核輻射探測復(fù)習(xí)知識(shí)點(diǎn)

1、第一章輻射與物質(zhì)的相互作用與物質(zhì)相互作用：1帶電粒子與靶原子核的核外電子非彈性碰撞(電離，激發(fā))2.帶 電粒子與靶原子核的非彈性碰撞(輻射損失)3.帶電粒子與靶原子核彈性碰撞(核 阻止)4.帶電粒子與核外電子彈性碰撞電離損失能量:入射帶電粒子與核外電子發(fā)生非彈性碰撞使靶物質(zhì)原子電離或激發(fā)而損失的能量(電離:核外層電子客服束縛成為自由電子，原子成為正離子 激發(fā): 使核外電子由低能級(jí)躍遷到高能級(jí)而使原子處于激發(fā)狀態(tài) )輻射損失能量：入射帶 電粒子與原子核發(fā)生非彈性碰撞以輻射光子損失能量軔致輻射:入射帶電粒子與原子核之間的庫侖力作用使帶電粒子的速度和方向改變 ，并伴隨發(fā)射電磁輻射阻止本領(lǐng):單位路徑上

2、的能量損失 S=-dE/dx=SOn+Sad重：S=Son=(1/4 n 韻2(4 nZ/m °v)2NBBethe公式結(jié)論:1.電離能了損失率和入射帶電粒子速度有關(guān)，質(zhì)量無關(guān)2和電荷 數(shù)平方z2正比3.Son隨粒子E/n變化曲線:a段入射粒子能量E較低時(shí)，Son與z2 成正比，曲線上升b段(0.03MeV-3000MeV)相對(duì)論項(xiàng)作用不顯著,Son與E成反比, 曲線下降c段:能量較高時(shí)，相對(duì)論修正項(xiàng)起作用，Son與B成正比，曲線上升4高Z 和p物質(zhì)阻止本領(lǐng)高布拉格曲線：隨穿透距離增大而上升，接近徑跡末端，由于拾取電荷而下降。同樣能量的入射帶電粒子經(jīng)過一定距離后，各個(gè)粒子損失的能量不

3、會(huì)完全相同，是 隨機(jī)性的，發(fā)生了能量離散，即能量歧離.射程歧離:單能離子的射程也是漲落的 為何峰值上升？因?yàn)椴糠至Ｗ右呀?jīng)停止運(yùn)動(dòng)，相當(dāng)于通道變窄，剩余粒子能量集中， 導(dǎo)致峰值上升.沿x方向，能量降低,離散程度變大,峰值降低射程R帶電粒子沿入射方向所行徑的最大距離路程:實(shí)際軌跡長度解釋各種粒子的軌跡：重帶電粒子質(zhì)量大，其與物質(zhì)原子的軌道電子相互作用基本 不會(huì)導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)方向有偏差，徑跡幾乎是直線：由于次級(jí)電離，曲線會(huì)有分叉：質(zhì)子和 a粒子粗細(xì)差別：能量提高，徑跡變細(xì).電子的徑跡不是直線，散射大.射程R正比于m/z21. v同兩種粒子同物質(zhì) Ri/R2=mi/m2* (Z2/Z1) 22. V 同一種

4、粒子兩物質(zhì) Ra/Rb= Aa/ Ab *( p b/ p a)a粒子空氣射程 Rd=0.318Eo1'5R=3.2*1ClA/ pRair比電離:帶電粒子在穿透單位距離介質(zhì)時(shí)產(chǎn)生的離子對(duì)的平均數(shù)S射線:帶電粒子在穿透介質(zhì)時(shí)產(chǎn)生的電子-離子對(duì)中的具有足夠能量可以進(jìn)一步 電離的電子電子Srad/Sion=EZ800快電子Scad正比于z2E/m2*NZ2屏蔽電子材料：當(dāng)要吸收、屏蔽B射線時(shí)，不宜選用 重材料:當(dāng)要獲得強(qiáng)的X射線時(shí)，選用重材料做靶.電子反散射及效應(yīng):電子由原入射方向的反方向反射回來，從入射表面射出.對(duì)于 放射源，反散射可以提高產(chǎn)額：對(duì)于探測器，會(huì)產(chǎn)生測量偏差.When反散射

5、嚴(yán)重：對(duì) 于同種材料，入射電子能量越低反散射越嚴(yán)重：對(duì)同樣能量的入射電子，原子序數(shù) 越高的材料,反散射越嚴(yán)重光電效應(yīng)：光子把全部能量轉(zhuǎn)移給某個(gè) 束縛電子，使其發(fā)射出去而光子本身消失的 過程.是光子和整個(gè)原子的作用結(jié)果，主要集中在內(nèi)層電子,還會(huì)有俄歇電子或特 征X射線.(為何不與自由電子-因?yàn)槿肷涔庾佑胁糠帜芰總鬟f給原子，使其發(fā)生反 沖,否則能量不守恒 )米用咼Z材料可提咼探測效率，有效阻擋丫射線：丫光子能量越咼，光電效應(yīng)截面 勁 越小. 入射光子能量低時(shí) ,光電子趨于垂直方向發(fā)射 :入射光子能量高時(shí) ,光電子 趨于向前發(fā)射.康普頓效應(yīng)：丫射線和核外電子非彈性碰撞，入射光子一部分能量傳遞給電子，

6、使之 脫離原子成為反沖電子 ,光子受到散射 ,運(yùn)動(dòng)方向和速度改變 ,成為散射光子 . 散射 角9=180時(shí)即入射光子和電子 對(duì)心碰撞，散射光子沿入射光子反方向射出，反沖電 子沿入射方向射出 -反散射.能量咼的入射光子有強(qiáng)烈的向前散射趨勢 ,低的向前 向后散射概率相當(dāng) .康普頓坪 ：單能入射光子所產(chǎn)生反沖電子的能量為連續(xù)分布 ,在能量較低處反沖電 子數(shù)隨能量變化小 ,呈平臺(tái)狀：康普頓邊緣：在最大能量處,電子數(shù)目最多 ,呈尖銳的 邊界.峰值Ee=hv200keV電子對(duì)效應(yīng) ：當(dāng)入射光子能量較咼 ,從原子核旁邊經(jīng)過時(shí) ,在庫倫場作用下轉(zhuǎn)換成 一個(gè)正電子和一個(gè)負(fù)電子.電子對(duì)效應(yīng)出現(xiàn)條件:h v 2mo

7、c2=1.O22MeV電子和正電 子沿入射光子方向的前向角度發(fā)射 ,能力越咼 ,角度越前傾. 湮沒輻射：正電子湮沒 放出光子的過程.實(shí)驗(yàn)上觀測到511kev的湮沒輻射為正電子的產(chǎn)生標(biāo)志 單雙逃逸峰：發(fā)生電子對(duì)效應(yīng)后，正電子湮沒放出的兩個(gè)511keV的丫光子可能會(huì)射 出探測器，使得丫射線在探測器中沉積的能量減小.低能高Z光電,中能低Z康普頓，高能高Z電子對(duì).線形衰減系數(shù) 尸収 質(zhì)量衰減系數(shù)pm=p/ p質(zhì)量厚度Xm= P平均自由程 : 表示光子每經(jīng)過一次相互作用之前 ,在物質(zhì)中所穿行的平均厚度入=v 寬束N=NoBe- 窄束|(x)=loe"半減弱厚度:射線在物質(zhì)中強(qiáng)度減弱一半時(shí)的厚度

8、Di/2=入In2第二章氣體探測器信息載流子：氣體(電子離子對(duì)w=30eV,F=0.2-0.5閃爍體(第一打拿極收集到的光電 子w=300ev,F=1半導(dǎo)體(電子空穴對(duì) w=3ev,F=0.1 )平均電離能 :帶電粒子在氣體中產(chǎn)生一對(duì)離子對(duì)所平均消耗的能量 電子和離子相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度：電子漂移速度為離子1000倍,約106cm/s 雪崩:電子在氣體中碰撞電離的過程 . 條件:足夠強(qiáng)的電場和電離產(chǎn)生的自由電子 非自持放電 ：雪崩只發(fā)生一次 自持放電 ：通過光子作用和二次電子發(fā)射 ,雪崩持續(xù)發(fā)展 R)C0<<1/n 脈沖(電子 T-<<R0C0n<<T、離子 R)C

9、0n>>T+)、R)Co>>1fn 累計(jì)(電流、 脈沖束)1.僅當(dāng)正離子漂移時(shí)外回路才有 離子電流i+(t)2.正離子從初始位置漂移到負(fù)極過 程,流過外回路電荷量不是離子自身的電荷量e,而是在正極感應(yīng)電荷量q1電子電流同理本征電流i(t)=i+(t)+i-(t) qi+q2=e電離室構(gòu)成 ：高壓極,收集極,保護(hù)極和負(fù)載電阻 工作氣體：充滿電離室內(nèi)部的工作 介質(zhì),應(yīng)選用電子吸附系數(shù)小的氣體 .圓柱型電子脈沖 原理:利用圓柱形電場的特點(diǎn)來減少Q(mào)-對(duì)入射粒子位置的依賴關(guān)系，達(dá)到利用”電子脈沖”來測量能量的目的f FW能量分辨率圧能譜半高寬n = E/E*100%hh*100%

10、=2.36FWHM=tE=2.36X=2.36c探測效率：入射到脈沖探測器靈敏體積內(nèi)輻射粒子被記錄下的百分比 總輸出電荷量Q=N*e=E/W*e脈沖電離室飽和特性曲線:飽和區(qū)斜率成因：靈敏體積增加，對(duì)復(fù)合的抑制,對(duì)擴(kuò)散 的抑制 飽和電壓 W-對(duì)應(yīng)90%飽和區(qū)的脈沖幅度 放電電壓 V2工作電壓 V=Vi+（V2-Vi）/3坪特性曲線：描繪電離室計(jì)數(shù)率和工作電壓關(guān)系成因:甄別閾不同電壓小于Vi時(shí)在符合區(qū)，但不是每個(gè)粒子都能形成一個(gè)電子離子對(duì).僅少數(shù)可 達(dá)到計(jì)數(shù)閾值h,Vo上升至飽和電壓后電子離子對(duì) N基本不變 分辨時(shí)間（死時(shí)間）：能分辨開兩個(gè)相繼入射粒子間的最小時(shí)間間隔 時(shí)滯:入射粒子的入射時(shí)刻和

11、輸出脈沖產(chǎn)生的時(shí)間差累計(jì)電離室工作狀態(tài)要求輸出信號(hào)的相對(duì)均方漲落V|21Tv<1 Vv2-1RoCon<<1飽和特性曲線斜率：靈敏體積增大,復(fù)合的抑制,漏電流 靈敏度 n輸出電流或電壓值/射粒子流強(qiáng)度（采用多級(jí)平行電極系統(tǒng)可提高）why曲線后 部分離:部分電子離子對(duì)復(fù)合，未達(dá)到飽和電壓，引起輸出電流信號(hào)偏小 正比計(jì)數(shù)器是一種非自持放電的氣體探測器，利用碰撞電荷講入射粒子直接產(chǎn)生 的電離效應(yīng)進(jìn)行放大，使得正比計(jì)數(shù)器的輸出信號(hào)幅度比脈沖電離室顯著增大 輸出電荷信號(hào)主要由 正離子漂移貢獻(xiàn)r處場強(qiáng)E（r）=V6/rlnb/a VT=ET*alnb/a只有Vo>Vt才工作于正比工

12、作區(qū)，否則電離室區(qū) 氣體放大倍數(shù)A=n（a）/n（ro）A僅于 VoVt有關(guān),與入射粒子位置無關(guān)氣體放大過程（電子雪崩）當(dāng)電子到打距極絲一定距離ro后，通過碰撞電離過程電子數(shù)目不斷增加電子與氣體分子碰撞過程中碰撞電離，碰撞激發(fā)（氣體退激發(fā)射子外光子，陰極打 出次級(jí)電子，次級(jí)電子碰撞電離）光子反饋:次級(jí)電子在電場加速下發(fā)生碰撞電 離At二A/1-g光子反饋很快；加入少量多原子分子氣體M可以強(qiáng)烈吸收氣體分子 退激發(fā)出的紫外光子變成 M*,后來又分解為小分子（超前離解）氣體放大過程中 正離子作用：1停止電子倍增2.再次觸發(fā)電子倍增（離子反饋）輸出信號(hào)：1.電流脈沖形狀一定，與入射粒子位置無關(guān)，電壓脈

13、沖為定前沿脈沖2響應(yīng)時(shí)間快3.RoCo>>T+時(shí)，獲得最大輸出脈沖幅度 ANe/Co分辨時(shí)間/死時(shí)間t與脈沖寬度正比，t內(nèi)產(chǎn)生的脈沖不會(huì)被記錄造成計(jì)數(shù)損失， 死時(shí)間可擴(kuò)展.m=n/1-n©m真實(shí)n測量 時(shí)滯:初始電子由產(chǎn)生處漂移到陽極時(shí)間 時(shí)間分辨本領(lǐng)：正比計(jì)數(shù)器對(duì)時(shí)間測量的精度正比計(jì)數(shù)器坪特性曲線斜率：由于負(fù)電性氣體、末端與管壁效應(yīng)等，有部分幅度較小的脈沖隨工作電壓升高而越來 越多地被記錄下來GM放電過程：1初始電離和碰撞電離：電子加速發(fā)生碰撞電離形成電子潮-雪崩2. 放電傳播（光子反饋）：Ar*放出紫外光子打到陰極上打出次級(jí)電子 3.正離子鞘向陰 極漂移，形成離子電流

14、4.離子反饋:正離子在陰極表面電荷中和缺點(diǎn)GM 死時(shí)間長，僅計(jì)數(shù)At=A/1- Y自持放電：陰極新產(chǎn)生電子向陽極漂移引起新的雪崩，從而在外回路形成第二個(gè)脈 沖，周而復(fù)始.-實(shí)現(xiàn)自熄：改變工作高壓，增加猝熄氣體-有機(jī)（阻斷光子，離子反饋；工作機(jī)制:1.電子加速發(fā)生碰撞電離形成電子潮-雪崩過程2.Ar*放出紫外光子被有 機(jī)氣體分子吸收3.正離子鞘向陰極漂移實(shí)現(xiàn)電荷交換4.有機(jī)氣體離子在陰極電荷中和）,鹵素（工作機(jī)制：1.電離過程靠Ne的亞穩(wěn)態(tài)原子的中介作用形成電子潮 2.Ne*退激發(fā)出光子在陰極打出電子，或被Br2吸收打出新點(diǎn)子3正離子鞘Br+向 陰極漂移4.Br+在陰極表面與電子中和超前解離）G

15、M管和正比計(jì)數(shù)器區(qū)別：GM輸出信號(hào)幅度和能量無關(guān)，只能計(jì)數(shù),死時(shí)間非擴(kuò)展 型死時(shí)間校正：m=n（m©+1）GM坪特性曲線坪斜成因:隨工作電壓增高，正離子鞘電荷量增加，負(fù)電性氣體電子 釋放增加，靈敏體積增大，尖端放電增加死時(shí)間td:電子再次在陽極附近雪崩的時(shí)間 復(fù)原時(shí)間te：從死時(shí)間到正離子被陰 極收集，輸出脈沖恢復(fù)正常的時(shí)間 分辨時(shí)間tf：從0到第二個(gè)脈沖超過甄別閾的時(shí) 間GM計(jì)數(shù)管離子對(duì)收集數(shù)N與工作電壓關(guān)系圖:1.復(fù)合區(qū)（電壓上升，復(fù)合減少，曲線 上升）2.飽和區(qū)（電荷全被收集）3.正比區(qū)N=NoM（碰撞電離產(chǎn)生氣體放大，總電荷量 正比于原電荷量）4.有限正比區(qū)N»Nd

16、（M過大,過渡區(qū)）5.蓋格區(qū)（隨電壓升高形成 自持放電總電離電荷與原電離無關(guān)，幾條曲線重合） 第三章閃爍體探測器優(yōu)點(diǎn)：1探測效率高，可測量不帶電粒子，對(duì)于中子和丫光子可測得能譜2時(shí)間特性 好,可實(shí)現(xiàn)ns的時(shí)間分辨 工作過程：射線沉積能量，電離產(chǎn)生熒光,熒光轉(zhuǎn)換為光 電子，光電子倍增，信號(hào)流經(jīng)外回路閃爍體探測器組成：閃爍體，光電倍增管,高壓電源，低壓電源,分壓器和前置放大器 分類:無機(jī)閃爍體（無機(jī)鹽晶體，玻璃體,純晶體），有機(jī)閃爍體（有機(jī)晶體，有機(jī)液體閃 爍體，塑料閃爍體）氣體閃爍體（氬、氙）無機(jī)閃爍體發(fā)光機(jī)制：入射帶電粒子可以產(chǎn)生電子空穴對(duì)，也可以產(chǎn)生激子（相互 轉(zhuǎn)化）有機(jī)閃爍體發(fā)光機(jī)制：由分

17、子自身激發(fā)和躍遷產(chǎn)生激發(fā)和發(fā)光氣體閃爍體發(fā)光機(jī)制：入射粒子徑跡周圍部分氣體被激發(fā)，返回基態(tài)時(shí)發(fā)射出光子產(chǎn)生電 子空穴對(duì)需要三倍禁帶寬度能量光能產(chǎn)額 Yph=nph/E=4.3*104/MeV 閃爍效率 Gh=E）h/E=13%閃爍光子傳輸和收集通道：反射層，光學(xué)耦合劑，光導(dǎo)反射層:把光子反射到窗：鏡 面反射和漫反射耦合劑（折射系數(shù)較大的透明介質(zhì)，周圍介質(zhì)折射系數(shù)n1,閃爍體 n。,全反射的臨界角妒sin-1 m/n0）:排除空氣，減少由全反射造成的閃爍光子損失光導(dǎo):具有一定形狀的光學(xué)透明固體材料，連接閃爍體和光電倍增管，有效地把光 傳輸?shù)焦怆娹D(zhuǎn)換器件上：具有較高折射系數(shù)，與閃爍體和光電轉(zhuǎn)換器光

18、學(xué)接觸好 光電倍增管PMT:把光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)并放大；由入射窗,光陰極，聚焦電極，電子 倍增極（打拿極,次級(jí)電子產(chǎn)額 滬發(fā)射的次級(jí)電子數(shù)/入射的初級(jí)電子數(shù)）,陽極和 密封玻璃外殼組成光譜效應(yīng)：光陰極受到光照射后發(fā)射光電子的幾率為波長的函數(shù)量子效率Qk（為=發(fā)射電子數(shù)/入射光子數(shù) 光陰極的光照靈敏度Sc=ik/F Sa=ia/F Sa=gc*M*Sk第一打拿極的電子收集系數(shù) gc=第一打拿極收集到的光電子數(shù)/光陰極發(fā)出的光電子數(shù)PMT的電流放大倍數(shù)M =陽極收集到的電子數(shù)/第一打拿極收集到的電子數(shù)飛行時(shí)間（渡越時(shí)間）te:個(gè)光電子從光陰極到達(dá)陽極的平均時(shí)間渡越時(shí)間離散/te為te的分布函數(shù)的半

19、寬度閃光照射到光陰極時(shí)，陽極輸出信號(hào)可能不同-原因:1.光陰極的靈敏度在不同位 置不同2光陰極不同位置產(chǎn)生的光電子被第一打拿極收集的效率不同解決:1.改進(jìn)光陰極均勻性2改進(jìn)光電子收集均勻性 3利用光導(dǎo)把光電子分散在整個(gè)光陰 極輸出信號(hào):閃爍體發(fā)出閃爍光子數(shù)nph=%hE第一打拿極收集到光電子數(shù)ne=nphT陽極收集到電子數(shù)nA=neM 輸出電荷量 Q=nAe=YPhTMe電壓脈沖型工作狀態(tài)RoCo>> t優(yōu):脈沖幅度大 缺:脈沖前沿后沿慢電流脈沖型工作狀態(tài)RdCOvvt優(yōu)：脈沖前沿后沿快 缺:脈沖幅度小小尺寸閃爍體：僅吸收次級(jí)電子的能量，大尺寸閃爍體：吸收全部次級(jí)電子、次級(jí)電磁輻射

20、能量中尺寸閃爍體:吸收次級(jí)電子能量,可能吸收次級(jí)電磁輻射能量；康普頓邊沿與全 能峰之間連續(xù)部分-多次康普頓散射造成-康普頓效應(yīng)產(chǎn)生的散射光子又發(fā)生康 普頓效應(yīng);單逃逸峰-正電子湮沒輻射時(shí)產(chǎn)生的兩個(gè)511keV的湮沒光子一個(gè)逃逸而另一個(gè)被吸收，雙逃逸峰-兩個(gè)光子都逃逸；全能峰-對(duì)應(yīng)丫射線能量的單一能峰 第四章半導(dǎo)體探測器本征半導(dǎo)體:理想的純凈半導(dǎo)體,價(jià)帶填滿電子,導(dǎo)帶無電子禁帶寬度硅 300K-1.115ev 0K-1.165ev 鍺 300K-0.665ev 0K-0.746ev 電子空 穴密度 硅 n=p=2*1O10/cm3鍺 n=p=2.4*1013/cm3半導(dǎo)體探測器分類：均勻型,PN

21、結(jié)型,PIN結(jié)型,高純鍺HPG化合物半導(dǎo)體,雪崩半 導(dǎo)體，位置靈敏半導(dǎo)體 半導(dǎo)體探測器的優(yōu)點(diǎn):1.非常好的位置分辨率 2.很高的能 量分辨率3.很寬的線形范圍4.非?？斓捻憫?yīng)時(shí)間Si適合帶電粒子測量，射程短Ge:純度高，可以做成較大的探測器：可用于丫能譜測 量 摻有施主雜質(zhì)的半導(dǎo)體中多數(shù)載流子是電子，叫做N型半導(dǎo)體:摻有受主雜質(zhì) 的半導(dǎo)體中多數(shù)載流子是空穴，叫P型半導(dǎo)體補(bǔ)償效應(yīng)：當(dāng)p>n,N型轉(zhuǎn)換為P型半導(dǎo)體p=n時(shí)完全補(bǔ)償 平均電離能特點(diǎn):1.近似 與入射粒子種類和能量無關(guān)，根據(jù)電子空穴對(duì)可推入射粒子能量2.入射粒子電離產(chǎn)生的電子與空穴數(shù)目相等3.半導(dǎo)體平均電離能約 3eV,遠(yuǎn)小于氣體

22、平均電離能30eV陷落和復(fù)合使載流子減少半導(dǎo)體探測器材料特性：長載流子壽命（保證載流子可被收集），高電阻率（漏電流小, 結(jié)電容?。㏄N型半導(dǎo)體:適合測量a粒子這類短射程粒子，不適合測量穿透力強(qiáng)的射線勢壘高度 Vo=eNdW2/2 &寬度 W=（2 Vo/eNd）12=（2 Vo p 嚴(yán)PIN半導(dǎo)體:溫度升高，Li+漂移變快;形成PN結(jié)丄+與受主雜質(zhì)中和,實(shí)現(xiàn)自動(dòng)補(bǔ)償 形成I區(qū)（完全補(bǔ)償區(qū)，耗盡層,靈敏體積），形成PIN結(jié)why半導(dǎo)體PN結(jié)可作為靈敏區(qū)？ 1.在PN結(jié)區(qū)可移動(dòng)的載流子基本被耗盡，只留 下電離了的正負(fù)電中心，具有高電阻率2.PN結(jié)上加一定負(fù)偏壓，耗盡區(qū)擴(kuò)展，可達(dá) 全耗盡,死

23、層極薄，外加電壓幾乎全部加到 PN結(jié)上，形成高電場3.漏電流小，具有 高信噪比高純鍺:一面通過蒸發(fā)擴(kuò)散或加速器離子注入施主雜質(zhì)形成N區(qū),并形成PN結(jié)，另一面蒸金屬形成P+作為入射窗,兩端引出電極第五章 輻射探測中的統(tǒng)計(jì)學(xué)f（t）=me-mtt=1/mcr2=1/m2第六章核輻射測量方法符合事件：兩個(gè)或以上在時(shí)間上相關(guān)的事件真符合：用符合電路選擇同時(shí)事件反符合:用反符合電路來消除同時(shí)事件，當(dāng)一個(gè)測量道沒有輸入信號(hào)時(shí)，另一道的信號(hào)才能從符合裝置輸出 符合道計(jì)數(shù)率nc=A s偶然符合:在偶然情況下同時(shí)達(dá)到符合電路的非關(guān)聯(lián)事件引起的符合（偶然計(jì)數(shù)nc=2Tnin2）電子學(xué)分辨時(shí)間t=FWHM/2符合計(jì)數(shù)nc=nc°