核辐射探测技术

第一题：推导1R=2.58×10-4 C/Kg

伦琴的定义：射线通过0.001293 g 空气，因电离产生正负离子各一个静电单位的电量，那么这些空气的吸收剂量为1R 。

一个静电单位的电量=3.3364×10-10 C

所以1R=3.3364×10?100.001293C/Kg

第二题：论述照射量X 与吸收剂量D 之间的关系与表达式

照射量为单位质量的空气中产生的电荷量，即：X=dQ dm

吸收剂量为单位质量介质中的平均授予能，即：D=

d εdm 照射量只能作为X 或γ射线辐射场的量度，描述电离辐射在空气中的电离本领； 吸收剂量则可以用于任何类型的电离辐射，反映被照介质吸收辐射能量的程度。 对于同种类，同能量的射线和同一种被照物质来说，吸收剂量和照射量成正比。

吸收剂量和照射量如果在介质中某点m 处引入小空腔，在m 点中的照射量为X ，吸收剂量和照射量的关系为：D=fx ·X

fx 为由照射量到吸收剂量的转换因子为33.85Gy ·kg/c

第三题:如何测量出1伦琴的X 射线

气体探测器包括电离室，正比计数器和G-M 计数器等。他们虽是比较早期的核辐射探测器，但由于它具有其它类型探测器不能取代的结构简单、性能稳定、价格低廉、适应较宽的温度范围等特点，至今仍有广泛应用。由于电离室，正比计数器和G-M 计数器把核辐射转变为电信号的物理过程都是探测器内充特定气体的特定体积中进行的，所以它们统称气体探测器。

气体探测器是利用收集辐射射线与气体相互作用产生的电离电荷来探测辐射的探测器。通常是由高压电极和收集电极组成，电离电荷在收集极积累，在输出回路中形成电离电流，以电流的大小反应辐射射线的能量和强度。

电离：入射带电粒子通过气体时，由于与气体分子的电离碰撞而逐次损失能量，最后被阻止下来，碰撞使气体分子电离或激发，并在粒子通过的路径上生成大量的离子对（电子和正离子）。

电离过程包括入射粒子直接与气体分子碰撞引起的电离（初电离）以及由碰撞打出的高速电子所引起的电离（次电离）。

一、气体原子的电离和激发

带电粒子使气体原子电离而形成电子和正离子对的现象称为气体的电离。电离出来的电子称为次级电子，它们具有不同的动能，其中一些能量较大的电子还可以使气体分子电离。

大量的实验表明：在相当大的能量范围内，入射粒子在气体中产生的总电离粒子对数目N 与它在气体中损失的能量E 成正比，即：

N=E/W

W 为平均电离能，它表示入射粒子在气体中产生一对离子对所平均消耗的能量。

二、离子对的漂移：

外电场中，电子和正离子从电场中获得了定向的加速度，它们分别向两电极运动。（电

子的漂移速度一般比离子的大1000倍，因为电子的平均自由程（相邻两次碰撞之间的平均距离）比离子的大数倍，而质量又比离子的小很多。电子的漂移速度对组成气体的成分非常敏感。）虽然它们运动时与气体分子碰撞而减速，但在电场中获得能量而加速，所以这种定向的漂移运动才能形成电流。

外部的直流电压源在气体探测器内部产生电场，电场强度的数值随着直流电压的增大而增大。被收集到气体探测器内的电子数目是否与工作气体中产生的N对离子对的数目相同呢？时间证明，并不正好等于N，而是随着外加直流电压V数值而变化，如下图所示。

收集的电荷数与外加电压的关系

三、气体电离室原理介绍：

气体电离室是最早出现的气体探测器。它的工作特点是：收集入射粒子在电离室中形成的全部离子对，外加电场使其既不产生复合也不发生气体放大。

按照工作方式分为两类：①脉冲电离室：记录单个入射粒子引起的电脉冲信号，脉冲工作方式。②电流电离室：记录大量入射粒子在单位时间内产生的平均电离电流。还有一种是记录一定时间内大量入射粒子产生的总累计电荷量，称为累计电离室。脉冲电离室是电离室的本征电流信号通过电离室的外部负载电路产生一个电脉冲信号，再送到电信号处理一起进行处理。而电流电离室是把一段时间内大量的本征电流信号累加起来得到一个慢变化的电流信号，再由仪器处理。

平行板电离室圆柱型电离室

上图为平行板电离室和圆柱型电离室。对圆柱型电离室而言，其金属外壳本身即为一电极，两电极之间用绝缘体隔开。而平行板电离室则需密封在一固定的容器内。保护极接地，使其点位与收集电极相同，以保证高压电极和收集电极之间不产生漏电流，同时也保持了收集电极边缘处电场的均匀性，限定了电离室的有效体积。实际使用时，在两电极上加工作电压，当射线射入电离室内，使其工作气体电离，于是电子和正离子在外电场作用下分别向两极漂移，从而产生本征电流信号。

四、γ与X射线的剂量测量

1.自由空气电离室

离开薄层造成的电离损失正好被进入层内的电子所得到的增益电离所补偿。当具有固定截面的平行X 射线束沿Z 方向穿过空气时，离开辐射源足够远的距离处，X 射线和次级电子之间将沿Z 轴达到平衡，即有多少电子产生在△Z 层内，就有同样多少数量的电子终止于该层内。借助于收集和测量在已知厚度的空气层内所产生的电离，就能计算出在单位体积空气内由于射线和空气的相互作用而产生的电离。因此就可以计算以伦琴为单位的照射剂量。

自由空气电离室是一种与大气相通的电离室，主要用于照射量和空气比释动能的绝对测量，用作标准电离室。自由空气电离室由高压极、收集极、保护极、保护环、光阑和屏蔽外壳组成，其中有效测量体积和收集区如图。e1为电子损失修正，p2为散射光子，e2为散射光子修正。电离室的电极板与测量体积边缘的垂直距离大于次级电子的最大量程，保证测量体积内产生的次级电子，在电荷收集体积内损失其全部能量，以便将X 射线限制在远离电离室电极的区域，使得在灵敏体积内产生的次级电子不能到达高压极和收集-保护极。

光阑（由重金属钨或金做成）准确的确定了X 射线束的截面。射线在充空气的容器内的一对平行板之间通过。上板比下板电压高。下板由三部分组成——中心部位的收集电极和两边的保护板。上下板的电势差所产生的电场使得产生在图中虚线区域内的一种符号的全部离子移向收集电极。这种方法收集到的电量可借助于一个灵敏测量系统测定出来。

R=Q/AL*（0.001293/ρ）伦琴

Q 是电离室内收集到的电量，单位为静电单位；A 是光阑的面积，cm 2；L 是收集电极的宽度，cm 。大多数自由空气电离室金属板的距离约为10~30cm ，适用于一般的X 射线（50-300kv ）范围内。

五、测量照射量和吸收剂量的小空腔电离室

自由空气标准电离室是国家基准计量装置。但随着X 或γ射线能量增大，

次级电子射程

将很长，为满足电子平衡条件，将要求这种标准电离室尺寸做得很大，这在技术上有很多困难。因此，采用小空腔电离室来做测量照射量的刻度标准仪器。

布拉格-戈瑞公式：

E w=J g·W g·m S w/m S g

m

其中m E w为单位质量介质所吸收的能量；

J g为介质中空腔内单位质量气体所形成的离子对数；

W g为空腔内气体中形成每个离子对所消耗的平均能量；

S w/m S g为介质对气体的电子的质量碰撞阻止本领比值。

m

上式成立的条件是：在空腔气体中产生电离的全部电子都是在包围空腔的介质内产生的，因而空腔的存在不会扭歪电子的注量。

以布拉格-戈瑞理论为依据的空腔电离室目前广泛用于测量γ射线和X射线的照射量和吸收剂量。这种空腔电离室如下图所示：

球形空腔圆柱型空腔

空腔电离理论指出，为了测量照射量，可以使用任何壁材料和任何气体，只需要知道它们的阻止本领比值和在该气体中形成每个离子对所需要的平均能量。如果电离室的壁材料是碳，那么单位质量空气所吸收的能量为：

E a=m E c·(mμen)a/(mμen)c

m

其中mμen为质量能量吸收系数，并有

E w=J g·W g·（m S w/m S g）·(mμen)a/(mμen)c）

m

如果在空腔内的气体为空气，角标g就代表空气。推导出的照射量计算公式为：

（m S w/m S g）·(mμen)a/(mμen)c）·∏K i

X（R）=1/2.58×10-4·Qa

V·ρ

其中1/2.58×10-4为由一个伦琴在千克空气中所产生的库仑数；

Q a为测得的电荷（C）；

V为电离室的体积（m3）;

ρ为测量时的空气密度（kg/m2）

∏K i为需要对实验条件下测得的电荷量加以校正的全部因子的乘积。

第四题:论述137CS 0.661Mevγ射线源在NaI（TI）闪烁探测器谱仪上形成的γ射线谱γ射线光子是不带电的，它通过物质时不能直接使物质产生电离或激发。γ射线的探测主要依赖于使γ射线光子进行一次相互作用，将全部或部分光子能量传递给吸收物质中的一个电子。该电子的最大能量等于入射光子的能量。

一、闪烁探测器测量γ能谱的原理

闪烁探测器是由闪烁体、光的收集部件和光电转换器件组成的辐射探测器。当粒子进入闪烁体，闪烁体的原子或分子受激，受激原子退激而发出波长在可见波段的荧光。光的收集

部件使荧光尽量多地射到光电转换器件的光敏层上并打出光电子。这些光电子可直接或经过倍增后，由输出级收集而形成电脉冲。现代的闪烁探测器由光电倍增管和闪烁体结合起来。

NaI（Tl）闪烁探测器

1、闪烁体的发光机制

闪烁体的种类很多，按其化学性质不同可分为无机晶体闪烁体和有机闪烁体。有机闪烁体包括晶体闪烁体、液体闪烁体和塑料闪烁体等。

最常用的无机晶体是NaI（Tl）闪烁体。碘化钠晶体在价带和导带之间有比较宽的禁带，如有带电粒子进人到闪烁体中，将引起电离或激发，可能有电子从价带激发到导带或激发到激带，然后这些电子再退激到价带。退激的过程中可能发射光子，这种光子可能被晶体吸收而不能被探测到，为此要在晶体中掺入少量的杂质原子（激活原子），碘化钠晶体中掺入铊原子，其作用是可以在低于导带和激带的禁带中形成一些杂质能级。这些杂质原子会捕获一些自由电子或激子到达杂质能级上，然后以发光的形式退激到价带，这就形成了闪烁过程的发光，而这种光因能量小于禁带宽度而不再被晶体吸收，不再会产生激发或电离。这说明只有加入少量激活杂质的晶体，才能成为实用的闪烁体。

2、γ射线与物质的相互作用

测量γ射线的强度和能量。

前提条件：假定光子进入探测器是一个一个的，两个光子之间的时间间隔足够长，至少应大于探测器的分辨时间或γ射线测量仪的分辨时间。

γ射线光子与物质原子相互作用的机制主要有以下三种方式：光电效应、康普顿效应与电子对效应。根据γ射线与物质相互作用的过程推出由每一种效应得到的次级电子的能量及数目。探测器的输出脉冲幅度与次级电子的能量成正比。

对于低能γ射线与重物质（原子序数大），主要发生光电效应。

对于高能γ射线与重物质，主要发生电子对效应。

对中等能量的γ射线，在各种介质中，主要发生康普顿效应。

I.光电效应

入射γ光子与物质中原子的束缚电子相互作用时，光子可以把全部能量转移给某个束缚电子，使电子脱离原子束缚而发射出去，光子本身消失。发射出去的电子称为光电子，这种过程称为光电效应。原子内层电子脱离原子后形成空穴，外部壳层的电子会填补空穴并发出特征X 射线。这种X 射线在闪烁体内很容易再发生光电效应。发生光电效应的几率随原子序

只有光电效应产生的能谱

II.康普顿效应

康普顿效应发生在束缚得最松的外层电子上，是 光子与原子的核外电子发生非弹性碰撞，光子把部分能量转移给电子使其从原子内部反冲出来（成为反冲电子），而能量降低了的光子沿着与原来运动方向不同的角度散射出去。散射γ光子和反冲电子的能量分配依赖于散射角θ：

反冲电子(次级电子)动能为：

E C ≈Eγ

1+1

2Eγ（1?cos θ） 散射角θ=0时，反冲电子的能量很小，而散射γ光子的能量最大，与入射γ射线的能量几乎相等。

散射角θ=π时。入射γ射线朝它的原方向反散射，而反冲电子却沿着入射方向反冲，反冲电子获最大能量。

一般情况下，所有散射角在探测器中都会出现，入射光子传递给反冲电子的能量连续，能量分布介于0到最大能量之间。

入射光子能量与最大反冲电子能量差：

20/21c

m hv hv E c += III.电子对效应

当大于等于1.02Mev 的γ光子有可能在原子核的库仑场作用下转化成为一个正电子和一个负电子，γ光子本身消失，这个过程为电子对效应。当正电子的速度接近于零时，与附近原子中的电子发生相互作用，转化成两个γ光子，这种现象称之为电子对的湮灭。湮灭时放出的γ光子叫湮灭辐射。由于湮灭时，正负电子的动能为零，所以总动量为零。从而湮灭时产生的两个0.51Mev 光子的动量相同，且飞向相反的方向。根据能量守恒定律，产生电子对效应的γ光子能量必须要大于1.02Mev 。若入射γ射线能量超过了这个值，则过剩的能量将以正负电子对均分的动能形式出现。

γ射线响应过程

当γ射线能量低于1.02Mev 时，能谱中只有康普顿效应产生的康普顿连续谱和光电效应产生的光电峰。

光电吸收和单次康普顿散射产生的能谱

当入射γ射线能量足够高(几个MeV)，那么电子对生成的效果在电子能谱中也是明显的。只有负电子和正电子的动能被积存下来，而湮没辐射逃逸掉了，其在低于光电峰 1.02MeV 的能谱位置上叠加一个双逃逸峰。若只湮灭辐射产生的光子逃逸掉一个，则在能谱上比全能峰低0.51Mev 能量处产生单逃逸峰。光电峰不都是由光电效应的次级电子产生的，还有康普顿效应和电子对效应的贡献。所以称之为“全能峰”。NaI 闪烁体的脉冲形成时间是μs 量级，因此全能峰中心位置与光电峰中心位置一致，对应于入射粒子的全部能量。

入射γ射线能量较高时电子对效应产生的双逃逸峰

低、中能的γ射线能谱仍是由康普顿连续谱和全能峰组成。在中能区域，多次康普顿散射后产生散射光子，导致多次反冲电子的总能量在探测器中沉淀有可能大于单次散射的最大值。这些多次散射事件可能部分地填充在康普顿边缘和全能峰之间的空隙。

低、中能的γ射线能谱

3.探测器尺寸的影响：

⑴有些次级电子不能把所有能量都损耗在探测器内部，而携带部分能量逸出探测器。 ⑵次级电子虽然全部被阻滞在探测器内，但它的动能通过轫致辐射丢失。这两种效应对高能γ射线更为严重，结果是使全能峰事件减少，康普顿连续谱中的事件增加。

⑶有一部分光电效应发生在闪烁体表面附近，发生光电效应的原子在退激是产生的Kx 射线逸出探测器。在能谱上，比γ能量hv 少Kx 射线能量的位置出现一个峰。如，NaI 探测器，产生与碘的Kx 射线能量有关的峰，称为碘逸出峰。这种峰在测量低能γ能谱时较为显著，因为低能γ射线不能进入探测器很深。

dN dE

4.影响γ谱形的其它因素

γ射线与β射线往往同时发射，β射线可被源的包封物质所吸收，但却能产生轫致辐射。轫致辐射的能量是连续的，它们射入探测器产生本底脉冲。另外，放射源在发射γ射线的同时有一定几率发生内转换现象。内转换的结果产生K 层X 射线，它们可能进入探测器。137CS γ射线源可产生137BaKx 特征X 射线，用NaI 闪烁探测器测定137CS 能谱时出现一个能量为

32Kev的峰，这就是137BaKx特征X射线峰。源的γ射线还可能在源的包壳内被吸收产生电子对效应，使得正电子湮灭时产生两个0.51Mevγ光子中的一个进入探测器构成能量为0.51Mev的湮灭辐射峰。在康普顿坪上200keV左右的位置能经常看到一个小的突起，它是反散射光子造成的，称反散射峰。

源和探测器周围物质对γ谱的影响

图中①来自源的特征X射线峰；②反散射峰；③湮没辐射峰

二、NaI（TI）闪烁探测器测得的137CS的γ能谱

如上图，测得的γ能谱有三个峰和一个平台。

最右边的峰A为全能峰，这一脉冲幅度直接反映γ射线的能量即0.661Mev。上面分析过，这个全能峰中包含光电效应及康普顿效应等多次效应的贡献。

平台状曲线B是康普顿平台，它的特征是散射光子逃逸后留下了一个能量从0到Eγ/(1+1/4Eγ)的连续的电子谱。

峰C是反散射峰。由γ射线透过闪烁体射在光电倍增管的光阴极上发生康普顿反散射或γ射线在源及周围物质上发生康普顿反散射，而反散射光子进入闪烁体通过光电效应而被记录所致。

反散射峰能量为：

E＇γ=Eγ/（1+4Eγ）0.662/（1+4*0.662）=0.184Mev

峰D是X射线峰，它是由 137Ba 的K层特征X射线贡献的。137Cs的β衰变体 137Ba 的0.661MeV激发态在放出内转换电子后造成K空位，外层电子跃迁后产生此X光子。