13.4 核辐射检测
13.4.1 核辐射检测的物理基础
1.同位素
原子序数相同，但原子质量数不同的元素，称作同位素。当没有外因作用时同位素的原子核会自动在衰变中放出射线，这种同位素就称作“放射性同位素”。其衰减规律为
α＝α0e-λt （13-30）
式中，α0、α——分别为初始时与经过时间t秒后的原子核数；
λ——衰变常数（不同放射性同位素有不同的λ值）。
式（13-30）表明放射性同位素的原子核数按指数规律随时间减少，其衰变速度通常用半衰期表示。半衰期是指放射性同位素的原子核数衰变到一半所需的时间，一般将它作为该放射性同位素的寿命。
2.核辐射
放射性同位素衰变时，放出一种特殊的带有一定能量的粒子或射线，这种现象称为“核辐射”。放射性同位素在衰变过程中，能放出α、β、γ三种射线。其中α射线由带正电的α粒子（即
的核）组成；β射线由带负电的β粒子（即电子）组成；γ射线由中性的光子组成。
通常以单位时间内发生衰变的次数来表示放射性的强弱，称为放射性强度。放射性强度也是随时间按指数规律而减小，即
I＝I0e-λt （13-31）
式中，I0、I——分别为初始时与经过时间t秒后的放射性强度。
放射性强度的单位是居里（Ci）。1居里等于放射源每秒钟发生3.7×1010次核衰变。在检测仪表中，居里的单位太大，常用它的千分之一来表示，称为毫居里（mCi）。
检测仪表中常用的放射性同位素见表13-2。
表13-2 常用的放射性同位素及其基本参数
续表13-2
3.核辐射与物质间的相互作用
（1）电离作用 具有一定能量的带电粒子在穿过物质时会产生电离作用，在它们经过的路程上形成许多离子对。电离作用是带电粒子与物质间相互作用的主要形式。α粒子由于能量大，电离作用最强，但射程较短（所谓射程是指带电粒子在物质中穿行时在能量耗尽停止运动前所经过的直线距离）。β粒子质量小，电离能力比同样能量的α粒子要弱。γ粒子没有直接电离的作用。
（2）核辐射的散射与吸收 α、β和γ射线穿过物质时，由于电磁场作用，原子中的电子会产生共振。振动的电子形成向四面八方散射的电磁波源，使粒子和射线的能量被吸收而衰减。α射线的穿透能力最弱，β射线次之，γ射线穿透能力最强。但β射线在穿行时容易改变运动方向而产生散射现象，当产生反向散射时即形成反射。
核辐射与物质间的相互作用是进行核辐射检测的物理基础。利用物质衰变辐射后的电离、吸收和反射作用并结合α、β和γ射线的特点可以完成多种检测工作。例如利用α射线实现气体分析、气体压力和流量的测量；利用β射线进行带材厚度、密度、覆盖层厚度等的检测；利用γ射线完成材料缺陷、物位、密度等检测与大厚度的测量等。
13.4.2 核辐射传感器
1.电离室
图13-23 电离室示意图
图13-23为电离室示意图。电离室两侧设有二块平行极板，对其加上极化电压E使二极板间形成电场。当有粒子或射线射向二极板间空气时，空气分子被电离成正、负离子。带电离子在电场作用下形成电离电流，并在外接电阻R上形成压降。测量此压降值即可得核辐射的强度。电离室主要用于探测α、β粒子，它具有坚固、稳定、成本低、寿命长等优点，但输出电流很小。
2.气体放电计数管（盖格计数管）
图13-24 气体放电计数管示意图
图13-24为气体放电计数管示意图。计数管的阴极为金属筒或涂有导电层的玻璃圆筒。阳极为圆筒中心的钨丝或钼丝。圆筒与金属丝之间用绝缘体隔开，并在它们之间加上电压。
核辐射进入计数管后，管内气体产生电离。当负离子在电场作用下加速向阳极运动时，由于碰撞气体分子产生次级电子，次级电子又碰撞气体分子，产生新的次级电子。这样，次级电子急剧倍增，发生“雪崩”现象，使阳极放电。放电后由于“雪崩”产生的电子都被中和，阳极被许多正离子包围着。这些正离子被称为“正离子鞘”。正离子鞘的形成，使阳极附近电场下降，直到不再产生离子增殖，原始电离的放大过程停止。由于电场的作用，正离子鞘向阴极移动，在串联电阻上产生电压脉冲，其大小决定于正离子鞘的总电荷，与初始电离无关。正离子鞘到达阴极时得到一定的动能，能从阴极打出次级电子。由于此时阳极附近的电场已恢复，次级电子又能再一次产生正离子鞘和电压脉冲，从而形成连续放电。若在计数管内加入少量有机分子蒸汽或卤族气体，可以避免正离子鞘在阴极产生次级电子，而使放电自动停止。
气体放电计数管的特性曲线如图13-25所示。图中I1、I2代表入射的核辐射强度，I1＞I2。由图可见，在相同外电压U时不同辐射强度将得到不同的脉冲数N。气体放电计数管常用于探测β粒子和γ射线。
3.闪烁计数器
图13-25 气体放电计数管特性曲线
图13-26为闪烁计数器组成示意图。闪烁晶体是一种受激发光物质，有固态、液态、气体三种和有机与无机两大类。有机闪烁晶体的特点是发光时间常数小，只有与分辨力高的光电倍增管配合时才能获得10-10s的分辨时间，并且容易制成较大的体积，常用于探测β粒子。无机闪烁晶体的特点是对入射粒子的阻止本领大，发光效率高，有很高的探测效率，常用于探测γ射线。
图13-26 闪烁计数器示意图
当核辐射进入闪烁晶体时，晶体原子受激发光，透过晶体射到光电倍增管的光阴极上，根据光电效应在光阴极上产生的光电子在光电倍增管中倍增，在阳极上形成电流脉冲，即可用仪器指示或记录。
13.4.3 核辐射检测技术的应用
1.核辐射在线测厚仪
核辐射在线测厚仪是利用物质对射线的吸收程度或核辐射散射与物质厚度有关的原理进行工作的。图13-27为利用散射原理工作的镀层测厚仪。
图13-27 镀层在线测厚仪
1—镀层；2—放射源；3、4—电离室；5—挡板；6—电机；7—滚子；8—辅助放射源；9—钢带
图中3、4为两个电离室，电离室外壳加上极性相反的电压，形成相反的栅极电流，使电阻R的压降正比于两电离室核辐射强度的差值。电离室3的辐射强度取决于放射源2的放射线经镀锡钢带镀层后的反向散射；电离室4的辐射强度取决于8的放射线经挡板5的位置调制。利用R上的电压，经过放大，控制电机转动，以此带动挡板5位移，使两电离电流相等。如用检测仪表测量出挡板5的移动位置，即可获得镀层的厚度。
2.核辐射物位计
不同介质对γ射线的吸收能力是不同的，固体吸收能力最强，液体次之，气体最弱。
图13-28为核辐射物位计示意图。若核辐射源和被测介质一定，则被测介质高度H与穿过被测介质后的射线强度I的关系为
图13-28 核辐射物位计示意图
式中，I0、I——穿过被测介质前后的射线强度；
μ——被测介质的吸收系数。
探测器将穿过被测介质的I值检测出来，并通过仪表显示H值。
目前用于测量物位的核辐射同位素有60 Co及137Cs，因为它们能发射出很强的γ射线，半衰期较长。γ射线物位计一般用于冶金、化工和玻璃工业中的物位测量，有定点监视型、跟踪型、透过型、照射型和多线源型等。
γ射线物位计的优点是:①可以实现非接触式测量；②不受被测介质温度、压力、流速等状态的限制；③能测量密度差很小的两层介质的界面位置；④适宜测量液体、粉粒体和块状介质的位置。
3.核辐射流量计
测量气体流量时，通常需将敏感元件插在被测气流中，这样会引起压差损失，若气体具有腐蚀性又会损坏敏感元件。应用核辐射测量流量即可避免上述问题。
图13-29为核辐射气体流量计示意图。气流管壁中装有两个电位差不同的电极。其中一个涂有放射性物质，它放出的粒子可以使气体电离。当被测气体流过电离室时，部分离子被带出电离室，因而室内的电离电流减小。当气体流动速度加大时，从电离室带出的离子数增多，电离电流减小也越多。由于辐射强度、离子迁移率等因素也会影响电离电流，为了提高测量准确度应采用差动测量线路。
图13-29 核辐射气体流量计示意图
上述方法同样适合于其他流体流量的测量。若在流动的液体中加入少量放射性同位素，还可运用放射性同位素跟踪法求取流体的流量。
4.核辐射探伤
图13-30（a）为γ射线探伤示意图。放射源放在被测管道内，沿着平行管道焊缝与探测器同步移动。当管道焊缝质量存在问题时，穿过管道的γ射线会产生突变，探测器将接到的信号经过放大，然后送入记录仪记录下来。图（b）为其特性曲线，横坐标表示放射源移动的距离；纵坐标表示与放射性强度成正比的电压信号。图中两突变波形表示管道焊缝在该两部位存在大小不同的缺陷。上述方法也可用于探测块状铸件内部的缺陷。
图13-30 γ射线探伤仪
（a）工作框图；（b）特性曲线
1—被测管道；2—放射源；3—移动机构；4—焊缝
为了提高探测效率，用上述方法探伤时，常选用闪烁计数器作为探测器，并在其前面加设γ射线准直器。准直器用铅制成，通过上面的细长直孔使探测器检测的信号更为清晰。
除上述用途外，核辐射技术还可以用于制作核辐射式称重仪、温度计、检漏仪及继电器等检测仪表与器件。
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