1、核数据获取与处理内容本章知识结构探测器工作机制E-Q分辨率线性稳定性气体电离室正比计数器半导体探测器闪烁体探测器内容提要3.1 探测器的基本概念3.2 常见探测器的工作原理3.3 常见探测器的性能参数3.1 探测器的基本概念核探测器：通过粒子与物质的相互作用核辐射信息转化为电信号或其它可直观识别信息的设备。3.1 探测器的基本概念各类探测器介绍气体电离室3.1 探测器的基本概念各类探测器介绍正比计数器)/ln(0abrVE 3.1 探测器的基本概念各类探测器介绍半导体探测器3.1 探测器的基本概念各类探测器介绍闪烁体探测器3.1 探测器的基本概念各类探测器介绍切仑科夫探测器3.1 探测器的基本
2、概念各类探测器介绍液体电离室液相的惰性气体3.1 探测器的基本概念各类探测器介绍热释光探测器3.2 气体电离室与正比计数器胶片成像与核乳胶3.2 气体电离室与正比计数器固体径迹探测器3.2 气体电离室与正比计数器云室与气泡室3.2 气体电离室与正比计数器磁谱仪3.1 探测器的基本概念探测器的种类气体电离室及正比计数器半导体探测器闪烁体探测器切伦科夫探测器液体电离室热释光探测器胶片成像与核乳胶固体径迹探测器云室与气泡室磁谱仪3.2 常见探测器的工作原理常见的探测器，一般都是通过粒子与物质的相互作用，最终将核辐射信息转变为电信号的。 幅度 - 粒子能量 形状 - 粒子类别 计数率 - 射线强度 信
3、号时间关系 - 激发态寿命，等3.2 常见探测器的工作原理 实质上就是一个能量-电荷转换器，用于把抽象的核辐射信息转换成具体的电信号 对核辐射信息的处理实际上就是对探测器输出信号的处理，从探测器输出信号中提取出核辐射信息，并转换成相应的物理量 通常可以看成是一个电流源 不同的探测器，其能量-电荷转换过程及持续时间是不同的，输出信号各有其特点，需采用不同的处理方法或手段3.2 常见探测器的工作原理气体电离室入射粒子引起电离，产生的电子和离子在电场作用下向两边极板漂移。如果粒子在一次电离过程中产生了N对电子离子对，则探测器输出的总电荷数为Ne。如果保证粒子的能量全部损失在电离室中，则可建立起入射粒
4、子能量与输出电荷量的对应关系。3.2 常见探测器的工作原理正比计数器 结构：圆柱形，中心丝极正电位 电场分布： 电离放大只发生在r=0.1mm附近，即中心处 放大倍数A=10103，输出总电荷量ANe)/ln(0abrVE 3.2 常见探测器的工作原理平面PIN半导体探测器平面PIN探测器都是正负电极连于两边N型区和P型区，中间是本征层I。本征层电场E为常数，电子-空穴的收集过程与平行板电离室类似，只不过物理参数不同,输出电荷量仍为Ne。固体电离室3.2 常见探测器的工作原理PN结半导体探测器分扩散型和面垒型，原理相同，工作电压正负不同输出电荷量为Ne3.2 常见探测器的工作原理闪烁体探测器
5、光子脉冲在PMT阳极的输出电荷为：0/00)()(tkeNMeetntQ3.2 常见探测器的工作原理闪烁体探测器输出电流波形比较复杂，因经过多种物理过程： 发光过程：闪烁体分子或原子受激-退激-发出光子 发光是指数衰减的， 一般同时有几个衰减时间常数。 光电转换过程：光子-PMT阴极-光电子 电子倍增过程：光电子-PMT打拿极-M倍电子（阳极）。0/00teNn0/00tKKeNnn)阴极发射的总光电子数，为(00光式中NNK0/00)()(tkeNMeetntQ3.3 常见探测器的性能参数1 能量电荷转换系数 定义： 设辐射粒子在探测器中损失的能量为E，探测器产生的电子电荷数为N，则 N/E
6、 称为探测器的能量-电荷转换系数。 由于辐射粒子与物质相互作用的统计性，探测器的能量-电荷转换系数一般指平均值。EN3.3 常见探测器的性能参数1 能量电荷转换系数气体电离室 气体电离室探测带电粒子时，能量-电荷转换系数是气体平均电离能W 的倒数，即 平均电离能是指带电粒子在气体中产生一个电子-离子对所消耗的平均能量，其数值主要决定于气体的种类，和入射带电粒子的种类和能量关系不大。 各种电离室所充气体的平均电离能大致为2040eV 取W=33ev，则30000离子对/MevW13.3 常见探测器的性能参数1 能量电荷转换系数正比计数器 正比计数器利用了气体放大机理，电荷转换系数为： 其中，A是
7、正比计数器的气体放大倍数，其数值从几十到几千不等。 气体放大，可探测更低能量的粒子 WA3.3 常见探测器的性能参数1 能量电荷转换系数半导体探测器 半导体探测器的电离与电荷收集过程与气体电离室类似，也称“固体电离室”。不过，半导体探测器每产生一个电子-空穴对的平均电离能比气体探测器要小一个数量级。 Si(室温下)：3.61eV Ge(液氮温度下)：2.96eV 气体：2040eVW1分辨率好很多3.3 常见探测器的性能参数1 能量电荷转换系数闪烁探测器 (+光电倍增管PMT时) 探测带电粒子不是利用电离效应而是利用激发效应 其能量-电荷转换系数有两个指标： 阴极能量-电荷转换系数 阳极能量-
8、电荷转换系数 （其中，M是倍增系数） NaI(Tl)：G=30000光子/MeV (有机、液体、塑料更少) 其阴极能量-电荷转换系数 约为：3000电子/MevKKG其所吸收的能量闪烁体放出的光子数 闪烁体平均光能输出额G%)10(一般入射的光子数发射的光电子数光阴极灵敏度K3.3 常见探测器的性能参数1 能量电荷转换系数上述四种探测器的对比： 电离室：3104电子离子对/MeV 正比计数器：3104A电子离子对/MeV 半导体探测器：3105电子空穴对/MeV 闪烁探测器： 3103M电子/MeV 特别声明 上述讨论是带电粒子入射时的情况 当n、x或射线等中性粒子入射时，它们先与探测介质发生
9、相互作用而产生次级带电粒子，然后次级带电粒子再产生电离或激发效应 对中性粒子的能量-电荷转换系数不只决定于探测介质的平均电离能，还取决于它们产生次级带电粒子时的能量转换关系CEeVM3.3 常见探测器的性能参数2 固有能量分辨率 概念 探测器中电离、激发、光电转换以及倍增等过程都是随机的，即使粒子能量全部转换成粒子对，其粒子对数也是涨落的，呈高斯分布（能量展宽） 影响系统能量分辨率的因素有很多。其中，由探测器的能量-电荷转换过程所产生的离子对数N的涨落所决定的探测器的能量分辨率称固有能量分辨率RD。这是探测器的理想能量分辨率 对于高斯分布，有)峰位()(半高宽概率密度函数NFWHMNRD的的N
10、NFWHM355. 2NRND355. 2ERED355. 23.3 常见探测器的性能参数2 固有能量分辨率电离室和半导体探测器 离子对数及标准偏差： 其中，F为法诺因子(0F1)。对气体电离室，F约为1/3；对半导体探测器，F约为0.050.2 固有能量分辨率： 半导体探测器RD要比气体电离室好5、6倍ENFNNNFNNNFNRND355. 2355. 23.3 常见探测器的性能参数2 固有能量分辨率正比计数器 由带电粒子电离产生的电荷数N的涨落与电离室类似。但是由于气体放大作用，输出电荷数增大A倍，即： 按照统计理论中两级串联随机变量计算规则： 正比计数器RD要比气体电离室差1倍(F=1/
11、3)222)(1)()(ANNNANNFNNNNN1ANN 68. 0/22AA3.3 常见探测器的性能参数2 固有能量分辨率闪烁探测器 闪烁体产生一个光电子所需能量约300eV或更多，而气体电离室：约需30eV/电子-离子对。 仅此一点就决定闪烁体的固有能量分辨率比气体电离室差好几倍。闪烁体发出的光子要经过光电倍增管的阴极光电转换和级联倍增，伴随的统计涨落使探测器的能量分辨率变差。 测量137Cs的662keV射线时，NaI(Tl)的固有能量分辨率约为10%，好的也只有78%3.3 常见探测器的性能参数3 线性与稳定性 线性 定义：是指探测器产生的离子对数平均值和所需消耗的粒子能量之间的线性
12、程度。 电离室和半导体探测器，在低能物理实验中，平均电离能几乎与粒子能量无关，具有比较好的线性。例如Ge(Li)探测器，对于150keV到1.3MeV的射线，非线性偏差不大于0.2keV，和所给能区上限(1.3MeV)相比，不大于0.015%。而同样条件下，闪烁探测器的非线性高达百分之几。 正比计数器在所加工作电压比较低时，线性和电离室相近。3.3 常见探测器的性能参数3 线性与稳定性 稳定性 定义：是指能量-电荷转换系数在环境温度T和电源电压V变化时的稳定性1）气体探测器 平均电离能的温度系数约10-4/ 正比计数器气体放大倍数的温度系数约10-4/ 正比计数器气体放大倍数随电源电压的变化为
13、(1020)V/V3.3 常见探测器的性能参数3 线性与稳定性 稳定性2）半导体探测器 平均电离能的温度系数为： 硅：(3.96.7)10-4eV/ 锗：(3.08.0) 10-4eV/ 半导体探测器的结电容和外加电压的关系因探测器类型和工作状态而异。3）闪烁探测器 闪烁体探测器主要的不稳定因素是光电倍增管。光电倍增管倍增系数的温度系数为： (0.10.5%)/ 随电源电压的变化为: (67) V/V第3次作业3.1 设有一气体电离室，每秒有104个粒子射入其灵敏体积并将全部能量损耗于其中，已知粒子能量为5.3MeV，假设电离室内气体平均电离能w=30eV，则该电离室输出的电荷是多少？平均电流值为多少？固有能量分辨率是多少？3.2 总结气体电离室、正比计数器、半导体探测器和闪烁体探测器的四项基本参数（能量-电荷转换系数、固有分辨率、线性、稳定性）的对比表格。
