1、第五节辐射探测及常用辐射探测器 对于辐射是不能感知的，因此人们必须借助于辐射探对于辐射是不能感知的，因此人们必须借助于辐射探测器探测各种辐射，给出辐射的类型、强度测器探测各种辐射，给出辐射的类型、强度(数量数量)、能、能量及时间等特性。即对辐射进行测量。量及时间等特性。即对辐射进行测量。 辐射探测器的定义：利用辐射在气体、液体或固体辐射探测器的定义：利用辐射在气体、液体或固体中引起的电离、激发效应或其它物理、化学变化进中引起的电离、激发效应或其它物理、化学变化进行辐射探测的器件称为辐射探测器。行辐射探测的器件称为辐射探测器。为什么需要辐射探测器？ 射线与物质相互作用的分类Charged Par
2、ticulate RadiationsUncharged RadiationsHeavy charged particlesNeutronsFast electronsX-rays and raysfTdp, e 辐射探测的基本过程： 辐射粒子射入探测器的灵敏体积；辐射粒子射入探测器的灵敏体积； 入射粒子通过电离、激发等效应而在探测器中沉积入射粒子通过电离、激发等效应而在探测器中沉积能量；能量； 探测器通过各种机制将沉积能量转换成某种形式的探测器通过各种机制将沉积能量转换成某种形式的输出信号。输出信号。对非带电粒子通过次级效应产生次电子或重带电粒对非带电粒子通过次级效应产生次电子或重带电粒子子
3、,实现能量的沉积。实现能量的沉积。常用的辐射探测器按探测介质类型及作用机制主要分为： 气体探测器是以气体为工作介质，由入射粒子在其中产生的电离效应引起输出电信号的探测器。由于产生信号的工作机制不同，气体电离探测器主要有电离室、正比计数器、G-M计数器等类型。它们均有各自的特点以及相应的适用领域。 核辐射引起气体的电离：入射带电粒子通过气体介质时，使气体分子、原子电离和激发，并在通过的路径周围生成大量离子对。 一. 气体探测器各种气体探测器 电离能电离能W：带电粒子在气体中产生一：带电粒子在气体中产生一电子离子对所需的平均能量。电子离子对所需的平均能量。 对不同的气体，对不同的气体， W大约为大
4、约为30eV。 若入射粒子的能量为若入射粒子的能量为E0，当其能量全，当其能量全部损失在气体介质中时，产生的平均离子部损失在气体介质中时，产生的平均离子对数为：对数为：WEN0 离子和电子在外加电场中的漂移离子和电子在外加电场中的漂移 离子和电子除了与作热运动的气体分离子和电子除了与作热运动的气体分子碰撞而杂乱运动和因空间分布不均匀造子碰撞而杂乱运动和因空间分布不均匀造成的扩散运动外，还有由于外加电场的作成的扩散运动外，还有由于外加电场的作用沿电场方向定向漂移。用沿电场方向定向漂移。 这种运动称为这种运动称为“漂移运动漂移运动”，定向运，定向运动的速度为动的速度为“漂移速度漂移速度”。它是形成
5、输出。它是形成输出信号的基本过程。信号的基本过程。 工作气体：工作气体： 气体探测器的工作介质为气体，工作气体探测器的工作介质为气体，工作气体充满电离室内部空间；气体充满电离室内部空间； 工作气体有确定的组成，一般为氩气工作气体有确定的组成，一般为氩气(Ar ) 加少量多原子分子气体加少量多原子分子气体CH4。 气体压力：从气体压力：从10-110大气压。大气压。 需要保证气体的成分和压力，所以一需要保证气体的成分和压力，所以一般电离室均需要一个密封外壳将电极系般电离室均需要一个密封外壳将电极系统包起来。统包起来。气体探测器的圆柱型电离室结构高压极高压极负载电阻负载电阻灵敏体积灵敏体积输出信号
6、：,0CNeh 入CCCC10分别为极板电容、分布电容和放大器输入电容。 气体电离探测器主要有电离室、正比计数器、G-M计数器等类型。 当在两电极上所加电压不同时，就造成气体探测器的不同工作状态。 随着工作电压的升高，在中央阳极附近很小的区域内，电场强度足够强，以至电子在外电场的加速作用下，能发生新的碰撞电离，我们称之为气体放大或雪崩过程。 I : 复合区复合区II : 饱和区饱和区III : 正比区正比区NN A IV: 有限正比有限正比区区NN V: G-M工作区工作区VI: 连续放电区连续放电区1E2E3E工作区工作区域域输出信号输出信号用途用途电离室电离室饱和区饱和区计数及测计数及测量
7、入射粒量入射粒子能量子能量正比计数正比计数器器正比区正比区计数及测计数及测量入射粒量入射粒子能量子能量G-M计数管计数管G-M工工作区作区形成正离子形成正离子鞘，与入射鞘，与入射粒子能量无粒子能量无关。关。仅用作计仅用作计数数0CWEehACWEeh0二. 闪烁探测器 利用辐射在某些物质中产生的闪光，产生荧光光子来探测电离辐射的探测器。闪烁体闪烁体光电倍增管光电倍增管( (打拿极打拿极) )反射层反射层管座管座分压器分压器高压高压多道或单道多道或单道光阴极光阴极阳极阳极荧光荧光光子光子光电子光电子暗盒暗盒窗窗前置放大器前置放大器闪烁探测器的工作过程：(1) 辐射射入闪烁体使闪烁体原子电离或激发
8、，受激原子退激而发出波长在可见光波段的荧光。(2) 荧光光子被收集到光电倍增管(PMT)的光阴极，通过光电效应打出光电子。(3) 电子运动并倍增，并在阳极输出回路输出信号。(一). 闪烁体1、闪烁体的分类1) 1) 无机闪烁体：无机闪烁体： AgZnSTlCsITlNaI, CeSiOLiO222 ( (锂玻璃锂玻璃) )1234OGeBiBGO2) 2) 有机闪烁体：有机晶体有机闪烁体：有机晶体蒽晶体等；蒽晶体等；有机液体闪烁体及塑料闪烁体有机液体闪烁体及塑料闪烁体. .3) 3) 气体闪烁体：气体闪烁体：ArAr、XeXe等。等。 2. 2. 闪烁体的物理特性闪烁体的物理特性1) 1) 发
9、射光谱发射光谱特点：发射光谱为连续谱。各种闪烁体都存在一个最强波长；要注意发射光谱与光电倍增管光阴极的光谱响应是否匹配。以NaI(Tl)为例：对对粒子粒子；对对粒子粒子%13 npC%6 . 2 npC2) 2) 发光效率与光能产额发光效率与光能产额指闪烁体将所吸收的射线能量转化为光的比例。指闪烁体将所吸收的射线能量转化为光的比例。发光效率：发光效率：%100 EECphnpEph闪烁体发射光子的总能量；闪烁体发射光子的总能量；E入射粒子损耗在闪烁体中的能量。入射粒子损耗在闪烁体中的能量。以以NaI(Tl)为例为例对对1MeV1MeV的的粒子，发射光子平均能量粒子，发射光子平均能量eVh3 M
10、eVeVYph光子数光子数4103 . 4313. 0 光能产额：光能产额：EnYphph nph为产生的闪烁光子总数。为产生的闪烁光子总数。MeV光光子子数数发光效率与光能产额的关系：vhCEvhEEnYnpphphph 13) 3) 发光衰减时间发光衰减时间受激过程大约Sec1191010退激过程及闪烁体发光过程按指数规律 tphtenentn0对于大多数无机晶体，t时刻单位时间发射光子数： 1. PMT的结构的结构光电倍增管为电真空器件。光电倍增管为电真空器件。1) PMT的主要部件和工作原理 真空壳真空壳光电子轨迹光电子轨迹入射光入射光聚焦电极聚焦电极半透明半透明2) PMT的类型的类
11、型 (1) 外观的不同外观的不同(2) 根据光阴极形式根据光阴极形式聚焦型非聚焦型(3) 根据电子倍增系统根据电子倍增系统具有较快的响应时间，用于时间测量或需要响应时间快的场合。电子倍增系数较大，多用于能谱测量系统。直线结构环状结构百叶窗结构盒栅型结构 2. PMT主要性能主要性能1) 1) 光阴极的光谱响应光阴极的光谱响应光阴极受到光照后，发射光电子的概率是入射光波长的函数，称作“光谱响应”。 PMT增益增益861010 nKAKAgiiSSM打拿极间电子传输效率打拿极间电子传输效率子数子数第一打拿极收集到的电第一打拿极收集到的电阳极接受到的电子数阳极接受到的电子数 M阳极灵敏度阳极灵敏度F
12、iSAA LmA阳极电流阳极电流2) 光照灵敏度阴极灵敏度阴极灵敏度Lm/A光阴极光阴极的的光电子流光电子流光通量光通量FiSkk(1)光阴极的热电子发射。3) PMT 3) PMT 暗电流与噪声暗电流与噪声 当工作状态下的光电倍增管完全与光辐射隔当工作状态下的光电倍增管完全与光辐射隔绝时，其阳极仍能输出电流绝时，其阳极仍能输出电流(暗电流暗电流)及脉冲信及脉冲信号号(噪声噪声)。(2)残余气体的电离-离子反馈； 残余气体的激发-光子反馈。(3)工艺-尖端放电及漏电成因：4) PMT 的时间特性飞行时间飞行时间( () )et一个光电子从光阴极到达阳极的平均时间。et 到达阳极的每个电子都经历
13、了不到达阳极的每个电子都经历了不同的倍增过程和飞行距离，反映了同的倍增过程和飞行距离，反映了飞行时间的涨落，是决定闪烁计数飞行时间的涨落，是决定闪烁计数器分辨时间的限制因素。器分辨时间的限制因素。：tete的分布函数的半宽的分布函数的半宽度度5) PMT 5) PMT 的稳定性的稳定性包含两部分：短期稳定性，指建立稳定工作状态所需的时间。短期稳定性，指建立稳定工作状态所需的时间。一般在开机后预热半小时才开始正式工作。一般在开机后预热半小时才开始正式工作。长期稳定性：在工作达到稳定后，略有下降长期稳定性：在工作达到稳定后，略有下降的慢变化，与管子的材料、工艺有关，同时的慢变化，与管子的材料、工艺
14、有关，同时与周围的环境温度有关。长期工作条件下，与周围的环境温度有关。长期工作条件下，须采用须采用“稳峰稳峰”措施。措施。（三）闪烁探测器的应用主要用于构成 谱仪光电倍增管闪烁体射极输出器线性脉冲放大器单道脉冲幅度分析器多道脉冲幅度分析器打印机自动定标器线性率表高压电源示波器源图3-1Nal(T1)闪烁谱仪装置示意图 我们把气体探测器中的电子离子对、闪烁我们把气体探测器中的电子离子对、闪烁探测器中被探测器中被 PMT第一打拿极收集的电子第一打拿极收集的电子 及半导及半导体探测器中的电子空穴对统称为探测器的信息体探测器中的电子空穴对统称为探测器的信息载流子。产生每个信息载流子的平均能量分别为载流
15、子。产生每个信息载流子的平均能量分别为30eV(气体探测器气体探测器)，300eV(闪烁探测器闪烁探测器)和和3eV(半半导体探测器导体探测器)。三. 半导体探测器(1) 能量分辨率最佳；(2) 射线探测效率较高，可与闪烁探测器相比。常用半导体探测器有：(1) P-N结型半导体探测器；(2) 锂漂移型半导体探测器；(3) 高纯锗半导体探测器； ( (一一) ) 半导体作为探测介质的物理性能半导体作为探测介质的物理性能1.平均电离能 （w）SiGe300K3.62eV 77K3.76eV2.96eV 入射粒子在半导体介质中平均产生一对电子入射粒子在半导体介质中平均产生一对电子空穴需要的能量。空穴
16、需要的能量。 半导体中的平均电离能与入射粒子能量无半导体中的平均电离能与入射粒子能量无关。在半导体中消耗能量为关。在半导体中消耗能量为E时，产生的载流时，产生的载流子数目子数目N为：为：/NE w 2. 载流子的漂移 由于由于 电子迁移率电子迁移率n 和和 空穴迁移率空穴迁移率p 相近，相近，与气体探测器不同，不存在电子型或空穴型半导与气体探测器不同，不存在电子型或空穴型半导体探测器。体探测器。对对N型半导体型半导体，电子的漂移速度为，电子的漂移速度为Eunn 对对P型半导体型半导体，空穴的漂移速度为，空穴的漂移速度为Eupp 电场较高时，漂移速度随电场的增加较慢，最电场较高时，漂移速度随电场
17、的增加较慢，最后达到载流子的饱和速度后达到载流子的饱和速度107cm/s。3. 电阻率与载流子寿命半导体电阻率半导体电阻率： pnpne 1 cm 本征电阻率本征电阻率：iScm 5103 . 2eGcm 10050 掺杂将大大降低半导体的电阻率，对硅来说掺杂对电掺杂将大大降低半导体的电阻率，对硅来说掺杂对电阻率的影响比锗显著得多。当半导体材料被冷却到液氮阻率的影响比锗显著得多。当半导体材料被冷却到液氮温度时将大大提高电阻率。温度时将大大提高电阻率。 -载流子在俘获以前，可在晶体中自由运载流子在俘获以前，可在晶体中自由运动的时间。只有当漂移长度动的时间。只有当漂移长度 大于灵敏体积的大于灵敏体
18、积的长度才能保证载流子的有效收集。对高纯度的长度才能保证载流子的有效收集。对高纯度的Si和和Ge 10-3s，决定了，决定了Si和和Ge为最实用的半导体材料。为最实用的半导体材料。EL1、P-N结半导体探测器的工作原理结半导体探测器的工作原理 P-N结区结区(势垒区势垒区)的形成：的形成： 多数载流子扩散，空间电荷形成内电场并多数载流子扩散，空间电荷形成内电场并形成结区。结区内存在着势垒，结区又称为形成结区。结区内存在着势垒，结区又称为势垒区。势垒区内为耗尽层，无载流子存在，势垒区。势垒区内为耗尽层，无载流子存在，实现高电阻率，达实现高电阻率，达 ，远高于本征电阻，远高于本征电阻率。率。cm
19、1010n-typep-type- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -+ + + + + + + + + + + + +ab0bNaNAD2、P-N结半导体探测器的类型结半导体探测器的类型1) 扩散结(Diffused Junction)型探测器采用扩散工艺采用扩散工艺高温扩散或离子注入；高温扩散或离子注入；材料一般选用材料一般选用P P型高阻硅，电阻率为型高阻硅，电阻率为10001000；在电极引出时一定要保证为欧姆接触，以在电极引出时一定要保证为欧姆接触，以防止形成另外的结。防止形成另外的结。 2) 金
20、硅面垒(Surface Barrier)探测器一般用一般用N N型高阻硅，表面蒸金型高阻硅，表面蒸金5050100100g/cm2 g/cm2 氧化形成氧化形成P P型硅，而形成型硅，而形成P-NP-N结。工艺成熟、结。工艺成熟、简单、价廉。简单、价廉。 3.应用 重带电粒子能谱测量重带电粒子能谱测量- 谱仪谱仪1.P-N结的构成结的构成 采用高纯度的采用高纯度的 P型型Ge单晶，杂质浓度单晶，杂质浓度为为 。因为杂质浓度极低，相应的电阻。因为杂质浓度极低，相应的电阻率很高。空间电荷密度很小，率很高。空间电荷密度很小，P区的耗尽区的耗尽层厚度大。层厚度大。一般半导体材料杂质浓度为一般半导体材料
21、杂质浓度为1015原子原子/cm3。31010cm原子电荷分布电荷分布（三）高纯锗半导体探测器（三）高纯锗半导体探测器1) P区存在空间电荷，HPGe半导体探测器是PN结型探测器。2) P区为非均匀电场。3) P区为灵敏体积，其厚度与外加电压有关，一般工作于全耗尽状态。4) HPGe半导体探测器可在常温下保存，低温下工作。2.高纯锗半导体探测器特点10.8mm不锈钢丝；2玻璃钢支柱；3活性炭；4内胆；5镀铝涤纶薄膜；6真空室外套；7多孔套管；8活性炭；9导冷棒；10外壳；11定位器和套卡；12前置电极；13导线螺钉；14晶体台；15电极支架；16下电极；17晶体；18屏蔽罩；19真空罩；20氟
22、橡胶密封圈；21真空室外壳；22液氮注入管道；23内胆颈管；24液氮。 HPGe用于组成用于组成谱仪：锗具有较高的密谱仪：锗具有较高的密度和较高的原子序数度和较高的原子序数(Z=32)探头探头(晶体前置放大器低温装置晶体前置放大器低温装置)；谱放大器谱放大器(稳定性，抗过载，极零调节，基线稳定性，抗过载，极零调节，基线恢复等恢复等);谱仪的组成：多道脉冲幅度分析器多道脉冲幅度分析器(一般大于一般大于4000道，现在道，现在一般都带有数字稳谱功能一般都带有数字稳谱功能)；计算机计算机(谱解析软件及定量分析软件谱解析软件及定量分析软件)。谱仪的应用：活化分析；X射线荧光分析；核物理研究等。3.HPGe3.HPGe的应用的应用HPGe半导体探测器与NaI(Tl)闪烁探测器的 谱的比较
