1、傳感器原理及應用傳感器原理及應用 傳感器原理及應用第11章 波與射線傳感器主要內容11.1 核輻射物理基礎11.2 核輻射傳感器11.3 核輻射傳感器的應用電離輻射 直接或間接使介質發生電離效應的帶電或不帶電的射線或粒子 (能量 keV )、 x、 n、p、裂變碎片 介子等來源 1)放射性物質 (人造、天然） 2)加速器3)反應堆 4)宇宙射線 5)地球環境 輻射可分為：電離輻射和非電離輻射 非電離輻射 紫外線、紅外線、微波等這些粒子雖能夠同物質發生作用但都不能使物質發生電離效應（能量 eV量級）來源 如移動電話： 頻率 800-1800 MHz 能量0.01 eV (所以沒有電離作用） 傳感

2、器原理及應用第11章 波與射線傳感器11.1 核輻射物理基礎11.1 核輻射物理基礎核輻射測量主要應用領域： 斷層掃描 computed tomograhy （工業CT、醫療 CT）、無損檢測、爐前分析、現場元素分析、在線監測、 環境監測、探傷等等。 傳感器原理及應用醫療 CT X線管檢測儀第11章 波與射線傳感器11.1 核輻射物理基礎利用射線探測器的醫療設備： X射線機、醫療 CT（斷層掃描）、核磁共振。第11章 波與射線傳感器 傳感器原理及應用11.1 核輻射物理基礎第11章 波與射線傳感器 傳感器原理及應用1895, 倫琴（ Roentgen ）發現 X 射線世界上第一張X射線照片現代

3、X射線照片11.1 核輻射物理基礎射線傳感器用于工業檢測： 高解析度X射線檢測儀（X-ray）第11章 波與射線傳感器 傳感器原理及應用11.1 核輻射物理基礎環境監測：X射線熒光分析儀，能譜儀第11章 波與射線傳感器 傳感器原理及應用電子簾150keV/3KW涂層固化表面處理電子直線10MeV 系列醫療用品、食品材料改性地納米3MeV/50KW電線電纜聚乙烯熱塑管等X射線集裝箱檢查系統掃描裝置圖象檢查艙輻射防護設施X射線源 6 MeV 電子直線加速器100 mm 鋼板; 分辨率: 1.5 mm最大穿透力: 300 mm通過率: 25個40 英尺標準集裝箱/小時11.1 核輻射物理基礎安檢第1

4、1章 波與射線傳感器 傳感器原理及應用太空技術：空間探測“太空之眼”迄今最偉大的八具空間望遠鏡 第11章 波與射線傳感器 傳感器原理及應用哈勃望遠鏡康普頓伽瑪射線太空望遠鏡錢德拉X射線太空望遠鏡XMM-牛頓X射線太空望遠鏡第11章 波與射線傳感器 傳感器原理及應用威爾金森微波各向異性探測器 2001年 詹姆斯韋伯太空望遠鏡 2013年斯皮策太空望遠鏡 2003年費米伽馬射線太空望遠鏡 2008年11.1.1 放射性同位素 凡是原子序數相同、原子質量不同的元素， 在元素周期表中占同一位置，這種元素稱同位素；當沒有外因作用時，同位素的原子核會自動產生核結構的變化，稱為核衰變；同位素的原子在自動衰變

5、過程中會放出射線，這種同位素就稱“放射性同位素”。（1） 放射性同位素第11章 波與射線傳感器 傳感器原理及應用11.1 核輻射物理基礎 核素及符號表示具有確定質子數和中子數的原子核稱為核素。核素是原子核的一種統稱。核素表示符號第11章 波與射線傳感器 傳感器原理及應用（1） 放射性同位素半衰期：通常用半衰期表示核素衰減速度 即：放射性核數衰減到原始數目一半所用的時間， 一般用10倍半衰期表示放射性核素的壽命。（2）核衰變與核輻射第11章 波與射線傳感器 傳感器原理及應用第11章 波與射線傳感器11.1.2 核輻射與物質間的相互作用 放射性同位素在衰變過程中能放出、三種射線，其中： 射線由帶正

6、電的粒子組成 （如氦核）； 射線由帶負電的粒子組成 （電子）； 射線由中性的粒子組成 （光子）。放射性同位素衰變時，放出一種特殊的，帶有一定能量的粒子或射線，這種現象稱“核輻射”。 傳感器原理及應用探測學中射線含義電磁輻射特征射線：湮沒輻射：核能級躍遷正電子湮沒產生特征X 射線：原子能級躍遷軔致輻射：帶電粒子速度或運動方向改變產生 衰變 新元素Sg衰變為Rf鑪- 衰變 產生電子e ,反中微子 v+ 衰變 F氟產生正電子e ,中微子 v，O變氧 衰變 Dy鏑放出射線，能態變化， 原子量、原子序數不變自然界常見的核衰變示例第11章 波與射線傳感器 傳感器原理及應用放射性強度也是隨時間按指數規律減小

7、：I0 初始強度；I t 時間后的強度； 1Ci = 3.71010（次核衰變）/秒 放射性活度單位：貝可（Bq）第11章 波與射線傳感器 放射性強度（活度）單位放射性強度單位：居里（Ci）, 毫居里(mCi) 傳感器原理及應用用單位時間內發生衰變的次數來表示放射性的強弱，稱放射性強度(活度)。 核輻射的強弱用放射性強度表示吸收、反射 、射線穿透物質時，由于磁場作用，原子中電子會產生共振，振動的電子形成散射的電磁波源，使粒子和射線能量被吸收和衰減。其中：第11章 波與射線傳感器 射線穿透能力最弱，空氣中運行軌跡為直線； 射線次之，穿行時由于與物質原子發生能量交換而改變方向產生散射，在空氣中軌跡

8、為折線； 射線穿透能力最強，能穿透幾十厘米厚固體物質，在氣體中可穿透數米，因此射線廣泛用于醫療診斷、探傷等。 傳感器原理及應用1 MeV 的粒子穿透物質能力 1 頁 60頁/本 鉛鉛室n4580本中子源地 下1-2 米深、射線穿透物質能力 射線穿透 人體皮膚情況 11.2 核輻射傳感器射線式儀器通常有兩種主要形式：一種是測量放射性物質的放射線，例如測天然放射性U(鈾)、Th(釷)、K(鉀)和這三個量的總量，稱能譜儀；另一種方式是利用放射性同位素，測量非放射性物質，根據被測物質對輻射線的吸收、反射進行檢測，或者利用射線對被測物質的電離激發作用。如X射線熒光儀。原理基本相同，能量范圍不同，后者傳感

9、器由射線源和探測器組成。第11章 波與射線傳感器 傳感器原理及應用射線源結構一般為絲狀、圓拄狀、圓片狀，有點源、面源、片源。輻射源的結構應使射線從測量方向射出，其它方向應盡量減少劑量，減少對人體的危害。X 射線管激發的射線源?？梢杂勉U進行射線屏蔽，鉛有極強的抗輻射穿透能力。第11章 波與射線傳感器點源結構11.2.1 輻射源 傳感器原理及應用鉛罐11.2 射線傳感器同位素輻射源 ： 輻射源的種類很多，一般選用半衰期較長的同位素，能量、強度適合的輻射源。常用同位素源見下表：放射源 半衰期 射線種類 能量（銫） 33.2年 、 0.6614（镅） 470年 、 5.48 27（钚） 86年 12-

10、21 50以上（鈷） 5.26年 、 0.31,1.17,1.33（鍶） 19.9年 0.54, 2.24（鐵） 2.7年 5.9第11章 波與射線傳感器 傳感器原理及應用世界發生的核事故和放射事故主要國家分布 國內外核事故與放射事故IAEA公布的事故中發生在中國的放射事故 切爾諾貝利核電廠事故 切爾諾貝利核電廠事故放射線警示標記第11章 波與射線傳感器 傳感器原理及應用核潛艇 反應堆核電站 航空母艦價值24億美金的核反應堆第11章 波與射線傳感器核潛艇 傳感器原理及應用伊朗的核反應堆我國的核反應堆核棒（核然料）核輻射探測器就是接收器核輻射信號的傳感器，種類較多常用于放射性測量的有： 1） 氣

11、體探測器： 電離室、蓋革計數管、 正比計數器； 2）閃爍計數器； 3）半導體探測器。第11章 波與射線傳感器11.2.2 核輻射探測器正比計數器閃爍計數器半導體探測器組成的多道譜儀 傳感器原理及應用11.2.2 射線傳感器電離室是在空氣中或充有惰性氣體的裝置中，設置一個平行極板電容器，加幾百伏高壓。高壓在極板間產生電場，當粒子或射線射向兩極板之間的空氣（氣體）時，氣體分子電離，在電場作用下正離子趨向負極板，電子趨向正極板，產生電離電流。第11章 波與射線傳感器在外電路接一電阻R就可形成響應電壓，電阻R的電壓降代表輻射的強度。 1. 氣體探測器（電離室） 傳感器原理及應用高壓極收集極保護極高壓R

12、L 負載電阻外殼靈敏體積電場方向絕緣子平板型電離室圓柱型電離室RL 負載電阻 輸出信號的漲落假設，每一對離子產生后將立即使探測器產生一輸出信號： 若單位時間內射入電離室靈敏體積內的帶電粒子的平均值為 ，每個入射帶電粒子平均在靈敏體積內產生 個離子對，而且這兩個值均不隨時間變化。這樣，在任一時刻 t ，探測器的總輸出信號是此時刻以前在探測器內產生的各個離子對所產生信號在此時的所取值的疊加。電離室外加電壓增大電流趨于飽和，一般工作在飽和區（離子能夠全部達到電極上），使輸出電流與外加電壓無關，只正比于射線到電離室的輻射強度。第11章 波與射線傳感器電離室的優點是成本低壽命長； 缺點是檢出電流很小。

13、、電離室不能通用，不同粒子相同條件下效率相差很大。電離室主要用于探測、射線，粒子電離電流比離子電離的電流大100多倍，粒子沒有直接電離本領，效率很低。 傳感器原理及應用 1. 氣體探測器（電離室）1. 氣體探測器（ G-M 蓋格計數管）蓋格-彌勒計數管簡稱蓋格計數管，也稱氣體放電計數器。 一個密封玻璃管，中間陽極用鎢絲材料制作，玻璃管內壁涂一層導電物質或用金屬圓管作陰極，筒和絲絕緣，內部抽空充惰性氣體（氖、氦）、鹵族氣體。第11章 波與射線傳感器陽極與陰極間加高壓。x、射線入射時引起激烈的氣體放大，離子沿絲傳到整個計數管內，形成正離子鞘，在電場作用下正離子鞘向陰極移動形成電流；為避免到達陰極時

14、造成連續放電現象，惰性氣體滅掉放電。 傳感器原理及應用蓋格計數管主要用于探測粒子和射線，特點是工作電壓較低 。由于蓋格計數管的放大作用，電流比電離室的離子流大幾千倍。特性曲線：電壓U一定時，射線入射越強電流I越大，輸出脈沖數N 越多，a、b段稱“坪曲線”；I為射線強度第11章 波與射線傳感器坪曲線 傳感器原理及應用1. 氣體探測器（ G-M 蓋格計數管） G-M管主要有圓柱型和鐘罩型兩種。 圓柱型主要用于 射線測量， 而鐘罩型由于有入射窗，主要用于，射線的測量。 G-M計數管的典型結構正比計數器是充氣型氣體電離探測器，由氣體作為入射射線產生電離或激發的介質；外加一定電位的電場；（電離室）有兩個

15、電極（絲-陽極；殼-陰極），當射線進入電離室穿過氣體時與氣體分子軌道上電子碰撞，使氣體分子電離而形成離子對，芯線旁電場密度高電子碰撞被加速，在氣體中獲得足夠能量使其它氣體分子和原子產生新的離子對。這一過程稱為氣體放大。第11章 波與射線傳感器1. 氣體探測器（正比計數器） 傳感器原理及應用氣體分子充有氣體 氣體放電_雪崩 電子在氣體中的電離碰撞過程 發生雪崩的閾值電場：ET 106V/m。計數器輸出脈沖大小(幅值)正比于輻射產生的電子、正離子對的數目，電子和正離子對數目，正比于氣體吸收的放射線的能量。能量大幅值高！器件工作在氣體電離放電伏安特性曲線的正比區，有足夠大的氣體放大倍數，能量分辨率高

16、，分辨時間短，可以進行快速計數。第11章 波與射線傳感器 傳感器原理及應用1. 氣體探測器（正比計數器）I : 復合區II : 飽和區III : 正比區IV: 有限正比區V: G-M工作區VI: 連續放電區閃爍計數器由閃爍體和光電倍增管組成。光電倍增管只能放大光信號不能直接放大射線信號。閃爍體先將輻射能變為光能，光電倍增管再將光能變為電信號進行探測放大。物質受射線作用而被激發，電子由激態躍遷到基態時發射出脈沖狀的光，這種現象稱為閃爍，而閃爍體就是一種能產生這種現象的物質。第11章 波與射線傳感器閃爍體種類碘化鈉晶體Nal(Tl)2. 閃爍計數器 傳感器原理及應用閃爍探測器輸出信號的物理過程及輸

17、出回路 閃爍探測器輸出信號的過程第11章 波與射線傳感器光電倍增管2. 閃爍計數器 傳感器原理及應用當閃爍體受到輻射時閃爍體內的原子受激發光，光透過閃爍體射到光電倍增管的光陰極上，并激發出光電子；光電倍增管是利用二次電子釋放效應，高速電子撞擊固體表面，發出二次電子，將光電流在光電倍增管內進行放大倍增，在陽極上形成可以測量的電流。輸出電流脈沖大小與入射射線能量成正比，脈沖多少與含量成比例。第11章 波與射線傳感器2. 閃爍計數器輻射 傳感器原理及應用Ut 閃爍探測器信號的輸出回路IaIkIa輸出回路等效電路輸出回路的等效電路單光電子引起的電流脈沖信號 面積半導體探測器是利用半導體材料制成的射線傳

18、感器；主要結構類型有：結型、面壘型、鋰漂移型和高純鍺等。圖為結型半導體探測器結構，實質是一個大面積、大體積的晶體二極管（約0.01-200cm3）。在半導體材料上設置了一個陰極（高摻雜的P+層）和一個陽極（高摻雜的N+層）。第11章 波與射線傳感器3. 半導體探測器荷電粒子入射到半導體中時，會激發產生電子空穴對，這些電子空穴對在電場作用下形成正比于入射射線能量的電流，探測器將其轉換為脈沖信號輸出。 傳感器原理及應用由于在半導體中產生一個電子空穴對所需能量極小，約為3eV（在空氣中產生一對離子所需能量，如射線為30eV），因此半導體探測器比其他射線探測器分辨率高。特點：輸出信號小，分辨率高。第1

19、1章 波與射線傳感器3. 半導體探測器X射線、射線由于光電效應、康普頓效應、電子對生成等產生二次電子；高速二次電子產生更多電子空穴對。在PN結空間電荷區加足夠高的偏壓，因射線而電離的載流子加速，產生新的電子空穴使載流子倍增，在輸出端形成一個放大脈沖信號，將電荷轉換為電信號輸出。 傳感器原理及應用P-N結半導體探測器的工作原理1) P-N結區(勢壘區)的形成多數載流子擴散，空間電荷形成內電場并形成結區。結區內存在著勢壘，結區又稱為勢壘區。勢壘區內為耗盡層，無載流子存在，實現高電阻率，達 ，遠高于本征電阻率。2）P-N結內的電流 If 能量較高的多子穿透內電場，方向為逆內電場方向；IG 在結區內由

20、于熱運動產生的電子空穴對； IS 少子擴散到結區 IG，IS的方向為順內電場方向。IfIG , IS平衡狀態時：3）外加電場下的P-N結： 即在使結區變寬的同時，IG 增加, IS不變，If減小，并出現IL，此時表現的宏觀電流稱為暗電流。 在外加反向電壓時的反向電流 少子的擴散電流，結區面積不變，IS 不變； 結區體積加大，熱運動產生電子空穴多，IG 增大； 反向電壓產生漏電流 IL ，主要是表面漏電流。在P-N結上加反向電壓由于結區電阻率很高，電位差幾乎都降在結區。反向電壓形成的電場與內電場方向一致。外加電場使結區寬度增大。反向電壓越高，結區越寬。 4）半導體探測器的輸出信號 輸出回路須考慮

21、結電阻Rd和結電容Cd，結區外半導體材料的電阻和電容RS，CS。測量儀器應用范圍：射線傳感器廣泛用于空間探測;射線可實現氣體分析，如氣體壓力、流量測量；射線可進行帶材厚度、密度檢測；射線可探測材料缺陷、位置、元素、密度與厚度測量。11.3 核輻射傳感器的應用第11章 波與射線傳感器 傳感器原理及應用透射式測厚常用閃爍探測器，閃爍探測器記錄穿透物體的射線的強度，其輸出電流與輻射強度成正比。在輻射穿過物質時，由于物體吸收作用損失部分強度，強度按指數規律變化。在輻射穿過物質時，可根據質量厚度X求出被測物體厚度。第11章 波與射線傳感器11.3.1 測厚（透射式測厚）I0 入射強度；I 穿過后強度；x

22、質量厚度；質量吸收系數；與材料密度有關； 傳感器原理及應用源探測器散射測厚時放射源與探測器在同一惻；原理是：利用核輻射被物體后向散射的效應。散射強度與被測距離、物質成份、密度、厚度表面狀態等因素有關：K與射線能量有關的常數第11章 波與射線傳感器11.3.1 測厚(散射式測厚) 傳感器原理及應用源探測器 核子測厚儀利用介質對射線的吸收作用，不同介質對射線的吸收能力不同，固體吸收能力最強，液體居中，氣體最弱。輻射源與被測介質一定，被測介質高度H與穿過被測介質的射線強度I 成正比關系。I0、I，分別為入射前后的強度；為吸收系數。第11章 波與射線傳感器11.3.2 物位測量 傳感器原理及應用第11

23、章 波與射線傳感器 傳感器原理及應用 火車車皮裝煤量 油罐車裝油量 煉鋼爐鋼水量 煤氣罐氣量11.3.2 物位測量在氣流管中裝兩個電極（電極電位不同），放射源S 的射線使氣體電離，工作狀態相當于一個電離室。第11章 波與射線傳感器11.3.3 電離室檢測氣體流量計 傳感器原理及應用當被測氣體被電離時，離子被帶出電離室，室內電流減小，氣體流速增加帶出的離子增多電離室電流進一步減小，由電流的變化檢測氣流流速和流量。第11章 波與射線傳感器11.3.4 離子敏感煙傳感器（電離室）電離室由H1和H2 兩個電極組成，電極之間有放射性同位素镅-241（Am241）可放出射線，并在兩電極之間發生電離，產生正

24、離子，在外加電壓作用下形成電離電流。當外電離室有煙霧進入時，離子被吸附到煙霧顆粒上，由于煙霧顆粒比離子大1000倍左右，故在電場中的移動速度比原來的速度慢，而且在移動過程中離子中和的機會增多，最終使離子電流相應減小。 煙霧數量越多，離子電流越小，相當等效電阻增加。 傳感器原理及應用第11章 波與射線傳感器離子感煙傳感器結構是內、外兩個電離室，內、外電離室串聯連接方式；內電離室是密封的，無煙霧離子進入，離子電流恒定，等效電阻R不變。外電離室等效電阻隨煙霧數量變化，可等效為可變電阻Rp。經電源電壓E分壓后供控制電路。UD-O2型煙霧傳感器 傳感器原理及應用11.3.4 離子敏感煙傳感器（電離室）

25、火災報警器基本構造 241Am 放射源 + 電離室 + 電流靈敏電子儀器+V 電流表 放射源241Am火災報警器探測器與放射源放在管道內，沿焊接縫同步移動，當焊縫存在問題時，穿透管道的射線會產生突變，正常時輸出曲線趨于直線。第11章 波與射線傳感器11.3.5 探傷 傳感器原理及應用野外現場快速測量第11章 波與射線傳感器11.3.6 X射線熒光分析儀礦山選場在線監測 傳感器原理及應用第11章 波與射線傳感器11.3.6 X射線熒光分析儀X射線熒光儀應用于水泥質量監測鈣、鐵分析 傳感器原理及應用X射線熒光基于光電效應，分能量色散和波長色散；能量色散的熒光分析方法：由同位素源或X光射線管產生射線

26、，其它物質上的次級輻射稱熒光射線；第11章 波與射線傳感器11.3.6 X射線熒光分析儀波長色散熒光分析方法是將射線，通過光學系統轉換為不同波長的信號，由產生波長特征進行檢測分析。 傳感器原理及應用X射線熒光分析儀應用： 一測量是什么元素（定性）； 二測量元素的含量（定量）。X熒光射線檢測的能量譜和計數率與物質的含量、成份、厚度、密度有關。第11章 波與射線傳感器11.3.6 X射線熒光分析儀NEE0Ut輸入信號形式輸出譜線形式電路框圖探測器脈沖幅度與元素的特征X射線能量成正比，不同元素脈沖幅度不同，能量大脈沖幅度越高；通過幅度分析器（甄別器）實現元素的定性分析；脈沖的多少與樣品含量成正比，通

27、過每秒的計數率檢測樣品的含量，實現元素的定量分析。 傳感器原理及應用第11章 波與射線傳感器11.3.7 中子活化分析用低溫(液氮)保存的Si(Li)、Ge (Li)探測器中子活化 是一種現代核分析方法，非放射性物質經過反應堆照射后生成放射性核素，利用放射性衰變測量元素的含量。元素能量譜線 傳感器原理及應用computed tomograhy （斷層掃描），簡稱CT常規X射線攝影利用透射原理，把三維的人體投影顯示在一個二維的平面上。這就使得圖像失去縱深方向的分辨能力，前后結構互相重疊，引起圖像混淆，容易造成誤診和漏診。 X線管熒光屏第11章 波與射線傳感器11.3.8 醫學應用-CT（斷層掃描

28、） 傳感器原理及應用斷層掃描（CT）是把人體分成一系列薄片，單獨對每一切片（二維圖像）進行觀察；這種方式能消除臨近各層的影響，沒有重疊混淆，圖像變清晰，容易辨別細微的異常結構。從斷面合成的頭部三維圖像第11章 波與射線傳感器11.3.8 醫學應用-CT 傳感器原理及應用CT是采用計算機斷層掃描的二維重建方法的基本原理，如圖所示，從線性并排著的X線源發射一定強度的X線，把通過身體的X線用與X線源平行排列的X線傳感器接收獲得數據。第11章 波與射線傳感器然后把X線源和傳感器組以體軸為中心一點一點的旋轉，反復進行同樣的操作。求得的在各個角度上的投影數據，就得到了垂直于體軸的斷面圖像。11.3.8 醫

29、學應用-CT 傳感器原理及應用I0I0I0I0I1I2I4I3解方程即可解出物體各個部分的衰減系數。矩陣求解法如圖（為簡單起見，設物體為22大小象素）各部分的衰減系數都是未知的，根據投影X射線成像的原理，當入射強度為I0時，X射線通過物體之后，檢測器獲得的出射射線強度為I，有： 計算機斷層掃描的二維重建方法的基本原理是 根據投影，重建圖像11.3.8 醫學應用-CT CT測量實例XCT與PET結合正電子-CT (PET) Positron Emission Tomography正電子發射斷層(PET)成像技術&設備功能成像與結構成像的區別鉬靶、CT、MRI等是結構圖像技術，所得圖像反映的是肌體

30、的結構信息；PET是功能成像技術，可以在肌體的結構形態改變之前發現異常，在腫瘤診斷方面具有獨特優勢。點陣式閃爍體陣列光纖束傳導位敏感型 光電倍增管11.3.9 核子秤第11章 波與射線傳感器核子秤是根據物質對射線的吸收原理來進行工作的，是現代核技術與計算機技術結合的高新技術成果；它是由源部件（射線源及防護鉛罐）、A型支架、電離型射線探測器、測速傳感器、前置放大器、前放電源、核子秤主機系統等組成。源：由137CS 放射源（強度40mCi，半衰期為30.1年,活度為1.48GBq）和鋼殼結構的屏蔽鉛罐。 傳感器原理及應用11.3.9 核子秤第11章 波與射線傳感器特點：理想的非接觸式在線連續稱重計量控制設備，測