核技术应用习题答案

习题答案

核技术及应用概述

1、核技术是以核物理、核武器物理、辐射物理、放射化学、辐射化学和辐射与物质相互作用为基础，以加速器、反应堆、核武器装置、核辐射探测器和核电子学为支撑而发展起来的综合性现代技术学科。

2、广义地说，核技术可分为六大类：核能利用与核武器、核分析技术、放射性示踪技术，辐射照射技术、核检测技术、核成像技术。

3、主要是利用核裂变和核聚变反应释放出能量的原理，开发出能源或动力装置和核武器，主要应用有：核电站、核潜艇、原子弹、氢弹和中子弹。

4、在痕量元素的含量和分布的分析研究中，利用核探测技术、粒子加速技术和核物理实验方法的一大类分析测试技术，统称为核分析技术。

特点：

1.灵敏度高。比如，可达百万分之一，即10-6，或记为1ppm；甚至可达十亿分之一，即10-9，或记为1ppb。个别的灵敏度可能更高。

2.准确。

3.快速。

4.不破坏样品。

5.样品用量极少。比如，可以少到微克数量级。

5、定义：应用放射性同位素对普通原子或分子加以标记，利用高灵敏，无干扰的放射性测量技术研究被标记物所显示的性质和运动规律，揭示用其他方法不能分辨的内在联系，此技术称放射性同位素示踪技术。

有三种示踪方式：1)用示踪原子标记待研究的物质，追踪其化学变化或在有机体内的运动规律。2)将示踪原子与待研究物质完全混合。3)将示踪原子加入待研究对象中，然后跟踪。

6、放射性示踪

7、核检测技术: 是以核辐射与物质相互作用原理为基础而产生的辐射测量方法和仪器。

特点：1）非接触式测量；2）环境因素影响甚无；3）无破坏性：4）易于实现多个参数同时检测和自动化测量。

8、辐射照射技术：是利用射线与物质的相互作用，将物质置于辐射场中，使物质的性质发生有利改变的技术。

辐射交联的聚乙烯有什么优点：热收缩、耐热、机械强度大为提高、耐有机溶剂、不易被溶解、电绝缘性能很好，且不怕潮湿。

9、X射线断层扫描(XCT)、核磁共振显像仪(NMR-CT)、正电子发射显像仪(PECT)，同位素单光子发射显像仪(SPECT)和康普顿散射显像仪(CST)；

10、核医学是当今产值最大、发展最快的核辐射设备。

第一篇核技术基础知识

1、具有确定质子数和中子数的原子核称做核素。

质子数相同而中子数不同的核素互为同位素。

2、结合能是质子和中子结合构成原子核时所释放的能量。

3、7.476Mev

4、结合能是：2.224 Mev 比结合能是：1.112Mev

5、γ衰变特点：

（1）从原子核中发射出光子

（2）常常在 a 或 β 衰变后核子从激发态退激时发生 （3）产生的射线能量不连续

（4）可以通过测量光子能量来鉴定核素种类类别

6、一定量的某种放射性原子核衰变至原来的一半所需要的时间。

7、t=

1

λ

ln

0N N

λ=

1/2

2Ln T 带入数据推出t=46758年

8、高速带电粒子通过原子核附近时，受到原子核库仑电场的作用而急剧减速，一部分能量以光子的形式辐射出来，这种辐射称为韧致辐射。

9、当光子γ与物质原子中的一个电子发生弹性相撞时，将部分能量传给电子，电子获得能量后脱离原子而运动，该电子称康普顿－吴有训电子，而使物质电离。光子本身能量减少又改变了运动方向。当光子的能量为0.5--1.0MeV 时，该效应比较明。

10、定义：放射性核素在单位时间(dt)内发生核衰变的数目(dN)

A=dN/dt

单位： SI: Becquerel(Bq) 1Bq=1s -1 居里 1Ci=3.7×1010Bq

11、1)放射性物质 (人造 天然)

2)加速器

3)反应堆

4)宇宙射线 5)地球环境

核能利用与核武器

1、原子核的比结合能：原子核的比结合能是该原子核中每个核子的平均结合能ε，也就是该原子核的总结合能B( Z, A )被质量数A 除，即ε＝ B( Z, A ) ／A

2、反应堆由堆芯、冷却系统、慢化系统、反射层、控制与保护系统、屏蔽系统、辐射监测系统等组成。

3、按能谱分有：由热能中子和快速中子引起裂变的热堆和快堆；

按冷却剂分有：轻水堆，即普通水堆（又分为压水堆和沸水堆）、重水堆、气冷堆和钠冷堆。

按用途分有：（1）研究试验堆：是用来研究中子特性，利用中子对物理学、生物学、辐照防护学以及材料学等方面进行研究；（2）生产堆，主要是生产新的易裂变的材料铀-233、钚-239；（3）动力堆，利用核裂变所产生的热能广泛用于舰船的推进动力和核能发电。 4、核电厂用的燃料是铀。用铀制成的核燃料在“反应堆”的设备内发生裂变而产生大量热能，再用处于高压力下的水把热能带出，在蒸汽发生器内产生蒸汽，蒸汽推动汽轮机带着发电机一起旋转，电就源源不断地产生出来，并通过电网送到四面八方。

5、是此代裂变产生的中子总数与前一代裂变产生的中子总数的比值。用K 表示，K ＝1 时为临界状态。

第二篇 核医学成像技术和仪器

1、 诊断型仪器：X 射线透视，X 射线摄影， X-CT, SRECT, PET ，γ相机，NMRI 。

治疗型仪器： X 射线治疗机，快中子治疗仪，X-刀和γ-刀

2、计算公式：

1000()C T H μμμ=

?组织水

水

－值

空气的CT 值为：-1000

3、放射治疗的方法有三种：贴敷法、腔内照射法和体外照射法。

4、γ心脏功能仪

PET SPECT

第三篇 核辐射应用仪表

1、137Cs 和 60Co

2、不同的是前者依靠放射性同位素发射的射线使避雷针附近的空气大量的电离，主动地打开一条与云中电荷相通的电的通路；而富兰克林避雷针的尖端只能产生少量的离子。

3、（1）非接触式测量 （2）环境因素对核辐射的来源无影响 （3）实现在线测量

（4）静电消除器

（5）能实现同时多个参量测量 4、静电消除器 烟雾报警器

避雷针

5、137Cs 、 60Co 、192Ir 、 241Am

6、氢

7、分为：插入式，透射式和散射式

8、原理为：放射性同位素的原子核在无外界作用下能自发地发生衰变，变成另一种原子核，

同时放出α射线、β射线或γ射线等。前两种射线都带电，并且具有较高的能量，所以能将空气电离成正负离子而逐渐消耗自身的能。由于烟雾进入电离空间时，吸附了某些离子，使离子迁移速度明显变慢。据此，就可以做成离子感烟探头。离子感烟探头与控制电器装置相配合，构成了火灾自动报警仪器。

第四篇 核辐照技术及应用

1、常用辐照源：钴-60，铯-137,电子加速器，同步辐射

2、

4、优越性为：

（1）射穿透能力强

（2）适用性广

（3）辐射处理是一种冷加工技术

（4）节省能量

（5）无化学残毒

（6）大大延长产品的保质期？

5、（1）射穿透能力强

（2）适用性广

（3）辐射处理是一种冷加工技术

（4）节省能量

（5）无化学残毒

（6）大大延长产品的保质期

第五篇放射性示踪技术及应用

1、(1)反应堆生产

（2）加速器产生

（3）母牛法

2、（1）放射性半衰期

（2）放射性比活度

（3）辐射类型和能量

（4）放射性核素的纯度

（5）放射性核素的毒性（6）示踪剂的生物半衰期

3、14C 和3H

4、1000； 600； 300

5、（1）灵敏度高

（2）放射性比活度

（3）测量简便、易分辨

（4）合乎生理条件

（5）能定位

6、99Tc m

7、各点浓度为：

220Rn在小闪烁室a和b中的衰变率为：

ThA(216Po )的半衰期(0.16秒)很短，可以认为220Rn连续发射2个α粒子，则小闪烁室a和小闪烁室b测到的α计数率为：

小闪烁室a和小闪烁室b测到的α计数率比值为：

所以气体流量

8、放射性示踪技术

优点是测量准确度与速度分布无关

9、由于

λ=ln2/T1/2

所以t = (1.277×109÷ln2)×ln(1+10/90) = 1.9411× 108(年)

由此可知该动物距今1.9411× 108年。

10、（1）同位素稀释法

（2）放射分析法

第六篇（1）活化分析技术

1、核分析：利用核辐射粒子与物质的原子或原子核相互作用，采用核物理实验技术获得可观测信息，分析研究物质材料成分和结构的方法。

分类1）活化分析

中子活化分析带电粒子活化分析2）离子束分析

卢瑟福背散射分析沟道技术分析核反应分析粒子诱发x荧光分析

3）核效应分析

穆斯堡尔效应分析正电子淹灭技术扰动角关联

核磁共振

4）超灵敏质谱分析

2、 1）核反应法：产生带电粒子，对物质产生电离；

2）核反冲法：中子与核弹性碰撞，反冲核能量耗于电离；

3）核裂变法：裂变碎片能量耗于电离，产生脉冲；

4）激活探测法:中子照射物质,使其部分变为放射性元素。

3、定义：用中子照射稳定核素，稳定核素吸收中子变成放射性核素，发射γ射线，测量γ射线的能量和强度可以得知原来稳定核素的元素名称和含量。

步骤：1）样品 2）辐照 3）放射性测量 4）结果评价4、主要有：?同位素中子源

?加速器中子源

?反应堆中子源

5、解：

16O→16N和19F→16N的16N的总计数1985

19F→19O的19O的计数1054

由19O计数求得19F含量，从而求出19F对16N计数的贡献，从16N计数1985中减去19F对16N计数的贡献，则是由16O生成的16N的计数，从而可以求出16O的含量，由公式

带入相关的数据可求出W F=5.678×10-4克

则由5.678×10-4克19F生成的16O计数

N=

带入数据得N=982

1985-982=1003 则16O含量W O带入相关数据得出为：

W O=3.1×10-4克

6、样品的元素分离

用纯热中子，增大（n,γ）反应

由反应阈能改变中子能量

通过另外的核反应，测定干扰元素含量

(2) 带电粒子活化分析

1、具有一定能量的带电粒子于物质中的原子核发生核反应时，如果反应的剩余核是放射性核素，则测量这放射性核素的半衰期和活度，就可以确定样品中被分析元素的种类和含量。这种元素分析方法称为带电粒子活化分析（记为CPAA）。

2、根据半衰期，增加辐照后的冷照时间t.

3、需根据阈能，改变入射粒子的能量来消除。

离子束分析（1）

1、优点：灵敏度高、分析时间短、不破坏样品、分析范围广和取样量少等优点，因此特别适用于痕量元素的分析

缺点：设备复杂、成本较高

2、（1）运动学因子—质量分析（2）背散射微分截面—含量分析（3）能损因子—深度分析

3、1)此E范围内，不会有核共振

2)散射截面遵循卢瑟福公式

3)探测器对4He+的能量分辨好

4)4He+离子的数据比较齐全，便于数据分析

5)计算化合物样品中能损的布拉格法则，在这能区也适用

6)对大多数小型加速器，很容易提供4He离子束，且能量多数在2Mev左右

4、轻、重

5、答：k=0.9225

E 1=E

×k=4×0.9225

=3.69Mev

E

2

=(4-0.01)×0.9225-0.01 =3.6708 Mev

△E= E

1-E

2

=3.69Mev-3.6708 Mev

=19.2Kev

所以Au峰的宽度是：19.2/1.6≈12道

离子束分析(2)

1、（1）同步辐射激发（2）放射性同位素激发（3）光子激发（4）电子激发（5）离子激发

2、确定物质中微量元素的种类和含量的一种方法。它用外界辐射激发待分析样品中的原子，使原子发出标识X射线（荧光），通过测量这些标识X射线的能量和强度来确定物质中微量元素的种类和含量。

3、（1）带电粒子激发X荧光分析

（2）电磁辐射激发X荧光分析

（3）电子激发X荧光分析

4、（1）入射粒子的韧致辐射的干扰（2）γ射线的康普顿散射的干扰（3）二次电子韧致辐射的干扰

5、灰化法；硝化法；蒸发干燥法；化学提取法等

6、核内；内层电子；外层电子

离子束分析(3)

1、定义：利用核反应测定样品表层的含量及深度分布的一种分析方法。用带电粒子、中子和γ射线都可以引起核反应，在核反应分析中通常利用加速器产生的具有一定能量的离子束轰击样品，离子同样品中待分析的核发生核反应，测量反应过程中瞬发放出的反应产物(出

射粒子)，就可以实现元素定量分析。

分类： (i)带电粒子活化分析

(ii)瞬发辐射分析(PRA) (iii)共振反应分析

2、入射粒子和靶和发生核反应的条件是两者的相对动能必须满足：

3、定义： 入射粒子在靶中引起的核反应数与入射粒子数之比。即一个入射粒子在靶中引起核反应的几率称为核反应的产额

产额与截面的关系：截面大产额高。他们的不同之处在于，截面仅仅与反应本身有关，而与靶的状态无关，即靶核的多少，截面都相同。产额除了与截面有关外，还与靶核的多少及物理状态有关。在核反应分析方法中，为了能定量的测量，产额是一个很重要的量。 4、解：重质量吸收系数 u t =u w ×c w +u m ×c m 其中c w 为灰分含量，c m 为碳的含量 c w +c m =1

所以 u t =u w ×c w +u m ×（1-c w ） (1) 对60

o c ""

"1

ln I x I

μρ??

=

????

对

241

m A '0''1

ln I x I μρ??=

???? 令 0'0"'ln "ln u I I R I I ?? ?

?

?=?? ?

?

?

由（1）式可得： ''''

()w m w m c μμμμ=-?+；

""""()w

m

w m

c μμ

μ

μ

=-?+

推出：

''''"

'''()()w m w m u w

m

w m

c R c μμμμμ

μ

μ

μ

-?+=

=

-?+

整理可得："

'"'"'()()

m

m w w

m

w

m

R c R μμμ

μ

μ

μ

μ

μ

-=

---

考虑到中能区质量吸收系数与原子序数无关有："'0w

m

μ

μ-=

所以"'"'()

m

m

w w m

R c μμμ

μ

μ-=

-－

/(

－

)

核效应分析（1）―穆斯鲍尔效应分析

1、核物理；固体物理；化学领域；生物领域；考古，环境

2、（1）穆斯堡尔源

（2）驱动系统

（3）吸收体（4）探测器和其他附属设备 3、解：由△E=E γ×v/c

所以v=△E ×c/E γ=8?10-8×3×108/(14.4×103

)

=1.67×10-3 4、前者在keV 到几十MeV 之间,而后者在eV 到keV 范围内。

核效应分析（2）―正电子湮没技术

1、放射性核素的正β+ 衰变；宇宙射线中的正电子

2、正电子进入物质在短时间内迅速慢化到热能区,同周围媒质中的电子相遇而湮没。正电子与电子相遇，两者同时消失而产生γ射线的过程成为正电子湮灭过程。

3、E γ≥1.02 MeV

4、严格的同时性和其直线性：两个γ射线的能量完全相等（为511 keV ），发射方向完全相反。

5、高能正电子与介质原子周围的电子单位时间内产生湮灭的几率。λ的倒数即正电子的平均寿命τ。

6、 1) 正电子湮没寿命谱；

2) 正电子湮没辐射角关联谱； 3) 多普勒展宽谱； 4) 慢正电子束技术

7、1）正电子湮灭技术现在已发展成为物理学家、冶金学家、生物学家和医生们的得力研究工具之一。

2）被研究的物质形态及其发展，包括金属、离子化合物、共价绝缘体化合物，半导体的高分子化合物，也包括固体的单晶、多晶、非晶体、液晶和生物膜等等。

3）正电子与物质相互作用，对于电子非常敏感，可用来研究物质结构方面的问题，如空位、空位团、位错以及微空洞和多种色心等原子尺度范围的缺陷。

4）由于慢正电子的入射动能很低，这项技术可用来研究固体纯真表面的电子态和结构缺陷，已成为表面物理学的一种重要研究手段。

5）医生们应用放射性正电子同位素，对药物作用于人体的过程予以示踪，一旦药物到达某一器官，探测湮灭产生的两条γ射线就能准确地被查出。

超灵敏质谱分析

1、超灵敏质谱分析加速器质谱分析

2、·电离效率高,灵敏度高；·应用最广，标准质谱图基本都是采用EI 源得到的； ·稳定，操作方便，电子流强度可精密控制； ·结构简单，控温方便；

3、 ①Electron Ionization (EI)源②化学电离源

③场致电离源（FI ） 4、质谱分辨率=M

M

?

分辨率与选定分子质量有关 5、CPAA ：带电粒子活化分析 RBS ：卢瑟福被散射分析

PIXE：粒子诱发x射线荧光分析 MOSSBARER：穆斯堡尔效应

AMS：加速器质谱分析