加工核儀器整機(jī)結(jié)構(gòu)。設(shè)計(jì)電路原理圖。選購(gòu)電子元器件。設(shè)計(jì)PCB電路板圖，加工作電路板。制作單元電路和部件，調(diào)試單元部件。整機(jī)裝配，連接調(diào)試。整機(jī)性能測(cè)試，編寫(xiě)測(cè)試報(bào)告。編寫(xiě)核儀器使用說(shuō)明書(shū)。（三）核儀器的設(shè)計(jì)原則根據(jù)任務(wù)和目標(biāo)，展開(kāi)調(diào)研，查閱資料，確第一章核儀器設(shè)計(jì)基礎(chǔ)知識(shí)92謝謝同學(xué)們?cè)谡n堂上的合作！請(qǐng)繼續(xù)下面章節(jié)的學(xué)習(xí)。第一章核儀器設(shè)計(jì)基礎(chǔ)知識(shí)92謝謝同學(xué)們核儀器設(shè)計(jì)核儀器設(shè)計(jì)第一章核儀器設(shè)計(jì)基礎(chǔ)知識(shí)94《核儀器設(shè)計(jì)》章節(jié)安排

（課堂教學(xué)24學(xué)時(shí)）第一章核儀器設(shè)計(jì)基礎(chǔ)知識(shí)（4學(xué)時(shí)）第二章核輻射探測(cè)器與連接電路（4學(xué)時(shí)）第三章γ總量輻射儀設(shè)計(jì)（4學(xué)時(shí)）第四章γ能譜儀設(shè)計(jì)（2學(xué)時(shí)）第五章α測(cè)氡儀設(shè)計(jì)（4學(xué)時(shí)）第六章X射線熒光儀設(shè)計(jì)（2學(xué)時(shí)）第七章數(shù)字化核儀器介紹（2學(xué)時(shí)）第八章課堂討論（2學(xué)時(shí)）第一章核儀器設(shè)計(jì)基礎(chǔ)知識(shí)2《核儀器設(shè)計(jì)》章節(jié)安排

（課堂第一章核儀器設(shè)計(jì)基礎(chǔ)知識(shí)95《核儀器設(shè)計(jì)》實(shí)驗(yàn)安排

（實(shí)驗(yàn)教學(xué)24學(xué)時(shí)）6C802

1、

γ總量輻射儀電路原理圖設(shè)計(jì)2、電子元器件選購(gòu)和準(zhǔn)備3、單元電路的PCB設(shè)計(jì)4、電路焊接準(zhǔn)備5、電路焊接6、單元電路調(diào)試7、單元電路性能測(cè)試8、整機(jī)裝配（配接）9、整機(jī)調(diào)試10、整機(jī)性能測(cè)試11、樣機(jī)應(yīng)用試驗(yàn)12、實(shí)驗(yàn)課程報(bào)告第一章核儀器設(shè)計(jì)基礎(chǔ)知識(shí)3《核儀器設(shè)計(jì)》實(shí)驗(yàn)安排

（實(shí)驗(yàn)第一章核儀器設(shè)計(jì)基礎(chǔ)知識(shí)96第一章核儀器設(shè)計(jì)基本知識(shí)本課程將以《核輻射測(cè)量方法》、《核電子學(xué)基礎(chǔ)》、《核檢測(cè)方法與儀器》等放射性專業(yè)課知識(shí)為基礎(chǔ)，學(xué)習(xí)核儀器設(shè)計(jì)的基本方法，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)掌握核儀器設(shè)計(jì)和制作的全過(guò)程。一、核輻射基本知識(shí)二、核儀器設(shè)計(jì)基礎(chǔ)第一章核儀器設(shè)計(jì)基礎(chǔ)知識(shí)4第一章核儀器設(shè)計(jì)基本知識(shí)本（一）放射性現(xiàn)象（二）射線與物質(zhì)相互作用（三）放射性測(cè)量常用單位一、核輻射基本知識(shí)（一）放射性現(xiàn)象一、核輻射基本知識(shí)放射性(radioactivity)這一名詞首次首次被利用是MarieCurie。在1898,她首先用來(lái)描述能發(fā)出電離輻射(ionizingradiation)的物質(zhì)的外部特征,進(jìn)一步證明了電離輻射與電磁輻射的差別。放射性的最早研究者：倫琴（Roentgen);1895年，倫琴用陰極射線（電子束）在放電管壁上的作用產(chǎn)生x射線（x–ray)。首先發(fā)現(xiàn)放射性：1896年，貝可勒爾(Becquerel)發(fā)現(xiàn)鈾礦石使膠卷暴光，稱之為radiationactives。（一）放射性現(xiàn)象放射性(radioactivity)這一名詞首次首次被利用是第一章核儀器設(shè)計(jì)基礎(chǔ)知識(shí)991898年，施密特發(fā)現(xiàn)釷（Th）具有與鈾礦石相同的特征。1899年，盧瑟福（Rutherford）和歐文斯（Owens）發(fā)現(xiàn)射氣（emanation)現(xiàn)象。1901年，Pierre和MarieCurie發(fā)現(xiàn)鐳（Ra）之后又發(fā)現(xiàn)了釙（Po）。通過(guò)研究鈾釷礦石的放射性，發(fā)現(xiàn)Ra比鈾、釷具有更強(qiáng)的放射性，于是從瀝青中提煉出鐳。1903年，Becquerel和MarieCurie夫婦分別獲得物理諾貝爾獎(jiǎng)。1911年，MarieCurie獲得化學(xué)NobelPrizeforisolatiingradium（Pierrediedin1906）。MarieCuriediedin1934attheageof67yearsasaresultofprolongedexposuretoradioactivityRa.第一章核儀器設(shè)計(jì)基礎(chǔ)知識(shí)71898年，施密特發(fā)現(xiàn)釷（Th第一章核儀器設(shè)計(jì)基礎(chǔ)知識(shí)100

1911年，盧瑟福（Rutherford）用α射線轟擊各種原子，觀測(cè)到α射線發(fā)生偏折，從而確定了核結(jié)構(gòu)，并提出了原子結(jié)構(gòu)的行星模型，奠定了原子結(jié)構(gòu)和原子核結(jié)構(gòu)的研究基礎(chǔ)。此后不久，玻爾提出了原子的殼結(jié)構(gòu)和電子在原子中的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，同時(shí)建立了描述微觀世界的量子力學(xué)。

1919年，在卡文迪許實(shí)驗(yàn)室，實(shí)現(xiàn)了人工核蛻變核反應(yīng)，它是用α粒子轟擊氦核能放出質(zhì)子，反應(yīng)式如下：

1932年，發(fā)現(xiàn)中子（neutron)。

1934年，人工放射性核素合成成功。第一章核儀器設(shè)計(jì)基礎(chǔ)知識(shí)81911年，盧瑟福（Rut放射性現(xiàn)象核輻射(nuclearradiation)

核的變換nuclidetransformation

來(lái)源粒子加速器particleacceleration宇宙射線cosmicrayfromouterspace

產(chǎn)生機(jī)理角度101第一章核儀器設(shè)計(jì)基礎(chǔ)知識(shí)放射性現(xiàn)象核輻射(nuclearradiation)地-空界面上核輻射的來(lái)源人工放射性7.2%大氣核試驗(yàn)核工業(yè)與核技術(shù)應(yīng)用核醫(yī)學(xué)診斷陸地放射性80.0%鈾系列核素釷系列核素鉀-40其它核素宇宙射線12.8%電離成份10.5%中子2.3%從空間分布角度102第一章核儀器設(shè)計(jì)基礎(chǔ)知識(shí)地-空界面上核輻射的來(lái)源人工放射性7.2%陸地放射核輻射的分類

帶電粒子輻射

重帶電粒子快電子γrayxray電磁輻射中子非帶電輻射αrayβray103第一章核儀器設(shè)計(jì)基礎(chǔ)知識(shí)核輻射的分類帶電粒子輻射重帶電粒子快電子γrayxr第一章核儀器設(shè)計(jì)基礎(chǔ)知識(shí)104原子和原子核第一章核儀器設(shè)計(jì)基礎(chǔ)知識(shí)12原子和原子核第一章核儀器設(shè)計(jì)基礎(chǔ)知識(shí)105原子與原子核的大小第一章核儀器設(shè)計(jì)基礎(chǔ)知識(shí)13原子與原子核的大小第一章核儀器設(shè)計(jì)基礎(chǔ)知識(shí)106原子和原子核質(zhì)子：決定元素的種類，與中子共同決定原子的相對(duì)原子質(zhì)量。中子：決定原子的種類，與質(zhì)子共同決定原子的相對(duì)原子質(zhì)量。電子：最外層電子數(shù)決定元素的化學(xué)性質(zhì)。第一章核儀器設(shè)計(jì)基礎(chǔ)知識(shí)14原子和原子核質(zhì)子：決定元素的化學(xué)元素周期表化學(xué)元素周期表放射性衰變種類（1）α衰變

例11602年↙↙α4.602MeV↙↙α4.785MeV5%↙↙95%↓γ0.183MeV↙↓↙3.825天

α衰變放射性衰變種類（1）α衰變?chǔ)了プ兊谝徽潞藘x器設(shè)計(jì)基礎(chǔ)知識(shí)見(jiàn)P.1092p2n90p144n鈾-238（母核）釷-234（子核）氦-4(

粒子)衰變產(chǎn)物質(zhì)子中子92p146n例2：U－238的衰變示意圖鈾原子的電子模型圖第一章核儀器設(shè)計(jì)基礎(chǔ)知識(shí)見(jiàn)P.172p2n90p144n（２）β衰變

放出β粒子betaparticle高速運(yùn)動(dòng)的電子分為衰變；衰變

衰變

衰變（２）β衰變衰變?chǔ)滤プ兯プ儯?/p>

30年↘↘

β1.17MeV↘↘β0.51MeV8%↘↘92%↘↓γ0.661MeV↘↓基態(tài)

衰變?chǔ)滤プ兯プ兊谝徽潞藘x器設(shè)計(jì)基礎(chǔ)知識(shí)11291p143n釷-234（母核）鏷-234（子核）電子

e-

（

粒子）衰變產(chǎn)物質(zhì)子中子90p144npn-1+1e-+1質(zhì)量0第一章核儀器設(shè)計(jì)基礎(chǔ)知識(shí)2091p143n釷-234（（3）γ躍遷

γ-transition在α衰變、β衰變過(guò)程中，伴隨放出γ輻射gammaradiation例：基態(tài)↘↓γ0.059MeV,99.7%

β1.54MeV↘↘β0.31MeV0.3%↘↓γ

1.17MeV↓γ1.33MeV

基態(tài)

γ衰變（3）γ躍遷γ-transitionγ衰變第一章核儀器設(shè)計(jì)基礎(chǔ)知識(shí)114

射線90p144n釷-234釷-23490p144n具有多余的能量衰變產(chǎn)物能量第一章核儀器設(shè)計(jì)基礎(chǔ)知識(shí)22射線90p144n釷-2放射性系列

镎系neptuniumseriesNp-237A=4n+1

鈾系uraniumseriesU-238A=4n+2釷系thoriumseriesTh-232A=4n錒鈾系actiniumuraniumseriesU-235A=4n+3放射性系列镎系neptuniumserie不成系列的天然放射性核素

K-401.46MeVT=1.3×109aRb-87T=5.0×1010aSm-147T=1.06×1011a見(jiàn)教材P.16銣釤鉀不成系列的天然放射性核素見(jiàn)教材P.16銣釤鉀（二）射線與物質(zhì)相互作用（二）射線與物質(zhì)相互作用粒子與物質(zhì)相互作用1.主要形式*電離、激發(fā)、次級(jí)電離.*約60～80%的離子對(duì)是次級(jí)電離產(chǎn)生的.粒子與物質(zhì)相互作用1.主要形式電離：粒子與物質(zhì)的束縛電子（原子軌道電子或稱殼層電子）發(fā)生靜電作用，使束縛電子獲得能量而變成自由電子，便形成電子與正離子組成的離子對(duì)，這就是電離作用。激發(fā)：如果束縛電子獲得的能量不能夠使它變成自由電子，而只能躍遷到更高的能級(jí)，這稱為激發(fā)作用。次級(jí)電離：當(dāng)入射的粒子在物質(zhì)中由于直接碰撞打出能量較高的電子，這個(gè)電子再次與物質(zhì)中的束縛電子起作用，而發(fā)生一次新的電離，形成離子對(duì)，這就是次級(jí)電離。電離：粒子與物質(zhì)的束縛電子（原子軌道電子或稱殼層電子）發(fā)生α粒子是氦的原子核，帶兩個(gè)單位正電荷，質(zhì)量數(shù)為4。

天然核素衰變放出的α粒子能量在4～8MeV。初始速度約在(1～2)×109cm/s。

由于α為重粒子，與物質(zhì)散射作用不明顯，在氣體中的徑跡是直線。α粒子是氦的原子核，帶兩個(gè)單位正電荷，質(zhì)量數(shù)2.α粒子的射程α粒子的射程用平均射程代表；α粒子是重粒子，射程漲落小。5MeVα粒子,漲落約1％；同一物質(zhì)中，α粒子的射程與初始能量有關(guān)，能量大，射程長(zhǎng)；4～8MeVα粒子在空氣中射程可以用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算：天然α粒子在空氣中的射程有表(表2-1)可查。2.α粒子的射程α粒子的射程用平均射程代表；天然α粒子α粒子的射程能量在4—8MeV,在空氣中的射程

2—8cm

在其他物質(zhì)中的射程幾十微米

測(cè)量裝置的設(shè)計(jì)及防護(hù)討論。α粒子的射程β射線與物質(zhì)的相互作用電離、次級(jí)電離（占70—80%）激發(fā)彈性散射軔致輻射

射程：β

粒子的運(yùn)動(dòng)軌跡是折線β射線與物質(zhì)的相互作用電離、次級(jí)電離（占70—80%）快電子（β粒子）與物質(zhì)的相互作用彈性散射—β粒子與原子核發(fā)生庫(kù)侖作用，只改變方向，不輻射能量,這種過(guò)程稱為彈性輻射。反散射—β粒子在物質(zhì)中經(jīng)過(guò)多次散射，其最后的散射角可以大于90°，這種散射成為反散射。彈性輻射反散射快電子（β粒子）與物質(zhì)的相互作用彈性散射—β粒子與原子核發(fā)生韌致輻射高速運(yùn)動(dòng)的β粒子或其它帶電粒子通過(guò)物質(zhì)時(shí)，在核庫(kù)侖場(chǎng)作用下，改變運(yùn)動(dòng)速度，伴隨放出電磁輻射。此稱韌致輻射。軔致輻射放出的電磁輻射是連續(xù)能量的X射線。原子核使用輻射損耗率描述在單位距離上軔致輻射的能量損耗。P.53韌致輻射高速運(yùn)動(dòng)的β粒子或其它帶電粒子通過(guò)物質(zhì)時(shí)，在核庫(kù)侖場(chǎng)β粒子在物質(zhì)中的衰減近似按指數(shù)規(guī)律衰減。β粒子在物質(zhì)中的衰減P.57cm=(g/cm2)/(g/cm3)R

吸收厚度(單位)：cm，g/cm2β粒子在物質(zhì)中的衰減β粒子在物質(zhì)中的衰減P.57cmβ射線的射程半吸收厚度：β粒子在物質(zhì)中衰減1半所經(jīng)過(guò)的厚度。射程：β粒子經(jīng)過(guò)10倍半吸收厚度，剩余1/1024。小于1/1000，故將10倍半吸收厚度定義為β粒子的射程。即：某一能量的粒子通過(guò)物質(zhì)，幾乎全部被介質(zhì)吸收時(shí)的厚度，就是粒子的射程。射程單位：cm，g/cm2β射線的射程半吸收厚度：β粒子在物質(zhì)中衰減1半所經(jīng)過(guò)的厚度。β粒子在物質(zhì)中的射程可按下列經(jīng)驗(yàn)公示計(jì)算：P.57當(dāng)E0>0.8MeV當(dāng)0.15MeV<E0<0.8MeVR(單位)：g/cm2（面密度）E(單位)：MeVβ粒子在物質(zhì)中的射程可按下列經(jīng)驗(yàn)公示計(jì)算：P.57當(dāng)E0>實(shí)驗(yàn)測(cè)定巖石、礦石中的射線射程見(jiàn)p.57,表2-5天然放射性核素中的射線最大能量及其分布。在巖礦石中的最大射程。表中最大射程單位是：g/cm2當(dāng)使用cm表示射線的射程時(shí)：在空氣（密度1.20~1.25kg/m3）中約為：1200cm；在金屬鋁（密度2.70g/cm3）中約為：0.6cm；在混凝土（密度2.20~2.5g/cm3)中約為：0.7cm在巖礦粉末（密度約1.54g/cm3）中約為：1.0cm；在干沙子（密度約1.50g/cm3）中約為：1.03cm實(shí)驗(yàn)測(cè)定巖石、礦石中的射線射程見(jiàn)p.57,表2-5天然放射2.放射層中β射線的自吸收P.582.放射層中β射線的自吸收P.58光電效應(yīng)康普頓-吳有訓(xùn)效應(yīng)形成電子對(duì)效應(yīng)射線與物質(zhì)相互作用光電效應(yīng)射線與物質(zhì)相互作用兩步過(guò)程三種作用效應(yīng)

光電效應(yīng)康普頓效應(yīng)電子對(duì)效應(yīng)

產(chǎn)生次級(jí)電子電離效應(yīng)次級(jí)電子使物質(zhì)原子電離γ射線第1步初級(jí)作用第2步次級(jí)作用γ射線對(duì)物質(zhì)產(chǎn)生電離作用的過(guò)程：兩步過(guò)程三種作用效應(yīng)電離效應(yīng)γ射線第1步第2步γ射線定義：當(dāng)γ射線與物質(zhì)原子中的束縛電子作用時(shí),將全部能量轉(zhuǎn)移給某個(gè)束縛電子,使之發(fā)射出去,成為光電子，而γ射線本身被完全吸收,這種過(guò)程稱為光電效應(yīng)。光電效應(yīng)定義：當(dāng)γ射線與物質(zhì)原子中的束縛電子作用時(shí),將全部能量轉(zhuǎn)移給自由電子原子受激原子光電效應(yīng)1）作用機(jī)制光子同(整個(gè))原子作用，把自己的全部能量傳遞給原子，殼層中某一電子獲得動(dòng)能克服原子束縛跑出來(lái),成為自由電子，光子本身消失了。

γ+AA*+

e-（光電子）

原子

A+特征X射線自由電子原子受激原子光電效應(yīng)1）作用機(jī)制光子同(整個(gè))原子作入射γ光子的能量必須大于殼層電子結(jié)合能，才能發(fā)生光電效應(yīng)。γ光子與自由電子不能發(fā)生光電效應(yīng)，只有原子核參加反應(yīng)，才能滿足動(dòng)量守恒。K層電子發(fā)生光電效應(yīng)幾率最大、L層次之、M層更小…。實(shí)際上，80％的光電效應(yīng)發(fā)生在與K層電子的作用上。光電效應(yīng)伴隨著特征X射線或俄歇電子的發(fā)射。這是因?yàn)榘性影l(fā)射光電子后，內(nèi)殼層出現(xiàn)電子空位而處于激發(fā)態(tài)。2）特點(diǎn)P.60光電效應(yīng)入射γ光子的能量必須大于殼層電子結(jié)合能，才能發(fā)生光電效應(yīng)。2入射γ射線光電子特征X射線外層電子直接躍遷填充內(nèi)層電子空位，使原子回復(fù)到較低的能量狀態(tài)，躍遷過(guò)程中，放出電磁輻射，其能量等于兩個(gè)電子殼層的結(jié)合能之差。特征X射線產(chǎn)生的原理：電子躍遷過(guò)程中釋放的電磁輻射是一種X射線。由于其能量取決于原子的結(jié)構(gòu)，故對(duì)每一種元素來(lái)說(shuō)，都是特征的，故稱其為“特征X射線”。處于激發(fā)態(tài)的靶原子可以通過(guò)兩種方式退激：（1）入射γ射線光電子特征X射線外層電子直接躍遷填充內(nèi)層電子空殼層電子在躍遷過(guò)程中不發(fā)射特征X射線，而是將激發(fā)能轉(zhuǎn)移給一外殼層電子，使它從原子中發(fā)射出來(lái)。俄歇電子俄歇電子產(chǎn)生的原理：處于激發(fā)態(tài)的靶原子可以通過(guò)兩種方式退激：（2）殼層電子在躍遷過(guò)程中不發(fā)射特征X射線，而是將激發(fā)能轉(zhuǎn)移給一外如果忽略原子核獲得的反沖能，根據(jù)能量守恒原理，可以寫(xiě)出光電子的能量為3）光電子的能量光電效應(yīng)P.60Ee：光電子的動(dòng)能；h：入射射線能量；j：j殼層電子的電離能。如果忽略原子核獲得的反沖能，根據(jù)能量守恒原理，可以寫(xiě)出光電子4）光電效應(yīng)截面光電效應(yīng)截面與入射光子能量、核靶物質(zhì)原子序數(shù)有關(guān)。光電效應(yīng)P.61原子的光電截面：一個(gè)入射光子與單位面積上一個(gè)靶原子發(fā)生光電效應(yīng)的幾率。a：原子光電效應(yīng)吸收截面；即原子與入射光子發(fā)生光電效應(yīng)的幾率；K：射線在K層產(chǎn)生光電效應(yīng)的幾率。4）光電效應(yīng)截面光電效應(yīng)截面與入射光子能量、核靶物質(zhì)原子序數(shù)τK：入射光子在K層光電效應(yīng)的幾率m0C2：電子靜止時(shí)的能量=0.51MeV式中n在2.2～4間選擇不同入射射線能量時(shí)的光電效應(yīng)截面經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式：光電效應(yīng)當(dāng)靶物質(zhì)為復(fù)雜物質(zhì)時(shí)，式中Z應(yīng)為有效原子序數(shù)。τK：入射光子在K層光電效應(yīng)的幾率式中n在2.γ與軌道電子光電子γ消失特征X射線

K層幾率最大

光電子能量：光電效應(yīng)的幾率：

低能、重物質(zhì)式中：E光電子的動(dòng)能，h入射光子的能量；k層電子的電離能（復(fù)習(xí)）光電效應(yīng)γ與軌道電子光電子γ消失特征X康普頓散射當(dāng)γ光子與原子的核外電子發(fā)生彈性碰撞時(shí),光子的一部分能量轉(zhuǎn)移給電子,使它脫離原子成分反沖電子,而散射光子的能量和運(yùn)動(dòng)方向都發(fā)生變化，這一過(guò)程稱為康普頓效應(yīng)。定義康普頓散射當(dāng)γ光子與原子的核外電子發(fā)生彈性碰撞時(shí),光子的一部康普頓散射2）能量分配與散射角的關(guān)系hv—入射光子的能量.hvˊ—散射光子的能量.Ee—反沖電子的動(dòng)能.V—光子的速度.θ—散射光子的散射角.Φ—反沖電子的反沖角.與核外電子發(fā)生作用.

非彈性碰撞,γ光子損失部分能量.

作用后,γ光子運(yùn)動(dòng)方向改變.

形成反沖電子.P.641）基本特征康普頓散射2）能量分配與散射角的關(guān)系hv—入射光子的能量γ光子與原子的外層電子發(fā)生碰撞，一部分能量傳給電子使它脫離原子射出而成為“反沖電子”，同時(shí)光子損失能量并改變方向成為“散射光子”?？灯疹D效應(yīng)與光電效應(yīng)的不同之處主要有兩點(diǎn)，一是康普頓效應(yīng)中反沖電子只獲得光子一部分能量，并且作用完后仍然存在散射光子。二是康普頓效應(yīng)發(fā)生在外層電子上，而光電效應(yīng)主要發(fā)生在最內(nèi)層電子上。3）與光電效應(yīng)的區(qū)別康普頓散射γ光子與原子的外層電子發(fā)生碰撞，一部分能量傳設(shè)入射光子能量h

，動(dòng)量為h/c。散射光子能量為h’，動(dòng)量為h’/c。反沖電子的動(dòng)能為Ee

，反沖電子的動(dòng)量為P。散射角θ，反沖角φ。則有下列關(guān)系式成立：4）康普頓散射射線能量康普頓散射《核輻射測(cè)量原理》P.78設(shè)入射光子能量h，動(dòng)量為h/c。散射光子能量為h’，在不同的散射角θ方向上，散射光子數(shù)為：?jiǎn)挝涣Ⅲw角的微分截面可以按下式計(jì)算式中，r0—電子的經(jīng)典半徑，r0=e2/m0C2=2.818×10-13cm

ω0—以靜止電子為單位的光子能量ω0=hν/m0C25）康普頓散射光子的角分布康普頓散射在不同的散射角θ方向上，散射光子數(shù)為：?jiǎn)挝涣Ⅲw角的微分截面可

180o反散射光子的能量h’是最小的，此時(shí)：不同入射光子能量h所產(chǎn)生的180o反散射光子的能量h’均在200keV左右。h0.50.661.01.52.03.04.0h’0.1690.1840.2030.2180.2260.2350.240MeV6）康普頓散射的反散射光子180o反散射光子的能量h’是最小的，此時(shí)入射光子與原子的康普頓效應(yīng)總截面c等于它與各個(gè)電子的康普頓效應(yīng)截面ce之和：7）康普頓散射效應(yīng)截面由量子力學(xué)可以導(dǎo)出整個(gè)原子的康普頓效應(yīng)截面公式：h<<m0c2h>>m0c2《核輻射測(cè)量原理》P.81入射光子與原子的康普頓效應(yīng)總截面c等于它與當(dāng)γ光子從原子核旁經(jīng)過(guò)時(shí),在原子核的庫(kù)侖場(chǎng)作用下,γ光子轉(zhuǎn)化為一個(gè)正電子和一個(gè)負(fù)電子,這種過(guò)程稱為電子對(duì)效應(yīng)。（1）作用特征與原子核發(fā)生作用.

入射γ