1、核輻射探測器,利用核輻射在氣體、液體或固體中引起的電離效應、發(fā)光現象、物理或化學變化進行核輻射探測的元器件稱為核輻射探測器 核輻射進入探測器靈敏體積后與探測介質相互作用，探測器輸出能夠直接或間接的反映核輻射種類、強度、能量或核壽命等的信息 常用的有三大類：氣體探測器、半導體探測器和閃爍探測器 這三類探測器都是把核輻射轉變成為電信號，再由電信號處理設備進行分析和處理,探測器的三個關鍵點,如果按照技術指標和用途的差別來區(qū)分，三類探測器中每一類都有很多種。在此側重講述在學習這三類探測器時需要了解的三個方面： 探測器把核輻射轉變?yōu)殡娦盘柕奈锢磉^程 探測器的輸出回路及其與探測器輸出電信號的關系 探測器的

2、主要技術指標及其用途,核輻射轉變?yōu)殡娦盘柕碾A段,第一階段：入射的粒子射入探測器的靈敏體積，通過與探測器物質的相互作用，轉變或產生出帶電粒子 。 第二階段：被電離或激發(fā)的原子，在探測器的外加電場中作定向移動，為探測器外部負載電路提供信號,探測器種類,氣體探測器： 電離室：脈沖電離室、電流電離室、累計電離室； 正比計數器、G-M計數管； 閃爍探測器： NaI（Tl）(碘化鈉（鉈激活）單晶譜儀；BGO（鍺酸鉍）探測器 半導體探測器： 金硅面壘半導體探測器、高純鍺（HPGe)探測器、鋰漂移硅探測器； 其它探測器：原子核乳膠、固體徑跡探測器、氣泡室、火花放電室、多絲正比室、切倫科夫計數器、熱釋光探測器,

3、氣體探測器,氣體探測器,氣體探測器：一個內部充有特定氣體、兩電極間（高壓極和收集極）加有電場的小室型探測器。 氣體探測器是最早使用的核輻射探測器，盡管其他探測器發(fā)展很快，但是它具有結構簡單，使用方便等優(yōu)點，至今仍被廣泛使用。 常用的氣體探測器有電離室、正比計數管和蓋革-米勒計數管（Geiger-Mller，簡稱G-M）,工作概況,氣體探測器通常是由高壓電極和收集電極組成，常見的是兩個同軸的圓柱形電極，電極間充氣體并外加一定的電壓。 輻射使電極間的氣體電離，生成帶電粒子。 帶電粒子在電場作用下向兩極漂移。 隨著帶電粒子到兩極的距離發(fā)生變化，極板上的感生電荷數發(fā)生變化，回路中產生電流信號。,氣體原

4、子的電離和激發(fā),帶電粒子使氣體原子電離而形成電子和正離子對的現象叫做氣體的電離，電離出來的電子稱為次級電子 帶電粒子直接產生的電離叫做原電離，次級電子產生的電離叫做次電離，原電離和次電離之和為總電離 平均電離能W：帶電粒子在氣體中產生一電子離子對所需的平均能量，對不同的氣體， W大約為30eV 若入射粒子的能量為E0，當其能量全部損失在氣體介質中時，產生的平均離子對數為,激發(fā)和退激,帶電粒子使氣體原子激發(fā)，在10-9s內退激，釋放光子 被激發(fā)原子的退激方式有： 輻射光子-發(fā)射波長接近紫外光的光子，這些光子又可能在周圍介質中打出光電子，或被某些氣體分子吸收而使分子離解 發(fā)射俄歇電子,電子與離子在

5、氣體中的運動,無外加電場存在時，已產生的電子和正離子與氣體分子一樣，處于一種雜亂運動的狀態(tài)，同時存在著擴散，最終與氣體分子達到熱平衡狀態(tài)，已產生的離子對消失，不能形成電流。 擴散：在氣體中電離粒子的密度是不均勻的，原電離處密度大。由于其密度梯度而造成的離子、電子的定向運動叫擴散。 電子的平均自由程和雜亂運動的平均速度都比離子的大，因此其擴散系數比離子的大，因而電子的擴散效應比離子的嚴重。,離子對的漂移,度甚至可增大一個量級。,離子對的漂移,電子在氣體中的飄逸速度,吸附效應,分,復合效應,復合有兩個過程：電子與正離子，或負離子與正離子，相遇時可能復合成中性的原子或分子 復合引起的離子對數目的損失

6、率：為復合系數 一旦形成了負離子，其運動速度遠小于電子，正離子與負離子的復合系數要比正離子與電子的復合系數大得多 復合的結果是把許多有用信號給復合掉，使有用的信號減少。因此，復合現象在探測器正常工作中應盡量避免,電荷轉移效應,正離子與中性的氣體分子碰撞時，正離子與分子中的一個電子結合成中性分子，中性氣體分子成為正離子 電荷轉移效應在混合氣體中比較明顯 電荷轉移效應可以減小離子的遷移率，降低離子的漂移速度 復合效應、電子吸附效應、電荷轉移效應等，都不利于電荷收集,離子對收集與外加電場的關系,：復合區(qū) ：飽和區(qū)（電離室工作區(qū)） ：正比區(qū)（正比計數器工作區(qū)） ：有限正比區(qū) ：G-M工作區(qū),外加電場與

7、離子對收集的關系,I區(qū)稱為復合區(qū)，工作電壓很低而存在電子-正離子的復合，隨電壓上升復合損失減少，電流趨于飽和。 II區(qū)稱為飽和區(qū)或電離室區(qū)。在這個區(qū)域內，生成的離子對電荷全部收集，輸出信號的大小反映了入射離子損失在計數器靈敏體積內的能量。,外加電場與離子對收集的關系,III區(qū)稱為正比區(qū)，由于碰撞電離的發(fā)生而產生氣體放大，離子對數將比原電離倍增10104。氣體放大系數隨電壓而增大，但對一定電壓氣體放大系數保持恒定，總電荷量仍正比于原電離電荷量。 IV區(qū)：有限正比區(qū)。由于氣體放大系數過大，空間電荷的影響越趨明顯，氣體放大系數與原電離有關，而且初始電離越大的入射離子影響越大，總離子對數不再與入射粒子

8、能量成正比。這種狀態(tài)作為過渡而無實用價值。,外加電場與離子對收集的關系,V區(qū)稱為蓋革區(qū)，隨電壓升高形成自持放電，此時總電離電荷與原電離無關，幾條曲線重合，這就是G-M管的工作區(qū)域。 G-M管不能得到入射粒子的能量信息，另外死時間長，可達102s，只能用于計數率不高的情況。壽命較短。 當電壓繼續(xù)升高，進入連續(xù)放電并有光產生，利用這一現象又發(fā)展了火花室、自猝熄流光管（SQS）等探測器,對于氣體探測器來說，從原理上講可以改變外加電壓的數值使其工作在不同區(qū)域，但實際上由于結構已定，它只能適合于工作在某個區(qū)域。 用兩只氣體探測器來比較，盡管一只是工作于正比區(qū)的正比計數器，而另一只是工作于G-M區(qū)的G-M

9、計數器，這并不能斷定加到G-M計數器上的工作電壓一定比另一個要高，這是因為兩只氣體探測器的結構不同,電離室(ionization chamber),收集入射粒子在電離室中形成的全部離子對，外加電場使其既不產生復合也不發(fā)生氣體放大 記錄單個入射粒子的電脈沖信號-脈沖電離室 記錄大量粒子在單位時間內的平均電離電流-電流電離室 記錄一定時間內大量入射粒子產生的總累積電荷量-累計電離室,電離室,脈沖電離室 記錄單個輻射粒子，主要用于測量重帶電粒子的能量和強度 ；按輸出回路的參量，脈沖電離室又可區(qū)分為離子脈沖電離室和電子脈沖電離室 電流電離室、累計電離室 記錄大量輻射粒子平均效應，主要用于測量X，和中子

10、的強度或通量、劑量或劑量率 。它是劑量監(jiān)測和反應堆控制的主要傳感元件。,電離室的基本結構,不同類型的電離室在結構上基本相同 典型結構有平板型和圓柱型，均包括 高壓極(K)：正高壓或負高壓； 收集極(C)：與測量儀器相聯的電極，處于與地接近的電位； 保護極(G)：又稱保護環(huán)，處于與收集極相同的電位； 負載電阻(RL)：電流流過時形成電壓信號。,平板型電離室,高壓極,收集極,保護極,負載電阻,外殼,靈敏體積,絕緣子,V(t),圓柱型電離室,靈敏體積：由通過收集級邊緣的電力線所包圍的兩電極間的區(qū)域 保護環(huán)G的作用： 使靈敏體積邊緣處的電場保持均勻 若無G，當高壓很大時，會有電流通過絕緣子從負載電阻R

11、L上通過，從而產生噪聲，即絕緣子的漏電流 外殼的作用： 需要保證氣體的成分和壓力，所以一般電離室均需要一個密封外殼將電極系統包起來,電離室的大小和形狀，室壁和電極的材料以及所充的氣體成分、壓強都要根據輻射的性質、實驗的要求來確定。 測量粒子能量的電離室，須要足夠大的容積和氣壓，以便使粒子的徑跡都落在靈敏區(qū)內。 對射線強度作相對測量時，為了提高靈敏度，室壁材料宜用高原子序數的金屬，其厚度略大于室壁中次級電子的射程。作絕對劑量測量時，須用與空氣或生物組織等價的材料作電極和室壁,電離室的工作機制,x,第四步：當正電荷快到達極板的前一瞬間，-q1全部由a極板經外回路流到b極板，b極板上的感應電荷： 當

12、e+到達b極板，e+與b極板上的感應電荷中和。外回路電流結束，流過外回路的總電荷量為：,引入負電荷,同一點引入正負電荷,當同時在同一位置引入一離子對，則在外回路流經的電流：i(t)= i+(t)+ i (t) 流過外回路的總電荷量：q+ +q- = e,只有當空間電荷在極板間移動時，在外回路才有電流流過，此時i(t)= i+(t)+i (t)，正、負電荷的感應電流方向相同，在探測器內部從陽極流向陰極。電荷漂移過程結束，外回路感應電流消失。當負電荷被收集后，外回路中就只有正電荷的感應電流 當+e、e電荷在同一位置產生時，它們在極板上的感應電荷量分別相同；+e、e電荷漂移結束，流過外回路的總電荷量

13、為e；該電荷量與這一對電荷的產生位置無關。,當入射粒子在探測器靈敏體積內產生N個離子對，它們均在外加電場作用下漂移，這時，產生的總電流信號是： 當N個離子對全部被收集時，流過外電路的總電荷量為,脈沖電離室,脈沖電離用來記錄單個入射核輻射粒子。 工作原理是一個帶電粒子進入脈沖電離室靈敏體積后，與氣體原子或分子相互作用，使氣體電離，產生的大量電子和正離子(稱為離子對)在電場作用下向電離室兩電極漂移，從而產生一個電流脈沖，在電離室的RC輸出電路上產生一個電壓脈沖 測量單位時間進入電離室?guī)щ娏Ｗ訑的亢湍芰?脈沖電離室,假設入射離子在靈敏體積中產生N 個離子對，并忽略擴散和復合的影響，而且在信號結束前，

14、探測器靈敏體積內不再有其它入射粒子產生電離 電離室RC輸出電路上產生的最大電壓脈沖幅度為 N0為入射帶電粒子在電離室靈敏體積內直接使氣體電離產生的粒子對數；E為入射帶電粒子在電離室內損失的能量；W為電離室內所充氣體的平均電離能（產生一個離子對需要入射帶電粒子損失的能量）,脈沖電離室的輸出回路,電離室結構和輸出電路示意圖,等效電阻,等效電容,時間常數,脈沖電離室的輸出回路,電離室結構和輸出電路示意圖,離子脈沖電離室,電子脈沖電離室,T-全部電子的收集時間,T+全部離子的收集時間,ms量級,s量級,脈沖電離室的輸出回路,離子脈沖電離室輸出脈沖較寬（因為正離子漂移速度慢），一般在10-3s量級，這使

15、得它不能用來探測強度很強的放射源 電子脈沖電離室脈沖寬度小，為10-6s量級滿足測量強得多的入射粒子流，但是對平板型電子脈沖電離室而言，輸出的脈沖幅度不僅取決于產生的離子對數，還與離子對產生的位置有關。需要采用特殊的設計來解決（圓柱形電子脈沖電離室與屏柵電離室）,圓柱形電子脈沖電離室,電位分布：,電壓脈沖幅度：,屏柵電離室,G：柵極,入射帶電離子,+,-,柵極對電子透明,輸出電壓脈沖幅度,脈沖電離室輸出信號的測量,脈沖電離室的輸出信號所包含的信息 入射帶電粒子的數量：通過對輸出脈沖數進行測量 入射帶電粒子的能量：通過對輸出電壓信號的幅度進行測量 確定入射粒子間的時間關系：通過對輸出電壓信號的時

16、間進行測量,脈沖電離室的性能,脈沖幅度譜與能量分辨率 脈沖電離室常用來測量帶電粒子的能量：對單能帶電粒子，若其全部能量都損耗在靈敏體積內，則脈沖電離室輸出電壓脈沖的幅度反映了單個入射帶電粒子能量的大小,能量分辨率,多道測量的脈沖幅度譜,能量分辨率：,半高寬度,能量分辨率反映了譜儀對不同入射粒子能量的分辨能力。,E1,E2,E2,E1,E2,E1,E1,E2,E3,E1 E2 E3,電離室的飽和特性曲線,脈沖幅度h與電離室工作電壓V0的關系 影響因素：離子和電子的復合或擴散效應 飽和特性曲線形成的物理過程： 飽和區(qū)斜率的原因：工作電壓的升高使靈敏體積增加及負離子的釋放,探測效率,電流電離室,通過

17、測定單位時間內入射核輻射粒子在電離室內產生的平均電離電流來探測核輻射 若單位時間入射的粒子數為n，每個粒子在電離室內平均的能量損失為E，則電流電離室輸出的平均電流為 角標“飽和”的意義是因為電離室電極間加的電場不足以引起氣體放大，但能把核輻射在靈敏體積內產生的電子和正離子全部收集，達到最大電荷收集數N0，外加電壓增加，收集的電荷數不再增加，即電離室輸出的I不再增加達到飽和。,電流電離室的應用,測量射線（或X射線）照射量 測量吸收劑量 吸收劑量定義為在給定物質中由電離輻射傳遞單位質量物質的平均能量 測量放射性氣體,正比計數器,正比計數器,正比區(qū),正比計數器,氣體探測器工作于正比區(qū)時，在離子收集的

18、過程中將出現氣體放大現象，即被加速的原電離電子在電離碰撞中逐次倍增而形成電子的雪崩。于是，在收集電極上感生的脈沖幅度 將是原電離感生的脈沖幅度的M倍，即 處于這種工作狀態(tài)下的氣體探測器就是正比計數器。,正比計數器,1 氣體放大機制,設圓柱形計數管的陽極半徑為a ，電位為Vc；陰極半徑為b ，電位為 Vk；外加工作電壓 ，則沿著徑向位置為r的電場強度 為:,強電場下氣體放電,雪崩 電子在氣體中的電離碰撞過程，發(fā)生雪崩的閾值電場：ET 106V/m 氣體放大 非自持放電：雪崩從產生到結束，只發(fā)生一次 自持雪崩： 通過光子的作用和二次電子發(fā)射，雪崩持續(xù)發(fā)展，也叫自持放電,正比計數器(Proporti

19、onal Counter）,正比計數器中，利用碰撞電離將入射粒子直接產生的電離效應放大了，使得正比計數器的輸出信號幅度比脈沖電離室顯著增大。 對直接電離效應放大的倍數稱為“氣體放大倍數”，以M表示，在一定的工作條件下，M保持為常數。 正比計數器屬于非自持放電的氣體電離探測器,工作原理,結構上必須滿足實現碰撞電離的需要，而在強電場下才能實現碰撞電離 在一個大氣壓下，電子在氣體中的自由程約 10-310-4cm，氣體的電離電位20eV。要使電子在一個自由程就達到電離電位，場強須104V/cm 為達到這一要求，一般采用非均勻電場，以圓柱型為主,工作原理,中心陽極的電位相對于陰極為正電位，當核輻射進入

20、正比計數管靈敏體積后，使氣體電離產生電子和正離子（稱為初電離） 電離電子在向中心電極漂移過程中不斷從電場獲得能量，當其能量足夠使氣體電離時，產生新的離子對（稱為次電離）,次電離電子在向中心陽極漂移過程中又被加速再使氣體電離，產生更多的離子對。電子越接近陽極，電離氣體的概率越大，于是離子對不斷的增殖，這就是氣體放大，也稱為電子雪崩 脈沖電壓近似與入射粒子能量成正比,正比計數器,正比計數管一般為圓柱形結構，和圓柱形電離室一樣，其靈敏體積距中心r處的電場為： a和b分別是中心陽極和圓筒形陰極的半徑；V0為兩電極間所加電壓（稱為工作電壓） 放大倍數MN/N0 M的大小決定于氣體性質、壓強、工作電壓和電

21、極半徑。,在rb時場強最小，ra時場強最大 定義: VT 稱為正比計數器的起始電壓(閾壓). 對于一個確定的正比計數器，只有當工作電壓V VT 時，才工作于正比計數器工作區(qū)，否則工作于電離室區(qū),當V 0 VT 時，僅在 r0a 區(qū)間內發(fā)生碰撞電離 一般r0很小，和a是同一量級，這樣入射粒子在 r0 內產生電離的可能性很小，可以忽略。因此，在不同位置射入的入射粒子所產生的電離效應在正比計數器中都經受同樣的氣體放大過程，都有同一個氣體放大倍數。 正比計數器輸出信號主要由正離子漂移貢獻,碰撞電離與氣體放大,碰撞電離只有電子才能實現。 當電子到達距絲極一定距離 r0 之后，由于電場很強，電子在平均自由

22、程上獲得的能量足以與氣體分子發(fā)生電離碰撞，產生新離子對。 而且新的電子又被加速再次產生電離碰撞。漂移電子越接近陽極，電離碰撞概率越大。 于是，電子的數目不斷增殖，這個過程稱為氣體放大過程，又稱電子雪崩(electron avalanche),氣體放大過程中正離子的作用,離子漂移速度慢，在電子漂移、碰撞電離等過程中，可以認為正離子基本沒動，形成空間電荷，處于陽極絲附近，會影響附近區(qū)域的電場，使電場強度變弱，影響電子雪崩過程的進行 正離子漂移到達陰極，與陰極表面的感應電荷中和時有一定概率產生次電子，發(fā)生新的電子雪崩過程，稱為離子反饋；也可以通過加入少量多原子分子氣體阻斷離子反饋,氣體放大過程中的光

23、子作用光子反饋,光子反饋的影響,光子反饋的過程(10-9s)遠快于電子的漂移過程(10-6s)，對信號的形成而言，在時間上是同時事件 加入少量的多原子分子氣體M，它可以強烈吸收氣體分子退激所發(fā)出的紫外光子而處于激發(fā)態(tài)M*，它不再發(fā)出光子而是分解為幾個小分子(超前分解)退激。這樣可以阻止紫外光子打到陰極而減小光子反饋 在正比計數器中，光子反饋和正離子反饋的作用極微弱，因此，經一次雪崩以后增殖過程即行終止，且雪崩只限于局部的區(qū)域，對一個初始電子僅展寬 200m左右,優(yōu)點 脈沖幅度較大； 靈敏度較高； 脈沖幅度幾乎與原電離的地點無關； 價格便宜，使用條件不苛刻 缺點 脈沖幅度隨工作電壓變化較大，且容

24、易受外來電磁干擾，因此，對電源的穩(wěn)定度要求也較高（ 0.1% ）,常用的正比計數器,流氣式4正比計數器 低能X射線正比計數器 三氟化硼（BF3）正比計數器 球形含氫正比計數器,流氣式4正比計數器 無窗流氣式2正比計數器,G-M計數管,正比計數器,G-M區(qū),G-M計數管,蓋革-米勒(Geiger-Mller)計數管，簡稱G-M管 。由蓋革(Geiger)和彌勒(Mueller)發(fā)明的一種利用自持放電的氣體電離探測器 通常是一個充氣的圓柱形管，管內裝設一圓筒式金屬陰極和一根位于中心的細絲作陽極。 根據外形主要可分為鐘罩型（或稱端窗式）和圓柱型。 根據所充氣體又分為有機管和鹵素管。,G-M計數管,靈

25、敏度高，輸出脈沖幅度大，可以不經放大而直接記錄，使用方便。 對帶電粒子如和粒子的探測效率幾乎可達到100%，但對射線的探測效率較低，只有1%左右。 在一定電壓下，其輸出脈沖幅度對不同能量、不同種類的射線均相同，不能直接用以鑒別射線的種類和測定能量的大小,工作原理,入射核輻射在G-M計數管靈敏體積內只要產生一對以上的初電離（即N01），則初電離電子在電場作用下向中心陽極漂移過程中，除了有正比計數管類似的次電離引起的電子雪崩（稱為湯姆遜雪崩）以外，電子在向陽極漂移過程中還會使許多氣體分子或原子激發(fā)。 處于激發(fā)態(tài)的分子或原子退激發(fā)射波長在可見光或紫外光區(qū)的光子，光子與氣體或陰極發(fā)生光電效應產生光電子

26、，這些光電子在電場作用下也向陽極漂移，并至少會再能觸發(fā)一個新的次級雪崩。,正離子鞘,由于受激分子或原子退激可以向各個方向發(fā)射光子，因此氣體放大不像正比計數管那樣只局限在初電離那一側的局部區(qū)域發(fā)生，而是在整個G-M計數管內發(fā)生。 不管初電離發(fā)生在管內何處，雪崩放電都會逐漸包圍整個陽極絲。 在陽極絲附近的大量電子很快漂移到陽極而留下大量的正離子包圍著陽極絲，形成一個“正離子鞘”。,輸出信號,正離子鞘使G-M計數管中心陽極周圍的電場強度減弱，以至于抑制電子增殖，最終使雪崩放電結束，電子完全被收集，“電子電流”消失。放電結束后，正離子鞘向陰極漂移過程：形成“離子電流”，是形成輸出脈沖的主要貢獻，G-M計數管輸出一個電脈沖。正離子在陰極表面的電荷中和過程 G-M計數管內每次放電都以管內產生大致相同的總電荷數而結束，所以G-M計數管輸出的脈沖幅度都是相同的。 G-M管僅能用來記錄入射粒子的數目，不能用于測量入射粒子的能量 。,G-M管主要有圓柱型和鐘罩型兩種。 圓柱型主要用于射線測量，而鐘罩型由于有入射窗，主要用于，射線的測量 GM管的性能由計數管的絲極a，陰極與絲極之比b/a、工作氣體的組成與壓力等因素決定,探測效率,對用于帶電粒子探測的鐘罩型GM管，只要入射粒子進入靈敏體積，其探測效率可接近100 對用于探測