射线式传感器(讲-简版)
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最新第11章-波和射线式传感器PPT课件
➢ 超声波传感器具有多种用途，如防盗报警系统、自动门 启闭装置、汽车倒车传感器及各种电子设备的遥控装置。 目前超声波在检测技术中获得广泛应用，利用超声波的 各种物理特性，可以实现超声波测距、测厚、测流量、 无损探伤、超声成像。
➢ 随着信息技术的迅猛发展，新的超声波应用领域越来越 广泛，如工厂自动化和汽车电子设备正与日俱增，而且 不断得到扩展。
空气超声探头
a)超声发射器 b)超声接收器 1—外壳 2—金属丝网罩 3—锥形共振盘 4—压电晶片 5—引脚 6—阻抗匹配器 7—超声波束
1.1.2 超声波传感器
➢不同工作方式的超声波传感器
☻超声波传感器使用时的两种形式：
•反射式 •直射式
发射探头（TX）
接收探头（RX）
ＴＸ ＲＸ a）兼用型
ＴＸ
电感性 电容性
fr fa
频率
• 超声波传感器在串联谐振频率
时阻抗最小。
fr: L、C、R 产生的串联谐振频率 fa：L、C、C’产生的并联谐振频
率 电抗特性
11.1.2 超声波传感器
➢ 在超声波发送器双压电振子上施加一定频率（40KHz）
的电压，通过逆压电效应，将电能转换为机械能，送出超 声波信号，接收探头经正压电效应将机械能转换成电信号， 转换电路将接收到的信号放大处理。
超声 波传 感器 1
超声 波传 感器 2
B1
B2
L
电路
管道
超声波测流量原理图
超声波流速检测(时间差法)
➢超声波在静止流体和流动流体中的传播速度是不同的,分别 在流体上游和下游放两个传感器, 同时发送、接收，顺流和 逆流超声波传播时间分别为:
顺 流 ： t 1 c L ， 逆 流 ： t 2 c L ， 时 间 差 ： t t 2 t 1 c 2 2 L 2
➢ 随着信息技术的迅猛发展，新的超声波应用领域越来越 广泛，如工厂自动化和汽车电子设备正与日俱增，而且 不断得到扩展。
空气超声探头
a)超声发射器 b)超声接收器 1—外壳 2—金属丝网罩 3—锥形共振盘 4—压电晶片 5—引脚 6—阻抗匹配器 7—超声波束
1.1.2 超声波传感器
➢不同工作方式的超声波传感器
☻超声波传感器使用时的两种形式：
•反射式 •直射式
发射探头（TX）
接收探头（RX）
ＴＸ ＲＸ a）兼用型
ＴＸ
电感性 电容性
fr fa
频率
• 超声波传感器在串联谐振频率
时阻抗最小。
fr: L、C、R 产生的串联谐振频率 fa：L、C、C’产生的并联谐振频
率 电抗特性
11.1.2 超声波传感器
➢ 在超声波发送器双压电振子上施加一定频率（40KHz）
的电压，通过逆压电效应，将电能转换为机械能，送出超 声波信号，接收探头经正压电效应将机械能转换成电信号， 转换电路将接收到的信号放大处理。
超声 波传 感器 1
超声 波传 感器 2
B1
B2
L
电路
管道
超声波测流量原理图
超声波流速检测(时间差法)
➢超声波在静止流体和流动流体中的传播速度是不同的,分别 在流体上游和下游放两个传感器, 同时发送、接收，顺流和 逆流超声波传播时间分别为:
顺 流 ： t 1 c L ， 逆 流 ： t 2 c L ， 时 间 差 ： t t 2 t 1 c 2 2 L 2
射线式传感器
☻ 核辐射传感器（探测器）：
将入射核辐射（粒子）的全部或部分能量转化为可观测 的电信号（如电流、电压信号）的装置。
核幅射（人工、天然）
能量转换
电信号
❖1895, 伦琴（ Roentgen ）发现 X 射线，射线式传感 器已经有100多年历史。
世界上第一张X射线照片
现代X射线照片
➢ 射线式传感器主要应用领域：
• 原理基本相同，而能量范围不同，后者传感器由射线源 和探测器组成。
11.2.1 辐射源
➢ 辐射源结构一般为丝状、圆拄状、 圆片状，有点源、面源、片源。
➢ 辐射源的结构应使射线从测量方 向射出，其它方向应尽量减少剂 量，减少对人体的危害。可以用 铅进行射线屏蔽，铅有极强的抗 辐射穿透能力。
点源结构
β- 衰变
产生电子e ,反中微子 v’
β+ 衰变
F氟产生正电子e ,中微子 v’
衰变
Dy镝放出γ射线，能态变化， 原子量、原子序数不变
➢ 核辐射的强弱用放射性强度表示
• 放射性强度也是随时间按指数规律减小：
I I0et
I0 —— 初始强度； I —— t 时间后的强度；
• 用单位时间内发生衰变的次数来表示放射性的强弱， 称放射性强度(活度)。
断层扫描 computed tomograhy （工业CT、医疗 CT）、 无损检测、现场元素分析、在线监测、环境监测、探伤 等等。
➢ 利用射线探测器的医疗设备： X射线机、 医疗计算机断层扫描（CT）、核磁共振成像（MRI）。
➢ 探伤
➢ 安检
➢ 太空技术：空间探测—“太空之眼” • 迄今最伟大的八具空间望远镜
11.2 射线式传感器
➢ 射线式传感器器通常有两种主要形式：
辐射式传感器PPT课件
• 当两个受光电极同时受到红外线照射时，信号相互抵消而无输 出。为此，只有当人体移动时才有信号输出，主要用于人体移 动的检测。
场效应管
两块反向
串联的热
释电晶片
.
11
10.2热释电传感器工作原理
热释电晶片表面必须罩上一块由一组平行的棱柱 型透镜所组成菲涅尔透镜，每一透镜单元都只有一个 不大的视场角，当人体在透镜的监视视野范围中运动 时，顺次地进入第一、第二单元透镜的视场，晶片上 的两个反向串联的热释电单元将输出一串交变脉冲信 号。当然，如果人体静止不动地站在热释电元件前面， 它是“视而不见”的。
可分为“热探测器”和“光子探测器”两类。 1).热探测器 • 热探测器在吸收红外辐射能后温度升高，引起某种物理性质的
变化，这种变化与吸收的红外辐射能成一定的关系。常用的物 理现象有温差热电现象、金属或半导体电阻阻值变化现象、热 释电现象、气体压强变化现象、金属热膨胀现象、液体薄膜蒸 发现象等。因此，只要检测出上述变化，即可确定被吸收的红
• 用这些物理现象制成的热电探测器，在理论上对一切波长的红 外辐射具有相同的响应。但实际上仍存在差异。其响应速度取
.
7
• 热释电传感器是一种检测物体辐射的红外能量的传感 器，它是利用PZT等晶体结构的表面电荷极化随其温 度变化而改变这种特性的传感器。
.
8
• 图为热释电传感器的内部结构 其内部结构是由窗口、具有热释 电效应的PZT板以及高阻抗低噪 声的FET组合而成，将其封入壳 内，保持密封性并防止外来噪声 的混入。PZT板表面吸收红外线， 并在受光面的里外各自安装取出电 荷的一对电极，通过改变电极对数 与接线方式，就可进行各种量的检 测。
.
4
2. 红外辐射的基本定律 1).基尔霍夫定律 • 物体向周围发射红外辐射能时，同时也吸收周围物体发射的红
场效应管
两块反向
串联的热
释电晶片
.
11
10.2热释电传感器工作原理
热释电晶片表面必须罩上一块由一组平行的棱柱 型透镜所组成菲涅尔透镜，每一透镜单元都只有一个 不大的视场角，当人体在透镜的监视视野范围中运动 时，顺次地进入第一、第二单元透镜的视场，晶片上 的两个反向串联的热释电单元将输出一串交变脉冲信 号。当然，如果人体静止不动地站在热释电元件前面， 它是“视而不见”的。
可分为“热探测器”和“光子探测器”两类。 1).热探测器 • 热探测器在吸收红外辐射能后温度升高，引起某种物理性质的
变化，这种变化与吸收的红外辐射能成一定的关系。常用的物 理现象有温差热电现象、金属或半导体电阻阻值变化现象、热 释电现象、气体压强变化现象、金属热膨胀现象、液体薄膜蒸 发现象等。因此，只要检测出上述变化，即可确定被吸收的红
• 用这些物理现象制成的热电探测器，在理论上对一切波长的红 外辐射具有相同的响应。但实际上仍存在差异。其响应速度取
.
7
• 热释电传感器是一种检测物体辐射的红外能量的传感 器，它是利用PZT等晶体结构的表面电荷极化随其温 度变化而改变这种特性的传感器。
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8
• 图为热释电传感器的内部结构 其内部结构是由窗口、具有热释 电效应的PZT板以及高阻抗低噪 声的FET组合而成，将其封入壳 内，保持密封性并防止外来噪声 的混入。PZT板表面吸收红外线， 并在受光面的里外各自安装取出电 荷的一对电极，通过改变电极对数 与接线方式，就可进行各种量的检 测。
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2. 红外辐射的基本定律 1).基尔霍夫定律 • 物体向周围发射红外辐射能时，同时也吸收周围物体发射的红
第11章波式、射线式和红外传感器 170页PPT文档
在介质中传播方向的不同，超声波的波型也不 同，通常有三种形式
①纵波。质点振动方向与传播方向一致的 波为纵波。它能在固体、液体或气体中传播。
②横波。质点振动方向垂直于传播方向的 波称为横波，它只能在固体中传播。
11.1.1 超声波的基本性质
③表面波。质点振动介于纵波和横波之间， 介质表面受扰动的质点振动轨迹为一椭圆，如图 所示。沿着固体表面传播，振幅随深度增加而迅 速衰减，实际上在距表面一个波长以上的地方， 振动己近消失。
①若r2c2≈r1c1，则R≈0，T≈1，此时声波几乎
没有反射，全部从第一介质透射入第二介质；
②若r2c2>>r1c1, R≈1，则声波在界面上几乎
全反射，透射极少。
③当r1c1>>r2c2时，也有R≈1。
11.1.1 超声波的基本性质
例如，20 ℃时水的声阻抗为r1c1＝1.48×106 kg/(m2∙s)，空气的声阻抗为r2c2＝0.000 429×106 kg/(m2∙s)，r1c1>>r2c2，故超声波从水中传播至
1.超声波测量厚度 超声波测厚主要有脉冲回波法，共振法、干
涉法等几种。应用较广的是脉冲回波法。 脉冲回波法测量试件厚度是先测量超声波脉
冲往返通过试件所需的时间间隔t，然后根据超声 波在试件中的传播速度c求出试件的厚度。
11.1.3 超声检测技术的应用
测量时超声波探头与被测物体表面接触；主 控制器控制发射电路发射一定频率的脉冲信号， 激发探头发射超声波脉冲进入试件，到达底面后 反射回来，并由同一探头接收。
b c2
(11.1)
亦即
c1 c2
sina sin b
11.1.1 超声波的基本性质
考虑到可能有波型转 换，如图所示，可写成统 一的公式如下
①纵波。质点振动方向与传播方向一致的 波为纵波。它能在固体、液体或气体中传播。
②横波。质点振动方向垂直于传播方向的 波称为横波，它只能在固体中传播。
11.1.1 超声波的基本性质
③表面波。质点振动介于纵波和横波之间， 介质表面受扰动的质点振动轨迹为一椭圆，如图 所示。沿着固体表面传播，振幅随深度增加而迅 速衰减，实际上在距表面一个波长以上的地方， 振动己近消失。
①若r2c2≈r1c1，则R≈0，T≈1，此时声波几乎
没有反射，全部从第一介质透射入第二介质；
②若r2c2>>r1c1, R≈1，则声波在界面上几乎
全反射，透射极少。
③当r1c1>>r2c2时，也有R≈1。
11.1.1 超声波的基本性质
例如，20 ℃时水的声阻抗为r1c1＝1.48×106 kg/(m2∙s)，空气的声阻抗为r2c2＝0.000 429×106 kg/(m2∙s)，r1c1>>r2c2，故超声波从水中传播至
1.超声波测量厚度 超声波测厚主要有脉冲回波法，共振法、干
涉法等几种。应用较广的是脉冲回波法。 脉冲回波法测量试件厚度是先测量超声波脉
冲往返通过试件所需的时间间隔t，然后根据超声 波在试件中的传播速度c求出试件的厚度。
11.1.3 超声检测技术的应用
测量时超声波探头与被测物体表面接触；主 控制器控制发射电路发射一定频率的脉冲信号， 激发探头发射超声波脉冲进入试件，到达底面后 反射回来，并由同一探头接收。
b c2
(11.1)
亦即
c1 c2
sina sin b
11.1.1 超声波的基本性质
考虑到可能有波型转 换，如图所示，可写成统 一的公式如下
波和射线式传感器
用于超声清洗:30~100KHz 用于探伤仪及流量计：2.5~5MHz 用于雾化器:1~2MHz
空气超声探头
a)超声发射器 b)超声接收器 1—外壳 2—金属丝网罩 3—锥形共振盘 4—压电晶片 5—引脚 6—阻抗匹配器 7—超声波束
1.1.2 超声波传感器
➢不同工作方式的超声波传感器
☻超声波传感器使用时的两种形式：
❖ 这一特点使得超声波应用变得非常简单，测量时可获得 较高的精确度，可以通过测量波的传播时间，测量距离、 厚度等。
11.1.1 超声波及物理特性
❖ 液体中声速传播速度在900～1900m/s，在 液体和气体中只有纵波的传播，传播速度与介 质密度有关:
c
1
B
,
为介质密度，B为绝对压缩系数
❖ 由于金属、木材、玻璃、混凝土、橡胶和纸张可近乎 反射100% 的超声速，因此检测这些物体时较容易发 现。而棉花、布、绒毛等物体吸收超声波，因此很难 用超声波检测。
➢ 超声波传感器具有多种用途，如防盗报警系统、自动门 启闭装置、汽车倒车传感器及各种电子设备的遥控装置。 目前超声波在检测技术中获得广泛应用，利用超声波的 各种物理特性，可以实现超声波测距、测厚、测流量、 无损探伤、超声成像。
➢ 随着信息技术的迅猛发展，新的超声波应用领域越来越 广泛，如工厂自动化和汽车电子设备正与日俱增，而且 不断得到扩展。
的电压，通过逆压电效应，将电能转换为机械能，送出超 声波信号，接收探头经正压电效应将机械能转换成电信号， 转换电路将接收到的信号放大处理。
超声波传感器的工作原理
11.1.3 超声波传感器基本电路
➢ 超声波传感器基本电路包括 振荡组成RC振 荡器，经门电路完成功 率放大，经CP耦合传送 给超声波振子产生超声 发射信号。
空气超声探头
a)超声发射器 b)超声接收器 1—外壳 2—金属丝网罩 3—锥形共振盘 4—压电晶片 5—引脚 6—阻抗匹配器 7—超声波束
1.1.2 超声波传感器
➢不同工作方式的超声波传感器
☻超声波传感器使用时的两种形式：
❖ 这一特点使得超声波应用变得非常简单，测量时可获得 较高的精确度，可以通过测量波的传播时间，测量距离、 厚度等。
11.1.1 超声波及物理特性
❖ 液体中声速传播速度在900～1900m/s，在 液体和气体中只有纵波的传播，传播速度与介 质密度有关:
c
1
B
,
为介质密度，B为绝对压缩系数
❖ 由于金属、木材、玻璃、混凝土、橡胶和纸张可近乎 反射100% 的超声速，因此检测这些物体时较容易发 现。而棉花、布、绒毛等物体吸收超声波，因此很难 用超声波检测。
➢ 超声波传感器具有多种用途，如防盗报警系统、自动门 启闭装置、汽车倒车传感器及各种电子设备的遥控装置。 目前超声波在检测技术中获得广泛应用，利用超声波的 各种物理特性，可以实现超声波测距、测厚、测流量、 无损探伤、超声成像。
➢ 随着信息技术的迅猛发展，新的超声波应用领域越来越 广泛，如工厂自动化和汽车电子设备正与日俱增，而且 不断得到扩展。
的电压，通过逆压电效应，将电能转换为机械能，送出超 声波信号，接收探头经正压电效应将机械能转换成电信号， 转换电路将接收到的信号放大处理。
超声波传感器的工作原理
11.1.3 超声波传感器基本电路
➢ 超声波传感器基本电路包括 振荡组成RC振 荡器，经门电路完成功 率放大，经CP耦合传送 给超声波振子产生超声 发射信号。
第12章 辐射式传感器
图12 – 7 红外线气体分析仪结构原理图
12.2 核辐射传感器
12.2.1 核辐射及其性质
众所周知，各种物质都是由一些最基本的物质所组成。人 们称这些最基本的物质为元素。组成每种元素的最基本单元就 是原子， 每种元素的原子都不是只存在一种。具有相同的核电 荷数Z而有不同的质子数A的原子所构成的元素称同位素。 假设 某种同位素的原子核在没有外力作用下，自动发生衰变，衰变 中释放出α射线、β射线、γ射线、X射线等，这种现象称为核辐 射。 而放出射线的同位素称为放射性同位素，又称放射源。
12.1.2
红外传感器一般由光学系统、 探测器、信号调理电路及显 示单元等组成。
按探测机理的不同，分为热探测器和光子探测器
1. 热探测器
工作机理：利用红外辐射的热效应，探测器的敏感元件吸收辐 射能后引起温度升高，进而使某些有关物理参数发生相应变化，
通过测量物理参数的变化来确定探测器所吸收的红外辐射。
实验表明，放射源的强度是随着时间按指数定理而减低的，即
J J 0et
(12 - 1)
式中： J0——开始时的放射源强度； J——经过时间为t以后的放射源强度；
λ——放射性衰变常数。 放射性同位素种类很多，由于核辐射检测仪表对采用的放
射性同位素要求它的半衰期比较长(半衰期是指放射性同位素的 原子核数衰变到一半所需要的时间，这个时间又称为放射性同 位素的寿命)，且对放射出来的射线能量也有一定要求， 因此常 用 的 放 射 性 同 位 素 只 有 20 种 左 右 ， 例 如 Sr90 （ 锶 ） 、 Co60 （钴）、Cs137（铯）、Am241（镅）等。
与光子探测器相比，热探测器的探测率比光子探测器的峰 值探测率低，响应时间长。但热探测器主要优点是响应波段宽， 响应范围可扩展到整个红外区域，可以在常温下工作，使用方
12.2 核辐射传感器
12.2.1 核辐射及其性质
众所周知，各种物质都是由一些最基本的物质所组成。人 们称这些最基本的物质为元素。组成每种元素的最基本单元就 是原子， 每种元素的原子都不是只存在一种。具有相同的核电 荷数Z而有不同的质子数A的原子所构成的元素称同位素。 假设 某种同位素的原子核在没有外力作用下，自动发生衰变，衰变 中释放出α射线、β射线、γ射线、X射线等，这种现象称为核辐 射。 而放出射线的同位素称为放射性同位素，又称放射源。
12.1.2
红外传感器一般由光学系统、 探测器、信号调理电路及显 示单元等组成。
按探测机理的不同，分为热探测器和光子探测器
1. 热探测器
工作机理：利用红外辐射的热效应，探测器的敏感元件吸收辐 射能后引起温度升高，进而使某些有关物理参数发生相应变化，
通过测量物理参数的变化来确定探测器所吸收的红外辐射。
实验表明，放射源的强度是随着时间按指数定理而减低的，即
J J 0et
(12 - 1)
式中： J0——开始时的放射源强度； J——经过时间为t以后的放射源强度；
λ——放射性衰变常数。 放射性同位素种类很多，由于核辐射检测仪表对采用的放
射性同位素要求它的半衰期比较长(半衰期是指放射性同位素的 原子核数衰变到一半所需要的时间，这个时间又称为放射性同 位素的寿命)，且对放射出来的射线能量也有一定要求， 因此常 用 的 放 射 性 同 位 素 只 有 20 种 左 右 ， 例 如 Sr90 （ 锶 ） 、 Co60 （钴）、Cs137（铯）、Am241（镅）等。
与光子探测器相比，热探测器的探测率比光子探测器的峰 值探测率低，响应时间长。但热探测器主要优点是响应波段宽， 响应范围可扩展到整个红外区域，可以在常温下工作，使用方
射线式传感器(讲-简版)
1居里等于 当一秒钟有3.7×1010次核衰变时，其放射性强度为1Ci，即： 1Ci=3.7×1010s-1 较小的单位有毫居里和微居里。
现在放射性强度单位常用Bq（贝克勒尔），1Bq就是单位时间的 衰变一个核。放射性元素每秒有一个原子发生衰变时，其放射 性活度即为1Bq。因此 1Ci=3.7×1010Bq
2012年12月19日 续第18讲3学时
《传感器原理》64学时
第11章
射线式传感器
3学时
北京化工大学信息科学与技术学院测控系
1
传感器原理64第11章 射 Nhomakorabea式传感器
第一节 核辐射的物理基础 一、原子核的基本性质与组成 二、原子核的衰变 2.1、α、β 和γ衰变 2.2、放射性衰变定律 2.3、放射性强度 第二节 射线式传感器 1、射线源 2、探测器 第三节 核辐射检测的应用 1、核辐射测厚度 2、灰分测量系统 3、放射性辐射对人体的损害 4、辐射防护
相 对 强 度
0
0.3
0.6
0.9
1.2
费米（E.Feimi）将其称为“中微子”。 β 衰变时释放的能量中，除被电子带走的以 外，剩下的能量被中微子带走。
电子动能/MeV
铋Bi 的 b 能谱
10
中微子
由于中微子的质量非常小几乎为零，也不带电，它对电磁场 不起作用，所以它的穿透力极强， 能量为1MeV的中微子可以穿透1000光年厚的固体物质 观察它，是非常困难的，直到1956年核反应堆出现以后，才 在实验中证实它的存在。
0
N 0e
N0
t
td t
1
T1 / 2 ln 2
1 .4 4 T 1 / 2
射线感应的原理和应用
射线感应的原理和应用1. 引言射线感应是一种重要的科学技术，它利用射线与物质的相互作用来实现检测和测量的目的。
射线感应技术在医学、工业、环境监测等领域有着广泛的应用。
本文将介绍射线感应的基本原理及其在各个领域的应用。
2. 射线感应的基本原理射线感应利用射线与物质的相互作用来实现检测和测量的目的。
常见的射线包括X射线和γ射线。
射线通过物质时，会与物质内部的原子相互作用，产生散射、吸收、荧光等现象。
通过分析射线与物质相互作用的结果，可以获取物质的信息。
射线感应的原理主要包括：1.散射：射线与物质中的原子发生碰撞，改变射线方向，从而实现对物质的检测。
2.吸收：射线经过物质时，会被物质吸收，吸收的程度与物质的密度和厚度相关。
3.荧光：射线照射到物质上时，物质会发射出荧光信号，通过测量荧光的强度和波长可以获取物质的信息。
3. 射线感应的应用3.1 医学领域射线感应在医学领域有着广泛的应用，主要包括：•放射治疗：射线可以用于治疗癌症等疾病，通过照射肿瘤组织来破坏癌细胞。
•诊断影像学：射线可以用于获取人体内部的影像，如X射线摄影、CT扫描、核磁共振等，以帮助医生做出准确的诊断。
•核医学：射线用于核医学诊断和治疗，如单光子发射计算机断层扫描（SPECT）、正电子发射断层扫描（PET）等。
3.2 工业领域射线感应在工业领域有着重要的应用，主要包括：•材料检测：射线可以检测材料的组成、缺陷和性能，如X射线衍射可以用于分析材料的晶体结构。
•无损检测：射线可以用于无损检测，如X射线透视、射线探伤等，以检测材料中的缺陷和异物。
•辐射加工：射线可以用于辐射加工，如食品辐照杀菌、聚合物辐射交联等。
3.3 环境监测射线感应在环境监测领域也有着重要的应用，主要包括：•放射性物质检测：射线可以用于检测环境中的放射性物质，如核辐射、放射性污染等，以保护环境和人民的健康。
•大气污染监测：射线可以用于监测大气中的污染物，如臭氧、颗粒物等，以评估空气质量和采取相应的措施。
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闪烁计数器原理示意图
盖革计数管原理 22
（1）电离室
电离室是利用射线对气体的电离作用而进行测量的一种辐射探测器
电离室主要用于探测α、β粒子 优点：成本低、寿命长
缺点：输出电流小 探测α、β粒子和γ射线的电离室互不通用
电离室主要用来探测α、β粒子 利用电离室测量α、β粒子时，其效率可以接近100% 电离室用来测量γ射线时，则效率很低。 这是因为γ 射线没有直接电离的本领，它是靠从电离室的壁上打 出二次电子，而二次电子起电离作用，因此，γ射线的电离室必须 密闭。一般γ电离室的效率只有1%～2%。
dN dt N
式中： 衰变常数， 是一个原子核在单位时间内发生衰变的概率
设 t = 0时，原子核的数为N0，对上式积分得（衰变后核数 N 为） N=N0e-λt 这就是放射性衰变定律，它是按指数衰减的。 从衰变定律，可以得到放射性的两个重要参数： 半衰期 平均寿命
14
半衰期 T1/2 是指放射性同位素的原子核数目由于衰变减少到原有的一半所 经历的时间，用T1/2表示半衰期，即有
15
平均寿命 原子核衰变，对某个原子核是随机的；对于整个样品中的原子 核来说，有的早衰变，有的晚衰变；在这种情况下，原子核寿 命一般用平均寿命来表征衰变。
设： 在 t→ t+dt 时间内衰变了（－dN）个核 每个核的寿命为 t 应用统计平均方法，可求得所有核的平均寿命τ为：
N0 0
t( dN ) N0
226 88
Ra
222 86
Rn 4 He
2
一般情况下：
A Z
X
A 4 Z 2
Y 4 He
2
8
伴随着 a 衰变有能量释放，释放的能量以 a 粒子的动能形式带走， 这一过程已被实验观察到。释放的能量为：
E=(mx-my-ma)c2 =931.48(mx-my-ma)MeV
β衰变是一种弱相互作用过程，它的强度只有电磁相互作用 的10-12倍。
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■电子伏特（electron volt，eV） 是能量的单位。 一个电子电位改变（增加）一伏特（volt）时，所获得的动能量 或所损失的电位能的量。
一个电子所带电量为：e = - 1.6×10-19 coulombs（库伦）
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射线
射线式传感器
射线式传感器也称核辐射监测装置。
它是利用放射性同位素，根据被测物质对放射 线的吸收、反射、散射或射线对被测物质的电 离激发作用而进行工作的。
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射线式传感器
众所周知，各种物质都是由一些最基本的物质所组成。人们称这些最基本 的物质为元素。 组成每种元素的最基本单元就是原子，每种元素的原子都不是只存在一种。 具有相同的核电荷数Z而有不同的质量数A的原子所构成的元素称同位素。 假设某种同位素的原子核在没有外力作用下，自动发生衰变，衰变中释放 出α射线、β射线、γ射线、X射线等，这种现象称为核辐射。 放出射线的同位素称为放射性同位素，又称放射源。
核辐射探测器又称核辐射接收器，它是核辐射传感器的重要组成部分。 核辐射探测器的作用是将核辐射信号转换成电信号，从而探测出射线的强 弱和变化。 由于射线的强弱和变化与测量参数有关，因此它可以探测出被测参数的大 小及变化。 这种探测器的工作原理或者是根据在核辐射作用下某些物质的发光效应， 或者是根据当核辐射穿过它们时发生的气体电离效应。
2、衰变 粒子就是电子（正电子流或负电子流） 当一个原子核发出一个 b 粒子后，原子核的原子序数 Z 增加1，而 质量数不变，这就是 b 衰变。 实验测定表明，同一种核在 b 衰变过程中放出电子的能量并不等于 衰变前后原子核的能量差，而是从零到一个最大值，有一定的分布， 不象 a 粒子那样具有确定的能量，如下图所示。 只有最大值的能量才恰好与衰变前后原子 核的能量差相当。 另外，因为n，p，e的自旋都是1/2，b 衰 变过程中的自旋角动量将不守恒。 1927年泡利（Wolfgang E.Pauli）为解决这 个问题，提出b 衰变时除放出电子外，还 同时放出一个“不可检测的、很轻的、中 性粒子”，它的自旋为1/2，
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放射线源的结构
放射源容器用于成放放射源，其结构要求射线从测量方向射出， 其它方向必须使射线的剂量尽可能小，减少对人体的危害和环境 的污染。
β辐射源一般为圆盘状
γ射线辐射源一般为丝状、圆柱状、元片状
下图为β厚度计辐射源容器
薄膜 放射源 容器 铅
射线出口处装有辐射薄膜， 以防止灰尘侵入，同时防 止放射源受到意外损伤而 造成污染 铅罩防止辐射源向其它方 向辐射
α衰变产生的α粒子来自原子核 α粒子在核内受到很强的核力吸引（负势能） 但在核外将受核的库仑场的排斥，这样对α粒子而言，在核表面就形 成一个势垒。 放射性原子核的α衰变过程就是α粒子穿过势垒从原子核放射出去的一 个隧道效应过程。 在自然界内大部份的重元素（原子序数为82或以上）都会在衰变时释 放α粒子，例如铀和镭。 由于α粒子的体积比较大，又带两个正电荷，很容易就可以电离其他 物质。因此，它的能量亦散失得较快，穿透能力在众多电离辐射中是 最弱的，人类的皮肤或一张纸已能阻隔α粒子。 然而，它们一旦被吸入或注入，那将是十分危险。它就能直接破坏人 9 体的内脏细胞。
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第一节 核辐射的物理基础知识 一、原子核的基本性质与组成 1.1、原子核的组成与电荷
1、原子核的组成与电荷 2、同位素
二、原子核的衰变 2.1、α、β 和γ衰变
1、α衰变 2、β衰变 3、γ衰变
2.2、放射性衰变定律 2.3、放射性强度
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一、原子核的基本性质与组成 1.1、原子核的组成与电荷
1、原子核的组成与电荷
医学上常用γ射线治疗肿瘤，最常用的放射源是钴60Co， 钴60Co以β衰变到镍 60Ni 的2.5MeV 激发态， 60Ni 的激发态寿命极短，它很快跃迁到基态并放出能量分别为 1.17MeV 和1.33MeV 的两种γ射线。
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2.2、放射性衰变定律 放射性物质进行衰变并不是立即转变成新的元素，在任何放射性 的样品中，放射性原子核的数目随着一些核的衰变而逐渐减少。 核数减少的速率与核的种类有关。 实验分析指出，单位时间内因衰变而减少的核数-dN/dt，与衰变 前的核数 N 成正比，即
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二、原子核的衰变 2.1、α、β和γ衰变 有些原子核是不稳定的，具有放射性，不稳定核通过释放某些粒 子而趋于稳定，这一过程称为放射性衰变。 1、α衰变
α粒子 氦核 42 He，它有两个质子，两个中子组成。 当一个氦原子核放出α粒子时，它的原子序数 Z 减小2，质量数 A 减小4，该原子核变成另一种原子核，这就是α衰变。 例:
放射源容器结构图
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2、探测器
离子或射线
探测器是核辐射的接收装置
常用的有 电离室 闪烁计数器 盖革计数管 半导体探测器
射线
阴极 （金属圆筒）
-极
板
电离室
+ + +
正离子
电子
极 板
+
R
高压电源
电离室工作原理图
闪 烁 晶 体
光电倍增管
输出电路
密封玻璃管
阳极 （钨丝）
射 线
惰性气体或 有机物气体
+
-
电圆柱体和方盒状 电离室空腔中设置一对平行极板（类似电容器极板），加有几百伏 的极化电压，在电离室内的极板间形成强电场 电离室中充满某些惰性气体或空气
原子核由质子和中子组成。 质子带有与电子等量的正电荷，它的质量为电子质量的1836.12倍。 中子不带电，质量为电子的1838.65倍。 质子和中子统称为核子。
原子核中质子数目称为原子的原子序数，用 Z 表示。 中性原子中核外电子的数目等于原子序数。 原子核中质子和中子的总数称为该原子核的质量数，用 A 表示。 通常用符号AZX 表示各种元素原子的原子核 例：氢核用 11H 表示 氧核用 168O 表示
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第二节 射线式传感器 射线式传感器的组成 放射源 探测器 射线源是将射线向一定的方向发射射线的装置 探测器是核辐射的接收装置
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1、射线源
利用射线式传感器进行测量时 都要有可发射出α、β和γ粒子的辐射源 射线源是将射线向一定的方向发射射线的装置
射线源选择原则： 同位素有较长的半衰期 合适的放射强度 目的是为了 安全 避免经常更换 提高检测灵敏度 减少测量误差 放射性同位素种类很多，能用于测量的有20种左右 最常用的有： 钴-80（80Co）、铯-137（137Cs）、镅-241（241Am）、锶-90（90Sr）
1居里等于 当一秒钟有3.7×1010次核衰变时，其放射性强度为1Ci，即： 1Ci=3.7×1010s-1 较小的单位有毫居里和微居里。
现在放射性强度单位常用Bq（贝克勒尔），1Bq就是单位时间的 衰变一个核。放射性元素每秒有一个原子发生衰变时，其放射 性活度即为1Bq。因此 1Ci=3.7×1010Bq
0
N 0e
N0
t
td t
1
T1 / 2 ln 2
1 .4 4 T 1 / 2
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2.3、放射性强度 A
放射性物质在单位时间内发生衰变的原子核数目称为放射性强度A， 即
A dN dt N 0e
t
A0 e
t
A的单位是居里（Ci），因纪念居里夫妇而得名。
N0 2 N 0e
T1 / 2
T1/2 = ln2/λ=0.693/λ 例: 钙 Ca 发生衰变的半衰期是164d（天） 钋 212Po 发生衰变的半衰期是3×10-7s（秒） 钍 232Th 衰变的半衰期是1.41 ×1010y（年） 镭 226Ra 衰变的半衰期是1600y（年） 铅 214Pb 衰变的半衰期是1608s（秒） 碳 14C 衰变的半衰期为5730y（年） 可见不同放射性元素的半衰期相差很大