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=dQdm

吸收剂量为单位质量介质中的平均授予能，即：D=dεdm 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，cm²；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

z 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：

mEw=Jg·𝑊 g·mSw/mSg 其中mEw为单位质量介质所吸收的能量；

Jg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；

mSw/mSg为介质对气体的电子的质量碰撞阻止本领比值。 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：

mEa=mEc·(mμen)a/(mμen)c 其中mμen为质量能量吸收系数，并有

mEw=Jg·𝑊 g·（mSw/mSg）·(mμen)a/(mμen)c） 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：

X（R）=1/2.58×10-4·Qa𝑉·ρ（mSw/mSg）·(mμen)a/(mμen)c）·∏Ki 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； Qa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） ∏Ki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。