·

問(wèn)題：核輻射眼睛看不見(jiàn)、耳朵聽(tīng)不著、雙手摸不到，如何知道它的存在呢?·

哈爾濱銥-192之謎·

核探測(cè)器是核輻射的耳目!1第1頁(yè)/共67頁(yè)·

中國(guó)日?qǐng)?bào)消息：由于擔(dān)心恐怖分子利用海上進(jìn)行核原料走私，美

國(guó)與荷蘭政府簽署一項(xiàng)協(xié)議，自掏腰包為歐洲最大的海港鹿特丹

港口安裝核物質(zhì)探測(cè)器?！?/p>

這套價(jià)值300萬(wàn)美元的探測(cè)系統(tǒng)包括固定和手持的儀器，可以對(duì)通

過(guò)港口的貨物集裝箱進(jìn)行掃描，檢查集裝箱里是否裝有核原料。每年大約有數(shù)千艘商船通過(guò)鹿特丹港口，很多貨物都是從中東和世界其他地區(qū)經(jīng)過(guò)這里轉(zhuǎn)運(yùn)到美國(guó)的。美國(guó)安全官員一直擔(dān)心，恐怖分子會(huì)將核原料藏在集裝箱偷運(yùn)到美國(guó)，然后用這些核原料制造“臟彈”。“臟彈”是一種大規(guī)模破壞性武器，引爆后將放出大量有害的放射性物質(zhì)，不僅會(huì)造成人員傷亡，而且會(huì)使遭到攻擊的區(qū)域受到嚴(yán)重的放射性污染。第2頁(yè)/共67頁(yè)2核探測(cè)器(粒子探測(cè)器):能

夠指示、記錄和測(cè)量核輻射的

材料或裝置。原

理

：輻射與核輻射探測(cè)器

內(nèi)的物質(zhì)相互作用而產(chǎn)生某種

信息(如電、光脈沖或材料結(jié)

構(gòu)的變化),經(jīng)放大后被記錄、

分析，以確定粒子的數(shù)目、位

置、能量、動(dòng)量等。第3頁(yè)/共67頁(yè)3·

宇觀——宏觀——微觀粒子(無(wú)

窮大到無(wú)窮小)從102?

m

到10-18m;·

物質(zhì)的基本結(jié)構(gòu)：由原子到夸克。夸克和輕子是物質(zhì)的最基本組成；·微觀粒子肉眼看不到，只能通過(guò)

探測(cè)器探測(cè)到·人類(lèi)對(duì)物質(zhì)世界的認(rèn)識(shí)不斷深化，歸功于實(shí)驗(yàn)和理論的相互促進(jìn)，歸功于粒子加速器和粒子探測(cè)器的不斷建造和發(fā)展。使對(duì)物質(zhì)世界的探索逐步走上現(xiàn)代實(shí)驗(yàn)科學(xué)的軌道

。核探測(cè)技術(shù)隨核物理的發(fā)展而發(fā)展第4頁(yè)/共67頁(yè)4●輻射源天外的：宇宙射線(xiàn)；天然的：自然界自然存

在的放射性核素——鈾、

釙、鐳、錒等；人工的：用加速器、反

應(yīng)堆產(chǎn)生的放射性核素——锝、钷、拿、钚、鍺

等

。粒子源種類(lèi)第5頁(yè)/共67頁(yè)5當(dāng)前的羊八井宇宙線(xiàn)觀測(cè)站6豐八IARGO

實(shí)驗(yàn)至

已安裝的RPC

羊八開(kāi)ARGO

實(shí)驗(yàn)室

已安裝的RPC第6頁(yè)/共67頁(yè)核探測(cè)器測(cè)量的基本物理量·

我們要知道有多少粒子，什么樣的粒子，還要知道它

們的物理性質(zhì)，來(lái)源。為此，探測(cè)器要測(cè)量許多物理

量

?！?/p>

計(jì)數(shù)和計(jì)數(shù)率：即粒子的通量或流強(qiáng)；·

時(shí)間：粒子到達(dá)探測(cè)器時(shí)間或相對(duì)于某時(shí)刻時(shí)間間隔；●能量：尤其中性粒子(中子，γ光子，中微子等)的能

量；·

動(dòng)量：主要是帶電粒子的動(dòng)量；·

位置：

粒子產(chǎn)生或衰變的位置，帶電粒子在探測(cè)器內(nèi)

的位置和飛行的軌跡，中性粒子進(jìn)入探測(cè)器的位置和

飛行方向；·

粒子的分辨：區(qū)別不同性質(zhì)的粒子，特別需要分辨相

同動(dòng)量下不同質(zhì)量的帶電粒子；7第7頁(yè)/共67頁(yè)粒子探測(cè)器用途：·

測(cè)量粒子與射線(xiàn)的基本性質(zhì)，研究這些粒子之間的

相互作用以及它們與宏觀物質(zhì)的相互作用等。·

將這些粒子與射線(xiàn)作為微小的探針來(lái)研究微觀或亞

微觀結(jié)構(gòu)，如晶體結(jié)構(gòu)，物質(zhì)的表面結(jié)構(gòu)，分子原

子及核結(jié)構(gòu)等?！?/p>

因?yàn)檫@些粒子來(lái)源不同，有的來(lái)自地球，有的來(lái)自

太陽(yáng)，月亮或銀河以外，它們會(huì)帶有與源有密切關(guān)

系的信息。

通過(guò)這些粒子或射線(xiàn)來(lái)研究我們達(dá)不到

的各種天體。·

粒子與射線(xiàn)在工業(yè)，農(nóng)業(yè)，地質(zhì)，醫(yī)療，環(huán)保，航

天等領(lǐng)域被廣泛地應(yīng)用，不可替代地獲得對(duì)宏觀物

質(zhì)的形態(tài)，結(jié)構(gòu)，成分的測(cè)量與研究。8第8頁(yè)/共67頁(yè)6位獲諾貝爾獎(jiǎng)的粒子探測(cè)器大師·C.T.R.Wilson發(fā)明云室，一種觀測(cè)帶電粒子徑

跡的方法和技術(shù)(1927年)·

P.M.S.Blackett

發(fā)展Wilson

云室技術(shù)，在核物

理與宇宙線(xiàn)研究中做出貢獻(xiàn)(1948年)·C.F.Powell發(fā)明核乳膠技術(shù)，在宇宙線(xiàn)中發(fā)現(xiàn)π

介子(1950年)·

D.A.Glaser

發(fā)明氣泡室(1960年)·

L.W.Alvarez發(fā)展氣泡室及數(shù)據(jù)處理技術(shù)，發(fā)現(xiàn)

大量共振態(tài)(1968年)·G.Charpak

發(fā)明多絲正比室并發(fā)展氣體絲室技術(shù)

(1992年)9第9頁(yè)/共67頁(yè)L3Magnet

PoleMagnetYokeMagnetCoilMuonChambersSupport

TubeBGOLuminosity

MonitorVertexChamber10丁肇中教授中國(guó)科大，中科院高能所，上硅所參加第10頁(yè)/共67頁(yè)TheAlpha

MagneticSpectrometerDetector國(guó)際空間站的一個(gè)粒子物理實(shí)驗(yàn)(丁肇中教授領(lǐng)導(dǎo))11粒子探測(cè)基本原理·粒子探測(cè)主要是指記錄粒子數(shù)目，測(cè)定其強(qiáng)度，確定粒子的性質(zhì)(能量、

動(dòng)量、飛行方向等)?！?/p>

根據(jù)粒子的帶電性質(zhì)分類(lèi)1.

帶電粒子：α、p

、e±

、π±

、K±

、μ±

等2.

電磁輻射：x射線(xiàn)、γ射線(xiàn)3.

中性粒子：n、π0、k?、v等12第12頁(yè)/共67頁(yè)入射帶電粒子與物質(zhì)原子的軌道電子發(fā)生庫(kù)侖相互作

用而損失能量，軌道電子獲得能量。當(dāng)電子獲得能量

足以克服原子核的束縛，則電子就脫離原子成為自由

電子。這就是電離。電離的結(jié)果形成一對(duì)正離子和自

由電子。若內(nèi)殼層電子被電離后，該殼層留下空穴，外層電子躍遷來(lái)填補(bǔ)，同時(shí)放出特征x射線(xiàn)或俄歇電子。當(dāng)電子獲得能量較少，不足以克服原子核的束縛成為

自由電子，將躍遷到較高的能級(jí)。這就是原子的激發(fā)。處于激發(fā)態(tài)的原子不穩(wěn)定，作短暫停留后，將從激發(fā)

態(tài)躍遷回到基態(tài)，這就是退激。退激時(shí)，釋放的能量

以熒光的形式發(fā)射出來(lái)。第13頁(yè)/共67頁(yè)(一)帶電粒子探測(cè)基本原理·13利用電離或激發(fā)效應(yīng)來(lái)記錄入射粒子是絕大多數(shù)探測(cè)器的物理基礎(chǔ)。它們的差別在

于記錄方式不同，大致分為：(1)收集電離電荷的探測(cè)器主要收集電離效應(yīng)產(chǎn)生的大量正負(fù)離子，記錄它們的電荷所

形成的電壓或電流脈沖。這類(lèi)探測(cè)器必須加

上適當(dāng)?shù)墓ぷ麟妷?，形成電?chǎng)以有效收集電

荷。如氣體探測(cè)器、半導(dǎo)體探測(cè)器。14第14頁(yè)/共67頁(yè)(2)收集熒光的探測(cè)器被帶電粒子激發(fā)的原子退

激時(shí)發(fā)出熒光。由于熒光很弱，需要通過(guò)一定的

轉(zhuǎn)換放大，即把光脈沖轉(zhuǎn)換成較大的電脈沖——

光電倍增管。如閃爍計(jì)數(shù)器等。(3

)

利用離子集團(tuán)作為徑跡中心的探測(cè)器，徑跡

探測(cè)器。如核乳膠、云室、氣泡室、火花室等。(4

)

收集切倫科夫輻射的探測(cè)器，切倫科夫探測(cè)器。·軔致輻射和同步輻射是附加產(chǎn)物，對(duì)高能電子探只

以

須

老

它們白第頁(yè)荷67頁(yè)15(二)

Y射線(xiàn)的探測(cè)·Y射線(xiàn)與物質(zhì)的相互作用主要

有三個(gè)過(guò)程：·

光電效應(yīng)·

康普頓效應(yīng)·

電子對(duì)效應(yīng)16第16頁(yè)/共67頁(yè)光電子Ee=hv-E,·

光電子能量hv

為入射γ光子能量，

Ei

為

第i

殼層電子的結(jié)合能

第17頁(yè)/共67頁(yè)·

光電效應(yīng)：低能γ光子被介質(zhì)原子吸收放出電子

的效應(yīng)。

原子原子核K入射光子θ光電效應(yīng)俄歇電子17·散射光子不能直接探測(cè)到·

反沖電子可以被探測(cè)到18第18頁(yè)/共67頁(yè)康普頓-吳有訓(xùn)效應(yīng)E出射光子θφ出射電子EeE,入射光子核外電子·

對(duì)一定能量的入射光子電子對(duì)效應(yīng)產(chǎn)生的正負(fù)電子

的動(dòng)能之和為常數(shù)，但就電子或負(fù)電子而言其動(dòng)能

從

0

-

2mec2都有可能，動(dòng)能分配是任意的。入射γ

光子能量越大，正負(fù)電子的發(fā)射方向越前傾。19電子對(duì)效應(yīng)·

電子對(duì)效應(yīng)：γ光子從原子核旁經(jīng)過(guò)，當(dāng)γ光子能量

超過(guò)2個(gè)電子靜止質(zhì)量之和即1.02MeV

時(shí)，在原子

核庫(kù)侖場(chǎng)作用下，γ光子轉(zhuǎn)化為正負(fù)電子對(duì)，正負(fù)

電子能量之和等于入射γ光子能量。原子核E入射光子E+正負(fù)電子對(duì)E+E=E,-2m.c2第19頁(yè)/共67頁(yè)·γ射線(xiàn)與物質(zhì)原子發(fā)生光電效應(yīng)的總截面1)重元素的光電效應(yīng)比輕元素強(qiáng)得多；2)低能γ射線(xiàn)比高能γ射線(xiàn)強(qiáng)得多；3)當(dāng)γ射線(xiàn)能量接近電子的結(jié)合能時(shí)，光電效應(yīng)截面最大。20第20頁(yè)/共67頁(yè)光電效應(yīng)、康普頓效應(yīng)是γ光子與核外電子的作用結(jié)果，電子對(duì)效應(yīng)是γ光子與原子核電磁場(chǎng)的作用結(jié)果。三種效應(yīng)的相對(duì)重要性對(duì)低能γ射線(xiàn)和原子序數(shù)高的物質(zhì)光電效應(yīng)占優(yōu)勢(shì)；對(duì)中能γ射線(xiàn)和原子序數(shù)

低的物質(zhì)康普頓效應(yīng)占優(yōu)

勢(shì)

；對(duì)高能γ射線(xiàn)和原子序數(shù)

高的物質(zhì)電子對(duì)效應(yīng)占優(yōu)

勢(shì)。

三種效應(yīng)相互競(jìng)爭(zhēng)，可能同時(shí)存在。hv.MV圖2-20?射線(xiàn)與物質(zhì)相互作用的三種主要方式的相對(duì)重要性11曲線(xiàn)表示兩種相鄰的效應(yīng)的幾牢正好相等時(shí)的Z

和hy值.第21頁(yè)/共67頁(yè)吸收體的Z21原子hv入射光子θ光電子核外電子E,入射光子出射電子原子核E入射光子·

在三種效應(yīng)中，每個(gè)γ光子

都是在一次作用中就損失

其全部能量或相當(dāng)大部分

能量，并發(fā)射出電子。

正

是這些電子使得探測(cè)y射線(xiàn)成為可能?！?/p>

光電效應(yīng)和電子對(duì)效應(yīng)所

發(fā)射的次級(jí)電子的能量單

一，因此γ射線(xiàn)探測(cè)器的物

質(zhì)應(yīng)選用Z盡可能大的材料。第22頁(yè)/共67頁(yè)正負(fù)電子對(duì)出射光子E+22θ(三)中子的探測(cè)中子與物質(zhì)相互作用主要是中子與原子核

的強(qiáng)相互作用，即核反應(yīng)。探測(cè)中子就是

探測(cè)中子與原子核核反應(yīng)產(chǎn)生的次級(jí)粒子?！ぶ凶硬粠щ?，不受庫(kù)侖斥力影響，容易進(jìn)

入原子核發(fā)生核反應(yīng)。·不同能量中子的探測(cè)原理和探測(cè)器不同?！ぶ?/p>

子

能

量

的

區(qū)

分

：(

1

)

慢

中

子

E?<1keV(2)中能中子

1keV<E<100keV(

3

)

快

中

子

0.1MeV<E?<10MeV23第23頁(yè)/共67頁(yè)一、核反沖法·核反沖法是記錄中子與原子核彈性散射后的反沖核。在

彈性散射過(guò)程中，中子運(yùn)動(dòng)方向改變，能量減少。這減

少的能量傳遞給原子核，使原子核以一定的速度運(yùn)動(dòng)，

該核稱(chēng)作反沖核。反沖核具有電荷，可以作為帶電粒子

記錄。

記錄了反沖核，就探測(cè)到中子?！?/p>

該方法主要用于探測(cè)快中子。4mM

COs·

由能動(dòng)量安恒M對(duì)En<30MeV動(dòng)能子核質(zhì)量φ反沖角En

'散射中子入射中子φE

反沖反沖核中子及沖核獲得的第24頁(yè)/共67頁(yè)24由此可見(jiàn)，反沖核越小獲得的能量越大。當(dāng)φ=0,A=1時(shí)

，E反沖=En,最大?！?/p>

反沖質(zhì)子法選用含氫物質(zhì)做輻射體，此時(shí)反沖核就是

質(zhì)子。實(shí)際中常用石蠟、水等含氫物質(zhì)作為中子慢化劑?！?/p>

核反沖法探測(cè)中子時(shí)應(yīng)選擇輕核物質(zhì)做靶材料。如氫、甲烷等氣體，有機(jī)玻璃、有機(jī)晶體、塑料等固體?！?/p>

核反沖可以測(cè)量快中子能量。當(dāng)φ一定時(shí)，E反沖·正比于En。實(shí)際中測(cè)量沿入射中第2束夾布張角為±10度的反沖質(zhì)子，若以質(zhì)量數(shù)代替質(zhì)量，則mn=1,M=A25·

核反應(yīng)法主要用于測(cè)量慢中子通量?！?/p>

中子通量：?jiǎn)挝粫r(shí)間通過(guò)單位面積的中子數(shù)?！?/p>

原子核反應(yīng)用方程式表示：a(入射粒子)+A(靶核)→b

(出射粒子)+B(剩余

核)+Q或簡(jiǎn)寫(xiě)成

A(a,b)B實(shí)驗(yàn)表明任何一個(gè)核反應(yīng)，箭頭兩邊的總電荷數(shù)Z和總質(zhì)量數(shù)A

必須相等；反應(yīng)前后體系的總能量(靜

止能量和動(dòng)能之和)不變，總動(dòng)量不變。Ah

片

一

第26頁(yè)/共67頁(yè)生

nT

+h二、核反應(yīng)法26都是放熱反應(yīng)，反應(yīng)放出的能量變成次級(jí)粒子的動(dòng)能。σ?

是熱中子的皮應(yīng)截面Li都很大。·

實(shí)際應(yīng)用最廣的是

Li+

a

十

2

.79

2反

應(yīng)

。

因?yàn)榕鸩牧媳容^容易得到，氣態(tài)可選用B233體v

固態(tài)有氟

化硼、碳化硼等。天然硼中1

B含量較高，易濃縮PV)中子與10B反應(yīng)有兩個(gè)過(guò)程27n+3He→p+3T+0.764MeV,σ?=5327±10靶，

3He(n,p)3Tn+?Li→α+3T+4.780MeV,σ?=941±4靶

，Li(n,α)3Tn+1B→α+?Li+2.792MeV,σ?=3837±9靶，

1B(n,α)?Li目前應(yīng)用最多的三種核反應(yīng)：第27頁(yè)/共67頁(yè)10三、核裂變法·

核裂變法就是通過(guò)記錄中子與重核作用產(chǎn)生的裂變

碎片來(lái)探測(cè)中子的方法?！?/p>

探測(cè)不同能量的中子選用不同的裂變材料對(duì)熱中子和慢中子選235U(σ=528b),239Pu(σ=743b),233U(σ=531b)。

裂變放出能量200MeV,兩個(gè)裂變碎片帶走170MeV

的能量。入射中子能量遠(yuǎn)小于它，故該法不能測(cè)量中子能量，

主要測(cè)中子通量?！?/p>

核裂變法特點(diǎn)：放出反應(yīng)能很大，所以γ本底對(duì)測(cè)量

沒(méi)有影響，可以在強(qiáng)γ本底下測(cè)量中子?！ぴS多重核口右在入射第28平6要大千某個(gè)閾值后才能28四、

活化法·

活化法是中子與原子核相互作用時(shí)，原子核吸收中子

后形成一個(gè)處于激發(fā)態(tài)的復(fù)合核，復(fù)合核通過(guò)發(fā)射β射

線(xiàn)或γ射線(xiàn)回到基態(tài)。這種俘獲中子，輻射β射線(xiàn)或γ射線(xiàn)的過(guò)程稱(chēng)為輻射俘獲，亦稱(chēng)活化?！び?15Im做激活材料In受申子照射后，116In—→

11?Sn+γ新生成的核素一般都不穩(wěn)定，116In就是β放射性的，測(cè)量經(jīng)中子輻照后材料的放射性，就可以知道中子強(qiáng)度。第29頁(yè)/共67頁(yè)29總結(jié)根據(jù)射線(xiàn)的不同類(lèi)型和能量等參數(shù)，選擇不同的探測(cè)器內(nèi)物質(zhì)與射線(xiàn)相互

作用，產(chǎn)生次級(jí)粒子，想辦法記錄這些粒子。30第30頁(yè)/共67頁(yè)氣體探測(cè)器的基本原理一、氣體的電離·帶電粒子通過(guò)氣體時(shí)，與氣體原子核外電子發(fā)生庫(kù)侖作用，

入射粒子損失部分能量，氣體原子則電離或激發(fā)。軌道電子

獲得的能量足以克服原子的束縛成為自由電子，形成電子-

離子對(duì)。原初電離：入射粒子和氣體原子直接作用產(chǎn)生的電離對(duì)。次級(jí)電離：電離的次級(jí)粒子再次和氣體原子作用產(chǎn)生的電離對(duì)總電離N?:等于原初電離+次級(jí)電離世

氣

體

中

產(chǎn)

生

一

對(duì)

電

離

粒

子

所

雲(yún)

的

平

均粒子在氣體中損失的能量平均電離功平均由窗功

·∴.

總電離···●能第31頁(yè)/共67頁(yè)31·

不加外電場(chǎng)時(shí)，電子和離子與氣體分子不斷碰撞，三種運(yùn)動(dòng)狀況：擴(kuò)

散

：從密度大的區(qū)域向密度小的區(qū)域擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)電子吸附：電子被中性氣體原子俘獲形成負(fù)離子復(fù)

合

：電子和正離子復(fù)合形成中性原子·

加外電場(chǎng)時(shí)，電子和離子沿電場(chǎng)方向分別向正負(fù)電極做漂移運(yùn)動(dòng)?！?/p>

漂移運(yùn)動(dòng)有利于總電離的收集，是我們需要的。前三種運(yùn)動(dòng)不利于總電離的收集，造成能量測(cè)量誤差，

應(yīng)設(shè)法減小它們的影購(gòu)2頁(yè)/共67頁(yè)二、電子和離子在氣體中的運(yùn)動(dòng)32dZ

++++++十

+0外加電場(chǎng)使電離產(chǎn)生的電子和

離子沿電場(chǎng)方向作漂移運(yùn)動(dòng)，

以利于電荷有效收集。三、外加電場(chǎng)對(duì)電離粒子運(yùn)動(dòng)的影響電子250500電

壓(V)有限正比區(qū)正比區(qū)IV連續(xù)放電區(qū)復(fù)合區(qū)電離室區(qū)Ⅱ第33頁(yè)/共67頁(yè)10210°-10?10?-102G-M

區(qū)750

1000電

離

對(duì)

數(shù)

目α粒子3310?移速度很小，電子吸附效應(yīng)、擴(kuò)散效應(yīng)和復(fù)合

效應(yīng)起主要作用?！?/p>

復(fù)合的結(jié)果，電子離子數(shù)目減少，所以電極收

集到的離子對(duì)數(shù)目小于

總電離數(shù)目。第一區(qū)段：復(fù)合區(qū)·

外加電壓很低，離子漂G-M

區(qū)IV連續(xù)放電區(qū)7501000有限正比區(qū)正比區(qū)Ⅲα粒子電子500電

壓(V)復(fù)合區(qū)電離室區(qū)Ⅱ250102101?10°+10?10?-102+0第34頁(yè)/共67頁(yè)電離對(duì)數(shù)目34·

隨著外加電壓增大，離子漂

移速度增大，電子吸附、擴(kuò)散效應(yīng)的影響減小，發(fā)生復(fù)

合的機(jī)會(huì)減小，被收集的電荷數(shù)逐漸增加?！?/p>

當(dāng)電壓達(dá)到某一定值Va

時(shí)

，

基本不存在復(fù)合，總電離數(shù)

N0全部被電極收集，達(dá)到

飽和?！ぴ谝欢妷悍秶鷥?nèi)(Va-Vb)

被收集電荷不再增加，達(dá)到

飽

和

。35第

二

區(qū)

段

：

飽

和

區(qū)

(

電

離

室

區(qū)

)1000電壓(V)第35頁(yè)/共67頁(yè)第三段區(qū)：正比區(qū)·

工作電壓大于Vb

后，外加電場(chǎng)很強(qiáng)，電離電子在漂

移過(guò)程中獲得的能量很大，使氣體分子再電離，又

產(chǎn)生次級(jí)離子對(duì)。次級(jí)電子在漂移時(shí)又可能加速到

足以再產(chǎn)生次級(jí)離子對(duì)。如此不斷繼續(xù)下去，使電

離的離子對(duì)數(shù)目比原總電離對(duì)數(shù)目N

增加很多，稱(chēng)

作電子雪崩過(guò)程。這種現(xiàn)象稱(chēng)作為氣體放大?！そ?jīng)氣體放大得到白

N

與原總電離數(shù)N?

之比叫

做氣體放大倍數(shù)。·

氣體放大倍數(shù)隨電壓的增加而增加?！?/p>

對(duì)確定的探測(cè)器，外加電壓一定時(shí)，放大倍數(shù)一定。

由極收焦的由荷第頁(yè)牛7年百總由率數(shù)N.

正

千36·

當(dāng)電場(chǎng)強(qiáng)度大到一定程度時(shí)，產(chǎn)生的大量離子對(duì)中的正離子，由于漂移速度很慢，滯留在氣體空間，形成空間電荷。它們所產(chǎn)生的電場(chǎng)方向與外電場(chǎng)方向相反，從而限制了次級(jí)離子繼續(xù)增加，這就是空間電荷效應(yīng)。0·

由于空間電荷效應(yīng)的影響限制了氣體放大倍數(shù)的增長(zhǎng)

這一區(qū)段稱(chēng)為右限正第37頁(yè)/共67頁(yè)第四區(qū)段：有限正比區(qū)250

500電

壓(V)100037進(jìn)入此區(qū)后，隨著電

壓的增加，空間電荷

效應(yīng)越來(lái)越強(qiáng)，收集

到的電荷又一次飽和，

與原總電離N,無(wú)關(guān)。由于空間電荷效應(yīng)的

影響，收集的電荷與

入射粒子的種類(lèi)和能

量無(wú)關(guān)。有限正比區(qū)復(fù)合區(qū)電

離

室

區(qū)正

比

區(qū)ⅢⅡα粒子電子250

500電

壓(V)G-M

區(qū)IV連續(xù)放電區(qū)750

1000第五區(qū)段：G-M

區(qū)1

02一101°-10°+10?-102+0第38頁(yè)/共67頁(yè)電離對(duì)數(shù)

目10?38第六區(qū)段：連續(xù)放電區(qū)·電壓增加到該區(qū)，收集的離子對(duì)數(shù)再次急劇增加，氣體連續(xù)放電。39第39頁(yè)/共67頁(yè)電離室·

在核物理發(fā)展早期，電離室曾發(fā)揮了重要的作用。1911-

1914年

Hess

和Kolhorster

在一系列電

離室測(cè)量中發(fā)現(xiàn)了宇宙射線(xiàn)；1932年Chadwich

利用電離室測(cè)量反沖質(zhì)子，從而證實(shí)了中子的存在；1939年Frish利用電離室證實(shí)了核裂變時(shí)釋放大量的能量。40·

至今仍有廣泛的應(yīng)第A40頁(yè)如62頁(yè)二、電離室的類(lèi)型脈沖電離室：記錄單個(gè)輻射粒子，主要用于測(cè)量重帶電粒子的能量和強(qiáng)度。電流電離室：記錄大量粒子平均效應(yīng)，主要用于測(cè)量

X、y、β

和中子的強(qiáng)度或通量。41第41頁(yè)/共67頁(yè)三、電離室的構(gòu)造·由兩個(gè)處于丕同電位的電極組成，電極大多

是平行板和圓柱形的，也有球形或其他形狀

的?！?/p>

平板電離室的兩個(gè)電極通常是圓形金屬板?！A柱形電離窒中心的收集極一般是一個(gè)圓棒

或一根金屬絲。dZ-U?陰極++++++++0陽(yáng)極測(cè)量輻射劑量的電離室42第42頁(yè)/共67頁(yè)極、之

是離電

的

敏

充以一定的工作氣體。·

電流電離室常用的工作氣體有純惰性氣體、氮?dú)夂涂諝獾?，也可用混合?/p>

體。·脈沖電離室常用的工作氣體大多是惰性氣體加少量多原子分子氣體。如：Ar+10%CO?,Ar+10%CH?等。·測(cè)量中子的電離室，根據(jù)中子能量分別充BF3、CH?

、H?

和3He等，或在

電極上覆蓋一層濃縮的10B、235U、238U

等。43有效工離室室電四第43頁(yè)/共67頁(yè)·

工作于正比區(qū)，發(fā)生氣體放大現(xiàn)象，即被加速的原

初電離電子在電離碰撞中逐次倍增而形成電子雪崩?！?/p>

收集極上的感生的脈沖信號(hào)幅度V

是原初電離感生脈沖幅度

N?:

原初電離對(duì)數(shù)C:

電容-

:負(fù)極性脈沖·

優(yōu)點(diǎn)：1.

脈沖幅度較大，比電離室大102-104倍；2.

靈敏度高，適合于探測(cè)低能電子和X

射線(xiàn)；

第44頁(yè)/共67頁(yè)正比計(jì)數(shù)器M:

氣體放大倍數(shù)44G-M

計(jì)數(shù)器·

工作在電離放大曲線(xiàn)的第五區(qū)，

M>105?！?/p>

電子雪崩持續(xù)發(fā)展，形成自激放電，增殖的離子對(duì)

總數(shù)與原電離無(wú)關(guān)。Qo=MN?e=

常數(shù)?！?/p>

特

點(diǎn)

：1)靈敏度高；2)脈沖幅度大；3)穩(wěn)定性高4)計(jì)數(shù)器大小和幾何形狀可以按要求有較大變化；5)使用方便，成本低，制作工藝和儀器電路均較簡(jiǎn)

單。45第45頁(yè)/共67頁(yè)·

氣體探測(cè)器均以氣體作為探測(cè)介質(zhì)。·

電離室、正比計(jì)數(shù)器、G-M計(jì)數(shù)器是工作在電離

放大曲線(xiàn)不同區(qū)段的探測(cè)器。·

在氣體探測(cè)器中雪崩倍增過(guò)程起著十分重要的作用?！?/p>

具有制備簡(jiǎn)單、性能可靠、成本低廉、使用方便等

優(yōu)點(diǎn)，有廣泛的應(yīng)用?！?/p>

20世紀(jì)70年代以來(lái)，氣體探測(cè)器有很大發(fā)展，在高能物理和重離子物理實(shí)驗(yàn)中獲得新的應(yīng)用，并廣泛

應(yīng)用于核醫(yī)學(xué)、生物學(xué)、天體物理、凝聚態(tài)物理和等離子體物理等

。/共67頁(yè)第46頁(yè)領(lǐng)域小結(jié)461)PN

結(jié)兩側(cè)存在電子和空穴，形成電場(chǎng)。2)PN

結(jié)加上一定電壓，外加電壓幾乎全

部加到PN結(jié)上，形成很高電場(chǎng)。3)粒子在PN結(jié)電場(chǎng)得到加速，在收集極

被

收

集

。47入射粒子CRL半導(dǎo)體探測(cè)器的輸出電路半導(dǎo)體探測(cè)器輸出C第47頁(yè)/共67頁(yè)個(gè)人劑量?jī)x個(gè)人劑量筆第48頁(yè)/共67頁(yè)48三、閃爍探測(cè)器的工作原理典型的閃爍探測(cè)器裝置閃爍體閃爍探測(cè)器{光電倍增管電子學(xué)儀器高壓電源射極跟隨器線(xiàn)性

放大器單道脈沖

分析器磁屏蔽打拿極

分壓器熒光光子反射層

窗多道脈沖分析器第49頁(yè)/共67頁(yè)光陰極暗盒管座490V圖6

.2.3

光電倍增管工作原理圖K——光陰極；F——

聚焦極；D?——D??打拿極；A——陽(yáng)

極50閃爍探測(cè)器·

光電倍增管第50頁(yè)/共67頁(yè)BGO,LSO&LYSOSamples第51頁(yè)/共67頁(yè)i

20

2222324251647銀鹽顆粒對(duì)帶電粒子靈敏，而對(duì)光幾乎不靈敏。

膠質(zhì)：骨膠和明膠2.

工作原理：帶電粒子與AgBr

晶粒作用，使AgBr

分子分解成Ag

原子和Br原子，在一定條件下，Ag

原子聚集成Ag

集團(tuán)，形成

可顯影的核心“潛影”,經(jīng)化學(xué)顯影處理，潛影的晶粒還

原成黑色的Ag

顆粒，把帶電粒子的徑跡顯示出來(lái)。四、核乳膠工作原理組成：核乳膠由銀鹽顆粒和膠質(zhì)組成。溴化銀AgBr

大部分<碘化銀AgI

少量常用銀鹽第52頁(yè)/共67頁(yè)粒子探測(cè)系統(tǒng)一

、

脈沖計(jì)數(shù)系統(tǒng)主要用于放射性計(jì)數(shù)、強(qiáng)度和劑量的測(cè)量，加

速器和反應(yīng)堆的粒子通量的測(cè)量等等。探測(cè)器

前置級(jí)

放大器

甄別器

定標(biāo)器或計(jì)高壓電源

低壓電源脈沖計(jì)數(shù)系統(tǒng)方塊圖53第53頁(yè)/共67頁(yè)數(shù)率計(jì)·

幅度甄別器：讓超過(guò)一定幅度的脈沖通過(guò)，有輸出，

去除幅度小的噪聲本底和一些幅度小的不想要的粒子?！?/p>

脈沖形狀甄別器：利用不同粒子在探測(cè)器中產(chǎn)生的脈沖幅度相同，但是脈沖形狀不同來(lái)甄別。如α粒子

質(zhì)量大，脈沖上升時(shí)間慢，β粒子質(zhì)量小，脈沖上升

時(shí)間快，利用脈沖形狀不同來(lái)選擇所要的粒子。又如，

利用γ、中子脈沖形狀不同，在強(qiáng)γ本底下探測(cè)中子?！ざ?biāo)器預(yù)置時(shí)間，記錄一定時(shí)間內(nèi)的脈沖數(shù)目?！じ叩蛪弘娫刺綔y(cè)器高壓供電和電子學(xué)儀器低壓供電54第54頁(yè)/共67頁(yè)二、脈沖幅度分析系統(tǒng)探測(cè)器前置級(jí)

放大器

多道/單道

定標(biāo)器高壓電源

低壓電源脈沖幅度分析系統(tǒng)探測(cè)器的輸出脈沖幅度正比于入射粒子在探測(cè)器中損失的能量，如電離室、正比計(jì)數(shù)

器、多絲正比室、半導(dǎo)體探測(cè)器、閃爍計(jì)數(shù)

器

等

。55第55頁(yè)/共67頁(yè)單道脈沖幅度分析器上

閾

：Vu下

閾

：VL道

寬

：H=Vu-VL用途：選擇一定幅度范圍內(nèi)的信號(hào)圖9-2-1單道脈沖幅度分析器的輸入信號(hào)和輸出信號(hào)56第56頁(yè)/共67頁(yè)計(jì)數(shù)探測(cè)器的選擇對(duì)重粒子：如α粒子，選用ZnS(Ag)

、

金硅面壘半導(dǎo)體·

β射線(xiàn)和電子：正比計(jì)數(shù)器、G-M

計(jì)數(shù)器、塑料閃爍

體。液體閃爍器等探測(cè)器·

高能帶電粒子：塑料閃爍計(jì)數(shù)器、

MWPC

和C探測(cè)器·γ射線(xiàn)：G-M

計(jì)數(shù)器和NaI(TI)計(jì)數(shù)器·

低能γ和X

射線(xiàn)：正比計(jì)數(shù)器、薄窗MWPC、Si(Li)等·

中

子

：BF3正比計(jì)數(shù)器、裂變室、

ZnS+H

快中子屏、