《核电子学01学习教案.pptx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《核电子学01学习教案.pptx（55页珍藏版）》请在taowenge.com淘文阁网|工程机械CAD图纸|机械工程制图|CAD装配图下载|SolidWorks_CaTia_CAD_UG_PROE_设计图分享下载上搜索。
1、会计学 1核电子学01第一页，共55 页。核辐射通过物质时的作用(zuyng)和效应 到达地球表面数目 6.61010个/cm2 秒中微子与物质(wzh)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(yzhu)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第 1 页/共 54 页第二页，共55 页。核辐射通过物质时的作用(zuyng)和效应核辐射的
2、基本核辐射的基本(jbn)(jbn)性质性质1.008665 0 n 中 子1.007276+1 p 质 子 0 0 5.48610-4 1 e 4.00279+2 4He 质 量(u)电荷（e)符号 种类载能的 粒子:1 有没有作用 2 具体(jt)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第 2 页/共 54 页第三页，共55 页。核辐射通过物质时的作用和效应(xioyng)一、核辐射与物质的基本作用。原子(yunz)。n 物 质：气体 液体 固体(gt)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
3、离作用 2 电离效应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第 3 页/共 54 页第四页，共55 页。二、带电粒子通过(tnggu)物质+靶原子(yunz)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(lz)对：正离子(lz)和自由电子+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-自由电子正离子+e-库仑作用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第 4 页/共 54 页第五页，共55 页。射线与射线电离(dinl)效应比较 射线(shx
4、in)射线(shxin)径迹 粗 直 细 弯 电离作用强 电离作用严重 产生离子(lz)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 核辐射通过物质时的作用和效应第 5 页/共 54 页第六页，共55 页。粒子径迹是一条直线(zhxin)5.3 MeV粒子在空气中 的射程3.83 cm电子(dinz)径迹是折线核辐射通过物质时的作用 核辐射通过物质时的作用(zuyng)(zuyng)和效应 和效应第 6 页/共 54 页第七页，共55 页。三、射线通过(tnggu)物质 1 射线(shxin)是什麽 2
5、 射线(shxin)的电离作用 3 轫致辐射 4 正电子湮灭核辐射通过 核辐射通过(tnggu)(tnggu)物质时的作用和效应 物质时的作用和效应第 7 页/共 54 页第八页，共55 页。电磁辐射(din c f sh)谱 小能量(nngling)高E=h,=c/l 大l能量(nngling)低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第 8 页/共 54 页第九页，共55 页。第 9 页/共 54 页第十页，共55 页。射线是波长很短能量高的电磁辐射（10-11 米，keV，MeV），来自(li z)原子核衰变,不带电，静止质量 0。1.射线(shxin)是什麽？能够同物
6、质原子发生作用，但不能直接(zhji)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 核辐射通过物质时的作用和效应第 10 页/共 54 页第十一页，共55 页。2.射线(shxin)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(chnshng)次级电子电离(dinl)效应次级电子使物质原子电离(dinl)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 核辐射通过物质时的作用和效应第 1 1 页/共 54 页第十二页，共55 页。n n 光电效应
7、(un din xio yng)自由电子(z yu din z)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(ch li),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 核辐射通过物质时的作用和效应第 12 页/共 54 页第十三页，共55 页。电子对效应能量1.02 MeV 的射线(shxin)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(jbn)条件：射线能量 E 1.02 MeV 为
8、什麽？能量(nngling)转化成质量M=E/C2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第 13 页/共 54 页第十四页，共55 页。3.轫致辐射电子(dinz)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(dinz)能量)电视机 高压15 kV 电子(dinz)束能量15 keV x 射线能量 0-15 keV应注意玻璃(b l)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 核辐射通过物质时的作用和效应第 14 页/共 54 页第十五页，共55 页。4.正电子湮灭(ynmi)正电子与负电子相遇(xin y)发生湮灭，产生
9、两个 0.511 MeV的 光子。e+e-+me+me-=0.511+0.511 MeV 质量转化为能量(nngling)转化效率(100%）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第 15 页/共 54 页第十六页，共55 页。射线通过介质时由于同物质的作用(zuyng),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(shxin)的吸收I 实验(shyn)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 核辐射通过物质时的作用和效应第 16 页/共 54 页
10、第十七页，共55 页。指数衰减(shui jin)规律 指数衰减因子 线性吸收系1）射线(shxin)能量高 值小2）原子序数高 值大I(x)=I0 e-x能量（能量（MeV)MeV)铅（铅（Pb)cmPb)cm-1-1 铝（铝（AlAl）cmcm-1-1 0.6 0.6 1.6 1.6 0.2 0.2 1.0 1.0 0.8 0.8 0.18 0.18 2.0 2.0 0.5 0.5 0.1 0.1铅和铝吸收系数核辐射通过 核辐射通过(tnggu)(tnggu)物质时的作用和效应 物质时的作用和效应第 17 页/共 54 页第十八页，共55 页。射线强度减弱1/2 所通过物质层的厚度 射线的
11、防护大都(ddu)选用重金属铅、水泥等，构成很厚的防护墙。半吸收(xshu)厚度 单位：cm物质层厚度 0 I/I 半吸收(xshu)厚度(d1/2)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第 18 页/共 54 页第十九页，共55 页。对物质(wzh)电离作用的比较 2 MeV 射程(m)离子对密度(md)/mm 0.01 6000 2-3 60 10 几个核辐射通过物质时的作用 核辐射通过物质时的作用(zuyng)(zuyng)和效应 和效应第 19 页/共 54 页第二十页，共55 页。1 MeV 的粒子(lz)穿透物质能力 1 页 60页/本 铅地 下1-2 米深铅室
12、n4580本中子源核辐射通过物质时的作用 核辐射通过物质时的作用(zuyng)(zuyng)和效应 和效应第 20 页/共 54 页第二十一页，共55 页。射线穿透物质(wzh)能力 射线(shxin)穿透 人体皮肤情况 核辐射通过 核辐射通过(tnggu)(tnggu)物质时的作用和效应 物质时的作用和效应第 21 页/共 54 页第二十二页，共55 页。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(zuyng)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(dinl)慢化剂:
13、轻水(1H2O)重水(2D2O)五、中子(zhngz)与物质的作用nHnnp电离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第 22 页/共 54 页第二十三页，共55 页。2 2）中子核反应中子核反应 例如例如(n,p)(n,p)反应反应 n+14N 14C+p n+14N 14C+p 第一步第一步 核反应产生核反应产生(chnshng)(chnshng)质子质子 第二步第二步 质子对物质产生质子对物质产生(chnshng)(chnshng)电离作用电离作用 n p电离(dinl)14N14C 人体有大量 H 和 N 原子 中子对人体电离(dinl)效应严重 伤害也严重12核辐
14、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第 23 页/共 54 页第二十四页，共55 页。电离辐射 直接或间接使介质(jizh)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(zhxi)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 核辐射通过(tnggu)(tnggu)物质时的作用和效应 物质时的作用和效应
15、第 24 页/共 54 页第二十五页，共55 页。核辐射量度(lingd)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(shuibin)的原子核数目。单位：1贝可=1 次核衰变(shuibin)/秒 1 Bq=1 次核衰变(shuibin)/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(biozhn)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
16、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第 25 页/共 54 页第二十六页，共55 页。核辐射量度(lingd)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
17、。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(hun sun)。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 核辐射量度(lingd)(lingd)及其单位 及其单
18、位第 26 页/共 54 页第二十七页，共55 页。吸收剂量1 戈瑞（1焦耳/千克）时的能量(nngling)效应 1）水温升高（比热 4.2103J/千克(qink)度）1 kg水物质吸收剂量 1 Gy 水温度上升 1/（4.2103）=2.410-4 C2）转化为物体的动能(dngnng)m D=(1/2)m v2 运动速度 v=1.4 m/s3)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 核辐射量度及其单位第 27 页/共 54 页第二十八页，共55 页。3 3 剂量剂量(jling)(jling)当
19、量当量（HH）相同 相同(xin(xin tn tn)的吸收剂量未必产生同样程度的生物效应，因 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、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 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 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 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
20、生机率。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 核辐射量度(lingd)(lingd)及其单位 及其单位第 28 页/共 54 页第二十九页，共55 页。3 剂量(jling)当量（H）意义：表示电离辐射 意义：表示电离辐射 引起生物 引起生物(shngw)(shngw)效应 效应 的大小 的大小 H=Q D H=Q DQ Q 电离辐射的品质因数 电离辐射的品质因数 生物 生物(shngw)(shngw)放大效应 放大效应D D 吸收剂量（戈瑞）吸收剂量（戈瑞）量度单位：量度单位：1 1希沃特 希沃特=1=1焦耳 焦耳/千克 千克 1 Sv=1 J/kg 1 Sv=1 J
21、/kg严重 25射线严重 25 质子 离子有 2氚的 射线严重 25 中子1 e（30keV)1X(30keV)放大效应 Q 因子 电离辐射类型电离辐射的品质因数 Q 数值(shz)核辐射量度及其单位 核辐射量度及其单位第 29 页/共 54 页第三十页，共55 页。放射性活度(A)吸收剂量(jling)(D)剂量(jling)当量(H)吸收剂量(D)1戈瑞=1焦耳(jio r)/千克1 Gy=1 J/kg放射源 活度(A)1贝克=1次核衰变(shuibin)/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第 30 页/
22、共 54 页第三十一页，共55 页。核辐射量度 核辐射量度(lingd)(lingd)及其单位 及其单位辐射量单位辐射量单位(dnwi)(dnwi)对照表对照表辐 射 量SI单位 SI单位专名专用单位照射量库伦千克-1（Ckg-1)未定伦琴（R）1伦2.5810-4库伦千克-1（1R2.5810-4Ckg-1）吸收剂量焦耳千克-1（Jkg-1）戈瑞（Gy）1戈瑞1焦耳千克-1100拉德（1Gy1Jkg-1102rad）拉德（rad）1拉德10-2焦耳千克-1100尔格克-1（1rad10-2Jkg-1102ergg-1）当量剂量焦耳千克-1（Jkg-1）希沃特（Sv）1希沃特1焦耳千克-110
23、0雷姆（1Sv1Jkg-1102rem）雷姆（rem）1雷姆10-2焦耳千克-1（1rem10-2Jkg-1）放射性活度秒-1（s-1）贝可勒尔（Bq）1贝可勒尔1秒-1（1Bq1s-1）居里（Ci）1居里3.71010秒-1（1Ci3.71010s-1）第 31 页/共 54 页第三十二页，共55 页。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(tngchng)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
24、物体造成不同的辐射损伤。小 结核辐射量度 核辐射量度(lingd)(lingd)及其单位 及其单位第 32 页/共 54 页第三十三页，共55 页。1.加速器 人工(rngng)产生高能量 带电粒子束的机 器2.反应堆：可控裂变(li bin)反应炉（第 2 章）4.辐射探测器（荧光屏+眼睛）感知(gnzh)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 核科学中的基本仪器和设备第 33 页/共 54 页第三十四页，共55 页。加速器在核科学中的地位(dwi)（1）加速器是核科学最重
25、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(lyng)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 核科学中的基本仪器(yq)(yq)和设备 和设备第 34 页/共 54 页第三十五页，共55 页。
26、入射粒子与靶物质作用(zuyng)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(ji s)聚焦3 偏转(pinzhun)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 核科学中的基本仪器和设备第 35 页/共 54 页第三十六页，共55 页。两种类型(lixng)加速器直线型圆环型核科学中的基本仪器 核科学中的基本仪器(yq)(yq)和设备 和设备第 36 页/共 54 页第三十七页，共55
27、页。高压(goy)直线加速器离子源电 场靶物质(wzh)抽真空(zhnkng)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 核科学中的基本仪器和设备第 37 页/共 54 页第三十八页，共55 页。静电(jngdin)加速器球形电极(dinj)能 量 E=q V+E0直流电源靶物质(wzh)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 核科学中的基本仪器和设备第 38 页/共 54 页第三十九页，共55 页。北大4.5 MV 单级静电(jngdin)加速器 核科学中的基本仪器 核科学中的基本仪器(yq)(yq)和设
28、备 和设备第 39 页/共 54 页第四十页，共55 页。郑州大学4 MV 静电(jngdin)加速器 核科学中的基本 核科学中的基本(jbn)(jbn)仪器和设备 仪器和设备第 40 页/共 54 页第四十一页，共55 页。串列静电(jngdin)加速器+V-q1 加速(ji s)负离子+q2 加速(ji s)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=q
29、2 V 低低核科学中的基本仪器和设备 核科学中的基本仪器和设备第 41 页/共 54 页第四十二页，共55 页。北大21.7 MV 串列静电(jngdin)加速器 北大26 M V串列静电(jngdin)加速器 核科学中的基本仪器 核科学中的基本仪器(yq)(yq)和设备 和设备第 42 页/共 54 页第四十三页，共55 页。为什麽需要(xyo)对撞？EF（E入射）1/2 EF=2 E入射 固定(gdng)靶 对撞束有效(yuxio)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
30、射核科学中的基本仪器和设备 核科学中的基本仪器和设备第 43 页/共 54 页第四十四页，共55 页。E=M C2更高能量的粒子用于探索(tn su)粒子内部和产生新粒子 质量和能量(nngling)是等价的，粒子载有的能量(nngling)可以转化成质量，产生许多粒子。高能(gonng)电子 e+e-+-（20.51 MeV)（2105 MeV）核科学中的基本仪器和设备 核科学中的基本仪器和设备第 44 页/共 54 页第四十五页，共55 页。北京(bi jn)e+e-对撞机 2 GeV+2 GeV核科学中的基本仪器 核科学中的基本仪器(yq)(yq)和设备 和设备第 45 页/共 54 页
31、第四十六页，共55 页。世界(shji)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(tu z)：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 核科学中的基本仪器(yq)(yq)和设备 和设备第 46 页/共 54 页第四十七页，共55 页。质子(zhz)-质子(zhz)对撞核科学中的基本 核科学中的基本(jbn)(jbn)仪器和设备 仪器和设备第 47 页/共 54 页第四十八页，共55 页。放射性测量(cling)放大(fngd)与变换记录(jl)与存储放射性是人眼睛看不见、身体也感觉
32、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。l 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 核科学中的基本仪器和设备第 48 页/共 54 页第四十九页，共55 页。放射源的生产(shngchn)和制造例如(lr):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 核科学中的基本(jbn)(jbn)仪器和设备 仪器和设备第 49 页/共 54
33、页第五十页，共55 页。阳极(yngj)+阴极(ynj)-射线(shxin)探测器:G-M 计数管核科学中的基本仪器和设备 核科学中的基本仪器和设备第 50 页/共 54 页第五十一页，共55 页。闪烁(shn shu)探测器核科学中的基本 核科学中的基本(jbn)(jbn)仪器和设备 仪器和设备第 51 页/共 54 页第五十二页，共55 页。放射性测量(cling)仪器核科学中的基本 核科学中的基本(jbn)(jbn)仪器和设备 仪器和设备第 52 页/共 54 页第五十三页，共55 页。下一节：高能(gonng)正电子成像第 53 页/共 54 页第五十四页，共55 页。感谢您的观看(gunkn)。第 54 页/共 54 页第五十五页，共55 页。