《自动检测技术与装置》电子课件

《自动检测技术与装置》电子课件,自动检测技术与装置,自动检测,技术,装置,电子,课件 原理：原理：基于核辐射粒子的电离作用、穿透能力、物体吸基于核辐射粒子的电离作用、穿透能力、物体吸收、散射、反射等物理性质。收、散射、反射等物理性质。应用：应用：测量物质的密度、厚度；分析气体成分；探测物测量物质的密度、厚度；分析气体成分；探测物体内部结构。体内部结构。定义：定义：将入射核辐射（粒子）的全部或部分能量转化将入射核辐射（粒子）的全部或部分能量转化为可观测的信号（如电流、电压信号）的装置。为可观测的信号（如电流、电压信号）的装置。第十节 核辐射式检测元件第十节 核辐射式检测元件n优点优点：非接触式测量，适合于腐蚀、高温、剧毒、爆炸性等恶劣环境n核辐射式检测元件的组成：n放射源n检测器及转换电路 基本术语基本术语同位素：同位素：具有相同的核电荷数而有不同的质子数具有相同的核电荷数而有不同的质子数的原子所构成的元素。的原子所构成的元素。核核辐辐射射：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。而而放放出出射线的同位素称为放射性同位素，又称放射源。射线的同位素称为放射性同位素，又称放射源。衰变：衰变：某种物质，在没有任何外界作用时，原子核某种物质，在没有任何外界作用时，原子核向外辐射出某种射线而变成另外一种元素。向外辐射出某种射线而变成另外一种元素。核辐射的种类：核辐射的种类：，和中子辐射 常用的放射性同位素n钴(C060)：和x射线 n锶(Sr90)：粒子 n铯(CS134)：粒子及射线 1.1.射线射线核辐射的种类核辐射的种类质量质量为为4.002 775u(4.002 775u(原子质量单位原子质量单位)；带有带有正电荷正电荷，即，即氦原子核氦原子核；具有具有4 49MeV9MeV的能量；的能量；平均寿命为几微秒到平均寿命为几微秒到10101010年；年；从核内射出从核内射出速度为速度为20km/s20km/s；射程长度在空气中为射程长度在空气中为几厘米到十几厘米几厘米到十几厘米。衰变衰变 2.2.射线射线 质量质量为为0.000 549 u0.000 549 u；带有带有一个单位的电荷一个单位的电荷；能量一般小于能量一般小于2 2兆电子伏特；兆电子伏特；运运动动速速度度较较粒粒子子高高很很多多，约约200200km/skm/s；在气体中的射程可达在气体中的射程可达20m20m。-衰变衰变+衰变衰变核辐射的种类核辐射的种类 3.3.射线射线4.X4.X射线射线 原子核外的内层电子被激发射出来的电磁波能量。原子核外的内层电子被激发射出来的电磁波能量。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为为衰衰变变（或称（或称跃迁），发生跃迁），发生跃迁时所放射出的射线称跃迁时所放射出的射线称射线或射线或光子，是光子，是以光以光速运动的光子流，不带电。速运动的光子流，不带电。衰变衰变核辐射的种类核辐射的种类粒子的性质 带电量带电量质量质量速度速度电离电离能力能力贯穿贯穿能力能力粒子粒子 2e2e4u4u20km/s20km/s很强很强 很弱很弱粒子粒子 -e-e0.00055u0.00055u200km/s200km/s较弱较弱 较强较强射线射线 0 00 0光速光速极弱极弱 极强极强放射源的强度衰减特性衰变规律：放射源的辐射强度随时间按指数定律而衰减，即I0：开始时的放射源强度；I：经过时间t后放射源强度；为放射性衰变常数，与外界条件无关；半衰期：半衰期：指放射性同位素的原子核数衰变到一半所需要的时间，指放射性同位素的原子核数衰变到一半所需要的时间，又称为放射性同位素的寿命。又称为放射性同位素的寿命。射线与物质的作用n带电粒子和物质的作用n射线和物质的作用带电粒子和物质的作用n电离电离：当入射粒子靠近原子时和物质中的原子发生静电作用，使原子中的束缚电子产生加速运动而变为自由电子。n激发激发：若入射粒子距原子远，束缚电子所获得的能量还不够使它逃逸出来时，则原子核由低能级跃迁到高能级而处于激发状态。n散射散射：带电粒子穿过物质因受原子核的电场作用而改变运动方向称为散射。射线射线与与被测物质被测物质的相互作用的相互作用激发激发电离电离散射散射吸收吸收吸收n当射线穿过物质时，会发生电离、激发和散射等现象，其结果就表现为对射线的吸收。n当一平行射线穿过物质层时，其强度衰减规律可表示为n式中I I为穿过厚度为x x的物质后的辐射强度；I0为射入物质前的辐射强度；为物质的吸收系数；为物质的密度。射线和物质的作用n光电效应光电效应：光子穿过物质时和物质中的原子发生碰撞，把自己的能量交给原子核外的一个电子使其成为自由电子，而光子本身被吸收。n康普顿效应：康普顿效应：随着入射光子能量的增加，入射光子和物质中的电子发生弹性碰撞，光子偏离它原来的运动方向，失去一部分能量，然后将能量转移给了电子。使电子从原子内部冲出来。n电子对的生成：电子对的生成：当光子的能量大于所形成的电子对的静止能量，就在物质中转化成一个正电子和一个负电子，而光子则消失 射线通过物质时强度衰减n 为物质对射线的吸收系数。n吸收系数随吸收物质的材料和射线的能量而改变，它是三种效应的综合结果n n式中为 光电吸收系数；为康普顿吸收系数；为电子对生成吸收系数。核辐射检测器探测器将核辐射信号转换成电信号，检测射线强度的变化，实现被测参数的检测。探测器按照探测介质类型分为：n气体探测器n闪烁探测器n半导体探测器气体探测器电离曲线n段是复合区，电流与电压成正比；n段是电流饱和区，其值取决于电离作用所产生的电子离子对数目，即与射线的强度有关（工作区工作区）；n段是正比区，电子能量很大使气体进一步电离NM*N0，M随电压增大；n段是自放电区。电离曲线正比计数器工作原理正比计数器工作原理使气体原子电离初级射线高压1.1.电流电离室电流电离室 1收集电极收集电极2高压电极高压电极3保护电极保护电极4绝缘层绝缘层射线的多电极电离室1、2端子；3、4圆柱电极；5、6圆柱电极 2.2.盖革盖革-弥勒计数管弥勒计数管v盖格计数管也称气体放电计数器。一个密封玻璃管，中间是阳极用钨丝材料制作，玻璃管内壁涂一层导电物质或是一个金属圆管作阴极，内部抽真空充惰性气体（氖、氦）、卤族气体。射线入射使产生比正比计数管激烈的气体放大，在射线入射使产生比正比计数管激烈的气体放大，在管内产生大量的电子正离子对，这些电子正离子对在计管内产生大量的电子正离子对，这些电子正离子对在计数管两极间电场的作用下，分别向正负两极运动。数管两极间电场的作用下，分别向正负两极运动。在盖革在盖革-弥勒计数管中，阴极和阳极间施加比计数管弥勒计数管中，阴极和阳极间施加比计数管高的电压。一般是几百至一千多伏的高压。这样就在两高的电压。一般是几百至一千多伏的高压。这样就在两极板间产生一个柱对称电场，越靠近阳极，电场越强。极板间产生一个柱对称电场，越靠近阳极，电场越强。2.2.盖革盖革-弥勒计数管弥勒计数管 电子在电场作用下加速向阳极运动，并在很短时间内电子在电场作用下加速向阳极运动，并在很短时间内获得很大动能，这些电子又会与气体分子碰撞引起气体获得很大动能，这些电子又会与气体分子碰撞引起气体分子的电离，产生新的电子正离子对，使电子繁殖。电分子的电离，产生新的电子正离子对，使电子繁殖。电子的这种链式繁殖会很快地相继发展，从而引起电子在子的这种链式繁殖会很快地相继发展，从而引起电子在阳极附近的极小区域内产生爆发性增殖称为阳极附近的极小区域内产生爆发性增殖称为电子雪崩电子雪崩。2.2.盖革盖革-弥勒计数管弥勒计数管雪崩：雪崩：被加速的原电离电子在电离碰撞中逐次倍增形成电子雪崩；被加速的原电离电子在电离碰撞中逐次倍增形成电子雪崩；除除次级电离次级电离外，能引起雪崩的其他因素包括：外，能引起雪崩的其他因素包括：光子的作用：光子的作用：雪崩形成大量的电离和大量的激发，伴随着雪崩过程，雪崩形成大量的电离和大量的激发，伴随着雪崩过程，退激产生大退激产生大量的光子量的光子。光子与气体和器壁作用，打出光子与气体和器壁作用，打出光电子光电子，光电子又可以引起新的雪崩。，光电子又可以引起新的雪崩。二次电子发射：二次电子发射：雪崩区产生的正离子到达器壁，可能在器壁上打出雪崩区产生的正离子到达器壁，可能在器壁上打出二次电子二次电子。二次。二次电子又可以引起新的雪崩。电子又可以引起新的雪崩。2.2.盖革盖革-弥勒计数管弥勒计数管 经过多次雪崩后，在阳极丝附近产生大量的离子对，经过多次雪崩后，在阳极丝附近产生大量的离子对，由于电子漂移速度很快，很快地被收集，由于电子漂移速度很快，很快地被收集，于是在中央于是在中央丝极周围形成一层正离子，称为正离子鞘。正离子鞘的丝极周围形成一层正离子，称为正离子鞘。正离子鞘的形成使阳极附近的电场变弱，直到不再能产生离子的增形成使阳极附近的电场变弱，直到不再能产生离子的增殖，此时原始电离的放大过程就停止。殖，此时原始电离的放大过程就停止。2.2.盖革盖革-弥勒计数管弥勒计数管 放大过程停止后，在电场作用下，正放大过程停止后，在电场作用下，正离子鞘向阴极移动，给出一个与正离子鞘的离子鞘向阴极移动，给出一个与正离子鞘的总电荷有关，而与原始电离无关的脉冲输出。总电荷有关，而与原始电离无关的脉冲输出。注意：在第一次放大过程停止以及电压注意：在第一次放大过程停止以及电压脉冲出现后，脉冲出现后，计数管并不回到原始的状态。计数管并不回到原始的状态。2.2.盖革盖革-弥勒计数管弥勒计数管 注意：在第一次放大过程停止以及电压脉冲出现后，注意：在第一次放大过程停止以及电压脉冲出现后，计数管并不回到原始的状态。计数管并不回到原始的状态。随着正离子鞘向阴极移动，阳极附近的电场逐渐恢复，随着正离子鞘向阴极移动，阳极附近的电场逐渐恢复，正离子达到阴极时，具有一定的动能，能从阴极打出电正离子达到阴极时，具有一定的动能，能从阴极打出电子，电子又在高电场作用下产生新的链式雪崩，从而又子，电子又在高电场作用下产生新的链式雪崩，从而又会输出一个脉冲。会输出一个脉冲。！从而出现一个入射粒子产生一连串的脉冲信号，！从而出现一个入射粒子产生一连串的脉冲信号，不能起到计数的作用。不能起到计数的作用。克克服服这这个个问问题题必必须须采采取取特特殊殊的的方方法法使使放放电电猝猝灭灭。猝猝灭灭放电的方法有两种：放电的方法有两种：一一种种方方法法是是采采用用猝猝灭灭电电路路，用用来来降降低低中中央央丝丝极极的的电电压压，使其降低到发生碰撞电离所需电压以下；使其降低到发生碰撞电离所需电压以下；另一种方法是在计数管中放入少量猝灭性气体。另一种方法是在计数管中放入少量猝灭性气体。这这种种自自猝猝灭灭型型计计数数管管又又可可分分为为两两种种：一一种种是是充充惰惰性性气气体体和和少少量量酒酒精精、乙乙醚醚或或石石油油醚醚的的蒸蒸气气，称称为为有有机机管管；另一种是管内充惰性气体和卤素气体，另一种是管内充惰性气体和卤素气体，称为卤素管。称为卤素管。2.2.盖革盖革-弥勒计数管弥勒计数管 3.3.闪烁计数器闪烁计数器 物物质质受受放放射射线线的的作作用用而而被被激激发发，在在由由激激发发态态跃跃迁迁到到基基态态的的过过程程中中，发发射射出出脉脉冲冲状状的的光光的的现现象象称称为为闪闪烁烁现现象象。能能产产生生这这样样发发光光现现象象的的物物质质称称为为闪闪烁烁体体。闪闪烁烁计计数数器器先先将将辐辐射射能能变变为为光光能能，然然后后再再将将光光能能变变为为电电能能而进行探测，它由闪烁体和光电倍增管两部分组成。而进行探测，它由闪烁体和光电倍增管两部分组成。3.闪烁计数器 当闪烁体受到辐射时闪烁体的原子受激发光，光透过闪烁体射到光电倍增管的阴极上激发出电子，在光电倍增管中倍增，在阳极上形成电流。半导体探测器半导体探测器 荷电粒子一入射到固体中就与固体中的电子产生相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。入射到半导体中的荷电粒子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。而在此过程产生电子和空穴对。而X X射线或射线或射线由于光射线由于光电效应、康普顿散射、电子对生成等而产生二次电子，电效应、康普顿散射、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粒子的情况相同的过程而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。若取出这些生成的电荷，可以将放射产生电子和空穴。若取出这些生成的电荷，可以将放射线变为电信号。线变为电信号。主要使用的是主要使用的是SiSi和和GeGe，对，对GaAsGaAs、CdTeCdTe等材料。等材料。开开发的半导体传感器有发的半导体传感器有PNPN结型传感器、结型传感器、表面势垒型传感表面势垒型传感器、锂漂移型传感器、非晶硅传感器等。器、锂漂移型传感器、非晶硅传感器等。射线可实现气体分析，如气体压力、流量测量；射线可实现气体分析，如气体压力、流量测量；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、密度与厚度测量。射线可探测材料缺陷、位置、密度与厚度测量。核辐射传感器的应用核辐射传感器的应用（1）测厚 透射式测厚透射式测厚常用闪烁探测器，闪烁探测器记录穿透物体的射线的强度，其输出电流与辐射强度成正比。在辐射穿过物质时，由于物体吸收作用损失部分强度，强度按指数规律变化：透透射射式式厚厚度度计计1.1.核辐射厚度计核辐射厚度计（2）物位测量 利用介质对射线的吸收作用，不同介质对射线的吸收能力不同，固体吸收能力最强，液体居中，气体最弱。辐射源与被测介质一定，被测介质高度H与穿过被测介质的射线强度I成正比关系。辐射式物位计辐射式物位计(射线射线)图图 (a)(a)定定点点测测量量:将将射射线线源源I0I0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，这这种种方方法法不不能能进进行行物物位位的的连连续续测测量。量。图图 (b)(b)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度较低。较低。辐射式物位计辐射式物位计(射线射线)（3）流量计（气体）在气流管中装两个电极（电极电位不同）放射源S的射线使气体电离，工作状态相当于一个电离室。当被测气体被电离时，离子被带出电离室，室内电流减小，气体流速增加带出的离子增多电离室电流进一步减小，由电流的变化检测气流流速和流量。放射源电极电极气流EA（4）探伤 探测器与放射源放在管道内，沿焊接缝同步探测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，穿透管道的移动，当焊缝存在问题时，穿透管道的射线会射线会产生突变，正常时输出曲线趋于直线。产生突变，正常时输出曲线趋于直线。