冷却剂中含有一定的空气,其活化生成的4Ar也是放射性气体的主要嫌源!逮 放射性气溶胶放射性物质的微小固体或液体粒子悬浮于空气中成为醇性气茶股∵买 粒度范围为10-3-103gm。压水堆一回路系统多少总会有一些泄漏(允许范围以内),这时固 体放射性物质随着冷却剂的泄漏、蒸发而形成放射性气溶胶。由以上可知,气溶胶中的放射性 微粒主要是C,5Cr,Mn,Co和Fe等。 1.4核电站辐射测量技术的特点 压水堆核电站辐射测量的主要目的是为了保证核电站的安全运行并确保工作人员能安全 工作。这里仅介绍核电站辐射测量的主要特点。 1)根据工程特点和安全需要设计针对整个核电站或某个厂房(房间)或设备的潜在危害 的核辐射测量系统(形成测量通道)。 2)各测量系统必须稳定、可靠地运行,有些还必须在线连续运行,甚至在事故情况下也能 正常运行。 3)测量系统的测量仪表智能化(还将数字化),不仅能读显即时的辐射水平,还要能显示追 溯到定时效的测量数据。 4)测得的辐射水平的显示集中化,即各个测量系统的显示仪表柜集中在一定的房间或控 制室 5)有三级报警:失效报警(例如仪器仪表失效、电源失效等)警告报警(例如辐射水平超阈 值)、高值报警(例如辐射水平超高阈)有些还具有联动功能 6)使用冗余技术,对于直接与核安全有关的在线连续监测通道,考虑了整个通道的完整冗 余根据要求采用2级冗余(即有完全独立的两个完全相同的测量通道,一旦一个失效也不会 影响系统正常运行)、3级冗余、4级冗余……。这里所说的完全独立是指所有提供同-功能信 号的通道在结构上和电气上是相互独立的,在实体上是隔离的。 7)仪器和设备经常刻度和维护,包括保持准确度的刻度,证实准确度的定量相关检验。例 如设有检验试验的放射源,进行周期性检验,停堆换料期间维护等。 参考文献 1凌备备。核反应堆工程原理。北京:原子能出版社,1989 2李德平、潘自强。辐射防护手册,第-分册。北京:原子能出版社,198 3 Peller w and Maienschein FC. ORNL- 4457(1970) 4UnikJR and Ginder I E. ANL- 7748(1971) 5中国科学院工程力学研究所。y射线屏蔽参数手册。北京:原子能出版社,1976 6 Jaffey AH. ANL-7747, 1970
第二章核辐射探测原理及探测方法 各种核辐射的探测原理都与它们和物质的相互作用密切相关,但最基本的是利用带电粒 子在物质中对物质原子产生的电离和激发效应;对能量较高的带电粒子,也利用它们穿过物质 时的电磁辐射效应。核辐射探测的基本方法是利用各种类型和规格的核辐射探测器探测得到 核辅射的信息,用核电子学线路(设备)处理(包括放大成形甄别、变换、分析、记录等);核辐 射探测器的输出信息,或是与被探测的核辐射强度成正比的电信息(例如脉冲计数率或直流电 流)或是与每个核辐射事件的能量成止比的脉冲幅度,或是与每个核辐射事件所发生的时间间 隔大小成正比的信息,从而达到所要探测的日的。 2.1核辐射探测原理 1带电粒子的探测原理 2.1.1.1带电粒子与物质的相互作用机制 探测带电粒子所依据的原理是带电粒子与物质原子发生的三种主要相互作用。 1)电离和激发效应。带电粒子与核外轨道电了之间存在库仑相互作用,发生非弹性碰撞 导致带电粒子损失能量,物质原子被电离或激发。 2)非弹性碰撞。带电粒子与物质原子核发生库仑相互作用,产生非弹性碰撞,使入射带电 粒子的速度和运动方向发生改变,伴随产生轫致辐射。这种作用对电子来说很显著,而对p、a 和其他重带电粒子来说,这种作用的概率很小,主要是使原子核产生库仑激发。 3)弹性碰撞。带电粒子与原子核之间因库仑相互作用而产生弹性散射,即弹性碰撞,致使 入射带电粒了改变运动方向并损失能量,但不产生电磁辐射,也不使原子核受到激发,而是使 原子核受到反冲而获得能量,使晶格原子产生位移,形成缺陷,即在物质内产生带电粒子的径 迹。这种作用主要是p、a等重带电粒子所致。 2,1.1.2带电粒子的能量损失 定能量的带电粒子进入物质后,通过多次弹性和非弹性碰撞过程,其能量逐步减小,带 电粒子速度被慢化。带电粒子在物质中的能量损失与带电粒子的种类能量及吸收物质的性 质有关。我们把单位路径上带电粒子损失的能量称为带电粒子能量损失率,或者称为物质对 带电粒子的阻止本领,用符号-dE/dX表示。 2.1.1.2.1电离损失 理论计算表明,当个电荷为x,质量为m,速度为v的带电粒子进入原子序数为Z 的物质时,其电离损失率(称为 Bethe- Block公式)为: 4 x NZB
式中:m;为电子的静止质量,N为单位体积物质中的原子数,B为阻止系数。 阻止系数B与入射粒子的种类和能量有关23。对重带电粒子,如p、a、d等,有 B,=I 1(1-83-9--Z 对丁电子,们 2mev"E 片,=212P(1-)-(2√1-F-1+F)m2+(1-P)+ ①1-F)2] (2-3) 在非相对论近似时(<1),(22)式和(2-3)式可简化为 2m B.= In (2-5) 上列各式中,P=v/c,c为光速;Eo是入射带电粒子的能量;是物质原子的平均激发能, 与Z的比值可近似地表示为HZ≈115eV;K是物质中电子密度效应修正项;为壳层修正项。 2.1.1.2.2辐射损失 高速电子通过物质时,原子核电磁场使电子动量改变并发射出电磁辐射(称为轫致辐射) 而使电子损失能量,这种能量损失叫做辐射损失。 电」在物质中通过单位长度路径由于轫致辐射而损失的能量称为辐射损失率。若不考虑 轨道电了对核电荷的屏蔽作用,则辐射损失率4为 1377/、2E。4 42NE 若考虑轨道电子对核电荷的屏蔽作用,则辐射损失率为 4Z(Z+1)NE r2|ln(183z13)+ 18 (2-7) 上二式中E为入射电子的能量;r为电子的经典半径,其他符号同前。快速电子射入物质后 总的能量损失率等士电离损失率与辐射损失率之和 (:)+( de y 而电子的电离损失率与辐射损失率之比为: (:)/(:) (E。+mc2)Z (2-9) 2.1.1.3带电粒子在物质中的射程 带电粒子射入物质后与物质相互作用,不断损失能量,能量损失完后不再作为自由粒子而 存在的现象称为吸收。带电粒子从进人物质直到被吸收,沿入射方向所穿过的最大距离称为 带电粒子在物质中的射程。非相对论近似时,能量为E0(相应速度为v)的入射带电粒子在 物质中的射程为: 17
dei dE 2 2-10) 4 (2-10)式计算起来比较复杂,多年来人们对重带电粒子在物质中的射程与其能量的关系进行 了人量的实验与理论研究,得到了一些经验公式。相同能量的同一种带电粒子在不同物质中 的射程的关系有经验公式: Ra/r=BbA (2-11) Pa 式中p。和b、A2和A6分别为物质a和物质b的密度与相对原子质量。一般常用带电粒子在 标准空气(15℃,101.325kPa)中射程Ro作参考,则重带电粒子(如a、p、d等)在密度为p,相 对原子质量为A的物质中的射程由(2-11)式得 R=3.2×10 (2-12) a粒子和p在标准空气(空气的平均相对原子质量A0=14.59,密度p0=1.26×103g cm3)中的射程的经验公式为: Ra=0.318E Rop=(Ep9.3)8×102 2-14) 以上各式中F和E分别表示入射a粒子和质子的能量。注意,对于化合物与混合物,以上各 式中的A为 /A=n√A n√A; 式中A;和n,分别是化合物或混合物中第i种元素或物质成分相应的相对原子质量和原子含 量百分数。 对于单能电子,由于常用铝作为电子的参考吸收物质,能量为E的单能电子在铝中的射 程有经验公式: R。=412E 65-0.095nE (0.01MeV<E≤2.5MeV) (2.5MeV<E≤20MeV (2-16) R。=530E。-106 对于β射线,由于β射线具有连续能谱分布,且射线服从指数吸收规律 (2-17) 式中;o为入射β射线强度;I为通过吸收体厚为x后测得的β射线强度,为物质对9射线 的线吸收系数。β射线进人物质后的最大射程经验公式为 (0,15MeV<E≤0.8MeV) x=0.542E013 (0.8MeV<EAms≤3Mev) 18) (218)式中EA为射线的最大能量。铝对射线的质量吸收系数Hn(=上)和E面m之间有 经验公式: am=E(0.5MeV<E面≤6Mev 2-19)
2.1.1.4正电子的探测原理 止电子的探测是依据正电子与物质的相互作用。正电子进入物质后与物质发生相互作用 的能量损失机制和电子的相同。但是,当它的能量损失到与周围物质达到热平衡时,将与物质 中电子发生湮没。正电子一电子涇没是一个相对论性过程,在此过程中,一对电子的静止质量 转变为两个湮没光子(又称涇没辐射)的能量。理论研究证明,大多数情况下湮没放出两个湮 没光子的能量相等(511keV)方向相反。单位时间内的湮没概率6为 λ-r2cne=4.52×10°/A(s1) 式中:r为电子的经典半径;c为光在真空中的速度;n为正电子湮没时所处物质的电子密度; p、Z、A分别是作用物质的密度、原子序数和相对原子质量。 正电子的探测是通过探测湮没Y光子来间接探测的。湮没γ光子的探测原理和下节中讨 论的γ射线的探测原理是一样的。 2.1.2X和γ射线的探测原理 特征X射线 由fX和γ射线不带电荷,它们不能像带 电粒子那样在物质中直接产生电离和激发效应 入射光子 因此不能直接被探测到,而是通过它们在物质中 的光电效应、康普顿散射和电子对产生效应生成 的次级电子再引起物质的电离和激发间接被探 测到的。 2.1.21光电效应 图2I光电效应示意图 光子通过物质时和物质原子相互作用,光子 的能量被原子吸收后发射轨道电子的现象,称为 光电效应,或称为光电吸收。发射的电子称为光电子。如图2-1所示。 光电子的能量可由能量守恒定律得到: E。=hy-B;(i=K,L,M,………) (2-21) 式中B;为第壳层电子的结合能。光电效应主要发生在内壳层,对于K层电子其结合能近似 公式为 Bk= hcRo(z-1) (2-22) 式中;h为普朗克常数;c为光速;Ra为里德伯常数;hcR=13.60eV 原子发射光电子后在原子内壳层留下的空位会由外壳层电子来填充,同时伴随发射特征 X射线或俄歇电子。L层电子跃迁到K层空位时发射的X射线为KX射线,KX射线能量 ER=Bx-B;当L层电了跃迁到K层空位时不发射X射线而是把多余的能量直接交给L 层另-个电子,使它脱离原子的束缚而成为自由电子,这个电子称为KLL俄歇电子,其能量为 eekll =(BK-BL)-BL=BK-2Br 2.1.2.2康普顿散射 康普顿散射效应发生在入射Y光子与所作用物质原子的外壳层轨道电子之间。入射的y