【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 核爆炸在大氣中形成的人工放射性物質(zhì)是環(huán)境廣泛受到污染的 原因。核爆炸在大氣中形成的人工放射性物質(zhì)最初大多進(jìn)入大氣層的 上部，然后從大氣層上部緩慢的向大氣層下部轉(zhuǎn)移，最終將落到地面， 稱之為落下灰” 3。當(dāng)落下灰中的各種放射性核素存在于地面空氣中時(shí)。 可通過吸入而引起內(nèi)照射，當(dāng)其沉降于植物上或土壤中時(shí)，則可通過 外照射和食入引起內(nèi)照射。 核爆炸始于 1945年， 1954一 1985年，及 1961— 1962年間曾在大氣 中進(jìn)行過大量的核試驗(yàn)，最后一 次是在 1980年 10月。地下核試驗(yàn)?zāi)? 前仍在進(jìn)行，但其造成的環(huán)境污染較小。 雖然核爆炸可以產(chǎn)生幾百種放射性核素，但其中多數(shù)不是產(chǎn)量很 少就是在很短時(shí)間內(nèi)就已經(jīng)全部衰變，對(duì)世界的居民的有效劑量負(fù)擔(dān) 大于 1％的只有 7種，按其對(duì)人體照射水平的遞減順序，它們是： 14C， 137Cs， 95Zr， 90Sr， 106Ru， 144Ce和 3H。落下灰對(duì)居民的照射水平， 因居住地所處的緯度而異，一般，南半球居民受到的照射量要比北半 球的低。表 2． 5列出了核爆炸給生活在南、北溫帶及全世界居民造成 的有效劑量負(fù)擔(dān)值；從這表，我們可看 出，核爆炸對(duì)居民照射的主要 途徑是食入，其次是外照射。1980年底以前進(jìn)行的大氣層核爆炸造成 的集體有效劑量負(fù)擔(dān)總計(jì)為 3水 107人 sv，相當(dāng)于當(dāng)今世界人口額外受 到大約 4年的天然本底輻射的照射。就核爆炸引起的人均年劑量而言， 1963年最大，相當(dāng)于天然本底輻射源所致平均年劑量的 7％， 1966年 則下降為 2％左右，目前則低于 1％。 表 2． 5 1981年底以前進(jìn)行的大氣層核爆炸 造成的有效劑量負(fù)擔(dān)及其貢獻(xiàn)途徑 地點(diǎn) 有效劑 貢獻(xiàn)途徑，％ 量負(fù)擔(dān)， mSv 食入 外照射 吸入 北溫帶 4． 5 7． 1 24 5 南 溫帶 3． 1 90 8 2 全世界 3． 8 70 18 3 哈爾濱工程人學(xué)碩士學(xué)位論文 2． 23核動(dòng)力生產(chǎn) 據(jù) 1987年資料，現(xiàn)在，全世界已有 26個(gè)國(guó)家和地區(qū)近 400座核 反應(yīng)堆在運(yùn)行發(fā)電，正在建造的反應(yīng)堆有 140座，計(jì)劃建造的還有 110 座，整個(gè)核能發(fā)電一年 15000億度，占世界總發(fā)電量的 16％。 用核反應(yīng)堆生產(chǎn)電能是以核燃料循環(huán)為先決條件的。核燃料的循 環(huán)包括：鈾礦的開采和水冶，轉(zhuǎn)變成不同的化學(xué)形態(tài)； 235U同位素含 量的富集；燃料元件的制造；在反應(yīng)堆內(nèi)的功率生產(chǎn)；受照射燃料的 后處 理；核燃料循環(huán)的不同階段、不同裝置間的核材料運(yùn)輸；最后， 還要對(duì)放射性廢物進(jìn)行處理。 雖然，核動(dòng)力生產(chǎn)中產(chǎn)生的所有人工放射性核素幾乎都存留在受 照過的核燃料中，但是上述循環(huán)的每一環(huán)節(jié)都會(huì)有少量放射性物質(zhì)被 釋放到環(huán)境中。由于其中大多數(shù)放射性核素的半衰期較短，在環(huán)境中 的遷移率較低，因此釋放到環(huán)境的放射性物質(zhì)多半只是在局部或本地 區(qū)產(chǎn)生影響，當(dāng)然也有一些半衰期很長(zhǎng)或是在環(huán)境中彌散的較快的放 射性核素，它們可分布到全球，從而在世界范圍內(nèi)使人類和環(huán)境受到 照射和污染“。 據(jù)粗略估計(jì)，在目前，核燃料循環(huán)運(yùn)行時(shí)，放 射性排出物 (不包 括廢物處理 )對(duì)附近居民造成的集體有效劑量負(fù)擔(dān)為 5． 7人 Sv，其中 98％是在排放后的 104— 108年間授與的。表 2． 6給出了按現(xiàn)有的技術(shù)水 平，核電生產(chǎn)持續(xù)到 2500年時(shí)由核燃料循環(huán)所致的年集體有效劑量和 人均有效劑量的預(yù)計(jì)值。從這表，可見 1980年由于核能生產(chǎn)所致的人 均當(dāng)量劑量只有天然輻射照射源的 0． 005％，即使到了 2500年也不過 是天然輻射源照射水平的 1％ o 表 2． 6核電力生產(chǎn)持續(xù)到 2500年時(shí)的年人均當(dāng)量劑量預(yù)計(jì)值 項(xiàng)目 年份 1980 2020 2100 2500 年核發(fā) 電量預(yù) 80 1000 10000 10000 計(jì)值 [GW(e)a] 年集體有效劑 500 1000 202000 250000 哈爾濱 T程大學(xué)碩士學(xué)位論文 量 (人 Sv) 世界人口 (109 4 10 lO 10 人 ) 年人均當(dāng)量劑 O． 1 I 20 25 量 (uSv) 占天然輻射源 平均暴露量的百 0． 005 O． 05 1 1 分?jǐn)?shù) (％ ) 此外，就從事核動(dòng)力生產(chǎn)的職業(yè)人員接受的人工輻射的年有效劑 量，大概與來自天然輻射源照射的平均值處于同一數(shù)量級(jí)。 人類除了受到上述三種主要人工輻射源的外照 射外，還受到由于 工業(yè)技術(shù)發(fā)展造成的增大了的天然輻射源的照射 (例如，燃煤發(fā)電、 磷肥生產(chǎn)造成的環(huán)境放射性污染，空中旅行、宇宙航行導(dǎo)致的額外的 宇宙射線照射等 )以及各種消費(fèi)品 (例如夜光鐘、表，含鈾、釷的制 品，某些電子、電氣器件等 )的人工輻射源的照射。不過，由這些人 工輻射源所致的世界居民的集體有效劑量負(fù)擔(dān)與天然輻射源所致相比 較，～般都很小，總計(jì)不過天然輻射源的 1％婚 3。 2． 3本章小結(jié) 本章主要分析了我們周圍環(huán)境中的輻射情況，對(duì)于環(huán)境的 T輻射 場(chǎng)主要有兩個(gè)特點(diǎn)： 1． T射線的能量范圍比較廣。從幾十 key，到兩 三千 key不等。這對(duì)于探測(cè)器的設(shè)計(jì)帶來了很大的困難，它需要探測(cè) 器的能量響應(yīng)范圍比較廣。 2．環(huán)境 T射線的總體強(qiáng)度不大。這對(duì)于探 測(cè)器的靈敏度要求就比較高。 哈爾濱工程大學(xué)碩士學(xué)位論文 第 3章環(huán)境 T輻射場(chǎng)的測(cè)量方法 3． 1 Y射線的探測(cè)原理 T射線的探測(cè)都是通過 T射線與物質(zhì)作用產(chǎn)生電子然后才能產(chǎn) 生電信號(hào)被儀器識(shí)別。 T射線與物質(zhì)相互作用，可以有許多種方式。當(dāng) T射線的能量 在30MeV以下時(shí)，在所有相互作用方式中，最主要的三種是 1．光電相 應(yīng)2．康普頓效應(yīng) 3．電子對(duì) 效應(yīng)。除此以外還有其他的一些相互作用方 式如：相干散射、光致核反應(yīng)、核共振反應(yīng)，但由于在我們的一般的 環(huán)境中這些相互作用出現(xiàn)的幾率很少可以忽略不計(jì)“ 。 3． 1． 1光電相應(yīng) 光電效應(yīng)是當(dāng)一個(gè) T光子與物質(zhì)中的一個(gè)束縛電子作用時(shí)，它可 能將全部能量交給電子，而光子本身被吸收。得到能量的電子脫離原 子核的束縛而成為自由電子，這個(gè)電子被稱為光電子。這個(gè)過程叫做 光電效應(yīng)““。其示意圖如圖 3． 1。 e 圖 3． 1光電效應(yīng)示意圖 16 哈爾濱工程大學(xué)碩十學(xué)位論文 在 發(fā)生光電效應(yīng)時(shí)，入射光子能量的一部分用于克服電子的結(jié)合 能，其余部分轉(zhuǎn)化為電子的動(dòng)能。即 五 r=，十函 (3— 1) 式中：扣一普朗克常熟 一一入射光子頻率 hP一入射光子能量 卜一光電子動(dòng)能 西一一電子結(jié)合能 由于 K殼層電子離核最近，其次為 L、 M、 N，等殼層，因此 K殼 層產(chǎn)生光電效應(yīng)的幾率最大““。從觀點(diǎn)子角分布研究中觀察到：當(dāng)光 子能量不大時(shí)，光電子發(fā)射方向差不多和入射光予方向相垂直；而在 光子能量較大時(shí)，則光電子發(fā)射方向逐漸趨于入射方向。由式 (3． 1) 可得光電子動(dòng)能為 ， =五 V一曲 (32) 由 于一般中值約為幾千電子伏到幾萬電子伏，而 T射線的能量 hv 在幾十萬到幾百萬電子伏間，所以 T m hv。 如果吸收介質(zhì)原子序數(shù)為 Z， T射線的能量為 hv，則由于光電效 應(yīng)而使射線強(qiáng)度減弱，其減弱系數(shù)為 t，則 T。 c 2／ 0“ (hv： ／ ／／ 0CZ． ) 03 1一 Z， v (hvmoc247。 ) t3 由此可見：光電效應(yīng)只是在 T射線能量較低，介質(zhì)原子序數(shù)較高時(shí)， 才能有較大的幾率。 3． 1． 2康普頓效應(yīng) T射線與物質(zhì)的另一種相互作用是入射光子把一部分動(dòng)能交給 原予外層電子，電子從原予中以與 入射方向成巾角方向射出，這一電 子成為反沖電子““。入射光子能量則變成 hv’并朝著與入射角方向成 0角方向散射，這一過程最早為康普頓發(fā)現(xiàn)，所以稱為康普頓效應(yīng)。 康普頓效應(yīng)示意圖如圖 3． 2 __Iiiijjiiiiiii_ji； l口 jjjj__t_iil_iij__iii_jjiji‘ j啥爾 濱工程 大學(xué)碩 士學(xué)位 論文 當(dāng)入射光子能量較大時(shí)，外層電子的結(jié)合能 (一般是電子伏數(shù)量 級(jí) )可以忽略。因此，可以把外層電子近似看作“自由電子”。這樣， 康普頓效應(yīng)可以認(rèn)為是 T光子與原子中外層軌道電子的彈性碰撞。由 能 量和動(dòng)量守恒定律，可根據(jù)入射光子的能量和動(dòng)能求得反沖電子以 及散射光子的能量和動(dòng)量。計(jì)算可得反沖電子能量 Ee等于 Ee： 竺 = (35) 168。蒜南 當(dāng) 0=O。， Ee接近為 0，說明沒有反沖電子產(chǎn)生。 當(dāng) 0=180。，反沖電子能量取得最大值 Eemax Eemax： 竺 = (36) 1+竺￡ 2hv — hv’ 8 圖 3． 2康普頓效應(yīng)不意圖 從這，我們可以看出，康普頓效應(yīng)產(chǎn)生的反沖電子能量從 0到 Eemax，隨著 0變化而連續(xù)分布。由于康普頓效應(yīng)而產(chǎn)生的射線強(qiáng)度 的減弱，其減弱系數(shù) 0 C正比于吸收介質(zhì)的 Z／ A。 Z， A分別是吸收介 質(zhì)原子序數(shù)與質(zhì)量數(shù)““。 T射線能量在 0． 55MeV范圍內(nèi)， T射線與物質(zhì)發(fā)生作用時(shí)，康普 頓效應(yīng)是主要作用過程。 哈爾濱工程大學(xué)碩士學(xué)位論文 3． 1． 3電子對(duì)效應(yīng) 當(dāng) T射線能量大于兩倍電子靜止能量，即 hv1． 02MeV時(shí)， v光子 從原子核旁邊經(jīng)過時(shí)，光子被吸收，轉(zhuǎn)化為兩個(gè)電子：電子和正電子， 這一過程稱為電子對(duì)效應(yīng)“ 。電子對(duì)產(chǎn)生過程示意圖如圖 3． 3 hv e 圖 3． 3電子對(duì)產(chǎn)生過程示意圖 在電子對(duì)產(chǎn)生時(shí)，入射光子能 量一部分轉(zhuǎn)化為兩個(gè)電子的靜止能 量，其余部分轉(zhuǎn)化為正、負(fù)電子的動(dòng)能。即： hv： 2moc。 i如 ++Ee (37) 式中：魔卜一『 F電子的動(dòng)能 如一一負(fù)電子的動(dòng)能。 由上式可看出能量為 hv的光予在發(fā)生電子對(duì)效應(yīng)時(shí)，生成的正、 負(fù)電子的總動(dòng)能為一常數(shù)，這一常數(shù)等于： Ee++Ee=17 r一 21not。 (3— 8) 由于電子和正電子之間的能量分配是任意的，因此每一個(gè)粒子動(dòng)能可 從 0到 hv一 2m。 C2。由動(dòng)量守恒關(guān)系可得到：電子和正電子幾乎都是沿 著入射光子方向前傾的角度發(fā)射的，入射光子的能量越大，正、負(fù)電 子的發(fā)射方向越前傾，即他們與入射光子方向的夾角變得越小。 電子對(duì)效應(yīng)產(chǎn)生的正電子，在介質(zhì)中動(dòng)能損失以后，它與吸收介 質(zhì)中的一個(gè)電子結(jié)合，并轉(zhuǎn)化為兩個(gè) T光予，即 ， +e一一拍 y’ (39) 這個(gè)過程叫做電子對(duì)湮沒，兩個(gè)光子則稱為湮沒輻射。根據(jù)能量守恒 19 哈爾濱工程大學(xué)碩士學(xué)位論文 原理。兩個(gè)湮沒光子的總能量等于正、負(fù)電子的靜止能量。所以 2hv’ =2ntoC2． hv’ =O． 5iMeV t3— 產(chǎn)生的湮沒光子又有可能與介質(zhì)發(fā)生光電效應(yīng)獲康普頓效應(yīng)。 出于電子對(duì)效應(yīng)而使 T射線強(qiáng)度 減弱，其減弱系數(shù) k與介質(zhì)原子 序數(shù)的平方成正比，而且隨著 T光子能量增大而變大，對(duì)于能量大于 2MeV的 T射線，電子對(duì)產(chǎn)生效應(yīng)逐漸變?yōu)橹匾南嗷プ饔眠^程。 T射線和物質(zhì)相互作用的上述三種主要過程，它們發(fā)生的幾率， 隨著入射光子的能量、物質(zhì)原子序數(shù)而變化，圖 3． 4給出了這種依賴 關(guān)系。 100 80 Z 60 40 20 0． 01 0． 1 1 10 100 hv(MeV) 圖 3． 4光電相應(yīng)、康普頓效應(yīng)、電子對(duì)效應(yīng)優(yōu)勢(shì)區(qū)域 與光子能量及介質(zhì)原子序數(shù)關(guān)系 圖中曲線上，給出了兩種相鄰作用過程所占 比例相等時(shí)的 z值和 入射光子能量 hv值。對(duì)于低能 T射線和原子序數(shù)高的介質(zhì)以光電效 應(yīng)為主；中等能量和較低原子序數(shù)介質(zhì)以康普頓效應(yīng)為主；而高能 T 射線和較高的原子序數(shù)介質(zhì)則以電子對(duì)效應(yīng)為主” 。 3． 2用于 Y射線監(jiān)測(cè)的探測(cè)器 現(xiàn)代主要用于環(huán)境 T射線檢測(cè)的探測(cè)器有電離室、蓋革一彌勒計(jì) 20 哈爾濱工程大學(xué)碩士學(xué)位論文 數(shù)器 (G— M管 )、 閃爍探測(cè)器。電離室和 G— M管計(jì)數(shù)器屬于氣體探測(cè) 器類。閃爍探測(cè)器則屬于固體探測(cè)器類。 3． 2． 1氣體探測(cè)器 1氣體探測(cè)器的工作原理 氣體探測(cè)器能 實(shí)現(xiàn) T射線的探測(cè)并不單是對(duì)因?yàn)?T射線與物質(zhì)作 用產(chǎn)生的電子直接進(jìn)行采集而獲得電信號(hào)的。其中還有氣體的電離與