红外、核辐射第十二章.ppt

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1、红外传感器红外传感器 一、红外辐射一、红外辐射 红红外外辐辐射射俗俗称称红红外外线线，它它是是一一种种不不可可见见光光，由由于于是是位位于于可可见见光光中中红红色色光光以以外外的的光光线线，故故称称红红外外线线。它它的的波波长长范范围围大大致致在在0.761000 m，红红外外线线在在电电磁磁波波谱谱中中的的位位置置如如图图所所示示。工工程程上上又又把把红红外外线线所所占占据据的的波波段段分为四部分，分为四部分，即近红外、中红外、即近红外、中红外、远红外和极远红外远红外和极远红外。1注意：这里所说的远近是指红外辐射在注意：这里所说的远近是指红外辐射在 注意：这里所说的远近是指红外辐射在注意：这

2、里所说的远近是指红外辐射在 注意：这里所说的远近是指红外辐射在注意：这里所说的远近是指红外辐射在 电磁波谱中与可见光的距离。电磁波谱中与可见光的距离。2 红外辐射的物理本质是红外辐射的物理本质是热辐射热辐射，一个炽，一个炽热物体向外辐射的能量大部分是通过红外线热物体向外辐射的能量大部分是通过红外线辐射出来的。物体的温度越高，辐射出来的辐射出来的。物体的温度越高，辐射出来的红外线越多，辐射的能量就越强。红外光的红外线越多，辐射的能量就越强。红外光的本质与可见光或电磁波性质一样，具有反射、本质与可见光或电磁波性质一样，具有反射、折射、散射、干涉、吸收等特性，折射、散射、干涉、吸收等特性，它在真空它

3、在真空中也以光速传播，并具有明显的波粒二相性。中也以光速传播，并具有明显的波粒二相性。3 红外辐射和所有电磁波一样，是以波的形红外辐射和所有电磁波一样，是以波的形式在空间直线传播的。它在大气中传播时，大式在空间直线传播的。它在大气中传播时，大气层对不同波长的红外线存在不同的吸收带，气层对不同波长的红外线存在不同的吸收带，红外线气体分析器就是利用该特性工作的，空红外线气体分析器就是利用该特性工作的，空气中对称的双原子气体，如气中对称的双原子气体，如N2N2、O2O2、H2H2等不吸等不吸收红外线。而红外线在通过大气层时，有三个收红外线。而红外线在通过大气层时，有三个波段透过率高，它们是波段透过率

4、高，它们是2 22.6m2.6m、3 35 5 mm和和8 814 14 mm，统称它们为，统称它们为“大气窗口大气窗口”。4二、二、红外探测器红外探测器 红红外外传传感感器器一一般般由由光光学学系系统统、探探测测器器、信信号号调调理理电电路路及及显显示示单单元元等等组组成成。红红外外探探测测器器是是红红外外传传感感器器的的核核心心。红红外外探探测测器器是是利利用用红红外外辐辐射射与与物物质质相相互互作作用用所所呈呈现现的的物物理理效效应应来来探探测测红红外外辐辐射射的的。红红外外探探测测器器的的种种类类很很多多，按按探探测测机机理理的的不不同同，分分为为热热探探测测器器和和光光子子探探测器测

5、器两大类。两大类。51.热探测器热探测器 热探测器的工作机理：利用红外辐射的热探测器的工作机理：利用红外辐射的热效应热效应，探测器的敏感元件吸收辐射能后引起温度升高，进探测器的敏感元件吸收辐射能后引起温度升高，进而使某些有关物理参数发生相应变化，通过测量物而使某些有关物理参数发生相应变化，通过测量物理参数的变化来确定探测器所吸收的红外辐射。理参数的变化来确定探测器所吸收的红外辐射。热探测器主要有四类：热释电型、热敏电热探测器主要有四类：热释电型、热敏电阻型、热电阻型和气体型。阻型、热电阻型和气体型。其中，热释电型探测器在热探测器中探测率最其中，热释电型探测器在热探测器中探测率最高，高，频率响应

6、最宽。频率响应最宽。6 热热释释电电型型红红外外探探测测器器是是根根据据热热释释电电效效应应制制成成的的，晶晶体体受受热热产产生生温温度度变变化化时时，其其原原子子排排列列将将发发生生变变化化，晶晶体体自自然然极极化化，在在其其两两表表面面产产生生电电荷荷（即即热热释释电电效效应应和和“铁电体铁电体”)当当红红外外辐辐射射照照射射到到极极化化的的铁铁电电体体薄薄片片表表面面上上,薄薄片片温温度度升升高高，其其极极化化强强度度降降低低，表表面面电电荷荷减减少少，这这相相当当于于释放一部分电荷。释放一部分电荷。如如果果将将负负载载电电阻阻与与铁铁电电体体薄薄片片相相连连，则则负负载载电电阻阻上上便

7、便产产生生一一个个电电信信号号输输出出。输输出出信信号号的的强强弱弱取取决决于于薄薄片片温度变化的快慢，从而反映出入射的红外辐射的强弱温度变化的快慢，从而反映出入射的红外辐射的强弱.7几点注意几点注意v当恒定的红外辐射照射在热释电传感器上时，传感当恒定的红外辐射照射在热释电传感器上时，传感器没有电信号输出。器没有电信号输出。v只有铁电体温度处于变化过程中，才有电信号输出。只有铁电体温度处于变化过程中，才有电信号输出。v必必须须对对红红外外辐辐射射进进行行调调制制（或或称称斩斩光光），使使恒恒定定的的辐辐射射变变成成交交变变辐辐射射，不不断断引引起起传传感感器器的的温温度度变变化化，才才能能导导

8、致热释电产生，并输出交变的信号。致热释电产生，并输出交变的信号。8 热释电元件在红外线检测中得到广泛的热释电元件在红外线检测中得到广泛的应用。它可用于能产生远红外辐射的人体检应用。它可用于能产生远红外辐射的人体检测，如防盗门、宾馆大厅自动门、自动灯的测，如防盗门、宾馆大厅自动门、自动灯的控制等。控制等。热释电元件外形热释电元件外形 9热释电传感器的内部电路热释电传感器的内部电路两块反向两块反向串联的热串联的热释电晶片释电晶片场场效应管效应管10热释电传感器工作原理热释电传感器工作原理 热释电晶片表面必须罩上一块由一组平行的热释电晶片表面必须罩上一块由一组平行的棱柱型透镜所组成菲涅尔透镜，每一透

9、镜单元棱柱型透镜所组成菲涅尔透镜，每一透镜单元都只有一个不大的视场角，当人体在透镜的监都只有一个不大的视场角，当人体在透镜的监视视野范围中运动时，顺次地进入第一、第二视视野范围中运动时，顺次地进入第一、第二单元透镜的视场，晶片上的两个反向串联的热单元透镜的视场，晶片上的两个反向串联的热释电单元将输出一串交变脉冲信号。当然，如释电单元将输出一串交变脉冲信号。当然，如果人体静止不动地站在热释电元件前面，它是果人体静止不动地站在热释电元件前面，它是“视而不见视而不见”的。的。1112菲涅尔透镜菲涅尔透镜菲涅尔透镜菲涅尔透镜热释电晶片热释电晶片13菲涅尔透镜外形菲涅尔透镜外形 传感器不加菲涅尔传感器不

10、加菲涅尔透镜时，其检测距离透镜时，其检测距离小于小于2m，而加上该透而加上该透镜后，其检测距离可镜后，其检测距离可增加增加3倍以上倍以上。14热释电套件热释电套件15热释电报警器热释电报警器菲涅尔透镜菲涅尔透镜设定按钮设定按钮高高分贝喇叭分贝喇叭16热释电报警器热释电报警器菲涅尔透镜菲涅尔透镜 5mm接插件接插件17热释电报警器（续）热释电报警器（续）吸吸顶顶式式 热释电报警器热释电报警器18热释电传感器应用热释电传感器应用 热释电传热释电传感器用于自动感器用于自动亮灯，当然也亮灯，当然也可以用于防盗可以用于防盗热释电传感器热释电传感器的感应范围的感应范围19热释电感应灯热释电感应灯热释电热释

11、电传感器传感器20自动感应灯自动感应灯21热释电传感器在智能空调中的应用热释电传感器在智能空调中的应用 智能空调能检测智能空调能检测出屋内是否有人，微出屋内是否有人，微处理器据此自动调节处理器据此自动调节空调的出风量，以达空调的出风量，以达到节能的目的。到节能的目的。空调中，热空调中，热释电释电传感器的菲涅尔传感器的菲涅尔透镜做成球形状，从而能感受到屋内透镜做成球形状，从而能感受到屋内一定空间角范围里是否有人，以及人一定空间角范围里是否有人，以及人是静止着还是走动着。是静止着还是走动着。上上下下范范围围左右范围左右范围222.2.光子探测器光子探测器 光光子子探探测测器器的的工工作作机机理理是

12、是：利利用用入入射射光光辐辐射射的的光光子子流流与与探探测测器器材材料料中中的的电电子子互互相相作作用用，从从而而改改变变电电子子的的能能量量状状态态，引引起起各各种种电电学学现现象象这这种种现现象象称称为为光光子子效效应应。根根据据所所产产生生的的不不同同电电学学现现象象，可可制制成成各各种种不不同同的的光光子子探探测测器器。光光子子探探测测器器有有内内光光电电和和外外光光电电探探测测器器两两种种，后后者者又又分分为为光光电电导导、光光生生伏伏特特和和光光磁磁电电探探测测器器等等三三种种。光光子子探探测测器器的的主主要要特特点点是是灵灵敏敏度度高高，响响应应速速度度快快，具具有有较较高高的的

13、响响应应频频率率，但但探探测测波波段段较较窄窄，一一般需在般需在低温下低温下工作。工作。231.1.红外线辐射温度计：红外线辐射温度计：红外辐射温度计既可用于高温测量，红外辐射温度计既可用于高温测量，又可用于冰点以下的温度测量，所以是辐又可用于冰点以下的温度测量，所以是辐射温度计的发展趋势。市售的红外辐射温射温度计的发展趋势。市售的红外辐射温度计的温度范围可以从度计的温度范围可以从-30-3030003000，中，中间分成若干个不同的规格，可根据需要选间分成若干个不同的规格，可根据需要选择适合的型号。择适合的型号。三、应用三、应用24红外测温的特点红外测温的特点(1)红外测温是远距离和非接触测

14、温红外测温是远距离和非接触测温，特别适合于高速运动物体、，特别适合于高速运动物体、带电体、高温及高压物体的温度测量；带电体、高温及高压物体的温度测量；(2)红外测温反应速度快红外测温反应速度快。它不需要与物体达到热平衡的过程。它不需要与物体达到热平衡的过程。只要接收到目标的红外辐射即可定温。反映时间一般都在只要接收到目标的红外辐射即可定温。反映时间一般都在毫秒级毫秒级甚至微秒级甚至微秒级。(3)红外测温灵敏度高红外测温灵敏度高。因为物体的辐射能量与温度的四次方成。因为物体的辐射能量与温度的四次方成正比。物体温度微小的变化，就会引起辐射能量成倍的变化，红正比。物体温度微小的变化，就会引起辐射能量

15、成倍的变化，红外传感器即可迅速地检测出来；外传感器即可迅速地检测出来；(4)红外测温准确度较高红外测温准确度较高。由于是非接触测量，不会破坏物体原。由于是非接触测量，不会破坏物体原来温度分布状况，因此测出的温度比较真实。其测量准确度可达来温度分布状况，因此测出的温度比较真实。其测量准确度可达到到0.1以内，甚至更小；以内，甚至更小；(5)红红外外测测温温范范围围广广泛泛。可可测测摄摄氏氏零零下下几几十十度度到到零零上上几几千千度度的的温温度范围。度范围。25红外线辐射温度计外形红外线辐射温度计外形 激光仅激光仅 用于瞄准用于瞄准26红外线辐射温度计外形红外线辐射温度计外形 红外线辐射温度计红外

16、线辐射温度计用于食品温度测量用于食品温度测量27红外线辐射温度计红外线辐射温度计在非接触体温测量中的应用在非接触体温测量中的应用耳温仪耳温仪28红外线辐射温度计用于人体额温测量红外线辐射温度计用于人体额温测量29 红外线辐射温度计在红外线辐射温度计在非接触温度测量中的应用非接触温度测量中的应用集成集成IC 温温度测量度测量30红外线辐射温度计红外线辐射温度计-非接触温度测量非接触温度测量利用红色激光瞄准被测物利用红色激光瞄准被测物（冷藏牛奶和面食）（冷藏牛奶和面食）31红外线辐射温度计红外线辐射温度计-非接触温度测量非接触温度测量利用红色激光瞄准被利用红色激光瞄准被测物（电控柜、天花测物（电控

17、柜、天花板内的布线层）板内的布线层）温度采集系统温度采集系统3233红外测温仪方框图红外测温仪方框图34352.2.红外线成像技术红外线成像技术 红外热成像技术是一种被动红外夜视技术，其原理红外热成像技术是一种被动红外夜视技术，其原理是基于自然界中一切温度高于绝对零度（是基于自然界中一切温度高于绝对零度（-273-273）的物）的物体，每时每刻都辐射出红外线，同时这种红外线辐射都体，每时每刻都辐射出红外线，同时这种红外线辐射都载有物体的特征信息，这就为利用红外技术判别各种被载有物体的特征信息，这就为利用红外技术判别各种被测目标的温度高低和热分布场提供了客观的基础。利用测目标的温度高低和热分布场

18、提供了客观的基础。利用这一特性，通过光电红外探测器将物体发热部位辐射的这一特性，通过光电红外探测器将物体发热部位辐射的功率信号转换成电信号后，成像装置就可以一一对应地功率信号转换成电信号后，成像装置就可以一一对应地模拟出物体表面温度的空间分布，最后经系统处理，形模拟出物体表面温度的空间分布，最后经系统处理，形成热图像视频信号，传至显示屏幕上，就得到与物体表成热图像视频信号，传至显示屏幕上，就得到与物体表面热分布相对应的热像图，即红外热图像。面热分布相对应的热像图，即红外热图像。36红外热成像技术是一种被动式的非接触的检测与识红外热成像技术是一种被动式的非接触的检测与识别，隐蔽性好别，隐蔽性好

19、红外热成像技术不受电磁干扰，能远距离精确跟踪热红外热成像技术不受电磁干扰，能远距离精确跟踪热目标，精确制导目标，精确制导 红外热成像技术能真正做到红外热成像技术能真正做到24h24h全天候监控全天候监控 红外热成像技术的探测能力强，作用距离远红外热成像技术的探测能力强，作用距离远 红外热成像技术可采用多种显示方式，把人类的感官红外热成像技术可采用多种显示方式，把人类的感官由五种增加到六种由五种增加到六种 红外热成像技术能直观地显示物体表面的温度场，不红外热成像技术能直观地显示物体表面的温度场，不受强光影响，应用广泛受强光影响，应用广泛 3738热成像仪热成像仪3940红外探伤红外探伤 不同媒介

20、材料表面及表面下的物理特性和边界条件不同媒介材料表面及表面下的物理特性和边界条件将影响热波的传输，而这些影响又以某种方式反映在媒将影响热波的传输，而这些影响又以某种方式反映在媒介材料表面的温场变化上，因此介材料表面的温场变化上，因此通过控制加热和测量材通过控制加热和测量材料表面的温场变化料表面的温场变化，将可以获取材料的均匀性信息以及，将可以获取材料的均匀性信息以及其表面以下的结构信息，从而达到检测和探伤目的。目其表面以下的结构信息，从而达到检测和探伤目的。目前，测量表面温场最直接、最快速的方法是红外热成像前，测量表面温场最直接、最快速的方法是红外热成像技术，所以热波检测又常被称为红外热波检测

21、。值得指技术，所以热波检测又常被称为红外热波检测。值得指出的是，由于应用热波原理并采用主动性控制加热，红出的是，由于应用热波原理并采用主动性控制加热，红外热波无损检测技术与传统的被动式热成像检测是有本外热波无损检测技术与传统的被动式热成像检测是有本质区别的。质区别的。41红外线热成像仪在电厂的应用红外线热成像仪在电厂的应用 42红外成像技术在变电所的应用红外成像技术在变电所的应用 43核辐射传感器核辐射传感器 辐射是一种完美的测量方法，在射线通过被测辐射是一种完美的测量方法，在射线通过被测物时会伴随着物时会伴随着能量的损失能量的损失，只要得到确切的损失，只要得到确切的损失量，那么就可以准确地了

22、解到被测物的厚度、吸量，那么就可以准确地了解到被测物的厚度、吸收系数（收系数（CT CT 值）和强度等参数。值）和强度等参数。44定义：核辐射传感定义：核辐射传感器是将入射核辐射器是将入射核辐射（粒子）的全部或（粒子）的全部或部分能量转化为可部分能量转化为可观测的信号（如电观测的信号（如电流、电压信号）的流、电压信号）的装置。装置。45一、核辐射及其性质一、核辐射及其性质 众众所所周周知知，各各种种物物质质都都是是由由一一些些最最基基本本的的物物质质所所组组成成。人人们们称称这这些些最最基基本本的的物物质质为为元元素素。组组成成每每种种元元素素的的最最基基本本单单元元就就是是原原子子，每每种种

23、元元素素的的原原子子都都不不是是只只存存在在一一种种。具具有有相相同同的的核核电电荷荷数数Z Z而而有有不不同同的的质质子子数数A A的的原原子子所所构构成成的的元元素素称称同同位位素素。假假设设某某种种同同位位素素的的原原子子核核在在没没有有外外力力作作用用下下，自自动动发发生生衰衰变变，衰衰变变中中释释放放出出射射线线、射射线线、射射线线、X X射射线线等等，这这种种现现象象称称为为核核辐辐射射。而而放放出出射射线线的的同同位位素素称称为为放放射射性性同同位位素素，又又称放射源。称放射源。46实验表明，放射源的强度是随着时间按指数定实验表明，放射源的强度是随着时间按指数定理而减低的，即理而

24、减低的，即 式中：式中：J J0 0开始时的放射源强度；开始时的放射源强度；J J经过时间为经过时间为t t以后的放射源强度；以后的放射源强度；放射性衰变常数。放射性衰变常数。47 放放射射性性同同位位素素种种类类很很多多，由由于于核核辐辐射射检检测测仪仪表表对对采采用用的的放放射射性性同同位位素素要要求求它它的的半半衰衰期期比比较较长长(半半衰衰期期是是指指放放射射性性同同位位素素的的原原子子核核数数衰衰变变到到一一半半所所需需要要的的时时间间，这这个个时时间间又又称称为为放放射射性性同同位位素素的的寿寿命命)，且且对对放放射射出出来来的的射射线线能能量量也也有有一一定定要要求求，因因此此常

25、常用用的的放放射射性性同同位位素素只只有有2020种种左左右右，例例如如SrSr9090（锶锶）、CoCo6060（钴钴）、CsCs137137（铯）、铯）、AmAm241241（镅）等。镅）等。48 1.射线射线 放放射射性性同同位位素素原原子子核核中中可可以以发发射射出出粒粒子子。它它带带有有正正电电荷荷，实实际际上上即即为为氦氦原原子子核核，这这种种粒粒子子流流通通常常称称作作射射线线。一一般般粒粒子子具具有有4040100MeV100MeV的的能能量量，平平均均寿寿命命为为几几微微秒秒到到10101010年年。它它从从核核内内射射出出的的速速度度为为20km/s20km/s，粒粒子子的

26、的射射程程长长度在空气中为几厘米到十几厘米。度在空气中为几厘米到十几厘米。492.射线射线 粒子的质量为粒子的质量为0.000 549 u0.000 549 u，带有一个，带有一个单位的电荷。它所带的能量为单位的电荷。它所带的能量为100 100 keVkeV几兆几兆电子伏特。电子伏特。粒子的运动速度均较粒子的运动速度均较粒子的粒子的运动速度高很多，在气体中的射程可达运动速度高很多，在气体中的射程可达20m20m。50 3.射线射线 原原子子核核从从不不稳稳定定的的高高能能激激发发态态跃跃迁迁到到稳稳定定的的基基态态或或较较稳稳定定的的低低能能态态，并并且且不不改改变变其其组组成成过过程程称称

27、为为衰衰变变（或或称称跃跃迁迁）。发发生生跃跃迁迁时时所所放放射射出出的的射射线线称称射射线线或或光光子子。对对于于放放射射性性同同位位素素核核衰衰变变时时放放射射的的射射线线，或或者者内内层层轨轨道道电电子子跃跃迁迁时时发发射射的的X射射线线，它它们们和和物物质质作作用用的的主主要要形形式为光电效应。式为光电效应。514.4.核辐射与物质间的相互作用核辐射与物质间的相互作用核辐射与物质间的相互作用主要是核辐射与物质间的相互作用主要是 电离、吸收、电离、吸收、反射反射 q电离作用：电离作用：带电粒子在物质中穿行时会使物质的原子发生带电粒子在物质中穿行时会使物质的原子发生电离，在它们经过的路程上

28、形成离子对。电离，在它们经过的路程上形成离子对。其中：其中：粒子粒子质量大，电荷量多，电离能力质量大，电荷量多，电离能力 最强，最强，但射程短；但射程短；粒子粒子质量小，电离较弱；质量小，电离较弱；粒子粒子没有直接电离作用。没有直接电离作用。52q吸收、反射吸收、反射 、射线穿透物质时，由于磁场作用原射线穿透物质时，由于磁场作用原子中电子会产生共振，振动的电子形成散射的子中电子会产生共振，振动的电子形成散射的电磁波源，使粒子和射线能量被吸收和衰减。电磁波源，使粒子和射线能量被吸收和衰减。射线射线穿透能力最弱，在空气中运行轨迹为直线；穿透能力最弱，在空气中运行轨迹为直线；射线射线次之，穿行时由于

29、与物质原子发生能量交次之，穿行时由于与物质原子发生能量交换而改变方向产生散射，在空气中运行轨迹为换而改变方向产生散射，在空气中运行轨迹为折线；折线；射线射线穿透能力最强，能穿透几十厘米厚固体物穿透能力最强，能穿透几十厘米厚固体物质，在气体中可穿透数米，因此质，在气体中可穿透数米，因此射线广泛用射线广泛用于医疗诊断、金属探伤等。于医疗诊断、金属探伤等。53二、射线式传感器二、射线式传感器q射线式传感器通常有两种主要形式：射线式传感器通常有两种主要形式：一种是测量放射性物质的放射线一种是测量放射性物质的放射线；另一种方式是利用放射性同位素测量另一种方式是利用放射性同位素测量非放射性非放射性物质物质

30、，根据被测物质对辐射线的吸收、反射进，根据被测物质对辐射线的吸收、反射进行检测，或者利用射线对被测物质的电离激发行检测，或者利用射线对被测物质的电离激发作用。作用。后者射线式传感器主要由后者射线式传感器主要由放射源和探测器放射源和探测器组成。组成。541、辐射源、辐射源 辐射源的结构：辐射源的结构：应使射线从测量方向射应使射线从测量方向射出，其它方向应尽量减少剂出，其它方向应尽量减少剂量，减少对人体的危害。量，减少对人体的危害。其它方向可以用铅进行屏其它方向可以用铅进行屏 蔽，铅有极强的抗辐射穿透蔽，铅有极强的抗辐射穿透能力。能力。射线源结构一般为丝状、射线源结构一般为丝状、圆柱状、圆片状。圆

31、柱状、圆片状。55反应堆放射性警示标记核燃料棒核燃料棒562、探测器探测器 探测器是检测辐射的接收器件或探测器是检测辐射的接收器件或装置，常用的有装置，常用的有电离室、闪烁计数器、电离室、闪烁计数器、盖格计数管、正比计数器、半导体探盖格计数管、正比计数器、半导体探测器测器。57v 电离室电离室，电离室是在空气中或充有惰性气体的，电离室是在空气中或充有惰性气体的装置中，设置一个平行极板电容器，加几百伏高装置中，设置一个平行极板电容器，加几百伏高压。高压在极板间产生电场，当粒子或射线射向压。高压在极板间产生电场，当粒子或射线射向两极板之间的空气时，在电场作用下正离子趋两极板之间的空气时，在电场作用

32、下正离子趋向负极板，电子趋向正极板，产生电离电流。向负极板，电子趋向正极板，产生电离电流。在外电路接一电阻在外电路接一电阻R R就可形成响应电压，电阻就可形成响应电压，电阻R R的电压降代表辐射的强度。的电压降代表辐射的强度。射线射线58 电离室外加电压增大，电流电离室外加电压增大，电流趋于饱和，一般工作在饱和区，趋于饱和，一般工作在饱和区，使输出电流与外加电压无关，使输出电流与外加电压无关，输出只正比于射线到电离室的输出只正比于射线到电离室的辐射强度。辐射强度。、电离室不能通用，电离室不能通用，不同粒子相同条件下效率相差不同粒子相同条件下效率相差很大。很大。电离室主要用于探测电离室主要用于探

33、测、射线。射线。59v 盖格计数管盖格计数管 盖格计数管也称气体放电计数器。盖格计数管也称气体放电计数器。一一个个密密封封玻玻璃璃管管，中中间间是是阳阳极极用用钨钨丝丝材材料料制制作作，玻玻璃璃管管内内壁壁涂涂一一层层导导电电物物质质或或是是一一个个金金属属圆圆管管作作阴阴极极，内部抽空充惰性气体（氖、氦）、卤族气体。内部抽空充惰性气体（氖、氦）、卤族气体。盖格计数管上电压盖格计数管上电压U U一定时，射线入射越强电流一定时，射线入射越强电流I I越越大，大，输出脉冲数输出脉冲数N N越大，越大，a a、b b段称段称“坪坪”；盖格计数管主要用于探测盖格计数管主要用于探测粒子和粒子和射线射线。

34、60v 闪烁计数器闪烁计数器 闪闪烁烁计计数数器器由由闪闪烁烁体体和和光光电电倍倍增增管管组组成成，当当闪闪烁烁体体受受到到辐辐射射时时闪闪烁烁体体的的原原子子受受激激发发光光，光光透透过过闪闪烁烁体体射射到到光光电电倍倍增增管管的的阴阴极极上上激激发发出出电电子子，在在光光电电倍倍增增管管中中倍倍增增，在阳极上形成电流。在阳极上形成电流。61v 正比计数器正比计数器 正比计数器是一种充气型辐射探测器正比计数器是一种充气型辐射探测器 工作在（气体电离放电）伏安特性曲线的正比区；工作在（气体电离放电）伏安特性曲线的正比区；计数器接收一个计数器接收一个X X、光子后就输出一个电脉冲光子后就输出一个

35、电脉冲幅度与光子能量成正比，电子和正离子对数目正比幅度与光子能量成正比，电子和正离子对数目正比于气体吸收的放射线的能量，输出脉冲的大小正比于于气体吸收的放射线的能量，输出脉冲的大小正比于入射产生的电子和正离子对数目。入射产生的电子和正离子对数目。62初级射线高压使气体原子电离63 它是由圆筒形的阴极和作为阳极的中央芯线组成的，它是由圆筒形的阴极和作为阳极的中央芯线组成的，内封有稀有气体、氮气、二氧化碳、内封有稀有气体、氮气、二氧化碳、氢气、甲烷、丙氢气、甲烷、丙烷等气体。当放射线射入使气体产生电离时，烷等气体。当放射线射入使气体产生电离时，由于在由于在芯线近旁电场密度高，芯线近旁电场密度高，电

36、子碰撞被加速，电子碰撞被加速，在气体中获在气体中获得足够的能量，碰撞其它气体分子和原子而产生新的离得足够的能量，碰撞其它气体分子和原子而产生新的离子对；子对；此过程反复进行而被放大，人们将此过程称为此过程反复进行而被放大，人们将此过程称为气体放大。放大作用仅限于芯线近旁，所以可得到与放气体放大。放大作用仅限于芯线近旁，所以可得到与放射线的入射区域无关的一定的放大倍数。由于放大而产射线的入射区域无关的一定的放大倍数。由于放大而产生的阳离子迅速离开气体放大区域而产生输出脉冲。输生的阳离子迅速离开气体放大区域而产生输出脉冲。输出脉冲的大小正比于因放射线入射而产生电子、正离子出脉冲的大小正比于因放射线

37、入射而产生电子、正离子对的数目，而电子、正离子对数正比于气体吸收的放射对的数目，而电子、正离子对数正比于气体吸收的放射线的能量。因此，正比计数管可以探测入射放射线的能线的能量。因此，正比计数管可以探测入射放射线的能量。量。64半导体探测器半导体探测器 半导体探测器是近年来迅速发展起来的一种射线半导体探测器是近年来迅速发展起来的一种射线探测器。我们知道荷电粒子一入射到固体中就与固体探测器。我们知道荷电粒子一入射到固体中就与固体中的电子产生相互作用并失去能量而停止。入射到半中的电子产生相互作用并失去能量而停止。入射到半导体中的荷电粒子在此过程产生电子和空穴对。而导体中的荷电粒子在此过程产生电子和空

38、穴对。而X射线或射线或射线由于光电效应、射线由于光电效应、康普顿散射、康普顿散射、电子对生电子对生成等而产生二次电子，此高速的二次电子经过与荷电成等而产生二次电子，此高速的二次电子经过与荷电粒子的情况相同的过程而产生电子和空穴。若取出这粒子的情况相同的过程而产生电子和空穴。若取出这些生成的电荷，些生成的电荷，可以将放射线变为电信号。可以将放射线变为电信号。半导体探测器的特点：半导体探测器的特点：输出信号小，分辨率高；输出信号小，分辨率高；类型主要有，类型主要有，SiSi（硅）（硅）低能探测器，低能探测器，GeGe（锗）（锗）高能探测器，高能探测器，分别测量不同能量段的放射线。分别测量不同能量段

39、的放射线。65三、核辐射传感器的应用三、核辐射传感器的应用应用：应用：射线可实现气体分析，如气体压力、流量射线可实现气体分析，如气体压力、流量测量；测量；射线可进行带材厚度、密度检测；射线可进行带材厚度、密度检测；射线可探测材料缺陷、位置、密度与厚度射线可探测材料缺陷、位置、密度与厚度测量。测量。661、测厚、测厚 透射式厚度计如图所示，它是利用射线穿透物质的透射式厚度计如图所示，它是利用射线穿透物质的能力来制成的检测仪表。它的特点是放射源和核辐射探能力来制成的检测仪表。它的特点是放射源和核辐射探测器分别置于被测物体的两侧，射线穿过被测物体后射测器分别置于被测物体的两侧，射线穿过被测物体后射入

40、核辐射探测器。入核辐射探测器。由于物质的吸收，使得射入核辐射由于物质的吸收，使得射入核辐射探测器的射线强度降低，降低的程度和物体的厚度等参探测器的射线强度降低，降低的程度和物体的厚度等参数有关。如前所述，射到探测器的透射射线强度数有关。如前所述，射到探测器的透射射线强度J和物和物体厚度体厚度t的关系为的关系为 J=J0e-t 67或或 式中：式中：被测材料的密度；被测材料的密度；被测材料对所用射线的质量吸收系数；被测材料对所用射线的质量吸收系数；J J0 0没有被测物体时射到探测器处的射线强度。没有被测物体时射到探测器处的射线强度。68透射式厚度计透射式厚度计 69零位法透射式厚度计零位法透射

41、式厚度计70 对对于于一一定定的的放放射射源源和和一一定定的的材材料料就就有有一一定定的的和和，则则测测出出J J和和J J0 0即即可可计计算算确确定定该该材材料料的的厚厚度度t t。放放射射源源一一般般用用、或或射射线线。上上图图所所示示为为零零位位法法的的透透射射式式厚厚度度计计。放放射射源源的的射射线线穿穿过过被被测测物物体体射射入入测测量量电电离离室室1 1，射射线线也也穿穿过过补补偿偿楔楔射射入入补补偿偿电电离离室室2 2。这这两两个个电电离离室室接接成成差差式式电电路路，流流过过电电阻阻上上的的电电流流为为两两个个电电离离室室的的输输出出电电流流之之差差。该该电电流流差差在在电电

42、阻阻上上产产生生的的电电压压降降，使使振振荡荡器器振振荡荡，变变为为交交流流输输出出，在在经经放放大大后后加加在在平平衡衡电电动动机机上上，使使电电动动机机正正转转或或反反转转，带带动动补补偿偿楔楔移移动动，直直到到两两个个电电离离室室接接受受的的射射线线强强度度相相等等，使使电电阻阻上上电电压压降等于零为止；根据补偿楔的移动量可测知厚度。降等于零为止；根据补偿楔的移动量可测知厚度。71 还还可可以以用用散散射射法法测测量量厚厚度度。散散射射法法是是指指利利用用核核辐辐射射被被物物体体后后向向散散射射的的效效应应制制成成的的检检测测仪仪器器。这这种种仪仪器器的的特特点点是是放放射射源源和和核核

43、辐辐射射探探测测器器可可置置于于被被测测物物质质的的同同一一侧侧，射射入入的的被被测测物物质质中中的的射射线线，由由于于和和被被测测物物质质的的相相互互作作用用，而而使使得得其其中中的的一一部部分分射射线线反反向向折折回回，并并进进入入位位于于与与放放射射源源同同侧侧的的核核辐辐射射探探测测器器而而被被测测量量。射射到到核核辐辐射射探探测测器器处处的的后后向向散散射射射射线线强强度度与与放放射射源源至至被被测测物物质质的的距距离离，以以及及与与被被测测物物质质的的成成分分、密密度度、厚厚度度和和表表面面状状态态等等因因素素有有关关，因因此此改改变变其其中中一一个个参参数数而而保保持持其其它它参

44、参数数不不变变，则则测测得得的的射射线线强强度度将将仅仅随随该该参参数数而而变变化化。利利用用这这种种方方法法可可测测量量薄薄板板的的厚厚度度、覆覆盖盖层层厚厚度度、材材料料的的成成分分、密密度度等等参参数数。这这种种方方法法的的优优点点为为非非接触测量，且不损坏被测物质。接触测量，且不损坏被测物质。72散射式厚度测量散射式厚度测量73 2 2、辐射式物位计、辐射式物位计 可可以以应应用用射射线线检检测测物物位位。测测量量物物位位的的方方法法有有很很多多，如图给出了其中一些典型的应用实例。如图给出了其中一些典型的应用实例。图图(a)(a)是是定定点点测测量量的的方方法法。将将射射线线源源I I

45、0 0与与探探测测器器安安装装在在同同一一平平面面上上，由由于于气气体体对对射射线线的的吸吸收收能能力力远远比比液液体体或或固固体体弱弱，因因而而当当物物位位超超过过和和低低于于此此平平面面时时，探探测测器器接接收收到到的的射射线线强强度度发发生生急急剧剧变变化化。可可见见，这这种种方方法不能进行物位的连续测量。法不能进行物位的连续测量。74 图图 (b)(b)是是将将射射线线源源和和探探测测器器分分别别安安装装在在容容器器的的下下部部和和上上部部，射射线线穿穿过过容容器器中中的的被被测测介介质质和和介介质质上上方方的的气气体体后后到到达达探探测测器器。显显然然，探探测测器器接接收收到到的的射

46、射线线强强弱弱与与物物位位的的高高度度有有关关。这这种种方方法法可可对对物物位位进进行行连连续续测测量量，但但是是测测量量范范围围比比较较窄窄(一一般般为为300500 300500 mm)mm)，测测量量准准确确度较低。度较低。为为了了克克服服图图 (b)(b)存存在在的的上上述述缺缺点点，可可采采用用线线状状的的射射线线源源，如如图图(c)(c)；或或采采用用线线状状的的探探测测器器，如如图图 (d)(d)。虽虽然然对对射射线线源源或或探探测测器器的的要要求求提提高高了了，但但这这两两种种方方法法既可以适应宽量程的需要，既可以适应宽量程的需要，又可以改善线性特性。又可以改善线性特性。75辐

47、射式物位计的测量原理框图辐射式物位计的测量原理框图763 3、流量计（气体）、流量计（气体）在气流管中装两个电极（电极电在气流管中装两个电极（电极电位不同）位不同）放射源放射源S S的射线使气体电离，工作的射线使气体电离，工作状态相状态相 当于一个电离室。当于一个电离室。当被测气体被电离时，当被测气体被电离时，离子被带出电离室，室内离子被带出电离室，室内 电流减小，电流减小，气体流速增加气体流速增加 带出的离子增多电离室电带出的离子增多电离室电 流进一步减小，由电流的流进一步减小，由电流的 变化检测气流流速和流量变化检测气流流速和流量。774、探伤、探伤探测器与放射源放在管道内，沿焊接缝同探测

48、器与放射源放在管道内，沿焊接缝同步移动，当焊缝存在问题时，穿透管道的步移动，当焊缝存在问题时，穿透管道的射线射线会产生突变，正常时输出曲线趋于直线。会产生突变，正常时输出曲线趋于直线。785 5、医学应用、医学应用-CT-CT常规常规X X射线摄影利用透射原理，把三维的人体投射线摄影利用透射原理，把三维的人体投影显示在一个二维的平面上。这就使得图像失影显示在一个二维的平面上。这就使得图像失去纵深方向的分辨能力，前后结构互相重叠，去纵深方向的分辨能力，前后结构互相重叠，引起图像混淆，容易造成误诊和漏诊。引起图像混淆，容易造成误诊和漏诊。X线管线管荧光屏荧光屏79如果把人体分成一系如果把人体分成一

49、系列薄片，单独对每一列薄片，单独对每一切片（二维图像）进切片（二维图像）进行观察，就能消除临行观察，就能消除临近各层的影响，没有近各层的影响，没有重叠混淆，图像变清重叠混淆，图像变清晰，容易辨别细微的晰，容易辨别细微的异常结构。异常结构。从断面合成的头部三从断面合成的头部三维图像维图像 8081计算机断层扫描的二维重建方法的计算机断层扫描的二维重建方法的计算机断层扫描的二维重建方法的计算机断层扫描的二维重建方法的基本原理基本原理如图所示，从线性并排着的如图所示，从线性并排着的X X线源发射一定强度线源发射一定强度的的X X线，把通过身体的线，把通过身体的X X线用与线用与X X线源平行排列的线源平行排列的X X线传感器接收。然后把线传感器接收。然后把X X线源和传感器组以体线源和传感器组以体轴为中心一点一点的旋转，反复进行同样的操轴为中心一点一点的旋转，反复进行同样的操作。利用这样求得的在各个角度上的投影数据，作。利用这样求得的在各个角度上的投影数据，就得到了垂直于体轴的断面图像。就得到了垂直于体轴的断面图像。82