最新核辐射物理及探测学期末总结课件PPT.ppt 128页

'核辐射物理及探测学期末总结 重带电粒子与物质的相互作用1、特点重带电粒子均为带正电荷的离子；重带电粒子主要通过电离损失而损失能量；重带电粒子在介质中的运动径迹近似为直线。2、重带电粒子在物质中的能量损失规律1)能量损失率(SpecificEnergyLoss)对重带电粒子，辐射能量损失率相比小的多，因此重带电粒子的能量损失率就约等于其电离能量损失率。 2)Bethe公式的讨论(2)、与带电粒子的电荷z的关系；(1)、与带电粒子的质量M无关，而仅与其速度v和电荷数z有关。(3)、与带电粒子的速度v的关系：非相对论情况下，B随v变化缓慢，近似与v无关，则：(4)、，吸收材料密度大，原子序数高的，其阻止本领大。 3、正电子的湮没正电子与物质发生相互作用的能量损失机制和电子相同。高速正电子被慢化，在正电子径迹的末端与介质中的电子发生湮没，放出两个光子。正电子的特点是：两个湮没光子的能量相同，各等于511keV两个湮没光子的方向相反，且发射是各向同性的。 射线与物质的相互作用特点：光子通过次级效应与物质的原子或核外电子作用，光子与物质发生作用后，光子或者消失或者受到散射而损失能量，同时产生次电子；次级效应主要的方式有三种，即光电效应、康普顿效应和电子对效应。射线与物质发生不同的相互作用都具有一定的概率，用截面来表示作用概率的大小。总截面等于各作用截面之和，即： 作用截面与吸收物质原子序数的关系总体来说，吸收物质原子序数越大，各相互作用截面越大，其中光电效应随吸收物质原子序数变化最大，康普顿散射变化最小。光电效应康普顿散射电子对效应 作用截面与入射光子能量的关系光电效应截面随入射光子能量增加而减小，开始时变化剧烈，后基本成反比。电子对效应截面随入射光子能量增加而增加，只有光子能量大于1.022MeV才能发生。康普顿散射截面开始基本为常数，随入射光子能量增加而减小，减小比光电效应缓慢。 次电子能量光电效应：光电子康普顿散射：反冲电子电子对效应：正负电子对 第七章辐射探测中的概率统计问题 随机变量的运算和组合(A)(B)相互独立的随机变量的“和”、“差”与“积”的数学期望，是各随机变量数学期望的“和”、“差”与“积”，即： (C)相互独立的随机变量的“和”与“差”的方差，是各随机变量方差的“和”，即：(D)相互独立的遵守泊松分布的随机变量之“和”仍服从泊松分布。但是相互独立的遵守泊松分布的随机变量之“差”，不服从泊松分布。 串级随机变量的主要特点：(A)期望值：(B)方差：(C)相对方差：假如第一级随机变量的数学期望很大，那么就可以忽略第二级随机变量的相对方差对串级随机变量的相对方差的贡献。 (D)由两个伯努利型随机变量1和2串级而成的随机变量仍是伯努利型随机变量。若1和2的正结果发生概率分别为p1和p2，则正结果发生概率为：(E)由泊松分布的随机变量1与伯努利型随机变量2串级而成的随机变量仍遵守泊松分布。设1的平均值为m1,而2的正结果发生概率为p2，则的平均值为： 对于一个具有N0个放射性核的放射源，在t时间内发生核衰变数N遵守二项式分布。长寿命核素，其衰变概率很小为有限量在t时间内总衰变数N遵守泊松分布期望值方差核衰变数的涨落 放射性测量的统计误差(1).探测器输出计数的统计分布脉冲计数器的测量过程可以概括为三个基本过程，其计数值为一个三级串级型随机变量。Ω源发射粒子数n1射入探测器粒子数n2探测器输出脉冲数n3 (2).探测计数的统计误差粒子计数——探测器输出脉冲数服从统计分布规律，当计数的数学期望值m较小时，服从泊松分布。m较大时，服从高斯分布。而且，m较大时，m与有限次测量的平均值和任一次测量值N相差不大。N为单次测量值 标准偏差随计数N增大而增大，因此用相对标准偏差来表示测量值的离散程度：计数测量结果的表示：表示一个置信区间，该区间包含真平均值的概率为68.3％（置信度）。 电离过程的涨落与法诺(Fano)分布由于各次碰撞电离过程是非独立的，产生的离子对数不能简单用泊松分布来描述，而要对泊松分布进行修正，引入法诺因子FF一般取(气体)或0.1~0.15(半导体)不同材料法诺因子不同，F由实验测定。把这种分布称为法诺分布。 n1代表一个入射粒子束脉冲中包含的粒子数，是一个服从泊松分布的随机变量。每个入射带电粒子在探测器内产生n2个离子对，也是一个随机变量，且服从法诺分布。输出信号N是n1和n2的串级型随机变量由于n1服从泊松分布，n2服从法诺分布粒子束脉冲的总电离电荷量的涨落 相邻两个脉冲时间间隔T服从指数分布。表明：在短时间内出现第二个脉冲的概率较大。 一些常见情况：(1)计数统计误差的传递 例如：存在本底时净计数误差的计算：辐射测量中，本底总是存在的。本底包括宇宙射线、环境中的天然放射性及仪器噪声等。这时，为求得净计数需要进行两次测量：第一次，没有样品，在时间t内测得本底的计数为Nb；第二次，放上样品，在相同时间内测得样品和本底的总计数为Ns。样品的净计数为：其标准偏差为： (2)或 例如：计数率的误差：设在t时间内记录了N个计数，则计数率为n=N/t，计数率的标准偏差为：其相对标准偏差为： (3)或 (4)平均计数的统计误差对某样品重复测量k次，每次测量时间t相同(等精度测量)，得到k个计数则在时间t内的平均计数值为：由误差传递公式，平均计数值的方差为： 多次重复测量结果表达：平均计数的相对标准偏差： (5)存在本底时净计数率误差的计算：第一次，在时间tb内测得本底的计数为Nb；第二次，在时间ts内测得样品和本底的总计数为Ns。样品的净计数率为：标准偏差为：相对标准偏差为： (6)不等精度独立测量值的平均如果对同一量进行了k次独立测量，各次测量的时间为ti，计数为Ni。这是不等精度测量。这时，简单的求平均不再是求单次“最佳值”的适宜方法。需要进行加权平均，使测量精度高的数据在求平均值时的贡献大，精度低的贡献小。 结果表示为：如果k次测量的时间均相等，则测量为等精度测量：从统计误差而言，无论是一次测量还是多次测量，只要总的计数相同，多次测量的平均计数率相对误差和一次测量的计数率的相对误差是一致的。 (7)测量时间的选择(B)有本底存在时，需要合理分配样品测量时间ts和本底测量时间tb。(A)不考虑本底的影响；根据：在相对标准偏差给定的情况下，所需最小测量时间为： 辐射探测器学习要点：探测器的工作机制；探测器的输出回路与输出信号；探测器的主要性能指标；探测器的典型应用。 第八章气体探测器Gas－filledDetector Pulseamplitude(logscale) 电离室工作机制：入射带电粒子(或非带电粒子的次级效应产生的带电粒子)使气体电离产成电子－离子对，电子－离子对在外加电场中漂移，感应电荷在回路中流过，从而在输出回路产生信号。输出信号：电荷、电流、电压。是理想的电荷源。是近似理想的电流源（条件：V(t)<>tc(tc为载流子收集时间)时，为电压脉冲型工作状态：辐射在灵敏体积内产生的电子－空穴对数由于h与Cd有关，而结电容随偏压而变化，因此当所加偏压不稳定时，将会使h发生附加的涨落；为解决该矛盾，PN结半导体探测器通常采用电荷灵敏前置放大器。则输出脉冲幅度为：输出回路的时间常数为： 主要性能1)能量分辨率（线宽表示）(1)输出脉冲幅度的统计涨落E1(2)噪声引起的展宽E2电子学噪声主要由第一级FET构成，包括：零电容噪声和噪声斜率。(3)窗厚度的影响E3(4)电子与空穴陷落的影响E4 2）分辨时间与时间分辨本领：3）能量线性很好，与入射粒子类型和能量基本无关4）辐照寿命辐照寿命是半导体探测器的一个致命的弱点。随使用时间的增加，载流子寿命变短。耗尽层厚度为1～2mm。对强穿透能力的辐射而言，探测效率受很大的局限。P-N结半导体探测器存在的矛盾： 锂漂移探测器1)空间电荷分布、电场分布及电位分布I区为完全补偿区，呈电中性为均匀电场；I区为耗尽层，电阻率可达1010cm；I区厚度可达10～20mm，为灵敏体积。2)工作条件为了降低探测器和FET的噪声，同时为降低探测器的表面漏电流，探测器和FET都置于真空低温的容器内，工作于液氮温度(77K)。对Ge(Li)探测器，须保持在低温下；对Si(Li)探测器，可在常温下保存。 高纯锗探测器1)P区存在空间电荷，HPGe半导体探测器是PN结型探测器。2)P区为非均匀电场。3)P区为灵敏体积，其厚度与外加电压有关，一般工作于全耗尽状态。4)HPGe半导体探测器可在常温下保存，低温下工作。5)注意其空间电荷分布、电场分布及电位分布 性能其中：Si(Li)和Ge(Li)平面型探测器用于低能(X)射线的探测，其能量分辨率常以55Fe的衰变产物55Mn的KX能量5.95KeV为标准，一般指标约：1)能量分辨率：为载流子数的涨落。为漏电流和噪声；为载流子由于陷阱效应带来的涨落，通过适当提高偏置电压减小。HPGe，Ge(Li)同轴型探测器用于射线探测，常以60Co能量为1.332MeV的射线为标准，一般指标约： 2)探测效率一般以3英寸×3英寸的NaI(Tl)晶体为100％，用相对效率来表示。以85cm3的HPGe为例，探测效率为19％。3)峰康比P=全能峰峰值/康普顿平台的峰值与FWHM以及体积有关，可达600～8004)能量线性：非常好5)时间特性：电流脉冲宽度约10-9~10-8s. 1)HPGe和Ge(Li)用于组成谱仪：锗具有较高的密度和较高的原子序数(Z=32)应用2)Si(Li)探测器由于Si的Z＝14，对一般能量的射线，其光电截面仅为锗的1/50，因此，其主要应用为：低能量的射线和X射线测量，在可得到较高的光电截面的同时，Si的X射线逃逸将明显低于锗的X射线逃逸；粒子或其他外部入射的电子的探测，由于其原子序数较低，可减少反散射。 探测器的工作机制及输出信号产生的物理过程 气体探测器中的电子－离子对闪烁探测器中被PMT的D1收集的电子半导体探测器中的电子－空穴对产生每个信息载流子的平均能量分别为30eV(气体探测器)300eV(闪烁探测器)3eV(半导体探测器)探测器的信息载流子 电离室：电子-正离子对的生成；离子对在电场中的漂移；感应电荷的流动；输出电流信号和电压信号。正比计数器：非自持放电--碰撞电离与雪崩过程；光子反馈与离子反馈及多原子分子气体；气体放大系数。GM管：自持放电--电子雪崩的传播及正离子鞘的形成；自熄过程；有机管与卤素管的工作机制的特点。 闪烁探测器：发光机制；闪烁体的发光衰减时间常数；光子的收集--光电转换--光电子被D1收集--电子倍增--电子在最后打拿极与阳极间运动产生信号。半导体探测器：空间电荷形成的电场；电子-空穴对的形成；PN结及PIN结的形成及工作原理。 探测器的输出信号 1）电荷量：（电离室、半导体探测器）（正比计数器）（闪烁探测器）（GM管） 2）电流信号气体和半导体探测器的电流信号的一般表达式：正比计数器：闪烁探测器： 3）电压信号：等效电路与输出回路时间常数一般表达式 探测器的工作状态 （1）电流工作状态--反映粒子束流的平均电离效应，条件：输出直流电流电压（2）脉冲工作状态--反映单个入射粒子的电离效应，条件：电流脉冲工作状态：tc为载流子收集时间，电压脉冲形状与电流脉冲相似电压脉冲工作状态：电压脉冲为电流脉冲在电容上的积分，且有（3）脉冲束工作状态--反映粒子束脉冲的总电离效应，辐射源为脉冲束源。条件 各种探测器的能量分辨率 电离室正比计数器闪烁探测器半导体探测器 能量分辨率的表示百分数表示线宽表示(单位为KeV)考虑影响能量分辨率的各种因素时，谱仪的总分辨率： 第十二章辐射测量方法 放射性样品的活度测量相对法测量简便，但条件苛刻：必须有一个与被测样品相同的已知活度的标准源，且测量条件必须相同。绝对测量法复杂，需要考虑很多影响测量的因素，但绝对测量法是活度测量的基本方法。1)小立体角法2)4计数法 射线能谱的测定单能能谱的分析1)单晶谱仪主过程：全能峰——光电效应＋所有的累计效应；康普顿平台、边沿及多次康普顿散射；单、双逃逸峰。2)单能射线的能谱其他过程：和峰效应；I(或Ge)逃逸峰；边缘效应(次电子能量未完全损失在灵敏体积内)。屏蔽和结构材料对谱的影响：散射及反散射峰；湮没峰；特征X射线。 24Na的衰变纲图AB 24Na的NaI能谱ABA+BSEBDEB 58Co的衰变纲图ABC 58Co的NaI能谱ABC800+511Ann.Rad. 各种谱仪装置1)单晶谱仪。探测器放大器多道分析器计算机 2)全吸收反康普顿谱仪。主探测器符合环前置放大反符合带门控的多道前置放大控制信号测量信号 3)康普顿谱仪(双晶谱仪)。放大器放大器符合电路带门控的多道主探测器辅探测器测量信号门控信号 4)电子对谱仪(三晶谱仪)辅I辅II放大器放大器放大器符合带门控的多道测量信号门控信号 第十三章中子及中子探测 中子与物质的相互作用1.中子的散射1)弹性散射(n,n)中子与物质的相互作用实质上是中子与物质的靶核的相互作用。出射粒子仍为中子、剩余核仍为靶核。反冲核的动能：2)非弹性散射(n,n’) 2.中子的俘获1)中子的辐射俘获(n,)复合核的形成。2)发射带电粒子的中子核反应如(n,)，(n,p)等，这些反应在中子探测中应用很多，成为探测中子的主要手段。3)裂变反应(n,f)4)多粒子发射 中子探测的特点和基本方法辐射体1.核反应法——产生带电粒子反应截面与中子能量的关系：2.核反冲法中子与靶核的弹性碰撞产生反冲核。3.核裂变法中子与重核发生核裂变产生裂变碎片，裂变碎片是巨大的带正电荷的粒子。4.活化法选用一些核素具有较高的活化截面，活化后放射性核素也具有较易测量的放射性。 1.硼电离室和裂变室辐射体：常用10B和235U；工作状态：一般工作于电流工作状态，裂变室也可工作于脉冲工作状态。常用中子探测器硼电离室还常工作于补偿型状态，通过补偿消除本底的影响。 2.10BF3和3He正比计数器工作气体：含10B的BF3或高丰度3He的氦气。3.含锂闪烁体常用6LiI(Eu)晶体；铈激活的锂玻璃等。1)含氢正比计数管——气体介质含H2或CH4。2)有机闪烁体——富含H和C，还可以运用n/脉冲形状甄别技术，在较强的场中测量中子。4.利用质子反冲效应的探测器 中心辐射体是中子活化材料，活化后具有放射性。粒子作为荷电粒子在极板间运动而在外回路中产生输出信号。不需要外加电源，称为自给能探测器。输出信号：5.自给能探测器性能：灵敏度＝1.2×10-21A/单位中子注量率;中子注量率测量范围109～1014/cm2s;体积小：直径1～2mm;时间延迟～5T1/2适合用于堆芯的中子注量率的测量。 中子灵敏度定义：Nt为灵敏体积中辐射体的靶核数中子灵敏度反应的发生率中子注量率对能量低于30KeV的中子：中子注量率为： 精品课件！ 精品课件！ 对热中子，在T=20C时，故：则，热中子灵敏度为： 消渴小便不利淋病脉证并治第十三 概述1.合篇意义：症状：有口渴和小便的变化病位：与肾、膀胱关系密切方治：可以互通2.概念： 2.概念：渴－消烁津液(1)消渴：广义－疾病名。命名　消谷－消谷善饥瘦－消耗肌肉特指多饮、多食、多尿、消瘦为主症的一类疾病。狭义－症状名。是指热病过程中口渴引饮的一个症状。(2)小便不利：指小便困难，短少，尿道不疼为特征的一类疾病，亦是时病和杂病中的一个症状。(3)淋病：是以小便点滴，淋漓涩痛，甚则刺痛为主症的一类疾病。 消　　渴　　病 原文分析一、病机与主症【原文】寸口脉浮而迟，浮即为虚，迟即为劳；虚则卫气不足，劳则营气竭。趺阳脉浮而数，浮即为气，数则消谷而大坚；气盛则溲数，溲数即坚，坚数相搏，即为消渴。（2） 【解析】寸口脉浮－虚－卫气不足〖病因〗营卫两虚(心肺)迟－劳－营气竭〖病机〗燥热内生趺阳脉　浮－气－气盛则溲数－溲数即坚(脾胃)数－消谷而大坚结合第8条：趺阳脉－数－胃中有热－消谷引食，大便必坚，小便即数。〖病机〗胃热气盛→热盛耗津→消渴病消渴病小便频数大便坚硬消谷善饥大便坚硬 坚数相搏，即为消渴——中消证主症：消渴多饮，消谷善饥，小便频数，大便坚硬。(多食)病机：胃热气盛病情：燥热为标，阴虚为本【临床应用】1.清·程钟龄《医学心悟》指出，治中消者，宜清其胃，兼滋其肾——使相火不得攻胃也。2.后世补入加减方。 二、证治（一）肺胃热盛，津气两伤【原文】渴欲饮水，口干舌燥者，白虎加人参汤主之。（12）【解析】渴欲饮水——上消证的主症〖病机〗肺胃热盛，津气两伤口干舌燥者——渴饮无度(多饮多尿)〖病机〗肺胃热盛，消烁津液气虚津亏，无以上承 【方药】白虎加人参汤主之白虎汤——清热止渴人　参——益气生津【功效】益气生津，清热止渴【临床应用】1.《医学心悟》指出，治上消者，宜润其肺，兼清其胃——使胃火不得伤肺也。2.可在本方基础上加减辨治糖尿病、尿崩症。 （二）肾气亏虚【原文】男子消渴，小便反多，以饮一斗，小便一斗，肾气丸主之。（3）【解析】男子——强调其病因与房劳伤肾有关。酒色姿欲→肾精过耗→阴损及阳小便反多，以饮一斗，小便一斗——下消证的主症〖病机〗肾阳衰微不能蒸腾以上润，津不上承→渴饮无度(多饮)不能化气以摄水，水趋下源→小便反多(多尿) 【临床应用】1.《医学心悟》指出，治下消者，宜滋其肾，兼补其肺——滋上源以生水也。2.对消渴病的病因病机认识：阴虚燥热，气阴两虚，痰瘀阻滞，阴阳两虚。3.临床辨治内分泌系统的糖尿病、尿崩症等，以空腹血糖升高为基本特征者，日久可并发心、脑、肾、眼等多器官病变。4.现代药理研究证实：苍术、黄芪、玄参、生地、茯苓、麦冬以及某些活血化瘀药有较好的降血糖作用。【方药】肾气丸主之【功效】温补肾阳 小便不利、淋病 一、小便不利证治（一）膀胱气化不行【原文】(4)(5)——五苓散：化气行水利小便、发汗（二）水热互结伤阴【原文】(13)——猪苓汤：育阴清热利小便 （三）上燥下寒水停【原文】小便不利者，有水气，其人苦渴，栝蒌瞿麦丸主之。（10）【解析】小便不利者——主症。从方测症：当有腹中冷，甚至浮肿。有水气——提示病机：肾阳不足，膀胱气化失职——下寒其人苦渴——〖校勘〗从《医统正脉》本主症：口渴症重病机：气不化水，津不上承——上燥 【方药】栝蒌瞿麦丸主之栝蒌根－润燥生津止渴炮附子、山药、茯苓　取肾气丸之效　　温阳化气为肾气丸法变方　益脾利水瞿麦－清热利尿【功效】润燥生津，温阳化气，益脾利水 【按语】1.配伍特点：温阳不伤津，润燥不碍阳，渗利不劫阴——肺脾肾三焦兼顾2.方后注：“腹中温为知”——意指下寒，肾阳不足为病之本。施以丸剂，服法以小量渐增，实为缓补，渐复阳气之意。3.比较栝蒌瞿麦丸与八味肾气丸两方证之异同。【临床应用】【现代研究】本方有明显的利尿作用，可用于治疗小便不利。 （四）湿热夹瘀，脾肾亏虚【原文】小便不利，蒲灰散主之；滑石白鱼散、茯苓戎盐汤并主之。（11） 【提示】同病异治——病机不同，证候不同，治法不同1.湿热证－蒲灰散　生蒲黄：凉血、化瘀、消肿　　化瘀利窍(热淋)　　　滑石：清热利湿　　　　　　　泄热滑石：同上2.湿热夹瘀证－滑石白鱼散　乱发(烧)：止血消瘀利尿(血淋)　　　　　　　　白鱼：消瘀行血利尿3.脾肾两虚证－茯苓戎盐汤　茯苓、白术：健脾利湿(劳淋、膏淋)　　　　　戎盐(青盐)：益肾利水消瘀热利水消瘀止血健脾益肾利湿小便不利 二、淋病（一）主症【原文】淋之为病，小便如粟状，小腹弦急，痛引脐中。（7）【解析】淋之为病，小便如粟状——石淋　小便涩痛而淋沥或点滴有粟米状结石从小便排除〖病机〗肾虚而膀胱热盛小腹弦急，痛引脐中——少腹拘急疼痛，并牵引脐中〖病机〗热灼成石，阻塞尿路 【按语】1.引《论注》之说，视本条为五淋具有之症。2.淋病有虚实寒热之分，当辨证运用。【临床应用】 （二）治禁【原文】淋家不可发汗，发汗则必便血。（9）【校勘】便血－尿血【提示】凡久治不愈的淋病患者，复感外邪时，不可发汗。 小　　结一、消渴病1.概念广义――疾病名。狭义――症状名。2.病机与辨证（2.3.8.12）肺胃热盛，津气两伤　――上消胃热气盛，热盛耗津　――中消　　阴虚为本，燥热为标阴损及阳，肾阳虚衰　――下消3.证治 3.证治上消证：渴欲饮水，口干舌燥病位：肺、胃病机：气津两伤――白虎加人参汤中消证：消谷引食，大便必坚，小便即数病位：胃病机：胃热气盛耗津――(调胃承气汤加味方)下消证：小便反多，以饮一斗，小便一斗病位：肺、胃、肾病机：阴损及阳，肾阳虚衰――肾气丸 二、小便不利、淋病1.概念2.证治膀胱气化不利――五苓散(4、5)水热互结伤阴――猪苓汤(13)下寒上燥――栝蒌瞿麦丸(10)湿热(热淋)――蒲灰散(11)湿热夹瘀(血淋)――滑石白鱼散脾肾两虚(劳淋、膏淋)――茯苓戎盐汤主症：小便如粟状，小腹弦急，痛引脐中(7)治禁：淋家不可发汗(9)小便不利淋病 【习题】1.名词术语解释消渴病、小便不利、淋病其人苦渴、小便如粟状2.白虎加人参汤、肾气丸各主治消渴病的何种病证？3.栝蒌瞿麦丸的主治证、病机、方药及功效是什么？4.石淋的临床特征是什么？'