高性能環境γ射線監測器的研制碩士學位論文(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 0 2500年核發電量預80 1000 10000 10000計值[GW(e)a]年集體有效劑 500 1000 200000 250000哈爾濱T程大學碩士學位論文量(人Sv)世界人口(1094 10 lO 10人)年人均當量劑O．1 I 20 25量(uSv)占天然輻射源平均暴露量的百 0．005 O．05 1 1分數(％)此外，就從事核動力生產的職業人員接受的人工輻射的年有效劑 量，大概與來自天然輻射源照射的平均值處于同一數量級。人類除了受到上述三種主要人工輻射源的外照射外，還受到由于 工業技術發展造成的增大了的天然輻射源的照射(例如，燃煤發電、 磷肥生產造成的環境放射性污染，空中旅行、宇宙航行導致的額外的 宇宙射線照射等)以及各種消費品(例如夜光鐘、表，含鈾、釷的制品，某些電子、電氣器件等)的人工輻射源的照射。不過，由這些人 工輻射源所致的世界居民的集體有效劑量負擔與天然輻射源所致相比 較，～般都很小，總計不過天然輻射源的1％婚3。2．3本章小結本章主要分析了我們周圍環境中的輻射情況，對于環境的T輻射 場主要有兩個特點：1．T射線的能量范圍比較廣。從幾十key，到兩 三千key不等。這對于探測器的設計帶來了很大的困難，它需要探測 器的能量響應范圍比較廣。2．環境T射線的總體強度不大。這對于探 測器的靈敏度要求就比較高。哈爾濱工程大學碩士學位論文第3章環境T輻射場的測量方法3．1 Y射線的探測原理T射線的探測都是通過T射線與物質作用產生電子然后才能產 生電信號被儀器識別。T射線與物質相互作用，可以有許多種方式。當T射線的能量 在30MeV以下時，在所有相互作用方式中，最主要的三種是1．光電相 應2．康普頓效應3．電子對效應。除此以外還有其他的一些相互作用方 式如：相干散射、光致核反應、核共振反應，但由于在我們的一般的 環境中這些相互作用出現的幾率很少可以忽略不計“ 。3．1．1光電相應光電效應是當一個T光子與物質中的一個束縛電子作用時，它可 能將全部能量交給電子，而光子本身被吸收。得到能量的電子脫離原 子核的束縛而成為自由電子，這個電子被稱為光電子。這個過程叫做光電效應““。其示意圖如圖3．1。e圖3．1光電效應示意圖16哈爾濱工程大學碩十學位論文在發生光電效應時，入射光子能量的一部分用于克服電子的結合 能，其余部分轉化為電子的動能。即五r=，十函 (3—1)式中：扣一普朗克常熟一一入射光子頻率 hP一入射光子能量 卜一光電子動能西一一電子結合能由于K殼層電子離核最近，其次為L、M、N，等殼層，因此K殼 層產生光電效應的幾率最大““。從觀點子角分布研究中觀察到：當光 子能量不大時，光電子發射方向差不多和入射光予方向相垂直；而在 光子能量較大時，則光電子發射方向逐漸趨于入射方向。由式(3．1) 可得光電子動能為，=五V一曲 (32)由于一般中值約為幾千電子伏到幾萬電子伏，而T射線的能量hv 在幾十萬到幾百萬電子伏間，所以T m hv。如果吸收介質原子序數為Z，T射線的能量為hv，則由于光電效 應而使射線強度減弱，其減弱系數為t，則T。c 2／0“ (hv：／／／0CZ．) 031一Z，v (hvmoc247。) t3 由此可見：光電效應只是在T射線能量較低，介質原子序數較高時， 才能有較大的幾率。3．1．2康普頓效應T射線與物質的另一種相互作用是入射光子把一部分動能交給 原予外層電子，電子從原予中以與入射方向成巾角方向射出，這一電 子成為反沖電子““。入射光子能量則變成hv’并朝著與入射角方向成 0角方向散射，這一過程最早為康普頓發現，所以稱為康普頓效應。 康普頓效應示意圖如圖3．2__Iiiijjiiiiiii_ji；l口jjjj__t_iil_iij__iii_jjiji‘j啥爾濱工程大學碩士學位論文當入射光子能量較大時，外層電子的結合能(一般是電子伏數量 級)可以忽略。因此，可以把外層電子近似看作“自由電子”。這樣， 康普頓效應可以認為是T光子與原子中外層軌道電子的彈性碰撞。由 能量和動量守恒定律，可根據入射光子的能量和動能求得反沖電子以 及散射光子的能量和動量。計算可得反沖電子能量Ee等于Ee： 竺= (35)168。蒜南當0=O。，Ee接近為0，說明沒有反沖電子產生。 當0=180。，反沖電子能量取得最大值EemaxEemax： 竺= (36)1+竺￡2hv— hv’8圖3．2康普頓效應不意圖從這，我們可以看出，康普頓效應產生的反沖電子能量從0到 Eemax，隨著0變化而連續分布。由于康普頓效應而產生的射線強度 的減弱，其減弱系數0 C正比于吸收介質的Z／A。Z，A分別是吸收介 質原子序數與質量數““。T射線能量在0．55MeV范圍內，T射線與物質發生作用時，康普 頓效應是主要作用過程。哈爾濱工程大學碩士學位論文3．1．3電子對效應當T射線能量大于兩倍電子靜止能量，即hv1．02MeV時，v光子 從原子核旁邊經過時，光子被吸收，轉化為兩個電子：電子和正電子， 這一過程稱為電子對效應“ 。電子對產生過程示意圖如圖3．3hve圖3．3電子對產生過程示意圖在電子對產生時，入射光子能量一部分轉化為兩個電子的靜止能 量，其余部分轉化為正、負電子的動能。即：hv：2moc。i如++Ee (37)式中：魔卜一『F電子的動能如一一負電子的動能。由上式可看出能量為hv的光予在發生電子對效應時，生成的正、 負電子的總動能為一常數，這一常數等于：Ee++Ee=17 r一21not。 (3—8)由于電子和正電子之間的能量分配是任意的，因此每一個粒子動能可 從0到hv一2m。C2。由動量守恒關系可得到：電子和正電子幾乎都是沿 著入射光子方向前傾的角度發射的，入射光子的能量越大，正、負電 子的發射方向越前傾，即他們與入射光子方向的夾角變得越小。電子對效應產生的正電子，在介質中動能損失以后，它與吸收介 質中的一個電子結合，并轉化為兩個T光予，即，+e一一拍y’ (39)這個過程叫做電子對湮沒，兩個光子則稱為湮沒輻射。根據能量守恒19哈爾濱工程大學碩士學位論文原理。兩個湮沒光子的總能量等于正、負電子的靜止能量。所以2hv’=2ntoC2．hv’=O．5iMeV t3— 產生的湮沒光子又有可能與介質發生光電效應獲康普頓效應。 出于電子對效應而使T射線強度減弱，其減弱系數k與介質原子序數的平方成正比，而且隨著T光子能量增大而變大，對于能量大于2MeV的T射線，電子對產生效應逐漸變為重要的相互作用過程。 T射線和物質相互作用的上述三種主要過程，它們發生的幾率，隨著入射光子的能量、物質原子序數而變化，圖3．4給出了這種依賴 關系。10080Z6040200．01 0．1 1 10 100hv(MeV)圖3．4光電相應、康普頓效應、電子對效應優勢區域 與光子能量及介質原子序數關系圖中曲線上，給出了兩種相鄰作用過程所占比例相等時的z值和 入射光子能量hv值。對于低能T射線和原子序數高的介質以光電效 應為主；中等能量和較低原子序數介質以康普頓效應為主；而高能T 射線和較高的原子序數介質則以電子對效應為主” 。3．2用于Y射線監測的探測器現代主要用于環境T射線檢測的探測器有電離室、蓋革一彌勒計20哈爾濱工程大學碩士學位論文數器(G—M管)、 閃爍探測器。電離室和G—M管計數器屬于氣體探測 器類。閃爍探測器則屬于固體探測器類。3．2．1氣體探測器1氣體探測器的工作原理 氣體探測器能實現T射線的探測并不單是對因為T射線與物質作用產生的電子直接進行采集而獲得電信號的。其中還有氣體的電離與 激發過程、電子和離子的運動和離子在電場中的運動三個過程。1．)氣體的電離與激發過程 T射線與物質作用產生的電子和離子通過氣體時，和氣體原子的軌道電子發生庫侖作用，本身會損失部分能量，而使氣體原子電離或 激發。電離時，核外電子所獲得的一部分能量足以克服原子的束縛而 成為自由電子，從而生成離子對一一電子和正離子。所產生的離子對 數目稱為初次電離。電離后產生的次級粒子再和氣體分子作用而產生 的電離離子對數目，稱為次電離。初電離和次電離的總和稱為總電離“”。入射粒子在單位路徑上產生的離子對數目，稱為比電離。同樣， 比電離也相應地有初比電離、次比電離和總比電離。初電離產生的電子中，那些具有較大能量能夠引起次級電離的電 子稱為6電子。入射粒子損失于氣體內的能量E分為三個部分；a．消 耗于電離，產生N。個離子對；b．使氣體的原子激發；c．轉換為氣體 原子和離子對的動能。電離碰撞中受激的原子，以三種可能的方式退激；(1)輻射光子 受激原子從激發態退回基態時，發射波長為近紫 外光的光子。這些光子又可能在周圍介質中打出光電子，或被某些氣 體分子吸收而使分子離解“ 。(2)俄歇效應受激原子退激時，激發能直接轉移給自身的內層 電子，使電子脫出，即發射俄歇電子。同時，失去了內層電子后所形哈爾濱上程大學碩士學位論文成的空穴立刻(在10‘13S內)被外層電子所填充，伴隨特征x射線發射，也稱為x熒光。(3)亞穩原子 某些受激原子處于禁戒的激發態，而不能自發地 退回基態，其壽命一般約為lO～一10 4S稱為亞穩原子。它們與其他粒 子非彈性碰撞后才能退激“ 。2．)電子和離子的運動 電子和離子的運動包括以下幾方面內容：(1)擴散 電子和正離子從密度大的區域向密度小的區域擴散。 (2)漂移 電子和正離子在外電場中被加速，但同時又和氣體分 子碰撞，損失能量而減速。宏觀上表現為它們沿(或反)外加電場方向 上具有一定的平均速度W稱為漂移速度。假如每次碰撞后，電離粒子的動量全部損失的話，漂移速度公式為：w=始協]邯E(311)w_ili J【面J叫7式中：肛一電場強度卜一氣體壓力 曠一電離粒子質量^一一電離粒子在101．3kPa(1atm)下的平均自由程卜一電離粒子在電場下的混亂運動的平均速度，也稱為激活速度∥=i1而e2一一遷移率電離粒子混亂運動的能量在有電場時比無電場時所增加的倍數 rl，稱為平均激活能。二掰U2=卵蘭燈 (3—12)2 ‘3式中：k一一玻爾茲曼常數 T一一氣體的絕對溫度(3)復合 可分為電子復合與離子復合兩種情形。電子與正離子 碰撞時可發生與電離相反的過程，即復合形成中性分子。 。這個過程哈爾濱丁程大學碩士學位論文稱之為電子復合。電子與氣體分子碰撞時，可能被吸附而形成負離子， 即產生電子吸附效應。負離子與幣離子碰撞時也要復合成中性分子。 這個過程稱之為離子復合”“。通常把吸附電子幾率大的氣體，稱為負 電性氣化如氧、水蒸氣和鹵素等。電子被吸附形成負離子之后，漂移 速度大大減慢，復合幾率增加幾個數量級。復合過程將導致收集到的 電離數減少。3．)外加電場與電離粒子的收集 假定在探測器氣體空間形成No個離子對，在外加電壓v的作用下，這些電子和正離子分別向正、負電極漂移而被電極所收集。圖3．5示 出收集到的離子對數與外加電壓的關系。1012 羞革一彌勒區(盞革一彌勒計數管)， 一～。留有限正比區tlf{vI．，1010 復臺區『飽和區 正比區電離室．)(正比計數 痧漣㈣II III。z鼎靛怍置【1041伊 么Ntl0巧 ％250 500 750 1000電壓(V)圖3．5收集的電荷數與外加電壓的關系以下是對各個特性區的介紹：哈爾濱工程大學碩十學位論文I．復合區 外加電壓va很小時，離子漂移速度很小，擴散和復 合效應起主要作用。電極上收集到的離子對數小于初總電離數No。II．飽和區 外加電壓達到某一定值Vb時，復合效應基本消失。 這時初總電離數N。全部被收集，達到飽和，而且在電壓范圍在Va—Vb 內，被收集的電荷數基本上保持不變。這段電壓范圍Va—Vb稱為飽和 區。電離室工作于此區間內”“。IIIa．正比區 外加電壓超過Vb之后，被收集到的離子對數N大 于初總電離N。，氣體內出現氣體放大過程。在I、II區內，外電場較 弱，初電離所產生的電子在兩次碰撞之間受電場加速獲得的能量不足 以引起氣體分子發生次級電離。在III區內，外電場很強，初電離電子 的能量已經能使氣體分子電離，產生次級離子對。次級電子在漂移過 程小又可能被加速到足以再產生次級離子對。如此不斷地繼續下去， 使電離的離子對數目增長很快。這一過程被稱為雪崩過程。其氣體放 大倍數為：M：旦 (313)No外加電壓V越高，M越大。但對某一確定的探測器來說當V一定時，M 是定值。因此電極上收集到的總電離(電荷)數N，正比于初總電離N。 區域IIIa稱為正比區。正比計數器、多絲正比室和漂移室工作于這一 區間內。IIIb．有限正比區 當氣體放大倍數M較大時，由于產生的大量離 子對中的正離子漂移速度很慢，滯留在氣體空間而形成空間電荷。它 們所產生的電場部分地抵消了外加電場限制了次級電離的增長。這就 是所謂的空間電荷效應。該效應使氣體放大倍數M不恒定