高性能环境γ射线监测器的研制硕士学位论文(编辑修改稿)

高性能环境γ射线监测器的研制硕士学位论文(编辑修改稿)内容摘要：

核爆炸在大气中形成的人工放射性物质是环境广泛受到污染的 原因。 核爆炸在大气中形成的人工放射性物质最初大多进入大气层的 上部，然后从大气层上部缓慢的向大气层下部转移，最终将落到地面， 称之为落下灰” 3。 当落下灰中的各种放射性核素存在于地面空气中时。 可通过吸入而引起内照射，当其沉降于植物上或土壤中时，则可通过 外照射和食入引起内照射。 核爆炸始于 1945年， 1954一 1985年，及 1961— 1962年间曾在大气 中进行过大量的核试验，最后一 次是在 1980年 10月。 地下核试验目 前仍在进行，但其造成的环境污染较小。 虽然核爆炸可以产生几百种放射性核素，但其中多数不是产量很 少就是在很短时间内就已经全部衰变，对世界的居民的有效剂量负担 大于 1％的只有 7种，按其对人体照射水平的递减顺序，它们是： 14C， 137Cs， 95Zr， 90Sr， 106Ru， 144Ce和 3H。 落下灰对居民的照射水平， 因居住地所处的纬度而异，一般，南半球居民受到的照射量要比北半 球的低。 表 2． 5列出了核爆炸给生活在南、北温带及全世界居民造成 的有效剂量负担值；从这表，我们可看 出，核爆炸对居民照射的主要 途径是食入，其次是外照射。 1980年底以前进行的大气层核爆炸造成 的集体有效剂量负担总计为 3水 107人 sv，相当于当今世界人口额外受 到大约 4年的天然本底辐射的照射。 就核爆炸引起的人均年剂量而言， 1963年最大，相当于天然本底辐射源所致平均年剂量的 7％， 1966年 则下降为 2％左右，目前则低于 1％。 表 2． 5 1981年底以前进行的大气层核爆炸 造成的有效剂量负担及其贡献途径 地点 有效剂 贡献途径，％ 量负担， mSv 食入 外照射 吸入 北温带 4． 5 7． 1 24 5 南 温带 3． 1 90 8 2 全世界 3． 8 70 18 3 哈尔滨工程人学硕士学位论文 2． 23核动力生产 据 1987年资料，现在，全世界已有 26个国家和地区近 400座核 反应堆在运行发电，正在建造的反应堆有 140座，计划建造的还有 110 座，整个核能发电一年 15000亿度，占世界总发电量的 16％。 用核反应堆生产电能是以核燃料循环为先决条件的。 核燃料的循 环包括：铀矿的开采和水冶，转变成不同的化学形态； 235U同位素含 量的富集；燃料元件的制造；在反应堆内的功率生产；受照射燃料的 后处 理；核燃料循环的不同阶段、不同装置间的核材料运输；最后， 还要对放射性废物进行处理。 虽然，核动力生产中产生的所有人工放射性核素几乎都存留在受 照过的核燃料中，但是上述循环的每一环节都会有少量放射性物质被 释放到环境中。 由于其中大多数放射性核素的半衰期较短，在环境中 的迁移率较低，因此释放到环境的放射性物质多半只是在局部或本地 区产生影响，当然也有一些半衰期很长或是在环境中弥散的较快的放 射性核素，它们可分布到全球，从而在世界范围内使人类和环境受到 照射和污染“。 据粗略估计，在目前，核燃料循环运行时，放 射性排出物 (不包 括废物处理 )对附近居民造成的集体有效剂量负担为 5． 7人 Sv，其中 98％是在排放后的 104— 108年间授与的。 表 2． 6给出了按现有的技术水 平，核电生产持续到 2500年时由核燃料循环所致的年集体有效剂量和 人均有效剂量的预计值。 从这表，可见 1980年由于核能生产所致的人 均当量剂量只有天然辐射照射源的 0． 005％，即使到了 2500年也不过 是天然辐射源照射水平的 1％ o 表 2． 6核电力生产持续到 2500年时的年人均当量剂量预计值 项目 年份 1980 2020 2100 2500 年核发 电量预 80 1000 10000 10000 计值 [GW(e)a] 年集体有效剂 500 1000 202000 250000 哈尔滨 T程大学硕士学位论文 量 (人 Sv) 世界人口 (109 4 10 lO 10 人 ) 年人均当量剂 O． 1 I 20 25 量 (uSv) 占天然辐射源 平均暴露量的百 0． 005 O． 05 1 1 分数 (％ ) 此外，就从事核动力生产的职业人员接受的人工辐射的年有效剂 量，大概与来自天然辐射源照射的平均值处于同一数量级。 人类除了受到上述三种主要人工辐射源的外照 射外，还受到由于 工业技术发展造成的增大了的天然辐射源的照射 (例如，燃煤发电、 磷肥生产造成的环境放射性污染，空中旅行、宇宙航行导致的额外的 宇宙射线照射等 )以及各种消费品 (例如夜光钟、表，含铀、钍的制 品，某些电子、电气器件等 )的人工辐射源的照射。 不过，由这些人 工辐射源所致的世界居民的集体有效剂量负担与天然辐射源所致相比 较，～般都很小，总计不过天然辐射源的 1％婚 3。 2． 3本章小结 本章主要分析了我们周围环境中的辐射情况，对于环境的 T辐射 场主要有两个特点： 1． T射线的能量范围比较广。 从几十 key，到两 三千 key不等。 这对于探测器的设计带来了很大的困难，它需要探测 器的能量响应范围比较广。 2．环境 T射线的总体强度不大。 这对于探 测器的灵敏度要求就比较高。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第 3章环境 T辐射场的测量方法 3． 1 Y射线的探测原理 T射线的探测都是通过 T射线与物质作用产生电子然后才能产 生电信号被仪器识别。 T射线与物质相互作用，可以有许多种方式。 当 T射线的能量 在30MeV以下时，在所有相互作用方式中，最主要的三种是 1．光电相 应2．康普顿效应 3．电子对 效应。 除此以外还有其他的一些相互作用方 式如：相干散射、光致核反应、核共振反应，但由于在我们的一般的 环境中这些相互作用出现的几率很少可以忽略不计“。 3． 1． 1光电相应 光电效应是当一个 T光子与物质中的一个束缚电子作用时，它可 能将全部能量交给电子，而光子本身被吸收。 得到能量的电子脱离原 子核的束缚而成为自由电子，这个电子被称为光电子。 这个过程叫做 光电效应““。 其示意图如图 3． 1。 e 图 3． 1光电效应示意图 16 哈尔滨工程大学硕十学位论文 在 发生光电效应时，入射光子能量的一部分用于克服电子的结合 能，其余部分转化为电子的动能。 即 五 r=，十函 (3— 1) 式中：扣一普朗克常熟 一一入射光子频率 hP一入射光子能量 卜一光电子动能 西一一电子结合能 由于 K壳层电子离核最近，其次为 L、 M、 N，等壳层，因此 K壳 层产生光电效应的几率最大““。 从观点子角分布研究中观察到：当光 子能量不大时，光电子发射方向差不多和入射光予方向相垂直；而在 光子能量较大时，则光电子发射方向逐渐趋于入射方向。 由式 (3． 1) 可得光电子动能为 ， =五 V一曲 (32) 由 于一般中值约为几千电子伏到几万电子伏，而 T射线的能量 hv 在几十万到几百万电子伏间，所以 T m hv。 如果吸收介质原子序数为 Z， T射线的能量为 hv，则由于光电效 应而使射线强度减弱，其减弱系数为 t，则 T。 c 2／ 0“ (hv： ／ ／／ 0CZ． ) 03 1一 Z， v (hvmoc247。 ) t3 由此可见：光电效应只是在 T射线能量较低，介质原子序数较高时， 才能有较大的几率。 3． 1． 2康普顿效应 T射线与物质的另一种相互作用是入射光子把一部分动能交给 原予外层电子，电子从原予中以与 入射方向成巾角方向射出，这一电 子成为反冲电子““。 入射光子能量则变成 hv’并朝着与入射角方向成 0角方向散射，这一过程最早为康普顿发现，所以称为康普顿效应。 康普顿效应示意图如图 3． 2 __Iiiijjiiiiiii_ji； l口 jjjj__t_iil_iij__iii_jjiji‘ j啥尔 滨工程 大学硕 士学位 论文 当入射光子能量较大时，外层电子的结合能 (一般是电子伏数量 级 )可以忽略。 因此，可以把外层电子近似看作“自由电子”。 这样， 康普顿效应可以认为是 T光子与原子中外层轨道电子的弹性碰撞。 由 能 量和动量守恒定律，可根据入射光子的能量和动能求得反冲电子以 及散射光子的能量和动量。 计算可得反冲电子能量 Ee等于 Ee： 竺 = (35) 168。 蒜南 当 0=O。 ， Ee接近为 0，说明没有反冲电子产生。 当 0=180。 ，反冲电子能量取得最大值 Eemax Eemax： 竺 = (36) 1+竺￡ 2hv — hv’ 8 图 3． 2康普顿效应不意图 从这，我们可以看出，康普顿效应产生的反冲电子能量从 0到 Eemax，随着 0变化而连续分布。 由于康普顿效应而产生的射线强度 的减弱，其减弱系数 0 C正比于吸收介质的 Z／ A。 Z， A分别是吸收介 质原子序数与质量数““。 T射线能量在 0． 55MeV范围内， T射线与物质发生作用时，康普 顿效应是主要作用过程。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 3． 1． 3电子对效应 当 T射线能量大于两倍电子静止能量，即 hv1． 02MeV时， v光子 从原子核旁边经过时，光子被吸收，转化为两个电子：电子和正电子， 这一过程称为电子对效应“。 电子对产生过程示意图如图 3． 3 hv e 图 3． 3电子对产生过程示意图 在电子对产生时，入射光子能 量一部分转化为两个电子的静止能 量，其余部分转化为正、负电子的动能。 即： hv： 2moc。 i如 ++Ee (37) 式中：魔卜一『 F电子的动能 如一一负电子的动能。 由上式可看出能量为 hv的光予在发生电子对效应时，生成的正、 负电子的总动能为一常数，这一常数等于： Ee++Ee=17 r一 21not。 (3— 8) 由于电子和正电子之间的能量分配是任意的，因此每一个粒子动能可 从 0到 hv一 2m。 C2。 由动量守恒关系可得到：电子和正电子几乎都是沿 着入射光子方向前倾的角度发射的，入射光子的能量越大，正、负电 子的发射方向越前倾，即他们与入射光子方向的夹角变得越小。 电子对效应产生的正电子，在介质中动能损失以后，它与吸收介 质中的一个电子结合，并转化为两个 T光予，即 ， +e一一拍 y’ (39) 这个过程叫做电子对湮没，两个光子则称为湮没辐射。 根据能量守恒 19 哈尔滨工程大学硕士学位论文 原理。 两个湮没光子的总能量等于正、负电子的静止能量。 所以 2hv’ =2ntoC2． hv’ =O． 5iMeV t3— 产生的湮没光子又有可能与介质发生光电效应获康普顿效应。 出于电子对效应而使 T射线强度 减弱，其减弱系数 k与介质原子 序数的平方成正比，而且随着 T光子能量增大而变大，对于能量大于 2MeV的 T射线，电子对产生效应逐渐变为重要的相互作用过程。 T射线和物质相互作用的上述三种主要过程，它们发生的几率， 随着入射光子的能量、物质原子序数而变化，图 3． 4给出了这种依赖 关系。 100 80 Z 60 40 20 0． 01 0． 1 1 10 100 hv(MeV) 图 3． 4光电相应、康普顿效应、电子对效应优势区域 与光子能量及介质原子序数关系 图中曲线上，给出了两种相邻作用过程所占 比例相等时的 z值和 入射光子能量 hv值。 对于低能 T射线和原子序数高的介质以光电效 应为主；中等能量和较低原子序数介质以康普顿效应为主；而高能 T 射线和较高的原子序数介质则以电子对效应为主”。 3． 2用于 Y射线监测的探测器 现代主要用于环境 T射线检测的探测器有电离室、盖革一弥勒计 20 哈尔滨工程大学硕士学位论文 数器 (G— M管 )、 闪烁探测器。 电离室和 G— M管计数器属于气体探测 器类。 闪烁探测器则属于固体探测器类。 3． 2． 1气体探测器 1气体探测器的工作原理 气体探测器能 实现 T射线的探测并不单是对因为 T射线与物质作 用产生的电子直接进行采集而获得电信号的。 其中还有气体的电离与。