第12章辐射式传感器

第12章 辐射式传感器 第12章 辐射式传感器 12.1 红外传感器 12.2 核辐射传感器 第12章 辐射式传感器 12.1 红 外 传 感 器 12.1.1 红外辐射￿ 红外辐射（俗称红外线）：是一种不可见光， 由于是位于 可见光中红色光以外的光线，故称红外线。波长范围0.76～ 1000 μm， 红外线在电磁波谱中的位置如图12-1 所示。 工程上红外线所占波段分为四部分， 即近红外、中红外、 远红 外和极远红外。 图12 – 1 电 磁波谱图 第12章 辐射式传感器 红外辐射的物理本质是热辐射，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， 它在真空中也以光速传播，并具有 明显的波粒二相性。 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 大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，空气中对称的双原子气体， 如N2、O2、H2等不吸收红外线。 红外线在通过大气层时，有三个波段透过率高，它们是2～ 2.6μm、3～5 μm和8～14 μm，统称它们为“大气窗口”。这三个 波段对红外探测技术特别重要，因此红外探测器一般都工作在 这三个波段（大气窗口）之内。 第12章 辐射式传感器 12.1.2 红外探测器￿￿ 红外传感器组成：一般由光学系统、 探测器、信号调理电路及 显示单元等。 红外探测器：红外传感器的核心。是利用红外辐射与物质相互 作用所呈现的物理效应来探测红外辐射的。 分类（按探测机理）：热探测器和光子探测器两大类。 第12章 辐射式传感器 1. 热探测器 热探测器的工作机理：利用红外辐射的热效应，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，通过测量物理参数的变化来确定探测器所吸收 的红外辐射。 ￿ 与光子探测器相比，热探测器的探测率比光子探测器的峰 值探测率低，响应时间长。 主要优点：响应波段宽， 响应范围可扩展到整个红外区域，可 以在常温下工作，使用方便， 应用相当广泛。 第12章 辐射式传感器 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。 热释电型探测器在热探测器中探测率最高， 频率响应最宽 ，所以这种探测器倍受重视，发展很快。这里我们主要介绍热 释电型探测器。 第12章 辐射式传感器 热释电型红外探测器：根据热释电效应制成的。 热释电效应：即电石、 水晶、酒石酸钾钠、钛酸钡等晶体受热产生温度变 化时，其原子排列将发生变化，晶体自然极化， 在其两表面产生电荷的现象 称为热释电效应。用此效应制成的“铁电体”， 其极化强度（单位面 积上的电荷）与温度有关。 当红外辐射照射到已经极化的铁电体薄片表面上时引起薄片 温度升高，使其极化强度降低，表面电荷减少，这相当于释放一 部分电荷，所以叫做热释电型传感器。如果将负载电阻与铁电体薄片 相连，则负载电阻上便产生一个电信号输出。输出信号的强弱取决于薄片温 度变化的快慢，从而反映出入射的红外辐射的强弱，热释电型红外传感器的 电压响应率正比于入射光辐射率变化的速率。 第12章 辐射式传感器 2. 光子探测器 光子探测器的工作机理：利用入射光辐射的光子流与探测器材 料中的电子互相作用，从而改变电子的能量状态，引起各种电 学现象——这种现象称为光子效应。 光子探测器分类:根据电学现象不同分为内光电和外光电探测器 两种，内光电探测器分为----光电导、光生伏特和光磁电探测器 等三种。 主要特点：是灵敏度高，响应速度快，具有较高的响应频率， 但探测波段较窄，一般需在低温下工作。 第12章 辐射式传感器 1、红外感应系统----采用热释电红外传感器：金属外壳、 窗口及滤光片、敏感元件等。 内装信号放大及阻抗变换电路----场效应管及RG、RS-- -偏置厚膜电阻 12.1.3 红外传感器的应用 滤光片 RG、RS 偏置厚膜 电阻 第12章 辐射式传感器 灵敏度、检视范围、检测距离的扩大----加罩菲涅尔透镜 第12章 辐射式传感器 ￿￿ 2. 红外测温仪----利用热辐射体在红外波段的辐射通量来测 量温度的。 当物体的温度低于1000℃时，它向外辐射的不再是 可见光而是红外光了，可用红外探测器检测其温度。如采用分 离出所需波段的滤光片，可使红外测温仪工作在任意红外波段 。 第12章 辐射式传感器 常见的红外测温仪方框图。 光、 机、电一体化的红外测温系统 ，图中的光学系统是一个固定焦距 的透射系统， 滤光片----分为透射式或反射式，一 般采用只允许8～14 μm的红外辐射 能通过的材料。 步进电机----带动调制盘转动， 将被 测的红外辐射调制成交变的红外辐 射线 红外探测器-----一般为热释电探测器 ，透镜的焦点落在其光敏面上。 被 测目标的红外辐射通过透镜聚焦在 红外探测器上，红外探测器将红外 辐射变换为电信号输出。 第12章 辐射式传感器 图12 – 2 红外测温仪方框图 红外测温仪的电路----包括前置放大、选频放大、 温度补偿、 线性化、发射率（ε）调节等。目前已有一种带单片机的智能红外测温器 ， 利用单片机与软件的功能，大大简化了硬件电路， 提高了仪表的稳定 性、 可靠性和准确性。 ￿￿ 第12章 辐射式传感器 2. 红外线气体分析仪----根 据气体对红外线具有选择性的 吸收的特性来对气体成分进行 分析的。不同气体其吸收波段（吸 收带）不同，CO气体对波长为4.65 μm附近的红外线具有很强的吸收能力 ，CO2气体则发生在2.78 μm和4.26 μm附近以及波长大于13 μm的范围对 红外线有较强的吸收能力。如分析 CO气体，则可以利用4.26 μm附近的 吸收波段进行分析。 图12 – 3 几种气体对 红外线的透射光谱 第12章 辐射式传感器 图12 – 3 几种气体对红外线的透射光谱 乙炔 乙烷 乙稀 甲烷 第12章 辐射式传感器 工业红外线气体分析仪的结 构原理图。 组成----红外线辐射光源、气 室、 红外检测器及电路等部 分。 光源--由镍铬丝通电加热发 出3～10 μm的红外线，切光 片将连续的红外线调制成脉 冲状的红外线，以便于红外 线检测器信号的检测。 测量气室--通入被分析气体 ，参比气室中封入不吸收红 外线的气体（如N2等） 图12 – 4 红外线 气体分析仪结构 原理图 同步 电机 切光片 滤 气 室 参比室测量室 红外探 测器 放大器 抛物体 反射镜 光源 第12章 辐射式传感器 红外检测器--薄膜电容 型，有两个吸收气室， 充以被测气体，当它吸 收了红外辐射能量后， 气体温度升高，导致室 内压力增大。 滤波气室---消除干扰气 体（与被测气体吸收红 外线波段有部分重叠的 气体）对测量结果的影 响 图12 – 4 红外线 气体分析仪结构 原理图 同步 电机 切光片 滤 气 室 参比室测量室 红外探 测器 放大器 抛物体 反射镜 光源 第12章 辐射式传感器 测量时（如分析CO气体的含量），两束红外线经反射、切 光后射入测量气室和参比气室， 由于测量气室中含有一定量的 CO气体，该气体对4.65 μm的红外线有较强的吸收能力， 而参 比气室中气体不吸收红外线，这样射入红外探测器的两个吸收 气室的红外线光造成能量差异，使两吸收室压力不同，测量边 的压力减小，于是薄膜偏向定片方向， 改变了薄膜电容两电极 间的距离，也就改变了电容C。如被测气体的浓度愈大，两束光 强的差值也愈大， 则电容的变化量也愈大，因此电容变化量反 映了被分析气体中被测气体的浓度。 第12章 辐射式传感器 滤波气室----目的是为了消除干扰气体对测量结果的影响。所谓 干扰气体，是指与被测气体吸收红外线波段有部分重叠的气体 ，如CO气体和CO2在4～5 μm波段内红外吸收光谱有部分重叠， 则CO2的存在对分析CO气体带来影响，这种影响称为干扰。为 此在测量边和参比边各设置了一个封有干扰气体的滤波气室， 它能将与CO2气体对应的红外线吸收波段的能量全部吸收，因此 左右两边吸收气室的红外能量之差只与被测气体（如CO）的浓 度有关。 第12章 辐射式传感器 图12 – 4 红外线气体分析仪结构原理图 第12章 辐射式传感器 12.2 核辐射传感器 12.2.1 核辐射及其性质 众所周知，各种物质都是由一些最基本的物质所组成。人 们称这些最基本的物质为元素。组成每种元素的最基本单元就 是原子， 每种元素的原子都不是只存在一种。具有相同的核电 荷数Z而有不同的质子数A的原子所构成的元素称同位素。 假设 某种同位素的原子核在没有外力作用下，自动发生衰变，衰变 中释放出α射线、β射线、γ射线、X射线等，这种现象称为核辐 射。 而放出射线的同位素称为放射性同位素，又称放射源。 第12章 辐射式传感器 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 (12 - 1) 式中： J0——开始时的放射源强度； ￿ J——经过时间为t以后的放射源强度； ￿ λ——放射性衰变常数。 第12章 辐射式传感器 放射性同位素种类很多，由于核辐射检测仪表对采用的放 射性同位素要求它的半衰期比较长(半衰期是指放射性同位素的 原子核数衰变到一半所需要的时间，这个时间又称为放射性同 位素的寿命)，且对放射出来的射线能量也有一定要求， 因此常 用的放射性同位素只有20种左右，例如Sr90（锶）、Co60￿ （钴 ）、Cs137（铯）、Am241（镅）等。 第12章 辐射式传感器 1. α射线 放射性同位素原子核中可以发射出α粒子。α粒子的质量为 4.002 775u(原子质量单位)，它带有正电荷，实际上即为氦原子 核，这种α粒子流通常称作α射线。 放射出α粒子后同位素的原 子序数将减少两个单位而变为另一个元素。一般α粒子具有40～ 100MeV的能量，平均寿命为几微秒到1010年。它从核内射出的 速度为20km/s，α粒子的射程长度在空气中为几厘米到十几厘米 。 第12章 辐射式传感器 α射线通过气体时，使其分子或原子的轨道电子产生加速 运动，如果此轨道电子获得足够大的能量，就能脱离原子成为 自由电子，从而产生一对由自由电子和正离子组成的离子对， 这种现象称为电离。如在相互作用中，轨道电子获得的能量还 不足以使它脱离原子成为自由电子，仅使电子从低能级跃迁至 较高能级，则称这种相互作用为激发。α离子在穿经物质时， 由于激发和电离，损失其动能， 最后停滞在物体之中，与其中 两个电子结合，成为中性的氦原子。一般说来，其电离效应较 激发效应显著。 第12章 辐射式传感器 α离子在物质中运动时会改变运动方向，这种现象称为散射 。由于散射效应，按原来方向进行的α粒子的数目将减少， 但 远小于电离和激发效应引起的α粒子的数目的减少。 在检测技 术中，α射线的电离效应、透射效应和散射效应都有应用， 但 以电离效应为主，用α粒子来使气体电离比其它辐射强得多。 第12章 辐射式传感器 2. β射线 β粒子的质量为0.000 549 u，带有一个单位的电荷。它所带 的能量为100 keV～几兆电子伏特。β粒子的运动速度均较α粒子 的运动速度高很多，在气体中的射程可达20m。 ￿ 和α粒子一样，β粒子在穿经物质时，会使组成物质的分子 或原子发生电离，但与α射线相比β射线的电离作用较小。 由于β 粒子的质量比α粒子小很多，因此更易被散射。β粒子在穿经物 质时，由于电离、激发、散射和激发次级辐射等作用， 使β粒子 的强度逐渐衰减，衰减情况大致服从如下的指数规律： J=J0e-μh (12 - 2) 第12章 辐射式传感器 式中：J0和J——β粒子穿经厚度为h、密度为ρ的吸收体前后的 强度； ￿ μ——线性吸收系数。￿ β射线与α射线相比，透射能力大，电离作用小。在检测中 主要是根据β辐射吸收来测量材料的厚度、 密度或重量，根据辐 射的反射来测量覆盖层的厚度，利用β粒子很大的电离能力来测 量气体流的。 第12章 辐射式传感器 3. γ射线￿ 原子核从不稳定的高能激发态跃迁到稳定的基态或较稳定的 低能态，并且不改变其组成过程称为γ衰变（或称γ跃迁）。 发生 γ跃迁时所放射出的射线称γ射线或γ光子。对于放射性同位素核 衰变时放射的γ射线，或者内层轨道电子跃迁时发射的X射线，它 们和物质作用的主要形式为光电效应。当一个光子和原子相碰撞 时，将其能量全部交给某一轨道电子，使它脱离原子， 光子则 被吸收，这种现象称为光电效应。光电效应也伴随有次级辐射产 生。当γ射线通过物质时，由于发生光电等效应的结果， 它的强 度将减弱， 它也遵循如式(12 - 2)所示的指数衰减规律。 第12章 辐射式传感器 与β射线相比，γ射线的吸收系数小，它透过物质的能力 最大， 在气体中的射程为几百米，并且能穿透几十厘米的固 体物质，其电离作用最小。在测量仪表中，根据γ辐射穿透力 强这一特性来制作探伤仪、 金属厚度计和物位计等。 第12章 辐射式传感器 12.2.2 核辐射探测器￿ 核辐射探测器又称核辐射接收器，它是核辐射传感器的重 要组成部分。核辐射探测器的作用是将核辐射信号转换成电信 号，从而探测出射线的强弱和变化。由于射线的强弱和变化与 测量参数有关，因此它可以探测出被测参数的大小及变化。这 种探测器的工作原理或者是根据在核辐射作用下某些物质的发 光效应，或者是根据当核辐射穿过它们时发生的气体电离效应 。 当前常用的核辐射探测器有：电离室、正比计数管、盖革— 弥勒计数管、闪烁计数器和半导体探测器等。 第12章 辐射式传感器 1. 电离室 电离室是利用射线对气体的电离作用而设计的一种辐射探 测器，它的重要部分是两个电极和充满在两个电极间的气体。 气体可以是空气或某些惰性气体。电离室的形状有圆柱体和方 盒状。 第12章 辐射式传感器 如图12-5所示，在电离室两侧放置相互绝缘的板电极，电极 间加上适当电压，放射线进入电极间的气体中，在核辐射的作 用下，电离室中的气体介质即被电离，离子沿着电场的作用线 移动，这时在电离室的电路中产生电离电流。 核辐射强度越大, 在电离室产生的离子对越多，产生的电流亦越大。电流I与两个 电极间所加的电压U的关系曲线如图12 - 6 所示（曲线1、2和3分 别代表不同的辐射强度下的特性曲线）。图中线段OU￿ 1称为线 性段， 在这一线段上，当电压不大时，电离室中的离子的移动 速度亦不大，有部分离子在移动时就重新复合，而只有余下的 部分离子能够到达电极上。电极上电压愈高， 离子移动速度越 快，离子复合就愈为减少，电流就会增加。线段U1U2称为饱和 段， 在这段上的工作电压很大，所以实际上全部生成的离子都 能到达电极上。此时电流将与所加电压无关。一般电离室工作 在特性曲线的饱和段，其输出电流正比于射到电离室上的核辐 射强度。 第12章 辐射式传感器 图12 – 5 电离室的结构示意图 第12章 辐射式传感器 图12 – 6 电离室的特性曲线 第12章 辐射式传感器 图12 – 7 差分电离室 第12章 辐射式传感器 电离室内所充气体的压力、极板的大小和两极间的距离对电 离电流都有较大的影响，例如增大气体压力或增大电极面积都会 使电离电流增大，电离室的特性曲线也将向增大电离电流的方向 移动。 ￿ 在核辐射检测仪表中，有时用一个电离室，有时用两个电离 室。为了使两个电离室的特性一样， 以减少测量误差，通常设 计成差分电离室，如图12 - 7所示。在高电阻上流过的电流为两 个电离室收集的电流之差，这样可以避免高电阻、 放大器、 环 境温度等变化而引起的测量误差。 ￿ 第12章 辐射式传感器 电离室主要用来探测α、β粒子。在同样条件下，进入电离 室的α粒子比β粒子所产生的电流大100多倍。利用电离室测量α 、β粒子时， 其效率可以接近100%，而测量γ射线时，则效率很 低。这是因为γ射线没有直接电离的本领，它是靠从电离室的壁 上打出二次电子，而二次电子起电离作用，因此, γ射线的电离 室必须密闭。 一般γ电离室的效率只有1%～2%。 第12章 辐射式传感器 图12 – 8 正比计数管的结构模型 第12章 辐射式传感器 2. 正比计数管 正比计数管的结构如图12-8所示。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 、 氢气、甲烷、丙烷等气体。当放射线射入使气体产生电离时 ， 由于在芯线近旁电场密度高， 电子碰撞被加速， 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子对； 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。输出脉冲的大小正比于因放射线入射而 产生电子、正离子对的数目，而电子、正离子对数正比于气体 吸收的放射线的能量。因此，正比计数管可以探测入射放射线 的能量。 第12章 辐射式传感器 正比计数管大多数是圆柱形或者球形、半球形。其阳极很 细，阴极直径较大，这主要是为了在外加电压较小的情况下， 使阳极附近仍能有很强的电场，以便有足够大的气体放大倍数 。 正比计数管可以在很宽的能量范围内测定入射粒子的能量 ， 能量分辨率相当高，分辨时间很短，并且可作快速计数。 ￿ 第12章 辐射式传感器 图12 – 9 盖革-弥勒计数管 第12章 辐射式传感器 3. 盖革-弥勒计数管 盖革-弥勒计数管也是根据射线对气体的电离作用而设计的 辐射探测器。它与电离室不同的地方主要在于工作在气体放电 区域， 具有放大作用。其结构如图12 - 9所示。计数管以金属 圆筒为阴极，以筒中心的一根钨丝或钼丝为阳极， 筒和丝之间 用绝缘体隔开。计数管内充有氩、氦等气体。为了便于密封， 计数管常用玻璃作外壳， 而阴极用金属或石墨涂覆于玻璃表面 内部或在外壳内用金属筒作阴极。 第12章 辐射式传感器 在盖革-弥勒计数管中，阴极和阳极间施加比计数管高的电 压。X射线、α射线、β射线入射使产生比正比计数管激烈的气体 放大，原离子所在区域沿中央丝极传播到整个计数管内。由于 电子漂移速度很快，很快地被收集， 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 程就停止了。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总电荷有关，而与原始电离无 关的脉冲输出。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。 第12章 辐射式传感器 由于正离子鞘到达阴极时得到一定的动能，所以正离子也能从 阴极中打出次级电子。同时由于正离子鞘到达了阴极，中央阳 极电场已恢复，因此这些次级电子又能引起新的离子增殖，像 原先一样再产生离子鞘，再产生电压脉冲，造成所谓连续放电 现象。 为了克服这个问题，必须采取特殊的方法使放电猝灭。 猝灭放电的方法有两种：一种是采用猝灭电路，用来降低中央 丝极的电压，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。这种自猝灭型计数管 又可分为两种：一种是充惰性气体和少量酒精、乙醚或石油醚 的蒸气，称为有机管；另一种是管内充惰性气体和卤素气体， 称为卤素管。 第12章 辐射式传感器 图12 –10 盖革-弥勒计数管特性曲线 第12章 辐射式传感器 盖革-弥勒计数管由于有气体放大作用，所产生的电流比电 离室的离子流大好几千倍， 因此它不需要高电阻，其负载电阻 一般不超过1ΜΩ，输出的脉冲一般为几伏到几十伏。图12 -10为 计数管的特性曲线，在一定的核辐射照射下， 当增加二极间的 电压时，在一定范围内只能增加脉冲的幅度U，而计数率N只有 微弱的增加。图中ab段对应的曲线称为计数管的坪。J1、J2代表 入射的核辐射强度，且J1J2。由图可知，在外电压U相同的情况 下，入射的核辐射强度越强， 盖革-弥勒计数管内产生的脉冲数 N越多。计数管所加电压由所加气体决定，卤素计数管为280～ 400 V，有机计数管为800～1000 V￿ 。 第12章 辐射式传感器 4. 闪烁计数器 物质受放射线的作用而被激发，在由激发态跃迁到基态的 过程中，发射出脉冲状的光的现象称为闪烁现象。能产生这样 发光现象的物质称为闪烁体。闪烁计数器先将辐射能变为光能 ， 然后再将光能变为电能而进行探测，它由闪烁体和光电倍增 管两部分组成， 如图12 - 11所示。 第12章 辐射式传感器 图12 –11 闪烁计数器 第12章 辐射式传感器 闪烁晶体的种类很多，按化学组成成分可分为有机和无机两 大类，按物质形态分则可分为固态、液态和塑料等类型。通常使 用固态闪烁体， 其中有银激活的硫化锌ZnS(Ag)、 铊激活的碘化 钠NaI(T1)、铊激活的碘化铯CsI(T1)、 金激活的碘化锂LiI(Au)￿ 等。 有机闪烁体中应用最广的有蒽、芪、三联苯和萘等。通常 使用的物质列于表12 - 1。 第12章 辐射式传感器 表12 –1 主要的闪烁晶体及检测对象 第12章 辐射式传感器 光电倍增管的作用为接受闪烁体发射的光子将其变为电子并 将这些电子倍增放大为可测量的脉冲。光电倍增管可以分为电 场聚焦型和无聚焦型两类。在每一类中，按照次阴极的几何形 状及排列方式的不同又分为几种。放射性同位素检测仪表中常 用的GDB-19和GDB-10分别为直线聚焦型和百叶窗式无聚焦型。 光电倍增管的基本特性有光特性、阳极的电流电压特性、光阴 极的光谱响应等。入射到光阴极上的光通量F与阳极电流ia之间 的关系称为此光电倍增管的光特性，一般光电倍增管的ia与光通 量F成正比。在一定的光通量F中，光电倍增管的阳极电流与工 作电压的关系是电流随工作电压的增加而急剧上升，上升到某 一值后达到饱和。光谱响应是指光阴极发射光电子的效率随入 射光波长而变化的关系。在组合闪烁计数器时，光电倍增管的 光谱灵敏度范围必须和闪烁晶体发出的光谱相配合。 第12章 辐射式传感器 闪烁计数器负载电阻上产生脉冲，其幅度一般为零点几伏 到几伏，较盖革-弥勒计数管的输出脉冲的幅度为小。闪烁计数 器的输出脉冲与入射粒子的能量成正比，它探测γ射线的效率在 20%～30%以上，比盖革-弥勒计数管和离子室高很多； 它探测α 、β射线的效率接近100%。 由于闪烁体中一次闪烁的持续时间 很短, 故最大计数率一般为106～108数量级。若输出采用电流法 ，则记录的辐射强度不受限制。 第12章 辐射式传感器 5. 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。入射到半导体中的荷电粒子在此过程产生电 子和空穴对。而X射线或γ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，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， 可以将放射线变为电信号。 ￿ 就半导体而言，主要使用的是Si和Ge，对GaAs、CdTe等材 料也进行了研究。目前, 开发的半导体传感器有PN结型传感器、 表面势垒型传感器、锂漂移型传感器、非晶硅传感器等。 第12章 辐射式传感器 12.2.3 核辐射传感器的应用￿￿ 1. 核辐射厚度计 透射式厚度计如图12 -12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测器分别 置于被测物体的两侧，射线穿过被测物体后射入核辐射探测器 。 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数有关。如前所述，射到探测器 的透射射线强度J和物体厚度t的关系为￿ J=J0e-μρt (12-3) 第12章 辐射式传感器 或￿ (12-4) 式中：ρ——被测材料的密度； ￿ μ——被测材料对所用射线的质量吸收系数； ￿ J0——没有被测物体时射到探测器处的射线强度。 第12章 辐射式传感器 图12 – 12 透射式厚度计 第12章 辐射式传感器 图12 – 13 零位法透射式厚度计 第12章 辐射式传感器 对于一定的放射源和一定的材料就有一定的μ和ρ，则测出J 和J0即可计算确定该材料的厚度t。放射源一般用β、Χ或γ射线。 图12 - 13所示为零位法的透射式厚度计。放射源的β射线穿过被 测物体射入测量电离室1，β射线也穿过补偿楔射入补偿电离室2 。这两个电离室接成差式电路，流过电阻上的电流为两个电离 室的输出电流之差。该电流差在电阻上产生的电压降， 使振荡 器振荡， 变为交流输出，在经放大后加在平衡电动机上， 使电 动机正转或反转，带动补偿楔移动，直到两个电离室接受的射 线强度相等，使电阻上电压降等于零为止；根据补偿楔的移动 量可测知厚度。 第12章 辐射式传感器 还可以用散射法测量厚度。散射法是指利用核辐射被物体 后向散射的效应制成的检测仪器。这种仪器的特点是放射源和 核辐射探测器可置于被测物质的同一侧，射入的被测物质中的 射线，由于和被测物质的相互作用，而使得其中的一部分射线 反向折回，并进入位于与放射源同侧的核辐射探测器而被测量 。 射到核辐射探测器处的后向散射射线强度与放射源至被测物 质的距离，以及与被测物质的成分、密度、厚度和表面状态等 因素有关，因此改变其中一个参数而保持其它参数不变，则测 得的射线强度将仅随该参数而变化。 利用这种方法可测量薄板 的厚度、 覆盖层厚度、材料的成分、密度等参数。这种方法的 优点为非接触测量，且不损坏被测物质。 第12章 辐射式传感器 后向散射测量厚度的示意图如图12-14所示。射线强度与散 射体厚度之间的关系式为 J散=J饱和（1-e-kρt） (12-5) 式中：t和ρ——散射体的厚度和密度； ￿ J散和J饱和——厚度为t和厚度为“无限大”时的后向散射β射线 强度； k——与射线能量有关的系数。 第12章 辐射式传感器 图12 –14 β散射式厚度测量 第12章 辐射式传感器 2. 辐射式物位计 可以应用γ射线检测物位。测量物位的方法有很多，图12 - 15给出了其中一些典型的应用实例。 ￿ 图12-15(a)是定点测量的方法。将射线源I0与探测器安装在 同一平面上，由于气体对射线的吸收能力远比液体或固体弱， 因而当物位超过和低于此平面时，探测器接收到的射线强度发 生急剧变化。 可见， 这种方法不能进行物位的连续测量。 第12章 辐射式传感器 图12-15(b)是将射线源和探测器分别安装在容器的下部和上 部，射线穿过容器中的被测介质和介质上方的气体后到达探测 器。显然，探测器接收到的射线强弱与物位的高度有关。这种 方法可对物位进行连续测量，但是测量范围比较窄(一般为 300~500 mm)， 测量准确度较低。 ￿ 为了克服图12-15(b)存在的上述缺点，可采用线状的射线源 ， 如图12 - 15(c)；或采用线状的探测器，如图12-15(d)。虽然对 射线源或探测器的要求提高了，但这两种方法既可以适应宽量 程的需要， 又可以改善线性特性。 第12章 辐射式传感器 图 12 – 15 辐射式物位计的测量原理框图 第12章 辐射式传感器 3. X荧光材料成分分析仪 射到物质上的核辐射所产生的次级辐射称为次级荧光射线（ 如特征X射线），荧光射线的能谱和强度与物质的成分、厚度及 密度等有关。利用荧光效应可以检测覆盖层厚度、物质成分、 密 度和固体颗粒的粒度等参数。 荧光式材料成分分析仪具有分析速 度快，精度高，灵敏度高，应用范围广，成本低，易于操作等优 点，已经得到广泛应用。 ￿ 第12章 辐射式传感器 能量色散X射线荧光成分分析仪是根据初级射线从样品中激 发出来的特征X射线荧光对材料成分进行定性分析和定量分析的 。即初级射线从样品中激发出来的多种能量的各组成元素的特征 X射线射入探测器，该探测器输出一个和射入其中的X射线能量 成正比的脉冲， 这些脉冲输给脉冲高度分析器、定标器和显示 记录仪器，给出以X射线荧光能量为横坐标的能谱曲线，由能谱 曲线的峰位置及峰面积的大小，就可以求出样品中含有什么元素 及它的质量含量。 第12章 辐射式传感器 能量色散型X射线荧光分析仪的探头部分如图12-16所示。 它由放射源、探测器、 样品台架孔板、滤光片和安全屏蔽快门 等组成。在X荧光分析仪中，低能γ射线源和X射线源用得最多 。 常用的探测器有正比计数管、闪烁计数管和锂漂移硅半导体 探测器。要根据具体的场合，合理地选用。￿ 放射源、样品和探测器间的几何布置也是一个重要问题。 如图12 - 17所示，将放射源表面中心点和样品表面中心点的连 线方向与表面中心点的连线方向间的夹角当作散射角θ，散射 角θ的选择取决于所用射线能量、探测器形式和所测样品。选 择合适的散射角可以使能谱曲线上的散射峰和散射光子的逃逸 峰对所测荧光峰的干扰最小。最常用的散射角为90°~180°，这 种布置可使探头结构简单、尺寸较小、使用方便。 第12章 辐射式传感器 图12 – 16 X射线荧光分析仪的 第12章 辐射式传感器 图12 – 17 散射角示意图