第4章帶電粒子測量方法

1、成都理工大學(xué)核自院成都理工大學(xué)核自院主講教師主講教師: 楊 佳l 本課程的理論學(xué)時(shí)本課程的理論學(xué)時(shí)24學(xué)時(shí)，主要講授內(nèi)容包括：學(xué)時(shí)，主要講授內(nèi)容包括：4.1 帶電粒子測量的基本原理帶電粒子測量的基本原理4.2 氡氣測量方法氡氣測量方法4.1.1 核輻射探測對象核輻射探測對象4.1.2 核輻射探測器概述核輻射探測器概述4.1.3 帶電粒子的測量帶電粒子的測量 泛指泛指核衰變或核裂變放出的粒子，和由加速器或核反應(yīng)產(chǎn)生的核衰變或核裂變放出的粒子，和由加速器或核反應(yīng)產(chǎn)生的各種粒子各種粒子，包括，包括、3He、 p、 d、 T、X、n、重離子和裂片、重離子和裂片等。等。p 射線（核輻射）：射線（核輻射）

2、：1.008665 0 n中中 子子1.007276 +1 p質(zhì)質(zhì) 子子 0 0 5.48610-4 1 e 4.00279 +2 4He 質(zhì)質(zhì) 量量 ( u )電荷電荷(e)符號符號種類種類可見：射線的本質(zhì)就是核輻射粒子可見：射線的本質(zhì)就是核輻射粒子p 帶電粒子：帶電粒子： 重帶電粒子（重帶電粒子（粒子、裂變碎片）粒子、裂變碎片） 輕帶電粒子（快電子，輕帶電粒子（快電子，粒子）粒子）p 非帶電粒子：非帶電粒子： X、射線射線 中子中子 非帶電粒子與物質(zhì)作用時(shí)，先與物質(zhì)相互作用產(chǎn)生帶電的次級非帶電粒子與物質(zhì)作用時(shí)，先與物質(zhì)相互作用產(chǎn)生帶電的次級粒子后（如載能電子），由次級電子使物質(zhì)原子電離粒子

3、后（如載能電子），由次級電子使物質(zhì)原子電離 間接致間接致電離輻射電離輻射。 帶電粒子與物質(zhì)作用時(shí)，可帶電粒子與物質(zhì)作用時(shí)，可直接發(fā)生電離作用直接發(fā)生電離作用（使物質(zhì)原子電（使物質(zhì)原子電離，產(chǎn)生電子和正離子）離，產(chǎn)生電子和正離子） 稱為稱為（致）電離輻射或直接致電離輻（致）電離輻射或直接致電離輻射射。 利用核輻射在氣體、液體或固體中引起的電離、發(fā)光現(xiàn)象等物利用核輻射在氣體、液體或固體中引起的電離、發(fā)光現(xiàn)象等物理、化學(xué)變化進(jìn)行核輻射探測的元件稱為核輻射探測器。理、化學(xué)變化進(jìn)行核輻射探測的元件稱為核輻射探測器。 將核輻射轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘柣蚩捎涗洀桔E的元件稱為核輻射探測器。將核輻射轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘柣蚩捎涗洀桔E

4、的元件稱為核輻射探測器。 通過核輻射與物質(zhì)相互作用提供有關(guān)核輻射信息并對其進(jìn)行分通過核輻射與物質(zhì)相互作用提供有關(guān)核輻射信息并對其進(jìn)行分析處理的實(shí)驗(yàn)儀器稱為核輻射探測器。析處理的實(shí)驗(yàn)儀器稱為核輻射探測器。p 一臺(tái)完整的放射性測量裝置應(yīng)包括兩部分一臺(tái)完整的放射性測量裝置應(yīng)包括兩部分: 第一部分是將射線的輻射能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘柕牡谝徊糠质菍⑸渚€的輻射能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘柕哪芰哭D(zhuǎn)換器能量轉(zhuǎn)換器輻射輻射探測器或輻射探測元件探測器或輻射探測元件； 第二部分是第二部分是各種特殊的電子線路各種特殊的電子線路，它是將，它是將靈敏的輻射探測器輸靈敏的輻射探測器輸出的信號出的信號經(jīng)放大、鑒別、記錄，進(jìn)行對比測量，從而得到入射

5、射線經(jīng)放大、鑒別、記錄，進(jìn)行對比測量，從而得到入射射線的計(jì)數(shù)率和能量分布等情況。的計(jì)數(shù)率和能量分布等情況。p 按按“利用核輻射與物質(zhì)相互作用的不同過程利用核輻射與物質(zhì)相互作用的不同過程”進(jìn)行分類進(jìn)行分類: 電離型電離型核輻射探測器：基于核輻射在阻止介質(zhì)中的電離效應(yīng)核輻射探測器：基于核輻射在阻止介質(zhì)中的電離效應(yīng)帶電粒子在探測器中直接產(chǎn)生電離；帶電粒子在探測器中直接產(chǎn)生電離；射線、中子等不帶電粒子則射線、中子等不帶電粒子則是先與物質(zhì)相互作用產(chǎn)生帶電的次級粒子后再在探測器中產(chǎn)生電離。是先與物質(zhì)相互作用產(chǎn)生帶電的次級粒子后再在探測器中產(chǎn)生電離。 電離型核輻射探測器包括：氣體探測器（電離室、正比計(jì)數(shù)器、

6、電離型核輻射探測器包括：氣體探測器（電離室、正比計(jì)數(shù)器、蓋革計(jì)數(shù)器）、半導(dǎo)體探測器、云室、火花室和徑跡探測器等。蓋革計(jì)數(shù)器）、半導(dǎo)體探測器、云室、火花室和徑跡探測器等。 基于核輻射與物質(zhì)相互作用使阻止介質(zhì)的基于核輻射與物質(zhì)相互作用使阻止介質(zhì)的原子或分子激發(fā)原子或分子激發(fā)、分分解解等作用構(gòu)成的探測器：等作用構(gòu)成的探測器： 閃爍探測器：以閃爍晶體為探測介質(zhì)，利用閃爍探測器：以閃爍晶體為探測介質(zhì)，利用閃爍效應(yīng)閃爍效應(yīng)的閃爍探的閃爍探測器測器（當(dāng)入射射線進(jìn)入閃爍體，損失的能量使閃爍體的（當(dāng)入射射線進(jìn)入閃爍體，損失的能量使閃爍體的原子或分子激發(fā)原子或分子激發(fā)；當(dāng)被；當(dāng)被激發(fā)的原子或分子由受激態(tài)回復(fù)到基態(tài)

7、時(shí)，將能量轉(zhuǎn)換為波長更長的光輻射出來，激發(fā)的原子或分子由受激態(tài)回復(fù)到基態(tài)時(shí)，將能量轉(zhuǎn)換為波長更長的光輻射出來，即為可見的閃爍光）即為可見的閃爍光）； 原子核乳膠：原子核乳膠：帶電粒子射入乳膠后，與乳膠的主要成分溴化銀晶粒發(fā)生帶電粒子射入乳膠后，與乳膠的主要成分溴化銀晶粒發(fā)生作用，不斷損失能量，并使溴化銀作用，不斷損失能量，并使溴化銀分解分解成溴原子和銀原子。銀原子匯集在一起形成溴原子和銀原子。銀原子匯集在一起形成可以顯影的核心，即潛影。經(jīng)化學(xué)顯影處理后，還原的銀顆粒就把帶電粒子的成可以顯影的核心，即潛影。經(jīng)化學(xué)顯影處理后，還原的銀顆粒就把帶電粒子的徑跡顯示出來。徑跡顯示出來。 可以認(rèn)為：通過任

8、何一種相互作用都有可能設(shè)計(jì)一種核輻射探可以認(rèn)為：通過任何一種相互作用都有可能設(shè)計(jì)一種核輻射探測器。測器。p 按按“工作狀態(tài)工作狀態(tài)”進(jìn)行分類進(jìn)行分類: 脈沖型核輻射探測器：脈沖型核輻射探測器： 平均電流型核輻射探測器：平均電流型核輻射探測器： 響應(yīng)于響應(yīng)于單個(gè)核輻射粒子單個(gè)核輻射粒子與介質(zhì)的相互作用；與介質(zhì)的相互作用； 輸出的輸出的每個(gè)脈沖信號每個(gè)脈沖信號代表代表一個(gè)一個(gè)射線粒子與介質(zhì)相互作用的結(jié)果射線粒子與介質(zhì)相互作用的結(jié)果； 輸出信號是輸出信號是大量大量射線粒子與探測器相互作用的射線粒子與探測器相互作用的平均效果平均效果，不不企企圖區(qū)分單個(gè)射線粒子的效應(yīng)；圖區(qū)分單個(gè)射線粒子的效應(yīng)； 在核反

9、應(yīng)堆、核電站等核設(shè)施運(yùn)行中，大量使用平均型探測器在核反應(yīng)堆、核電站等核設(shè)施運(yùn)行中，大量使用平均型探測器來監(jiān)測、控制正常工作狀態(tài)和核輻射劑量防護(hù)來監(jiān)測、控制正常工作狀態(tài)和核輻射劑量防護(hù)（如電流電離室，其輸出（如電流電離室，其輸出電流強(qiáng)度正比于單位時(shí)間射入探測器的核輻射粒子數(shù)目）電流強(qiáng)度正比于單位時(shí)間射入探測器的核輻射粒子數(shù)目）；p 按按“功能功能”進(jìn)行分類進(jìn)行分類: 計(jì)數(shù)器：計(jì)數(shù)器： 能譜儀：能譜儀： 位置靈敏探測器：位置靈敏探測器： 時(shí)間探測器：時(shí)間探測器： 提供入射核輻射粒子的數(shù)目，確定核輻射的有無及其強(qiáng)弱，它提供入射核輻射粒子的數(shù)目，確定核輻射的有無及其強(qiáng)弱，它不能鑒別核輻射種類，也不能確

10、定射線粒子的能量或能量分布。不能鑒別核輻射種類，也不能確定射線粒子的能量或能量分布。 詳細(xì)按能量將核輻射粒子進(jìn)行分類，給出不同能量的核輻射粒詳細(xì)按能量將核輻射粒子進(jìn)行分類，給出不同能量的核輻射粒子數(shù)目。子數(shù)目。 給出核輻射的空間入射方向或空間位置分布的信息。給出核輻射的空間入射方向或空間位置分布的信息。 給出核輻射到達(dá)或穿過探測器的時(shí)間信息或不同核輻射粒子間給出核輻射到達(dá)或穿過探測器的時(shí)間信息或不同核輻射粒子間的時(shí)間順序及關(guān)聯(lián)信息。的時(shí)間順序及關(guān)聯(lián)信息。 應(yīng)用：應(yīng)用：在高能物理和中高能重離子核反應(yīng)實(shí)在高能物理和中高能重離子核反應(yīng)實(shí)驗(yàn)中，需要在計(jì)算機(jī)統(tǒng)一操縱下構(gòu)成多探測器驗(yàn)中，需要在計(jì)算機(jī)統(tǒng)一操

11、縱下構(gòu)成多探測器系統(tǒng)，提供有關(guān)一個(gè)物理事件的各種參量。系統(tǒng)，提供有關(guān)一個(gè)物理事件的各種參量。$ 對對帶電粒子測量帶電粒子測量常用的三類核輻射探測器：常用的三類核輻射探測器： 以以氣體為探測介質(zhì)氣體為探測介質(zhì)，利用，利用電離作用電離作用的的氣體探測器氣體探測器； 以以閃爍晶體為探測介質(zhì)閃爍晶體為探測介質(zhì)，利用，利用閃爍效應(yīng)閃爍效應(yīng)的的閃爍探測器閃爍探測器； 以以半導(dǎo)體為探測介質(zhì)半導(dǎo)體為探測介質(zhì)，利用，利用電離作用電離作用的的半導(dǎo)體探測器半導(dǎo)體探測器。p 氣體電離探測器是早期應(yīng)用最廣的核輻射探測器，五十年代氣體電離探測器是早期應(yīng)用最廣的核輻射探測器，五十年代后逐漸被閃爍和半導(dǎo)體探測器代替，但至今在

12、工業(yè)上仍廣泛應(yīng)用。后逐漸被閃爍和半導(dǎo)體探測器代替，但至今在工業(yè)上仍廣泛應(yīng)用。其主要原因是：其主要原因是： 制備簡單；制備簡單； 成本低廉；成本低廉； 較好的特性：低噪聲、高能量分辨率。較好的特性：低噪聲、高能量分辨率。 氣體電離探測器是氣體電離探測器是以氣體作為帶電粒子電離或激發(fā)的介質(zhì)以氣體作為帶電粒子電離或激發(fā)的介質(zhì)，在，在氣體電離空間置有兩個(gè)電極，外加電場并保持一定的電位差，當(dāng)帶氣體電離空間置有兩個(gè)電極，外加電場并保持一定的電位差，當(dāng)帶電粒子穿過氣體時(shí)與氣體分子軌道上的電子發(fā)生碰撞，電粒子穿過氣體時(shí)與氣體分子軌道上的電子發(fā)生碰撞，使氣體分子使氣體分子產(chǎn)生電離而形成離子對產(chǎn)生電離而形成離子對

13、，在電場中在電場中電子向正極移動(dòng)，正離子向負(fù)極電子向正極移動(dòng)，正離子向負(fù)極移動(dòng)，最后分別到達(dá)兩極而被收集起來。移動(dòng)，最后分別到達(dá)兩極而被收集起來。電子和正離子在電場中電子和正離子在電場中漂漂移過程中移過程中，在兩極引起感生電荷量的變化在兩極引起感生電荷量的變化，進(jìn)而在電子線路回路上，進(jìn)而在電子線路回路上形成形成電壓脈沖電壓脈沖（瞬間電壓變化）而由后續(xù)的電子儀器記錄。（瞬間電壓變化）而由后續(xù)的電子儀器記錄。 氣體中氣體中電子與離子的運(yùn)動(dòng)規(guī)律決定探測器的基本特性電子與離子的運(yùn)動(dòng)規(guī)律決定探測器的基本特性。 氣體探測器通常包括三類處于不同工作狀態(tài)的探測器：電離室、氣體探測器通常包括三類處于不同工作狀態(tài)

14、的探測器：電離室、正比室（正比計(jì)數(shù)器）和雪崩室（蓋格正比室（正比計(jì)數(shù)器）和雪崩室（蓋格-米勒計(jì)數(shù)管，米勒計(jì)數(shù)管，G-M計(jì)數(shù)計(jì)數(shù)管）。它們的管）。它們的共同特點(diǎn)共同特點(diǎn)是是通過收集射線穿過工作氣體時(shí)產(chǎn)生的電子通過收集射線穿過工作氣體時(shí)產(chǎn)生的電子-正離子對來獲得核輻射的信息正離子對來獲得核輻射的信息。1、氣體的電離、氣體的電離 1）帶電的入射粒子通過氣體；）帶電的入射粒子通過氣體；2）粒子與氣體分子軌道電子發(fā)生）粒子與氣體分子軌道電子發(fā)生碰撞，引發(fā)電離或激發(fā)；碰撞，引發(fā)電離或激發(fā)；3）在通過的徑跡上生成大量離子對。）在通過的徑跡上生成大量離子對。p 總電離總電離=初電離初電離+次級電離次級電離 初

15、電離（直接電離）：入射粒子直接產(chǎn)生的電離初電離（直接電離）：入射粒子直接產(chǎn)生的電離 次（級）電離：初電離產(chǎn)生的次級粒子如果能量較大，與氣體次（級）電離：初電離產(chǎn)生的次級粒子如果能量較大，與氣體分子產(chǎn)生的電離。一般多為電子，稱為分子產(chǎn)生的電離。一般多為電子，稱為電子電子 平均電離能平均電離能(W)：入射粒子在氣體中產(chǎn)生一對離子所需的平均能：入射粒子在氣體中產(chǎn)生一對離子所需的平均能量。約為量。約為30eV最低電離點(diǎn)位最低電離點(diǎn)位總電離離子對數(shù)總電離離子對數(shù)N與入射粒子與入射粒子在氣體中損失的總能量在氣體中損失的總能量E成正成正比關(guān)系：比關(guān)系：WEN 電離碰撞中被激發(fā)的原子，即受激原子有三種退激方式

16、：電離碰撞中被激發(fā)的原子，即受激原子有三種退激方式：1）輻射光子：光子可能在周圍介質(zhì)中打出光電子，或被某些氣體）輻射光子：光子可能在周圍介質(zhì)中打出光電子，或被某些氣體分子吸收而使分子解離（在受激后分子吸收而使分子解離（在受激后10-9s內(nèi)完成）；內(nèi)完成）；2）俄歇效應(yīng)：發(fā)射俄歇電子，內(nèi)層電子的空穴被外層電子填充，）俄歇效應(yīng)：發(fā)射俄歇電子，內(nèi)層電子的空穴被外層電子填充，伴隨發(fā)射特征伴隨發(fā)射特征X射線（在受激后射線（在受激后10-9s內(nèi)完成）內(nèi)完成） ；3）亞穩(wěn)原子：只能與其它粒子發(fā)生非彈性碰撞才能退激，這種原）亞穩(wěn)原子：只能與其它粒子發(fā)生非彈性碰撞才能退激，這種原子的壽命較長，約子的壽命較長，約

17、10-210-4s。2、電子和正離子在氣體中的運(yùn)動(dòng)、電子和正離子在氣體中的運(yùn)動(dòng) 在氣體中，電離后生成的電子和離子的運(yùn)動(dòng)：在氣體中，電離后生成的電子和離子的運(yùn)動(dòng)：1）雜亂無章的熱運(yùn)動(dòng)；）雜亂無章的熱運(yùn)動(dòng)； 從密度大向密度小的空間擴(kuò)散，溫從密度大向密度小的空間擴(kuò)散，溫度越高，氣壓越低，擴(kuò)散系數(shù)越大。度越高，氣壓越低，擴(kuò)散系數(shù)越大。 3）吸附：電子與氣體分子碰撞時(shí)，可能被捕獲而形成負(fù)離子。）吸附：電子與氣體分子碰撞時(shí)，可能被捕獲而形成負(fù)離子。4）復(fù)合：）復(fù)合： 電子和正離子碰撞或負(fù)離子和正離子碰撞可復(fù)合成中性原子或電子和正離子碰撞或負(fù)離子和正離子碰撞可復(fù)合成中性原子或中性分子，前者稱電子復(fù)合，后者稱

18、離子復(fù)合。中性分子，前者稱電子復(fù)合，后者稱離子復(fù)合。 離子復(fù)合幾率比電子大幾個(gè)量級。離子復(fù)合幾率比電子大幾個(gè)量級。 電子被捕獲形成負(fù)離子的結(jié)果使漂移速度大大地減慢，從而增電子被捕獲形成負(fù)離子的結(jié)果使漂移速度大大地減慢，從而增加了復(fù)合損失。加了復(fù)合損失。2）兩種定向運(yùn)動(dòng)：）兩種定向運(yùn)動(dòng)： 漂移。沿電場方向漂移，一方面與漂移。沿電場方向漂移，一方面與氣體碰撞損失能量，另一方面從電場獲得氣體碰撞損失能量，另一方面從電場獲得能量；能量；3、離子的收集和外加電壓關(guān)系、離子的收集和外加電壓關(guān)系 氣體探測器利用收集射線在氣體中產(chǎn)生的電離電荷來探測氣體探測器利用收集射線在氣體中產(chǎn)生的電離電荷來探測入射粒子。入

19、射粒子。 當(dāng)一個(gè)射線粒子進(jìn)入靈敏體積內(nèi)，由于與工作氣體分子作用當(dāng)一個(gè)射線粒子進(jìn)入靈敏體積內(nèi)，由于與工作氣體分子作用產(chǎn)生電子離子對數(shù)目產(chǎn)生電子離子對數(shù)目N，在收集電場作用下，正離子和電子分別，在收集電場作用下，正離子和電子分別向內(nèi)壁和中心絲運(yùn)動(dòng)。當(dāng)向內(nèi)壁和中心絲運(yùn)動(dòng)。當(dāng)RC時(shí)間常量時(shí)間常量比電荷收集時(shí)間長得多的條比電荷收集時(shí)間長得多的條件下，收集全部離子對數(shù)目隨所加工作電壓件下，收集全部離子對數(shù)目隨所加工作電壓V的變化曲線如下圖的變化曲線如下圖所示（曲線分為所示（曲線分為6個(gè)區(qū)域）：個(gè)區(qū)域）： 第第區(qū)：收集的離子對數(shù)目（電區(qū)：收集的離子對數(shù)目（電離電流）隨收集電壓增大而增加。離電流）隨收集電壓增

20、大而增加。表明在表明在區(qū)域內(nèi)區(qū)域內(nèi)收集電壓還不夠收集電壓還不夠高高，射線粒子在工作氣體中產(chǎn)生，射線粒子在工作氣體中產(chǎn)生的的電子電子-正離子對由于復(fù)合損失而正離子對由于復(fù)合損失而未被完全收集未被完全收集。第第區(qū)：稱區(qū)：稱飽和區(qū)或電離室區(qū)飽和區(qū)或電離室區(qū)。在。在區(qū)，收集電壓實(shí)現(xiàn)了對射線粒子區(qū)，收集電壓實(shí)現(xiàn)了對射線粒子在工作氣體中產(chǎn)生在工作氣體中產(chǎn)生離子對的完全收離子對的完全收集集（設(shè)離子對數(shù)目為（設(shè)離子對數(shù)目為N0）。因而，）。因而，在一定的電壓變化范圍內(nèi)在一定的電壓變化范圍內(nèi)，收集離收集離子對數(shù)目不隨工作電壓而變化，電子對數(shù)目不隨工作電壓而變化，電離室就工作在這個(gè)區(qū)域離室就工作在這個(gè)區(qū)域。外加電

21、壓與電離電流曲線外加電壓與電離電流曲線（圖中兩條曲線分別代表具有不同（圖中兩條曲線分別代表具有不同比電離的比電離的粒子和粒子和粒子）粒子）第第區(qū)：稱為正比區(qū)。繼續(xù)增加工作電壓，區(qū)：稱為正比區(qū)。繼續(xù)增加工作電壓，收集到的離子對數(shù)目收集到的離子對數(shù)目又會(huì)重新隨又會(huì)重新隨V增加而增大，且增加而增大，且仍保持與射線粒子在工作氣體中產(chǎn)生仍保持與射線粒子在工作氣體中產(chǎn)生的初始離子對數(shù)目的初始離子對數(shù)目N0成正比成正比（離子對數(shù)目為（離子對數(shù)目為N=MN0，M稱為氣體稱為氣體放大倍數(shù)），因此稱為正比區(qū)。放大倍數(shù)），因此稱為正比區(qū)。外加電壓與電離電流曲線外加電壓與電離電流曲線第第區(qū)：稱為有限正比區(qū)。收集區(qū)：稱

22、為有限正比區(qū)。收集到的離子對數(shù)目到的離子對數(shù)目N與初始離子對與初始離子對數(shù)目數(shù)目N0不再保持正比關(guān)系不再保持正比關(guān)系，而是，而是滿足：滿足：0NN 第第V區(qū)：稱為區(qū)：稱為G-M區(qū)或蓋革區(qū)。在區(qū)或蓋革區(qū)。在這個(gè)區(qū)域內(nèi)，這個(gè)區(qū)域內(nèi)， 收集的離子對數(shù)目收集的離子對數(shù)目根本與射線粒子在工作氣體中產(chǎn)根本與射線粒子在工作氣體中產(chǎn)生的初始離子對數(shù)目無關(guān)生的初始離子對數(shù)目無關(guān)，即使，即使在工作氣體中只產(chǎn)生一對離子對，在工作氣體中只產(chǎn)生一對離子對，收集的離子對數(shù)目也是很大的，收集的離子對數(shù)目也是很大的，其數(shù)值完全由氣體探測器本身的其數(shù)值完全由氣體探測器本身的特性及相隨電子學(xué)電路來決定特性及相隨電子學(xué)電路來決定。

23、第第區(qū)：稱為連續(xù)放電區(qū)。當(dāng)外加電壓繼續(xù)增高，即達(dá)到連續(xù)放電區(qū)：稱為連續(xù)放電區(qū)。當(dāng)外加電壓繼續(xù)增高，即達(dá)到連續(xù)放電區(qū)，只要電離開始就連續(xù)放電不止。區(qū)，只要電離開始就連續(xù)放電不止。1、電離室結(jié)構(gòu)、電離室結(jié)構(gòu) 電離室的主體由兩個(gè)處于不同電位的電極組成，電極之間用絕電離室的主體由兩個(gè)處于不同電位的電極組成，電極之間用絕緣體隔開，并密封于充一定氣體的容器內(nèi)。典型結(jié)構(gòu)如下：緣體隔開，并密封于充一定氣體的容器內(nèi)。典型結(jié)構(gòu)如下：高壓極高壓極(K)：正高壓或負(fù)高壓；：正高壓或負(fù)高壓；收集極收集極(C)：與測量儀器相聯(lián)的電極，處與測量儀器相聯(lián)的電極，處于與地接近的電位；于與地接近的電位；保護(hù)極保護(hù)極(G)：又稱保

24、護(hù)環(huán)，處于與收集極又稱保護(hù)環(huán)，處于與收集極相同的電位；相同的電位；負(fù)載電阻負(fù)載電阻(RL)：電流流過時(shí)形成電壓信號。電流流過時(shí)形成電壓信號。平行板型電離室平行板型電離室圓柱型電離室圓柱型電離室平行板型電離室平行板型電離室2、電離室的分類、電離室的分類 1）脈沖電離室脈沖電離室，記錄單個(gè)輻射粒子，主要用于測量，記錄單個(gè)輻射粒子，主要用于測量重帶電粒重帶電粒子子的能量和強(qiáng)度。的能量和強(qiáng)度。 2）電流電離室和累計(jì)電離室電流電離室和累計(jì)電離室，分別記錄大量輻射粒子平均效，分別記錄大量輻射粒子平均效應(yīng)和累計(jì)效應(yīng)，主要用于測量應(yīng)和累計(jì)效應(yīng)，主要用于測量X、和中子的照射量率或通量、和中子的照射量率或通量、劑

25、量或劑量率，它是劑量監(jiān)測和反應(yīng)堆控制的主要傳感元件。劑量或劑量率，它是劑量監(jiān)測和反應(yīng)堆控制的主要傳感元件。3、電離室脈沖形成、電離室脈沖形成 入射粒子引起電離，產(chǎn)入射粒子引起電離，產(chǎn)生生電子和正離子電子和正離子(離子對離子對) 。在。在電場作用下，分別朝著正、電場作用下，分別朝著正、負(fù)電極漂移，因而電極上的負(fù)電極漂移，因而電極上的感生電荷隨之而變。當(dāng)高壓感生電荷隨之而變。當(dāng)高壓電極保持固定電位時(shí)，則收電極保持固定電位時(shí)，則收集極的電位將隨著電子和正集極的電位將隨著電子和正離子的漂移而變化。離子的漂移而變化。p 脈沖的形成始于兩電極上感生的電荷發(fā)生變化脈沖的形成始于兩電極上感生的電荷發(fā)生變化（即

26、始于離子（即始于離子對生成，終于離子對全部被收集），不能以為脈沖是由電子和離子對生成，終于離子對全部被收集），不能以為脈沖是由電子和離子被收集到電極上才形成的。這是不符合實(shí)際的，卻又是常有的錯(cuò)誤被收集到電極上才形成的。這是不符合實(shí)際的，卻又是常有的錯(cuò)誤概念。概念。 脈沖始于離子對的形成，終于離子對全部到達(dá)電極，時(shí)間以毫脈沖始于離子對的形成，終于離子對全部到達(dá)電極，時(shí)間以毫秒計(jì)。所以，一入射粒子進(jìn)入電離室，收集極就出現(xiàn)一個(gè)電壓脈沖。秒計(jì)。所以，一入射粒子進(jìn)入電離室，收集極就出現(xiàn)一個(gè)電壓脈沖。 當(dāng)離子對全部到達(dá)電極，此時(shí)的電壓脈沖值為：當(dāng)離子對全部到達(dá)電極，此時(shí)的電壓脈沖值為：eNQ0WEN 0W

27、eEQCVQ CWeECeNCQV0飽和 電子漂移速度電子漂移速度106cm/s，正離子，正離子103cm/s。設(shè)。設(shè)T- 和和T+分別代表收集電子分別代表收集電子和正離子所需的時(shí)間，所以脈沖的快成和正離子所需的時(shí)間，所以脈沖的快成分是電子的貢獻(xiàn)（電子全部被收集的過分是電子的貢獻(xiàn)（電子全部被收集的過程）；慢成分是正離子的貢獻(xiàn)（正離子程）；慢成分是正離子的貢獻(xiàn)（正離子全部被收集的過程）。全部被收集的過程）。離子脈沖電離室離子脈沖電離室離子脈沖電離室的工作條件為離子脈沖電離室的工作條件為RCT+，其中：，其中：iiLiLCCCCRRRRR0,RL：負(fù)載電阻；：負(fù)載電阻；Ri：放大器的輸入：放大器的

28、輸入電阻；電阻；Ci：放大器的輸入電容；：放大器的輸入電容；C0：電離室電容；電離室電容；C：雜散電容：雜散電容 理解：電流脈沖先給電容理解：電流脈沖先給電容C充電，充電，在充電過程中，因在充電過程中，因RC很大使在很大使在R上流上流過的電荷可忽略。當(dāng)過的電荷可忽略。當(dāng)t=T+時(shí)，充電達(dá)時(shí)，充電達(dá)最大值。當(dāng)最大值。當(dāng)tT+后，充電停止，后，充電停止，C上的上的電荷通過電荷通過R放電，電壓放電，電壓VC(t)按指數(shù)規(guī)按指數(shù)規(guī)律下降。律下降。 離子脈沖電離室可用來測量帶電粒子的能量離子脈沖電離室可用來測量帶電粒子的能量，特別是重帶電，特別是重帶電粒子（如粒子（如粒子粒子）。）。缺點(diǎn)缺點(diǎn)：脈沖延續(xù)時(shí)

29、間太長脈沖延續(xù)時(shí)間太長（ms），當(dāng)計(jì)數(shù)率），當(dāng)計(jì)數(shù)率大于大于102cps時(shí)，脈沖可能發(fā)生重疊。時(shí)，脈沖可能發(fā)生重疊。 當(dāng)當(dāng)tT+時(shí)，脈沖是上升階段，當(dāng)時(shí)，脈沖是上升階段，當(dāng)t=T+時(shí)，脈沖達(dá)到最大值，隨后，時(shí)，脈沖達(dá)到最大值，隨后，按時(shí)間常數(shù)為按時(shí)間常數(shù)為RC的指數(shù)規(guī)律下降。的指數(shù)規(guī)律下降。在此條件下，在此條件下，Vc(t)波形為：波形為： 因而，脈沖寬度為因而，脈沖寬度為RC的量級（的量級（10-410-5s），最大幅度決定），最大幅度決定于于 ，但，但 與離子對產(chǎn)生的地點(diǎn)有關(guān)。所以，與離子對產(chǎn)生的地點(diǎn)有關(guān)。所以，電子脈沖電離室電子脈沖電離室雖可獲得更高的計(jì)數(shù)率，但不能用于分析帶電粒子的能量

30、雖可獲得更高的計(jì)數(shù)率，但不能用于分析帶電粒子的能量。VV 電子脈沖電離室的工作條件為電子脈沖電離室的工作條件為T-RCT+，在，在tT-以后就以時(shí)間常數(shù)以后就以時(shí)間常數(shù)RC放電。放電。可認(rèn)為電子已被收集而正離子幾乎還沒動(dòng)?？烧J(rèn)為電子已被收集而正離子幾乎還沒動(dòng)。V電子脈沖電離室電子脈沖電離室 屏柵電離室屏柵電離室克服了電子脈沖電離克服了電子脈沖電離室的脈沖幅度與電離產(chǎn)生地點(diǎn)有關(guān)的室的脈沖幅度與電離產(chǎn)生地點(diǎn)有關(guān)的缺點(diǎn)，使缺點(diǎn)，使脈沖高度正比于原始電離電脈沖高度正比于原始電離電荷，而不再與產(chǎn)生位置有關(guān)荷，而不再與產(chǎn)生位置有關(guān)。p 改進(jìn)：改進(jìn)： 結(jié)論：結(jié)論：p 脈沖的變化率取決于漂移速度。脈沖脈沖的變

31、化率取決于漂移速度。脈沖前沿主要是電子脈沖的貢獻(xiàn)，但脈沖幅度前沿主要是電子脈沖的貢獻(xiàn)，但脈沖幅度與電離產(chǎn)生的地點(diǎn)有關(guān)。與電離產(chǎn)生的地點(diǎn)有關(guān)。p 至于脈沖最終達(dá)到的最大幅度只決定于原電離的離子對總數(shù)，至于脈沖最終達(dá)到的最大幅度只決定于原電離的離子對總數(shù)，而與電離產(chǎn)生的地點(diǎn)無關(guān)。認(rèn)為電子脈沖和離子脈沖的貢獻(xiàn)是各占而與電離產(chǎn)生的地點(diǎn)無關(guān)。認(rèn)為電子脈沖和離子脈沖的貢獻(xiàn)是各占一半的概念也是錯(cuò)誤的。一半的概念也是錯(cuò)誤的。p RC是電路的時(shí)間衰減常數(shù)，其大小直接影響脈沖幅度和形狀，是電路的時(shí)間衰減常數(shù)，其大小直接影響脈沖幅度和形狀，因而影響電離室的性能。因而影響電離室的性能。 p 電離室工作在飽和區(qū)，此時(shí)，

32、沒有電離離子數(shù)的放大存在。電離室工作在飽和區(qū)，此時(shí)，沒有電離離子數(shù)的放大存在。CWeECeNCQV0飽和4、討論、討論p 電離室的大小和電離室的大小和形狀，壁厚和電極的形狀，壁厚和電極的材料、充氣成分、電材料、充氣成分、電壓強(qiáng)度等，根據(jù)輻射壓強(qiáng)度等，根據(jù)輻射的性質(zhì)、實(shí)驗(yàn)的要求的性質(zhì)、實(shí)驗(yàn)的要求而確定。而確定。p 對重帶電粒子可測量能量（對重帶電粒子可測量能量（FWHM1%），對），對X、與中子與中子主要是測量其通量（粒子注量率），強(qiáng)度和劑量（率）。主要是測量其通量（粒子注量率），強(qiáng)度和劑量（率）。p 測量測量射線時(shí)，則要求電離室具有較厚的室壁，以阻隔住射線時(shí)，則要求電離室具有較厚的室壁，以阻隔

33、住射射線、線、X射線等。射線等。p 用于用于粒子測量時(shí)，要求電離室的容積要大，充較高氣壓的氣粒子測量時(shí)，要求電離室的容積要大，充較高氣壓的氣體。體。p 電離室氣體探測器的探測效率較低。電離室氣體探測器的探測效率較低。1、正比計(jì)數(shù)器的結(jié)構(gòu)、正比計(jì)數(shù)器的結(jié)構(gòu) 為獲得好的能量分辨率，大多數(shù)采用為獲得好的能量分辨率，大多數(shù)采用圓筒形、鼓形結(jié)構(gòu)，以便有均勻的電場分圓筒形、鼓形結(jié)構(gòu)，以便有均勻的電場分布，可使射線入射窗作得很大。陽極絲加布，可使射線入射窗作得很大。陽極絲加正高壓，金屬殼為陰極，面對入射窗設(shè)置正高壓，金屬殼為陰極，面對入射窗設(shè)置一個(gè)出射窗，好讓未被氣體吸收的光子穿一個(gè)出射窗，好讓未被氣體吸收

34、的光子穿出。出。 正比計(jì)數(shù)器是一種充氣型輻射探測正比計(jì)數(shù)器是一種充氣型輻射探測器，器，工作在工作在氣體電離放電伏安特性曲線氣體電離放電伏安特性曲線的的正比區(qū)正比區(qū)。2、正比計(jì)數(shù)器的工作原理、正比計(jì)數(shù)器的工作原理 在正比區(qū)，在正比區(qū)，M與射線離子的原始比電離無關(guān)，與射線離子的原始比電離無關(guān)，只決定與工作電只決定與工作電壓壓，收集的總電量，收集的總電量MQ仍保持著與射線粒子在靈敏體積內(nèi)產(chǎn)生的總?cè)员３种c射線粒子在靈敏體積內(nèi)產(chǎn)生的總離子對數(shù)目成正比。離子對數(shù)目成正比。 氣體探測器工作于正比區(qū)，因?yàn)楣ぷ麟妷鹤銐蚋撸跉怏w探測器工作于正比區(qū)，因?yàn)楣ぷ麟妷鹤銐蚋?，在中心絲陽中心絲陽極附近出現(xiàn)了高電場極附近

35、出現(xiàn)了高電場，在離子收集的過程中將出現(xiàn)氣體放大現(xiàn)象，在離子收集的過程中將出現(xiàn)氣體放大現(xiàn)象，即被加速的原電離電子在電離碰撞中逐次倍增（雪崩現(xiàn)象）。所以即被加速的原電離電子在電離碰撞中逐次倍增（雪崩現(xiàn)象）。所以最后收集到的離子對總電荷量不再等于射線粒子產(chǎn)生的原始電荷量最后收集到的離子對總電荷量不再等于射線粒子產(chǎn)生的原始電荷量Q，收集的總電量變?yōu)?，收集的總電量變?yōu)镸Q，M稱為氣體放大倍數(shù)稱為氣體放大倍數(shù)（可高達(dá)（可高達(dá)104）。）。于是，在于是，在收集電極上感生的脈沖幅度收集電極上感生的脈沖幅度 V將是原電離感生的脈沖幅將是原電離感生的脈沖幅度的度的M倍倍，即，即00MVCeNMV處于這種工作狀態(tài)下

36、的氣體探測器就是正比計(jì)數(shù)器。處于這種工作狀態(tài)下的氣體探測器就是正比計(jì)數(shù)器。CWeECeNCQV00使氣體原子電離初級射線高壓p 氣體放大機(jī)制：氣體放大機(jī)制：即滿足即滿足收集到的離子收集到的離子對數(shù)目對數(shù)目N與射線離子與射線離子在工作氣體中產(chǎn)生的在工作氣體中產(chǎn)生的初始離子對數(shù)目初始離子對數(shù)目N0成成正比：正比：N=MN0p 廣泛應(yīng)用于正比計(jì)數(shù)器的電極結(jié)構(gòu)：廣泛應(yīng)用于正比計(jì)數(shù)器的電極結(jié)構(gòu)： 設(shè)圓柱形計(jì)數(shù)管的陽極半徑為設(shè)圓柱形計(jì)數(shù)管的陽極半徑為a ，電位為電位為Vc；陰極半徑為；陰極半徑為b ，電位為，電位為 Vk；外加工作電壓；外加工作電壓 ，則，則沿著徑向位置為沿著徑向位置為r的電場強(qiáng)度為的電場

37、強(qiáng)度為:KCVV 0V)/ln()(0abrVrE E(r)隨距中心絲距離減小而急劇增強(qiáng)隨距中心絲距離減小而急劇增強(qiáng)。原始電離的自由電子當(dāng)。原始電離的自由電子當(dāng)漂移至中心絲陽極附近時(shí)就會(huì)漂移至中心絲陽極附近時(shí)就會(huì)引發(fā)氣體放大引發(fā)氣體放大。由于電子具有高遷移。由于電子具有高遷移率且就在中心絲周圍，所以被很快收集，隨后正離子開始向陰極運(yùn)率且就在中心絲周圍，所以被很快收集，隨后正離子開始向陰極運(yùn)動(dòng)，在中心絲陽極上感應(yīng)出電荷，選取動(dòng)，在中心絲陽極上感應(yīng)出電荷，選取RCT+（正離子收集時(shí)（正離子收集時(shí)間），所以間），所以正比室的正比室的輸出脈沖窄輸出脈沖窄且且其幅度正比于其幅度正比于電離輻射在工作氣電離

38、輻射在工作氣體中產(chǎn)生的體中產(chǎn)生的原電離而與產(chǎn)生位置無關(guān)原電離而與產(chǎn)生位置無關(guān)，特別適合測量低電離輻射粒，特別適合測量低電離輻射粒子的能量（如子的能量（如粒子、軟粒子、軟X X射線射線），且可忍受較高的計(jì)數(shù)率。），且可忍受較高的計(jì)數(shù)率。3、討論、討論 1）工作在正比區(qū)，有氣體放大效應(yīng)，輸出信號幅度較電離室大；）工作在正比區(qū)，有氣體放大效應(yīng)，輸出信號幅度較電離室大； 2）輸出信號幅度尚與充氣氣壓有關(guān)。）輸出信號幅度尚與充氣氣壓有關(guān)。 3）采用不同的結(jié)構(gòu)，充不同的氣體，可以設(shè)計(jì)出測量不同射線：）采用不同的結(jié)構(gòu)，充不同的氣體，可以設(shè)計(jì)出測量不同射線：、X、n的正比計(jì)數(shù)管。的正比計(jì)數(shù)管。例如：充例如：充

39、BF3測量中子；測量中子； 4）可以進(jìn)行能量與強(qiáng)度測量（即能注量率和粒子注量率的測量）。）可以進(jìn)行能量與強(qiáng)度測量（即能注量率和粒子注量率的測量）。 探測中子的本質(zhì)探測中子的本質(zhì)是探測中子與原子核的相互作用中產(chǎn)生的次級帶電粒子。是探測中子與原子核的相互作用中產(chǎn)生的次級帶電粒子。探探測中子的測中子的4種基本方法種基本方法：核反應(yīng)法、核反沖法、核裂變法和核活化法。：核反應(yīng)法、核反沖法、核裂變法和核活化法。 10B(n,)7Li反應(yīng)是目前應(yīng)用最廣泛的，主要原因是硼材料容易獲得，氣態(tài)反應(yīng)是目前應(yīng)用最廣泛的，主要原因是硼材料容易獲得，氣態(tài)可選用可選用BF3氣體。氣體。 核反應(yīng)法核反應(yīng)法：由于中子核反應(yīng)所產(chǎn)

40、生的帶電粒子與中子和靶核的作用截面以及：由于中子核反應(yīng)所產(chǎn)生的帶電粒子與中子和靶核的作用截面以及中子注量率成正比，即中子注量率成正比，即 ，所以通過測得帶電粒，所以通過測得帶電粒子在探測器中產(chǎn)生的脈沖數(shù)可求出中子注量率。主要用來探測慢中子注量率。子在探測器中產(chǎn)生的脈沖數(shù)可求出中子注量率。主要用來探測慢中子注量率。中子中子與靶核帶電粒子)(N1、G-M計(jì)數(shù)器的結(jié)構(gòu)計(jì)數(shù)器的結(jié)構(gòu) 圓柱形計(jì)數(shù)管為圓柱形玻璃外壁，圓柱形計(jì)數(shù)管為圓柱形玻璃外壁，內(nèi)襯一金屬圓筒或涂一層導(dǎo)電物質(zhì)內(nèi)襯一金屬圓筒或涂一層導(dǎo)電物質(zhì)（Hg或或ZnCl2）作為陰極。計(jì)數(shù)管內(nèi)沿）作為陰極。計(jì)數(shù)管內(nèi)沿軸心穿一根細(xì)鎢絲作為陽極。鐘罩形計(jì)軸心

41、穿一根細(xì)鎢絲作為陽極。鐘罩形計(jì)數(shù)管外觀象一個(gè)扣著的鐘罩，供射線進(jìn)數(shù)管外觀象一個(gè)扣著的鐘罩，供射線進(jìn)入的底窗是云母片制成的。入的底窗是云母片制成的。 G-M計(jì)數(shù)管內(nèi)充工作氣體：惰性氣體（氬、氖、氮）；猝計(jì)數(shù)管內(nèi)充工作氣體：惰性氣體（氬、氖、氮）；猝滅氣體（乙醇、二乙醚、溴、氯等）。滅氣體（乙醇、二乙醚、溴、氯等）。2、G-M計(jì)數(shù)器的工作原理計(jì)數(shù)器的工作原理 惰性氣體的作用是射線照射后引惰性氣體的作用是射線照射后引起氣體的電離，產(chǎn)生放電。起氣體的電離，產(chǎn)生放電。 猝滅氣體的作用是猝滅氣體的作用是防止防止計(jì)數(shù)管在計(jì)數(shù)管在一次放電之后，發(fā)生連續(xù)放電。一次放電之后，發(fā)生連續(xù)放電。 1）射線進(jìn)入計(jì)數(shù)管內(nèi)，

42、引起管內(nèi)惰性氣體電離，形成正負(fù)離）射線進(jìn)入計(jì)數(shù)管內(nèi)，引起管內(nèi)惰性氣體電離，形成正負(fù)離子對。在電場作用下，正離子向負(fù)極，電子向正極移動(dòng)。射線引起子對。在電場作用下，正離子向負(fù)極，電子向正極移動(dòng)。射線引起的電離稱為的電離稱為原電離原電離。 2）當(dāng)電子靠近陽極電場強(qiáng)度越大，受到作用也大，運(yùn)動(dòng)速率）當(dāng)電子靠近陽極電場強(qiáng)度越大，受到作用也大，運(yùn)動(dòng)速率加快，加快，又碰撞到又碰撞到陽極附近陽極附近的惰性氣體分子的惰性氣體分子引起次級電離引起次級電離。多次的新。多次的新的次級電離，使得陽極附近在極短時(shí)間內(nèi)，產(chǎn)生大量次級電子，這的次級電離，使得陽極附近在極短時(shí)間內(nèi)，產(chǎn)生大量次級電子，這種現(xiàn)象稱為種現(xiàn)象稱為雪崩雪

43、崩。 3）沿整個(gè)陽極金屬線引起雪崩的結(jié)果，大量的電子跑到陽極）沿整個(gè)陽極金屬線引起雪崩的結(jié)果，大量的電子跑到陽極上，陽極產(chǎn)生放電，產(chǎn)生脈沖電壓，記錄即可檢測粒子的數(shù)目。上，陽極產(chǎn)生放電，產(chǎn)生脈沖電壓，記錄即可檢測粒子的數(shù)目。 4）惰性氣體正離子這時(shí)在）惰性氣體正離子這時(shí)在陽極絲周圍陽極絲周圍形成正離子鞘。形成正離子鞘。 5）惰性氣體正離子與猝滅氣體發(fā)生電子交換，恢復(fù)成中性。）惰性氣體正離子與猝滅氣體發(fā)生電子交換，恢復(fù)成中性。猝滅氣體正離子移動(dòng)到陰極通過解離（分解成小分子）釋放能量，猝滅氣體正離子移動(dòng)到陰極通過解離（分解成小分子）釋放能量，抑制連續(xù)放電。抑制連續(xù)放電。3、討論、討論 1）工作在）

44、工作在GM計(jì)數(shù)區(qū)，有很大計(jì)數(shù)區(qū)，有很大的氣體放大效應(yīng)，輸出信號幅度較的氣體放大效應(yīng)，輸出信號幅度較正比計(jì)數(shù)器大；正比計(jì)數(shù)器大；2）輸出信號幅度尚與充氣氣壓有關(guān)。）輸出信號幅度尚與充氣氣壓有關(guān)。 3）采用不同的結(jié)構(gòu)，充不同的）采用不同的結(jié)構(gòu)，充不同的氣體，可以設(shè)計(jì)出測量不同射線：氣體，可以設(shè)計(jì)出測量不同射線：、X的的G-M計(jì)數(shù)管。計(jì)數(shù)管。 4）只能進(jìn)行粒子的強(qiáng)度測量。）只能進(jìn)行粒子的強(qiáng)度測量。即只能用作計(jì)數(shù)（測粒子注量）、顯即只能用作計(jì)數(shù)（測粒子注量）、顯示有無射線進(jìn)入探測器，根本無法分示有無射線進(jìn)入探測器，根本無法分辨射線的種類和能量。辨射線的種類和能量。 核輻射與物質(zhì)相互作用會(huì)使阻止介質(zhì)原子

45、或分子被激發(fā)，當(dāng)其核輻射與物質(zhì)相互作用會(huì)使阻止介質(zhì)原子或分子被激發(fā)，當(dāng)其退激的過程中，將把從輻射粒子處獲得的能量以一定波長的光的形退激的過程中，將把從輻射粒子處獲得的能量以一定波長的光的形式釋放出來，這種光的波長屬于可見光波長范圍，稱為閃爍光。閃式釋放出來，這種光的波長屬于可見光波長范圍，稱為閃爍光。閃爍探測器就是利用這一特性來工作的。爍探測器就是利用這一特性來工作的。1、閃爍探測器的結(jié)構(gòu)、閃爍探測器的結(jié)構(gòu) p閃爍探測器是由閃爍探測器是由閃爍體閃爍體、光學(xué)收集系統(tǒng)光學(xué)收集系統(tǒng)和和光電轉(zhuǎn)換器件光電轉(zhuǎn)換器件組成。組成。 閃爍晶體閃爍晶體，如：，如：NaI(Tl)晶體、晶體、BGO（鍺酸鉍，（鍺酸鉍

46、，Bi4Ge3O12）晶）晶體、體、CsI(Tl)晶體、晶體、ZnS(Ag)、蒽、塑料、液體閃爍體等。其中，、蒽、塑料、液體閃爍體等。其中， NaI(Tl)晶體應(yīng)用最為廣泛。有常用的標(biāo)準(zhǔn)探測器，還有根據(jù)用戶具晶體應(yīng)用最為廣泛。有常用的標(biāo)準(zhǔn)探測器，還有根據(jù)用戶具體應(yīng)用而設(shè)計(jì)的特殊探測器。體應(yīng)用而設(shè)計(jì)的特殊探測器。 光學(xué)收集系統(tǒng)光學(xué)收集系統(tǒng)，包括：反射層、光學(xué)耦合劑、光導(dǎo)。，包括：反射層、光學(xué)耦合劑、光導(dǎo)。 光電轉(zhuǎn)換器件光電轉(zhuǎn)換器件，如：光電倍增管（，如：光電倍增管（ PMT或或GDB）、光電二極）、光電二極管，及所需的電子學(xué)電路組成。管，及所需的電子學(xué)電路組成。NaI(Tl)BGOBaF2塑料閃

47、爍體CsI(Tl) 幾種主要閃爍體介紹：幾種主要閃爍體介紹：p NaI(Tl)晶體：晶體： Z較大、易潮解、易碎裂、溫較大、易潮解、易碎裂、溫度穩(wěn)定要求高，與度穩(wěn)定要求高，與PMT的光譜的光譜匹配好，匹配好，F(xiàn)WHM優(yōu)于優(yōu)于8% 主要用于探測低能主要用于探測低能射線和射線和X射線。射線。p CsI(Tl)晶體：晶體： 不潮解，不潮解，密度和密度和Z比比NaI(Tl)大，機(jī)械強(qiáng)度大，大，機(jī)械強(qiáng)度大，溫度穩(wěn)定性好溫度穩(wěn)定性好，貴貴。 對重帶電粒子阻止本領(lǐng)高，便于在高能對重帶電粒子阻止本領(lǐng)高，便于在高能輻射本底下測量輻射本底下測量及低能及低能X射線等。射線等。 對對粒子的發(fā)光效率很高，早期常作為粒子

48、的發(fā)光效率很高，早期常作為閃爍譜儀的閃爍晶體。對閃爍譜儀的閃爍晶體。對210Po的的5.3MeV的的粒子，能量分辨率優(yōu)于粒子，能量分辨率優(yōu)于4%。p ZnS(Ag)閃爍體：閃爍體： 多晶粉末，易塑性，多晶粉末，易塑性，Z較大，半透明，發(fā)光較大，半透明，發(fā)光效率極高，對重帶電粒子阻止本領(lǐng)很大。對效率極高，對重帶電粒子阻止本領(lǐng)很大。對射線極不靈敏。射線極不靈敏。 很適合于在很適合于在、本底場中測量重帶電粒本底場中測量重帶電粒子子、p p等。缺點(diǎn)：由于透明度和能量分辨率等。缺點(diǎn)：由于透明度和能量分辨率較差，不能用來測量較差，不能用來測量能量，只能作能量，只能作強(qiáng)度強(qiáng)度測量。測量。p BGO（鍺酸鉍，

49、（鍺酸鉍，Bi4Ge3O12）晶體：）晶體： Z較大、較大、不潮解、不潮解、透明度高透明度高，與與PMT的光譜匹配好的光譜匹配好。對低能。對低能X射線和高能射線和高能有特別高的探測效率。有特別高的探測效率。 主要用于探測低能主要用于探測低能X射線和高能射線和高能射線或電子。射線或電子。p 液體閃爍體：液體閃爍體：p 塑料閃爍體：塑料閃爍體： 用發(fā)光物質(zhì)溶于有機(jī)溶液內(nèi)制成。優(yōu)用發(fā)光物質(zhì)溶于有機(jī)溶液內(nèi)制成。優(yōu)點(diǎn)：發(fā)光衰減時(shí)間短點(diǎn)：發(fā)光衰減時(shí)間短(毫微秒數(shù)量級毫微秒數(shù)量級)、透明度好、容易制備、成本較低、透明度好、容易制備、成本較低、Z小、小、易塑性、體積不受限。易塑性、體積不受限。 主要用于測量中

50、子及主要用于測量中子及射線，在某些射線，在某些弱放射性或液態(tài)樣品的測量中也廣泛采弱放射性或液態(tài)樣品的測量中也廣泛采用。用。摻Gd(g)的液體閃爍體 特點(diǎn)：制作簡便、發(fā)光衰減時(shí)間短特點(diǎn)：制作簡便、發(fā)光衰減時(shí)間短(13ns)、透明度高、光傳輸性能好、性能、透明度高、光傳輸性能好、性能穩(wěn)定、機(jī)械強(qiáng)度高。穩(wěn)定、機(jī)械強(qiáng)度高。 可測量可測量、快中子、質(zhì)子、快中子、質(zhì)子、宇宙射線及裂變碎片等。宇宙射線及裂變碎片等。 光電倍增管（光電倍增管（PMT）：）：p 結(jié)構(gòu)：由光陰極結(jié)構(gòu)：由光陰極K、陽、陽極極A、倍增級（通常為、倍增級（通常為1214級）以及高壓（級）以及高壓（HV）組成。組成。p 作用：將閃爍體發(fā)出

51、的閃爍光轉(zhuǎn)換成光電子，并進(jìn)行倍增。作用：將閃爍體發(fā)出的閃爍光轉(zhuǎn)換成光電子，并進(jìn)行倍增。p 工作原理：工作原理： PMT通常工作在通常工作在10002500V的高壓下，光陰極最低，陽極最的高壓下，光陰極最低，陽極最高。每個(gè)相鄰倍增極間分別有高。每個(gè)相鄰倍增極間分別有100200V電位差，通過分壓電阻向各電位差，通過分壓電阻向各倍增極提供電壓。倍增極提供電壓。 閃爍體發(fā)出的光子通過光導(dǎo)照射到光陰極閃爍體發(fā)出的光子通過光導(dǎo)照射到光陰極K上，通過光電效應(yīng)上，通過光電效應(yīng)產(chǎn)生光電子發(fā)射。在電場加速下，光電子打在倍增極上，通過電離產(chǎn)生光電子發(fā)射。在電場加速下，光電子打在倍增極上，通過電離引起倍增極的二次電

52、子發(fā)射。每個(gè)電子能從倍增極上打出引起倍增極的二次電子發(fā)射。每個(gè)電子能從倍增極上打出36個(gè)次個(gè)次級電子，倍增極使電子再次加速倍增，電子流逐漸升高，最后到達(dá)級電子，倍增極使電子再次加速倍增，電子流逐漸升高，最后到達(dá)陽極的電子流增益在陽極的電子流增益在105106數(shù)量級。數(shù)量級。PMT把陰極的光電流放大幾把陰極的光電流放大幾萬萬幾百萬倍。幾百萬倍。2、閃爍探測器的工作原理、閃爍探測器的工作原理 射線進(jìn)入閃爍體，與之發(fā)生相互作用，閃爍體吸收帶電粒子射線進(jìn)入閃爍體，與之發(fā)生相互作用，閃爍體吸收帶電粒子能量而使原子、分子電離和激發(fā)；能量而使原子、分子電離和激發(fā)； 受激原子、分子退激時(shí)發(fā)射熒光光子；受激原子

53、、分子退激時(shí)發(fā)射熒光光子； 利用反射物和光導(dǎo)將閃爍光子盡可能多地收集到光電倍增管利用反射物和光導(dǎo)將閃爍光子盡可能多地收集到光電倍增管的光陰極上，由于光電效應(yīng)，光子在光陰極上擊出光電子；的光陰極上，由于光電效應(yīng)，光子在光陰極上擊出光電子； 光電子在光電倍增管中倍增，數(shù)量由一個(gè)增加到光電子在光電倍增管中倍增，數(shù)量由一個(gè)增加到104109個(gè)，個(gè)，電子流在陽極負(fù)載上產(chǎn)生電信號；電子流在陽極負(fù)載上產(chǎn)生電信號； 電信號由電子儀器記錄和分析。電信號由電子儀器記錄和分析。p 輸出信號幅度輸出信號幅度V與入射粒子能量與入射粒子能量E的關(guān)系：的關(guān)系：1200V入射入射射線射線EV輸出端電信號輸出端電信號NaI(T

54、l)PMT3、閃爍探測器測量射線信號的基本特征、閃爍探測器測量射線信號的基本特征輸出光電子光電子光子入射粒子ViMNNNEPM經(jīng)入射粒子輸出EV典型的閃爍探測器測量的典型的閃爍探測器測量的137Cs的的射線譜線射線譜線184KeV（反散射峰）（反散射峰）1、半導(dǎo)體探測器的結(jié)構(gòu)及工作原理、半導(dǎo)體探測器的結(jié)構(gòu)及工作原理 半導(dǎo)體探測器（半導(dǎo)體探測器（semiconductor detector）是以半導(dǎo)體材料為探）是以半導(dǎo)體材料為探測介質(zhì)的輻射探測器。最通用的半導(dǎo)體材料是鍺和硅。測介質(zhì)的輻射探測器。最通用的半導(dǎo)體材料是鍺和硅。PN結(jié)型結(jié)型面壘型面壘型 固體半導(dǎo)體探測器可看作固體半導(dǎo)體探測器可看作固體

55、電離室固體電離室，即，即“填充填充”半導(dǎo)體晶體半導(dǎo)體晶體（而不是氣體）作介質(zhì)的電離室。因此其工作原理與電離室相同（而不是氣體）作介質(zhì)的電離室。因此其工作原理與電離室相同（通過電離將入射射線轉(zhuǎn)換成電信號）。（通過電離將入射射線轉(zhuǎn)換成電信號）。 半導(dǎo)體探測器有兩個(gè)電極，加有一定的偏壓。當(dāng)入射粒子進(jìn)入半導(dǎo)體探測器有兩個(gè)電極，加有一定的偏壓。當(dāng)入射粒子進(jìn)入半導(dǎo)體探測器的靈敏區(qū)時(shí)，即產(chǎn)生半導(dǎo)體探測器的靈敏區(qū)時(shí)，即產(chǎn)生電子電子-空穴對空穴對。在兩極加上電壓在兩極加上電壓后，電荷載流子就向兩極作漂移運(yùn)動(dòng)，收集電極上會(huì)感應(yīng)出電荷，后，電荷載流子就向兩極作漂移運(yùn)動(dòng)，收集電極上會(huì)感應(yīng)出電荷，從而在外電路形成信號脈

56、沖從而在外電路形成信號脈沖。 由于固體半導(dǎo)體探測器阻止本領(lǐng)比電離室中所充氣體的大好幾由于固體半導(dǎo)體探測器阻止本領(lǐng)比電離室中所充氣體的大好幾倍。產(chǎn)生一個(gè)電子倍。產(chǎn)生一個(gè)電子-空穴對所需的平均能量，硅為空穴對所需的平均能量，硅為3.6eV，鍺為，鍺為2.8eV。而在氣體中產(chǎn)生一對離子對，需要電離能量而在氣體中產(chǎn)生一對離子對，需要電離能量36.5eV左右。閃爍探測左右。閃爍探測器產(chǎn)生一個(gè)光電子需器產(chǎn)生一個(gè)光電子需100eV。射線消耗相同能量，在半導(dǎo)體探測器。射線消耗相同能量，在半導(dǎo)體探測器中產(chǎn)生的電子中產(chǎn)生的電子-空穴對數(shù)要多得多，因而形成脈沖幅度的相對漲落空穴對數(shù)要多得多，因而形成脈沖幅度的相對漲

57、落要小得多，所以半導(dǎo)體探測器的能量分辨率好得多。要小得多，所以半導(dǎo)體探測器的能量分辨率好得多。PN結(jié)型結(jié)型面壘型面壘型2、常用的半導(dǎo)體探測器、常用的半導(dǎo)體探測器p 金硅面壘型半導(dǎo)體探測器：金硅面壘型半導(dǎo)體探測器： 金硅面壘探測器，金硅面壘探測器，由于耗盡層厚度較薄由于耗盡層厚度較薄，主要用于探測帶電重主要用于探測帶電重粒子粒子(如如、P等等)，亦可用作能譜測量，探測效率近于，亦可用作能譜測量，探測效率近于100。也可也可用于用于射線測量，對射線測量，對射線不靈敏射線不靈敏。 金硅面壘探測器屬于金硅面壘探測器屬于PN結(jié)型半導(dǎo)體探測器，以結(jié)型半導(dǎo)體探測器，以N型硅單晶作基型硅單晶作基片。基片經(jīng)酸處

58、理后形成一氧化層，氧化層具有片?；?jīng)酸處理后形成一氧化層，氧化層具有P型硅特性，氧化型硅特性，氧化層構(gòu)成層構(gòu)成PN結(jié)耗盡層為金硅面壘探測器的靈敏區(qū)。在氧化層上鍍一層結(jié)耗盡層為金硅面壘探測器的靈敏區(qū)。在氧化層上鍍一層金膜金膜(約約10nm厚厚)。 下圖為使用不同孔徑濾膜采集的空氣樣品，用下圖為使用不同孔徑濾膜采集的空氣樣品，用金硅面壘探測器金硅面壘探測器測得的測得的214Po（7.687MeV）和）和218Po（6.002MeV）的）的能量譜。能量譜。 根據(jù)根據(jù)能譜儀測能譜儀測得的能量峰，可以得的能量峰，可以確定樣品中的不同確定樣品中的不同核素，以及各單個(gè)核素，以及各單個(gè)核素的活度水平。核素的

59、活度水平。cpm: counts per minute儀器常用單位：儀器常用單位：p HPGe（高純鍺）半導(dǎo)體探測器：（高純鍺）半導(dǎo)體探測器： HPGe靈敏區(qū)的厚度與材料的電阻的平方根成正比，所以高純靈敏區(qū)的厚度與材料的電阻的平方根成正比，所以高純度的度的Ge的探測靈敏區(qū)厚度可達(dá)的探測靈敏區(qū)厚度可達(dá)10mm，一般有平面型和同軸型兩種。，一般有平面型和同軸型兩種。常溫時(shí)常溫時(shí)Ge的禁帶太?。ㄇ彝S型結(jié)電容較大），因此必須在低溫下的禁帶太?。ㄇ彝S型結(jié)電容較大），因此必須在低溫下工作。工作。 主要測量主要測量射線和射線和X射線射線。3、半導(dǎo)體探測器的特點(diǎn)、半導(dǎo)體探測器的特點(diǎn)p 主要優(yōu)點(diǎn)：主要優(yōu)點(diǎn)：

60、 能量分辨率高（優(yōu)于正比計(jì)數(shù)器、閃爍計(jì)數(shù)器）。例如：金硅能量分辨率高（優(yōu)于正比計(jì)數(shù)器、閃爍計(jì)數(shù)器）。例如：金硅面壘探測器對面壘探測器對241Am的的5.486MeV的的射線峰的線寬度達(dá)射線峰的線寬度達(dá)10.8KeV。 線性范圍寬。在很大能量范圍內(nèi)，探測器的輸出幅度與所測射線性范圍寬。在很大能量范圍內(nèi)，探測器的輸出幅度與所測射線的能量都精確地成正比。線的能量都精確地成正比。p 主要缺點(diǎn)：主要缺點(diǎn)： 受強(qiáng)輻照后性能變壞，輸出脈沖幅度小，性能隨溫度變化較大受強(qiáng)輻照后性能變壞，輸出脈沖幅度小，性能隨溫度變化較大等。等。 脈沖上升時(shí)間較短，可用于快速測量；窗可以做得很薄，可測脈沖上升時(shí)間較短，可用于快速測量；窗可以做得