放射性检测仪器原理及应用

放射性检测仪器原理及应用 杨振宇 � 王 智 � 柴长虹 � 周一鸣 � 王新宇 � 裘文玮 (上海出入境检验检疫局� 上海 � 200135 ) 项目基金:国家质检总局科研项目 ( 2009 IK191) � � 摘要 � 由于放射性危害巨大,且一般情况下必须借助专门仪器方可感知, 因此检验检疫人员必须对放 射性检测仪器有所了解。本文对放射性检测仪器的主要探测器种类及其原理进行了说明,详细介绍了口岸 和实验室常用的各种放射性仪器,并对其应用进行了 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 ,提出了指导性的应用意见。 关键词 � 放射性检测仪器;原理;应用分析 中图分类号 � TL81 Princip le and Application ofRadioactive Detection Instrum ents Yang Zhenyu, W ang Zh,i Chai Changhong, Zhou Y im ing, W ang X inyu, Q iuW enw ei ( Shangha iEn try- Ex it Inspection and Quarant ine Bureau, Shangha,i 200135) Abstract: Because of the harm of rad ioactiv ity and perception by instrum ents, inspection and quarantine officers must understand the radioactive detection instrum ents. This paper explains the k ind and principle ofma in de tecto rs of radioact ive detection instrum ents and introduces in detail frequent ly- used instrumen ts by inspection and quaran� t ine department at lab and por.t This paper a lso discusses the app lication of radioact ive detection instruments and offers the gu idelines. Key words: Rad ioactive Detect ion Instruments; Princ iple; Application Ana lysis 1� 前言 放射性危害因涉及面广、隐蔽性强、杀伤力高、 危害性大且难以进行销毁处理, 受到各国的政府高 度重视和公众媒体的高度关注。由于放射性物质 具有上述特性, 一旦通过物流进入国内, 很可能会 危害到国民生命健康和造成环境污染, 并引起很严 重的社会恐慌。因此, 必须在口岸上进行放射性检 测,以保证在国门的第一道防线上就检测出非法入 境的放射性物质和放射性不合格商品。 放射性物质对于人类和环境的危害主要来自 于其电离辐射。只有非常高剂量的电离辐射才会 给人带来明显的急性症状,所以人们必须借助于探 测器来探测各种放射性辐射, 给出放射性的类型、 强度、能量及时间等特性。必须依靠仪器测量是口 岸现场放射性安全控制的一个很重要的特征,也是 和其它口岸现场安全检验最大的不同之处, 这样我 们必须对放射性检测仪器的类型和原理有一个基 本的了解。本文对放射性检测仪器的类型和原理 进行了详细的说明, 并对实验室和口岸现场的仪器 进行了应用分析,希望能让检验检疫部门放射性检 验人员所有借鉴。 2� 放射性探测器的类型和原理 放射性是指自发地改变核结构转变成另一种 核,并在核转变过程中放射出各种射线的特性。这 些射线都属于电离辐射范围, 是引起放射性危害的 根源,同时我们也可利用这些电离辐射的不同对放 射性物质进行测量。 放射性探测器的定义:利用放射性辐射在气体、 液体或固体中引起的电离、激发效应及或其它物理、 化学变化进行辐射探测的器件称为放射性探测器。 放射性辐射探测的基本过程: ( 1)辐射粒子射入探测器的灵敏体积; ( 2)入射粒子通过电离、激发等效应而在探测 器中沉积能量; ( 3)探测器通过各种机制将沉积能量转换成某 种形式的输出信号。 探测器按其探测介质类型及作用机制主要分 为气体探测器、闪烁探测器和半导体探测器 3种。 2. 1� 气体探测器 �原理 气体探测器以气体为工作介质,由入射粒子在 其中产生的电离效应引起输出信号的探测器。 70 JOURNAL OF INSPECT ION AND QUARANT INE检验检疫学刊 V o.l 20 No. 4 2010年第 4期 � 特点 气体探测器的突出优点: 探测器灵敏, 体积大 小和形状几乎不受限制, 没有核辐射损伤或极易恢 复以及运行经济可靠等。 � 包括种类 气体探测器通常包括 3类处于不同工作状态的 探测器:电离室、正比室和 G - M管。它们的共同特 点是通过收集射线穿过工作气体时产生的电子 - 正离子对来获得核辐射的信息。G - M计数管是由 盖革 ( Ge iger)和弥勒 ( M uller)发明的一种计数管, 使用非常广泛,其突出特点是制造简单、价格便宜、 使用方便; 其缺点为死时间长、仅能用于计数。现 在的中子检测器采用的是正比计数器, 所用 材料 关于××同志的政审材料调查表环保先进个人材料国家普通话测试材料农民专业合作社注销四查四问剖析材料 以 前是 BF3,现一般为 3He。 2. 2� 闪烁探测器 � 原理 闪烁探测器是利用辐射在某些物质中产生的 闪光来探测电离辐射的探测器。 � 组成 闪烁探测器的典型组成: 闪烁体、光导、光电倍 增管、管座及分压器、前置放大器、磁屏蔽及暗盒等。 � 工作过程 ( 1)辐射射入闪烁体使闪烁体原子、分子电离 或激发,受激原子退激而发出波长在可见光的荧光; ( 2)荧光光子被收集到光电倍增管 ( PMT )的光 阴极, 通过光电效应打出光电子; ( 3)电子倍增,并在阳极输出回路输出信号。 � 种类 ( 1)无机闪烁体: 无机晶体 (掺杂 ) ! ! ! NaI ( T l)、C s(T l)、ZnS( Ag)等 玻 璃 体 ! ! ! L iO2 2S iO2 ( Ce) (锂玻璃 ) 纯晶体 ! ! ! B i4G e3O12 (即 BGO ) ( 2)有机闪烁体:有机晶体 ! 蒽、芪、萘晶体等; 有机液体闪烁体及塑料闪烁体等 ( 3)气体闪烁体: A r, Xe等。 � 常用闪烁体简介 ( 1) NaI( T l) :发光效率高, 价格低廉,适宜于 � 射线探测,使用非常广泛。但易潮解,须仔细封装。 ( 2) C s( T l): 性质和 NaI ( T l)相似, 不潮解, 价贵。 ( 3) ZnS(Ag) :将 ZnS( Ag)粉末加 1%有机玻璃 粉末溶于有机溶剂涂于有机玻璃板上, 透明度差, 薄层,适合测 �、 粒子。 ( 4)有机液体闪烁体: 溶剂 (二甲苯 ) + 发光物 质 ( PPO ) + 移波剂 ( POPOP) , 放于玻璃或石英杯 中。主要测量中子和 粒子, 实验室内常用, 一般 口岸检测很少用。 ( 5)塑料闪烁体: 苯乙烯 (单体 ) + PPO + POPOP, 聚合成塑料,制作简便、性能稳定、耐辐射性 能好,大面积的探测器, 如通道式检测器大都使用 该闪烁体。 根据核测量的需要, 可选择闪烁体和光电倍增 管组合成各式各样的探测器, 这类探测器探测效率 高,并能够进行射线能量的测量。 2. 3� 半导体探测器 半导体探测器给辐射探测器的发展, 尤其对带 电粒子能谱学和 �射线谱学带来重大飞跃。 �原理 带电粒子在半导体探测器的灵敏体积内产生 电子 -空穴对,电子 -空穴对在外电场的作用下迁 移而输出信号。其探测原理和气体电离室类似, 有 时也称为固体电离室。 �特点 线性响应好、能量分辨率最佳; �射线探测效率 较高,可与闪烁探测器相比。半导体探测器广泛地 应用在各类射线的检测仪器上,特别是在 �能谱测 量领域,有着不可替代的作用。 3� 常见电离辐射探测器 3. 1� 个人辐射检测仪 ( Persona l radiat ion detector, PRD ) 该仪器体积小巧, 用于佩带在人体躯干上用来 测定佩带者所受 X和 �辐射外照射个人剂量当量 和个人剂量当量率,主要用途是用于放射性工作人 员的个人防护。它可以探测佩带位置当时的剂量 当量率,也可以探测所设定的一段时间内的剂量当 量,并能设置报警值以声、光或振动进行报警。测 量能量范围为 50keV到 1. 5M eV。 A � � � � � � � � � � B 图 1� 2款个人辐射检测仪 3. 2� 携带式 X、�辐射剂量率仪 (H and- held gam� m a search detector, GSD ) 71 2010年第 4期 Vo.l 20N o. 4 检验检疫学刊 JOURNAL OF INSPECTION AND QUARANTINE 这种仪器可由电池供电, 重量轻,可携带测量, 是口岸最常用的 X和 �辐射测量仪器。该仪器包 括一个或几个 X和 �辐射探测器, 测量能量范围为 50keV到 3M eV,响应时间不超过 8s; 通常设有报警 功能, 可以作为监测仪使用; 测量辐射剂量率的灵 敏度、准确度都比 PRD高很多, 其测量的剂量率值 可以作为原始结果来判断被测物的放射性水平。 有些仪器可以通过改换探头来测量 �、 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 面污染 或中子辐射。 A � � � � � � � � � � � B 图 2� 2款携带式 X、�辐射剂量率仪 3. 3� 携带式能谱仪 (Hand he ld radionuclide identif i� ca tion device, R ID) 这种仪器外形和 GSD基本一致,区别是在 GSD 上加装了能谱的测量功能, 通常采用 N aI( T l) 闪烁 体作为探头材料。N aI( T l)材料的探测效率高, 可以 做能量响应,可测能谱, 但能量分辨率低, 所以 RID 可以在现场做大致的核素定性。 3. 4� 通道式 X和 �辐射监测仪 ( F ixed radiat ion portalmonitor, RPM ) 通道式 X和 �辐射计量率仪主要用来探测车 辆、人员、行李和邮件的放射性, 有时也称为门式或固 定式放射性监测系统。和携带式相比,固定式 X和 � 辐射计量率仪一般采用塑料闪烁体做探测部件,可以 做得比较大,所以探测灵敏度更高。探测能量范围应 在 50keV到 7M eV之间, 至少应达到 80keV ~ 1. 5 M eV,通常可设置报警预值以配合自动监测工作。有 些配有中子探测器,可对中子进行监测。 A � � � � � � � B 图 3� 2款通道式辐射检测仪 3. 5� �、 表面污染监测仪 (A lpha /beta surface con� tam inationmonitors) �、 表面污染监测仪主要用于测量现场的货 物表面有无放射性物质以及强度。由于 �射线的 射程短,所以测量时必须紧挨被测物体表面, 但同 时又不能使探头碰到被测物体表面,以防止探头表 面受到损坏和污染。 射线的射程稍远, 但监测仪 和被测物体也不能太远, 具体距离应和仪器刻度时 的距离相等。 图 4� �、 表面污染监测仪 3. 6� 中子检测仪 ( Hand held neutron search detec� tors, NSDs) 中子检测仪是测量现场中子计数或剂量的便 携式或佩带式仪器。由于中子不带电,不能直接测 量,一般是通过中子和物质进行核反应或弹性碰撞 来检测中子,常用的检测器是充有 3H e和 BF3的气 体正比计数管。由于中子辐射出现的情况很少, 所 以中子检测仪一般并不单独购置,而是作为其它仪 器的附加功能来配置。 3. 7� 高纯锗 �能谱仪 ( Gamma spectrometers) �能谱仪是通过测量分析 �能谱来对被测物所 含的放射性核素和含量。通常所说的 �能谱仪是 指实验室内的大型谱仪, 探头材料为半导体材料, 现在采用高纯锗材料, 能量分辨力极好, 测量时需 要用液氮或电制冷。测量时一般放置在铅室中, 能 对样品中很低含量的放射性核素进行准确地定性 和定量。 图 5� 高纯锗 �能谱仪 3. 8� 低本底 �、 测量仪 ( Low background a lpha and /or beta measuring instruments) 72 JOURNAL OF INSPECT ION AND QUARANT INE检验检疫学刊 V o.l 20 No. 4 2010年第 4期 低本底 �、 测量仪和 �、 表面污染监测仪不 同,它是用来准确测量样品中总 �、总 比活度的仪 器,通常用于实验室的检验。样品在测量前需要制 样过程,以满足仪器测量的需要。除了食品、水样, 通常在进出口商品放射性检验应用不多。 3. 9� 其他仪器 还有其他一些仪器设备,也可能会在实际工作中 使用。比如车载式辐射检测仪,它的探测方式和通道 式的一致,但其探测器安装在车辆上,可移动探测。 将光学成像和 �剂量率分布梯度图像进行叠 加的 �相机, 可以以照片的形式, 非常清晰直观的 显示观测地区放射源 (热点 )所在的位置。 还有将探测器安装在抓斗或龙门吊上的装置, 可以在抓取和吊装货物的时候直接对货物进行放 射性测量。 4� 放射性检测仪器的应用分析 不同的仪器有不同的特点, 也决定了它们有不 同的应用。下面针对其应用的场地进行详细说明。 4. 1� 实验室配置的放射性检测仪器及其应用 实验室配置的放射性检测仪器通常用于样品 中核素或放射性总量的准确定量, 应该配置的仪器 有高纯锗 �能谱仪和低本底 �、 测量仪。 ( 1)高纯锗 �能谱仪能准确测量样品的 �放射 性核素的比活度,可以完成的检验任务有: 矿石、建 材中放射性核素的检测,废物中 �放射性核素的检 测,食品中人工放射性核素的检测等。 ( 2)低本底 �、 测量仪能准确测量样品中总 �、总 的比活度, 可以完成的检验任务主要是食 品、水样的总 �、总 的比活度的测量。 另外实验室也应配备剂量率和剂量仪, 用来监 测来样的 �剂量率和实验人员的受照剂量, 以保护 实验室人员的健康。 4. 2� 口岸配置的放射性检测仪器及其应用 口岸的情况比较复杂,需要的仪器设备也比较 多,详述如下。 4. 2. 1� 个人防护产品 个人防护产品包括个人剂量计和防辐射产品 (如防辐射服、口罩、眼镜等 )。由于口岸遇到的商 品种类繁多,虽然一般而言商品中的放射性通常比 较低, 但如果遇到高放射性, 有可能会对检验员带 来伤害。因此,口岸应根据情况配备个人剂量计和 防辐射产品,以避免检验员可能遭受的高剂量率辐 射和长期的高辐射剂量。 4. 2. 2� �、 表面污染监测仪 该仪器为便携式,主要用于废物表面的 �、 活度 的测量或者用于物体表面是否有放射性污染的判定。 4. 2. 3� 便携式辐射测量仪 该仪器主要的应用是测量 �剂量率, 也可以测 量剂量。有些仪器有测量 �谱的功能,可以在现场 测量样品的 �谱来估计样品中放射性核素的种类, 还可以通过加装探头来测量中子计数。 该类仪器适用范围广, 使用率高, 适合各种样 品。主要应用在现场测量口岸样品的 �剂量率, 通 过对样品的 �剂量率的准确测量,来判断样品是否 合格或者是否通过筛选。 该仪器也可以作为口岸待检商品放射性危害 程度和突发应对级别的评估。建议同一口岸购买 仪器时,有 1~ 2个仪器增配中子计数功能, 使该口 岸机构同时具体中子的检测能力。 4. 2. 3� 通道式辐射检测仪 通道式辐射检测仪主要是用来检测运动中的 物体的 �放射性,但国外在通道式仪器上多配置中 子检测器,可同时检测中子剂量。通道式辐射检测 仪可以应用在不同的检测场合, 通常可以对车辆、 行人、货包和快件进行检测。 通道式放射性检测仪检测时只需被测货物或 人低于一定速度通过探测器即可,非常符合现代物 流的要求,而且通道式仪器的探测元件面积大, 较 之便携式仪器来说, 更为敏感, 定性能力更强。但 是由于其探测元件为固定式, 无法贴近货物进行检 测,再加上集装箱的屏蔽等因素, 其检测结果的精 确性相对较差,适合用于对入境集装箱的监控和初 步筛选。 综上所述, 便携式仪器由于剂量率定量准确, 比较适合石材、矿产品等放射性分布较为均匀商品 的定量分析,也可以对已知放射性异常的集装箱进 行寻源,但由于不够灵敏,无法适应大量废品 (或入 境集装箱 )中大海捞针式的现场放射性监测。而通 道式仪器更为灵敏, 对物流影响小, 更适合用于初 步筛选放射性异常的货物。此外, 也有专门为行 人、货包和快件 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 的不同类型通道式辐射检测 仪,在机场、出入境车站等设置该仪器, 可以对行 人、货包和快件的放射性进行检测。 5� 结语 放射性测量仪器是口岸入境放射性安全的基 础,仪器使用人员必须对仪器的类型、原理和选配 有所了解,才能在检验工作中做到物尽其用, 保障 口岸的入境放射性安全。 73 2010年第 4期 Vo.l 20N o. 4 检验检疫学刊 JOURNAL OF INSPECTION AND QUARANTINE