《核电子学》PPT课件.ppt

常用核电子技术 Nuclear Electronics 物理工程学院赵书俊,原子核与放射性,原子核与放射性,核辐射通过物质时的作用和效应1.核辐射与物质的基本作用2.带电粒子通过物质3.射线通过物质4.射线的吸收5.中子与物质的作用核辐射量度及其单位1.放射性活度（A）2.吸收剂量(D)3.剂量当量（H）核科学中的基本仪器和设备,核辐射通过物质时的作用和效应,核辐射通过物质时的作用和效应,到达地球表面数目 6.61010个/cm2 秒中微子与物质作用很弱吸收截面10-40cm2通过100万个太阳厚度强度才减少一半。,中微子在宇宙中自由穿行，由于作用太弱，很难探测到。,地球 R=6.37 x 106 m,太阳 R=7 x 108 m,太阳中微子:天然存在,对人体作用完全可以忽略不计，对人体没有危害。人们不会对存在的大量中微子感到害怕.,核辐射通过物质时的作用和效应,核辐射通过物质时的作用和效应,核辐射的基本性质,载能的 粒子:1 有没有作用 2 具体的作用机制是什麽 3 有什麽样的规律 4 产生什麽样的结果,核辐射通过物质时的作用和效应,核辐射通过物质时的作用和效应一、核辐射与物质的基本作用,。原子。,n,物 质：气体 液体 固体 包括人体 等,微观粒子间碰撞有动量和能量的传递 库仑作用 1 电离作用 2 电离效应,核辐射通过物质时的作用和效应,二、带电粒子通过物质,+靶原子 正离子+电子+4He+Ar Ar+e-+4He,物质中原子被电离，在粒子通过的路径上形成许多离子对：正离子和自由电子,核辐射通过物质时的作用和效应,射线与射线电离效应比较,射线 射线径迹 粗 直 细 弯,电离作用强 电离作用严重 产生离子对数目多,电离作用 Z1Z2/v2 Z1 入射粒子原子序数 Z2 靶粒子原子序数 v 入射粒子速度,实验结果,核辐射通过物质时的作用和效应,粒子径迹是一条直线 5.3 MeV粒子在空气中 的射程3.83 cm,电子径迹是折线,核辐射通过物质时的作用和效应,三、射线通过物质,1 射线是什麽 2 射线的电离作用 3 轫致辐射 4 正电子湮灭,核辐射通过物质时的作用和效应,电磁辐射谱,小能量高,E=h,=c/,大能量低,核辐射通过物质时的作用和效应,射线是波长很短能量高的电磁辐射（10-11 米，keV，MeV），来自原子核衰变,不带电，静止质量 0。,1.射线是什麽？,能够同物质原子发生作用，但不能直接使原子 电离；有动量和能量交换,能够产生载能次级 带电粒子，可以对物质发生电离作用。,能量 E=h动量 p=h/c,核辐射通过物质时的作用和效应,2.射线对物质的电离作用 两步过程,三种作用效应 光电效应 康普顿效应 电子对效应 产生次级电子,电离效应次级电子使物质原子电离,射线,第 1 步初级作用,第 2 步次级作用,核辐射通过物质时的作用和效应,光电效应,自由电子,作用机制光子同(整个)原子作用把自己的全部能量传递给原子,壳层中某一电子获得动能克服原子束缚跑出来,成为自由电子，光子本身消失了。+A A*+e-（光电子）原子 A+X 射线,原子,受激原子,核辐射通过物质时的作用和效应,电子对效应能量1.02 MeV 的射线与原子核作用可能产生一对正-负电子。,M M+e+e-1+2 1.02 MeV me me 0.511MeV 0.511MeV基本条件：射线能量 E 1.02 MeV 为什麽？,能量转化成质量M=E/C2,核辐射通过物质时的作用和效应,3.轫致辐射,电子打在荧光屏上产生X射线电视机显像管,特征:x 射线能量连续 0 EMax(电子能量)电视机 高压15 kV 电子束能量15 keV x 射线能量 0-15 keV,应注意玻璃含有40K U Th,产生机制,原子核,核辐射通过物质时的作用和效应,4.正电子湮灭,正电子与负电子相遇发生湮灭，产生两个 0.511 MeV的 光子。,e+e-+me+me-=0.511+0.511 MeV 质量转化为能量 转化效率(100%）,核辐射通过物质时的作用和效应,射线通过介质时由于同物质的作用,光子的数量不断的减少,物质层越厚减少得越多，这种现象称做对射线的吸收。,I(x)=I0 e-x,厚 度 X,I0,四、射线的吸收,I,实验发现：射线强度随通过介质层厚度增加而 减小，服从指数衰减规律。,核辐射通过物质时的作用和效应,指数衰减规律,指数衰减因子 线性吸收系1）射线能量高 值小2）原子序数高 值大,I(x)=I0 e-x,铅和铝吸收系数,核辐射通过物质时的作用和效应,射线强度减弱1/2 所通过物质层的厚度 射线的防护大都选用重金属铅、水泥等，构成很厚的防护墙。,半吸收厚度 单位：cm,半吸收厚度(d1/2),核辐射通过物质时的作用和效应,对物质电离作用的比较,2 MeV 射程(m)离子对密度/mm 0.01 6000 2-3 60 10 几个,核辐射通过物质时的作用和效应,1 MeV 的粒子穿透物质能力,1 页 60页/本,铅,地 下1-2 米深,铅室,n,4580本,中子源,核辐射通过物质时的作用和效应,射线穿透物质能力,射线穿透 人体皮肤情况,核辐射通过物质时的作用和效应,中子不带电不能直接使原子电离 但中子容易进入原子核内同原子核发生作用引起核反应,1）与 H 原子核的弹性碰撞 传递能量 质子跑出来 中子被慢化 n+H n+p 第一步 打出质子（载能）第二步 质子引起物质电离 慢化剂:轻水(1H2O)重水(2D2O),五、中子与物质的作用,n,H,n,n,p,电离,核辐射通过物质时的作用和效应,2）中子核反应 例如(n,p)反应 n+14N 14C+p 第一步 核反应产生质子 第二步 质子对物质产生 电离作用,n,p电离,14N,14C,人体有大量 H 和 N 原子 中子对人体电离效应严重 伤害也严重,1,2,核辐射通过物质时的作用和效应,电离辐射 直接或间接使介质发生电离效应的带电或不带电的射线或粒子(能量 keV)、x、n、p、裂变碎片 介子等 来 源 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,电离辐射和非电离辐射,非电离辐射 紫外线、红外线、微波等这些粒子虽能够同物质发生作用但都不能使物质发生电离效应 eV 量级移动电话 800-1800 MHz 0.01 eV(没有电离作用）,核辐射通过物质时的作用和效应,核辐射量度及其单位,1 放射性活度（A）定义：样品中放射性原子核在单位时内发生衰变的原子核数目。单位：1贝可=1 次核衰变/秒 1 Bq=1 次核衰变/秒,暂时与SI并用的专用单位名称是居里，符号为Ci。1Ci3.71010Bq。(mCi,Ci)可用克镭当量来表示放射源的相对放射性活度。1克镭当量表示一个放射源的射线对空气的电离作用和1克的标准镭源（放在壁厚为0.5毫米的铂铱合金管内，且与其子体达到平衡的1克镭）相当。单位质量或单位体积的放射性物质的放射性活度称为放射性比度，或比放射性（specific radioactivity）。,核辐射量度及其单位,核辐射量度及其单位,2 吸收剂量(D)吸收剂量（absorbed dose）定义为d除以dm所得的商，其中d是致电离辐射给予质量为dm的受照物质的平均能量。即Dd/dm。吸收剂量的SI单位是焦耳千克-1（Jkg-1），SI单位专名是戈瑞（gray），符号Gy。暂时与SI并用的专用单位名称是拉德，符号为rad。1Gy1Jkg-1100rad，或1rad10-2Jkg-110-2Gy。照射量X与吸收剂量D是两个意义完全不同的辐射量。照射量只能作为X或射线辐射场的量度，描述电离辐射在空气中的电离本领；而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,必须注意的是，在应用此量度时，要指明具体涉及的受照物质，诸如空气、肌肉或者其他特定材料。但是，在两个不同量之间，在一定条件下相互可以换算。对于同种类、同能量的射线和同一种被照物质来说，吸收剂量是与照射量成正比的。由于X或射线在空气中产生一对离子的平均能量约为32.5eV，所以1R的X或射线在空气中的吸收剂量约为0.838rad；而在软组织中的吸收剂量约为0.931rad。,核辐射量度及其单位,吸收剂量1 戈瑞（1焦耳/千克）时的能量效应,1）水温升高（比热 4.2103J/千克度）1 kg水物质吸收剂量 1 Gy 水温度上升 1/（4.2103）=2.410-4 C,2）转化为物体的动能 m D=(1/2)m v2 运动速度 v=1.4 m/s,3)转化为物体的势能 m D=m g h 上升高度 h=0.1 m,剂量实际上是单位物质吸收电离辐射能 大小的一种量度,核辐射量度及其单位,3 剂量当量（H）,相同的吸收剂量未必产生同样程度的生物效应，因为生物效应受到辐射类型、剂量与剂量率大小、照射条件、生物种类和个体生理差异等因素的影响。为了比较不同类型辐射引起的有害效应，在辐射防护中引进了一些系数，当吸收剂量乘上这些修正系数后，就可以用同一尺度来比较不同类型辐射照射所造成的生物效应的严重程度或产生机率。,核辐射量度及其单位,3 剂量当量（H）,意义：表示电离辐射 引起生物效应 的大小 H=Q DQ 电离辐射的品质因数 生物放大效应D 吸收剂量（戈瑞）量度单位：1希沃特=1焦耳/千克 1 Sv=1 J/kg,电离辐射的品质因数 Q 数值,核辐射量度及其单位,放射性活度(A)吸收剂量(D)剂量当量(H),吸收剂量(D)1戈瑞=1焦耳/千克1 Gy=1 J/kg,放射源 活度(A)1贝克=1次核衰变/秒,剂量当量(H)H=Q D 1希沃特=1 焦耳/千克,三者意义和区别,任何物质,有机体,核辐射量度及其单位,核辐射量度及其单位,辐射量单位对照表,1 核辐射同物质作用，仅当把能量和动量传递给 物质才发生；没有能量和动量传递就没有作用。2 通常遇到的核辐射主要是对物质的电离作用，会 对物体产生一系列的影响，人体也不例外。3 剂量是指辐射与物质作用后，释放或吸收能量 的量度。4 不同种类的核辐射给出相同的能量时，可能会对 物体造成不同的辐射损伤。,小 结,核辐射量度及其单位,1.加速器 人工产生高能量 带电粒子束的机 器,2.反应堆：可控裂变反应炉（第 2 章）,4.辐射探测器（荧光屏+眼睛）感知放射性存在 传感放射性信号,5.电子学和计算机 放大 变换 传输 控制 记录 分析核过程信息,核科学中的基本仪器和设备,3.放射源,6.其他,核科学中的基本仪器和设备,加速器在核科学中的地位,（1）加速器是核科学最重要的工具之一，1932年前人 们只是用天然的 粒子进行核反应，例如卢瑟福 1919年发现第一个核反应。现在利用天然 粒子 进行核反应早已成为历史。（2）现在加速器不仅可以提供更高能量的粒子，而且 周期表中从 H-U 绝大多数元素粒子都可加速;1980年代后 加速放射性粒子，6He 17N 等（3）对探索原子核起了关键作用，可以说，没有加速 器不可能有今天的核物理，不可能有今天的核科学,不可能有核技术的广泛应用。（10000 台加速器，100 基础物理研究，其余应用）,核科学中的基本仪器和设备,入射粒子与靶物质作用后产生的粒子或射线探测和分析这些出射粒子可获得核过程信息。,1 离子源,2 加速 聚焦,3 偏转,4 靶物质,加速器人工方法产生高能量带电粒子束的机器,加速器基本结构和工作原理,基本要求和功能1 提高带电粒子的能量2 增加带电粒子束的强度 3 使粒子束同靶物质作用4 带电粒子在真空管道中行进,产物,核科学中的基本仪器和设备,两种类型加速器,直线型,圆环型,核科学中的基本仪器和设备,高压直线加速器,离子源,电 场,靶物质,抽真空,探测器做实验,能量 E=q V,+,世界上第一台高压倍压加速器 1932年,核科学中的基本仪器和设备,静电加速器,球形电极,能 量 E=q V+E0,直流电源,靶物质,离子源,出射粒子,北大4.5 MV 单级静电加速器,V,核科学中的基本仪器和设备,北大4.5 MV 单级静电加速器,核科学中的基本仪器和设备,郑州大学4 MV 静电加速器,核科学中的基本仪器和设备,串列静电加速器,+V,-q1 加速负离子,+q2 加速正离子,出射粒子能量 E=V qi+E0 若q1=1 e,q2=n e 则 E=V(n+1)e+E0例如：V=1.5 MV,n=2,E0=28 keV 则 E=(2+1)x 1.5+0.28=3.28 MeV,-q1 负离子,开关磁铁,靶室,偏转磁铁,负离子源,E0,高电位,E1=q1 V,E1=q2 V,低,低,核科学中的基本仪器和设备,北大21.7 MV 串列静电加速器,北大26 M V串列静电加速器,核科学中的基本仪器和设备,为什麽需要对撞？,EF（E入射）1/2 EF=2 E入射,固定靶,对撞束,有效能量(EF):,假若入射粒子能量 E入射 增大100 倍 固定靶 10 倍（消耗于靶粒子反冲）对撞束 200 倍！,对撞可以更多地提高粒子有效能量,E入射,E入射,E入射,核科学中的基本仪器和设备,E=M C2,更高能量的粒子用于探索粒子内部和产生新粒子,质量和能量是等价的，粒子载有的能量可以转化成质量，产生许多粒子。,高能电子 e+e-+-（20.51 MeV)（2105 MeV）,核科学中的基本仪器和设备,北京e+e-对撞机 2 GeV+2 GeV,核科学中的基本仪器和设备,世界上最大的对撞机（LHC 大强子对撞机),LHC:周长 27 km,地下 100 m 深隧道投资：30-35 亿 U参加人数 10000 时间 1995-（2005）2007 12年,核科学中的基本仪器和设备,质子-质子对撞,核科学中的基本仪器和设备,放射性测量,放大与变换,记录与存储,放射性是人眼睛看不见、身体也感觉不到的，但用仪器可以直接测量。测量系统基本组成如下：,射线同物质作用使原子电离，产生正离子和负电子。在电场作用下，电子和正离子分别向正极和负极方向运动，引起电流，产生信号。辐射探测器：把电离产生的信息转化成可观测的、可输出 的信号：电、光、热、径迹 等。,探测器,-+,放射源,核科学中的基本仪器和设备,放射源的生产和制造,例如:放射源1）60Co T 1/2=5.27年2）137Cs T 1/2=30.17年,核科学中的基本仪器和设备,阳极+,阴极-,射线探测器:G-M 计数管,核科学中的基本仪器和设备,闪烁探测器,核科学中的基本仪器和设备,放射性测量仪器,核科学中的基本仪器和设备,END,下一节：高能正电子成像,