《核电子学》PPT课件.ppt

1.核 辐 射 与 物 质 的 基 本 作 用2.带 电 粒 子 通 过 物 质3.射 线 通 过 物 质4.射 线 的 吸 收5.中 子 与 物 质 的 作 用1.放 射 性 活 度 （ A）2.吸 收 剂 量 (D)3.剂 量 当 量 （ H） 到 达 地 球 表 面 数 目 6.6 1010个 /cm2 秒中 微 子 与 物 质 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 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 . 1.008665 0 n中 子 1.007276 +1 p质 子 0 0 5.486 10-4 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 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 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 原 子 。 。 。 n 物 质 ： 气 体 液 体 固 体 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 离 作 用 2 电 离 效 应 + 靶 原 子 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 对 ：正 离 子 和 自 由 电 子 + -+ - + -+ - + -+ - + -+ -+ -+ - + -+ -+ -+ -+ - + -+ - + -+ -+ - + -+ -+ - + - + -自 由 电 子正 离 子+ e-库 仑 作 用 射 线 与 射 线 电 离 效 应 比 较 射 线 射 线径 迹 粗 直 细 弯 电 离 作 用 强 电 离 作 用 严 重 产 生 离 子 对 数 目 多 电 离 作 用 Z1Z2 /v2 Z1 入 射 粒 子 原 子 序 数 Z 2 靶 粒 子 原 子 序 数 v 入 射 粒 子 速 度 实 验 结 果 粒 子 径 迹 是 一 条 直 线 5.3 MeV 粒 子 在 空 气 中 的 射 程 3.83 cm 电 子 径 迹 是 折 线 1 射 线 是 什 麽 2 射 线 的 电 离 作 用 3 轫 致 辐 射 4 正 电 子 湮 灭 电 磁 辐 射 谱 小能 量 高 E=h , =c / 大能 量 低 射 线 是 波 长 很 短 能 量 高 的 电 磁 辐 射 （ 10-11 米 ， keV， MeV） ， 来 自 原 子 核 衰 变 , 不 带 电 ， 静 止 质 量 0 。1. 射 线 是 什 麽 ？ 能 够 同 物 质 原 子 发 生 作 用 ， 但 不 能 直 接 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 2.射 线 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 次 级 电 子 电 离 效 应次 级 电 子 使物 质 原 子 电 离射 线 第 1 步初 级 作 用 第 2 步次 级 作 用 自 由 电 子 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 ,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 电 子 对 效 应能 量 1.02 MeV 的 射 线与 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 条 件 ： 射 线 能 量 E 1.02 MeV 为 什 麽 ？能 量 转 化 成质 量M = E /C2 3.轫 致 辐 射电 子 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 能 量 ) 电 视 机 高 压 15 kV 电 子 束 能 量 15 keV x 射 线 能 量 0 -15 keV应 注 意 玻 璃 含 有 40K U Th产 生 机 制原 子 核 4.正 电 子 湮 灭正 电 子 与 负 电 子 相 遇 发 生 湮灭 ， 产 生 两 个 0.511 MeV的 光 子 。 e+ + e- + m e+ + me - = 0.511 + 0.511 MeV 质 量 转 化 为 能 量 转 化 效 率 (100 %） 射 线 通 过 介 质 时 由 于 同 物 质 的 作 用 , 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 I 实 验 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 。 指 数 衰 减 规 律 指 数 衰 减 因 子 线 性 吸 收 系1） 射 线 能 量 高 值 小2） 原 子 序 数 高 值 大I(x)= I0 e- x铅 和 铝 吸 收 系 数 水 水 泥 Al Pb137Cs 8.08 3.81 3.44 0.556 60Co 11 5.17 4.67 0.989 射 线 强 度 减 弱 1/2 所 通 过 物 质 层 的 厚 度 射 线 的 防 护 大 都 选 用重 金 属 铅 、 水 泥 等 ，构 成 很 厚 的 防 护 墙 。 半 吸 收 厚 度 单 位 ： cm 物 质 层 厚 度 0 I / I 半 吸 收 厚 度 (d1/2) 电 离 过 程 直 接 直 接 间 接 径 迹 直 线 折 线 直 线比 电 离 很 大 稀 疏 稀 稀 拉 拉 穿 透 能 力 很 弱 中 很 强 对 物 质 电 离 作 用 的 比 较 2 MeV 射 程 (m) 离 子 对 密 度 /mm 0.01 6000 2-3 60 10 几 个 铅 地 下1-2 米 深铅 室n 4580本 中 子 源 射 线 穿 透 物 质 能 力 射 线 穿 透 人 体 皮 肤 情 况 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 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 慢 化 剂 :轻 水 ( 1H2O) 重 水 (2D2O) 五 、 中 子 与 物 质 的 作 用 n Hn np电 离 n p电 离 14N 14C 人 体 有 大 量 H 和 N 原 子 中 子 对 人 体 电 离 效 应 严 重 伤 害 也 严 重 12 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 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 ） 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 的 原 子 核数 目 。 单 位 ： 1贝 可 = 1 次 核 衰 变 /秒 1 Bq = 1 次 核 衰 变 /秒暂 时 与 SI并 用 的 专 用 单 位 名 称 是 居 里 ， 符 号 为 Ci。 1Ci3.7 1010Bq。 (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 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 放射 性 比 度 ， 或 比 放 射 性 （ specific radioactivity） 。 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 D d/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。 1Gy 1Jkg-1100rad， 或 1rad 10-2 Jkg-1 10-2Gy。 照 射 量 X与 吸 收 剂 量 D是 两 个 意 义 完 全 不 同 的 辐 射 量 。 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 。 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。 吸 收 剂 量 1 戈 瑞 （ 1焦 耳 /千 克 ） 时 的 能 量 效 应 1） 水 温 升 高 （ 比 热 4.2 103J/千 克 度 ） 1 kg水 物 质 吸 收 剂 量 1 Gy 水 温 度 上 升 1/（ 4.2 103） = 2.4 10-4 C2） 转 化 为 物 体 的 动 能 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 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 放 射 性 活 度 (A) 吸 收 剂 量 (D) 剂 量 当 量 (H) 吸 收 剂 量 (D) 1戈 瑞 = 1焦 耳 /千 克1 Gy = 1 J/kg放 射 源 活 度 (A) 1贝 克 =1次 核 衰 变 /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 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 2.58 10-4库 伦 千克 -1（ 1R 2.58 10-4Ckg-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 （ 1Gy 1Jkg-1 102rad） 拉 德 （ rad） 1拉 德 10-2焦 耳 千 克 -1 100尔 格 克 -1（ 1rad 10-2Jkg-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 -1 100雷 姆 （ 1Sv1Jkg-1 102rem） 雷 姆 （ rem） 1雷 姆 10-2焦 耳 千 克 -1（ 1rem 10-2Jkg-1）放 射 性 活 度 秒 -1 （ s-1） 贝 可 勒 尔 （ Bq） 1贝 可 勒 尔 1秒 -1（ 1Bq 1s-1） 居 里 （ Ci） 1居 里 3.7 1010秒 -1（ 1Ci 3.7 1010s-1） 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 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 物 体 造 成 不 同 的 辐 射 损 伤 。 小 结 1.加 速 器 人 工 产 生 高 能 量 带 电 粒 子 束 的 机 器2.反 应 堆 ： 可 控 裂 变 反 应 炉 （ 第 2 章 ） 4.辐 射 探 测 器（ 荧 光 屏 + 眼 睛 ）感 知 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 3. 放 射 源 6. 其 他 加 速 器 在 核 科 学 中 的 地 位（ 1） 加 速 器 是 核 科 学 最 重 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 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 ） 入 射 粒 子 与 靶 物 质 作 用 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 聚 焦 3 偏 转 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 两 种 类 型 加 速 器直 线 型圆 环 型 高 压 直 线 加 速 器离 子 源电 场靶 物 质 抽 真 空探 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 静 电 加 速 器 球 形电 极 能 量 E = q V + E0直 流 电 源靶 物 质离 子 源出 射粒 子 北 大 4.5 MV 单 级 静 电 加 速 器 V 北 大 4.5 MV 单 级 静 电 加 速 器 郑 州 大 学 4 MV 静 电 加 速 器 串 列 静 电 加 速 器+V -q1 加 速 负 离 子 + q2 加 速 正 离 子 出 射 粒 子 能 量 E = V q i + 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 = q2 V 低 低 北 大 2 1.7 MV 串 列 静 电 加 速 器 北 大 2 6 M V串 列 静 电 加 速 器 为 什 麽 需 要 对 撞 ？ EF （ E入 射 ）1/2 EF = 2 E入 射 固 定 靶 对 撞 束 有 效 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 射 E = M C2更 高 能 量 的 粒 子 用 于 探 索 粒 子 内 部 和 产 生 新 粒 子 质 量 和 能 量 是 等 价 的 ， 粒 子 载 有 的 能 量可 以 转 化 成 质 量 ， 产 生 许 多 粒 子 。高 能 电 子 e+e- +- （ 2 0.51 MeV) （ 2 105 MeV） 北 京 e+e- 对 撞 机 2 GeV + 2 GeV LHC: 周 长 27 km , 地 下 100 m 深 隧 道投 资 ： 30-35 亿 U参 加 人 数 10000 时 间 1995 -（ 2005） 2007 12年 放 大 与变 换 记 录 与存 储放 射 性 是 人 眼 睛 看 不 见 、 身 体 也 感 觉 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 放 射 源 的 生 产 和 制 造例 如 : 放 射 源1） 60Co T 1/2 =5.27年2） 137Cs T 1/2 =30.17年 阳 极 +阴 极 -射 线 探 测 器 : G-M 计 数 管 闪 烁 探 测 器 放 射 性 测 量 仪 器