清華大學(xué)輻射安全與防護(hù)培訓(xùn)輻射探測器

對于輻射是不能感知的，因此人們必須借助于輻射探測器探測各種輻射，給出輻射的類型、強(qiáng)度(數(shù)量)、能量及時(shí)間等特性。即對輻射進(jìn)行測量。

輻射探測器的定義：利用輻射在氣體、液體或固體中引起的電離、激發(fā)效應(yīng)或其它物理、化學(xué)變化進(jìn)行輻射探測的器件稱為輻射探測器。為什么需要輻射探測器？

本文檔共42頁；當(dāng)前第1頁；編輯于星期二\2點(diǎn)48分射線與物質(zhì)相互作用的分類ChargedParticulateRadiationsUnchargedRadiationsHeavychargedparticlesNeutronsFastelectronsX-raysandrays本文檔共42頁；當(dāng)前第2頁；編輯于星期二\2點(diǎn)48分輻射探測的基本過程：

輻射粒子射入探測器的靈敏體積；入射粒子通過電離、激發(fā)等效應(yīng)而在探測器中沉積能量；

探測器通過各種機(jī)制將沉積能量轉(zhuǎn)換成某種形式的輸出信號。對非帶電粒子通過次級效應(yīng)產(chǎn)生次電子或重帶電粒子,實(shí)現(xiàn)能量的沉積。常用的輻射探測器按探測介質(zhì)類型及作用機(jī)制主要分為：氣體探測器；

閃爍探測器；

半導(dǎo)體探測器。本文檔共42頁；當(dāng)前第3頁；編輯于星期二\2點(diǎn)48分

氣體探測器是以氣體為工作介質(zhì)，由入射粒子在其中產(chǎn)生的電離效應(yīng)引起輸出電信號的探測器。由于產(chǎn)生信號的工作機(jī)制不同，氣體電離探測器主要有電離室、正比計(jì)數(shù)器、G-M計(jì)數(shù)器等類型。它們均有各自的特點(diǎn)以及相應(yīng)的適用領(lǐng)域。核輻射引起氣體的電離：入射帶電粒子通過氣體介質(zhì)時(shí)，使氣體分子、原子電離和激發(fā)，并在通過的路徑周圍生成大量離子對。

一.氣體探測器本文檔共42頁；當(dāng)前第4頁；編輯于星期二\2點(diǎn)48分各種氣體探測器本文檔共42頁；當(dāng)前第5頁；編輯于星期二\2點(diǎn)48分

電離能W：帶電粒子在氣體中產(chǎn)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(dāng)其能量全部損失在氣體介質(zhì)中時(shí)，產(chǎn)生的平均離子對數(shù)為：本文檔共42頁；當(dāng)前第6頁；編輯于星期二\2點(diǎn)48分

離子和電子在外加電場中的漂移

離子和電子除了與作熱運(yùn)動的氣體分子碰撞而雜亂運(yùn)動和因空間分布不均勻造成的擴(kuò)散運(yùn)動外，還有由于外加電場的作用沿電場方向定向漂移。

這種運(yùn)動稱為“漂移運(yùn)動”，定向運(yùn)動的速度為“漂移速度”。它是形成輸出信號的基本過程。本文檔共42頁；當(dāng)前第7頁；編輯于星期二\2點(diǎn)48分

工作氣體：

氣體探測器的工作介質(zhì)為氣體，工作氣體充滿電離室內(nèi)部空間；

工作氣體有確定的組成，一般為氬氣(Ar

)

加少量多原子分子氣體CH4。

氣體壓力：從10-1~10大氣壓。

需要保證氣體的成分和壓力，所以一般電離室均需要一個(gè)密封外殼將電極系統(tǒng)包起來。本文檔共42頁；當(dāng)前第8頁；編輯于星期二\2點(diǎn)48分氣體探測器的圓柱型電離室結(jié)構(gòu)高壓極負(fù)載電阻靈敏體積輸出信號：分別為極板電容、分布電容和放大器輸入電容。本文檔共42頁；當(dāng)前第9頁；編輯于星期二\2點(diǎn)48分氣體電離探測器主要有電離室、正比計(jì)數(shù)器、G-M計(jì)數(shù)器等類型。當(dāng)在兩電極上所加電壓不同時(shí)，就造成氣體探測器的不同工作狀態(tài)。

隨著工作電壓的升高，在中央陽極附近很小的區(qū)域內(nèi)，電場強(qiáng)度足夠強(qiáng)，以至電子在外電場的加速作用下，能發(fā)生新的碰撞電離，我們稱之為氣體放大或雪崩過程。本文檔共42頁；當(dāng)前第10頁；編輯于星期二\2點(diǎn)48分I:復(fù)合區(qū)II:飽和區(qū)III:正比區(qū)IV:有限正比區(qū)V:G-M工作區(qū)VI:連續(xù)放電區(qū)本文檔共42頁；當(dāng)前第11頁；編輯于星期二\2點(diǎn)48分工作區(qū)域輸出信號用途電離室飽和區(qū)計(jì)數(shù)及測量入射粒子能量正比計(jì)數(shù)器正比區(qū)計(jì)數(shù)及測量入射粒子能量G-M計(jì)數(shù)管G-M工作區(qū)形成正離子鞘，與入射粒子能量無關(guān)。僅用作計(jì)數(shù)本文檔共42頁；當(dāng)前第12頁；編輯于星期二\2點(diǎn)48分二.閃爍探測器

利用輻射在某些物質(zhì)中產(chǎn)生的閃光，產(chǎn)生熒光光子來探測電離輻射的探測器。閃爍體光電倍增管(打拿極)反射層管座分壓器高壓多道或單道光陰極陽極熒光光子光電子暗盒窗前置放大器本文檔共42頁；當(dāng)前第13頁；編輯于星期二\2點(diǎn)48分閃爍探測器的工作過程：(1)輻射射入閃爍體使閃爍體原子電離或激發(fā)，受激原子退激而發(fā)出波長在可見光波段的熒光。(2)熒光光子被收集到光電倍增管(PMT)的光陰極，通過光電效應(yīng)打出光電子。(3)電子運(yùn)動并倍增，并在陽極輸出回路輸出信號。閃爍探測器可用來測量入射粒子的能量。

本文檔共42頁；當(dāng)前第14頁；編輯于星期二\2點(diǎn)48分(一).閃爍體1、閃爍體的分類1)無機(jī)閃爍體：玻璃體純晶體無機(jī)晶體(摻雜)(鋰玻璃)2)有機(jī)閃爍體：有機(jī)晶體——蒽晶體等；有機(jī)液體閃爍體及塑料閃爍體.3)

氣體閃爍體：Ar、Xe等。本文檔共42頁；當(dāng)前第15頁；編輯于星期二\2點(diǎn)48分2.閃爍體的物理特性1)發(fā)射光譜特點(diǎn)：發(fā)射光譜為連續(xù)譜。各種閃爍體都存在一個(gè)最強(qiáng)波長；要注意發(fā)射光譜與光電倍增管光陰極的光譜響應(yīng)是否匹配。本文檔共42頁；當(dāng)前第16頁；編輯于星期二\2點(diǎn)48分以NaI(Tl)為例：對β粒子；對α粒子2)發(fā)光效率與光能產(chǎn)額指閃爍體將所吸收的射線能量轉(zhuǎn)化為光的比例。發(fā)光效率：Eph閃爍體發(fā)射光子的總能量；E入射粒子損耗在閃爍體中的能量。本文檔共42頁；當(dāng)前第17頁；編輯于星期二\2點(diǎn)48分以NaI(Tl)為例對1MeV的β粒子，發(fā)射光子平均能量光能產(chǎn)額：nph為產(chǎn)生的閃爍光子總數(shù)。發(fā)光效率與光能產(chǎn)額的關(guān)系：本文檔共42頁；當(dāng)前第18頁；編輯于星期二\2點(diǎn)48分3)發(fā)光衰減時(shí)間受激過程大約退激過程及閃爍體發(fā)光過程按指數(shù)規(guī)律對于大多數(shù)無機(jī)晶體，t時(shí)刻單位時(shí)間發(fā)射光子數(shù)：τ為發(fā)光衰減時(shí)間，即發(fā)光強(qiáng)度降為1/e所需時(shí)間。本文檔共42頁；當(dāng)前第19頁；編輯于星期二\2點(diǎn)48分本文檔共42頁；當(dāng)前第20頁；編輯于星期二\2點(diǎn)48分

（二）.光電倍增管1.PMT的結(jié)構(gòu)——光電倍增管為電真空器件。1)PMT的主要部件和工作原理

真空殼打拿極陽極光電子軌跡入射光聚焦電極半透明光陰極本文檔共42頁；當(dāng)前第21頁；編輯于星期二\2點(diǎn)48分2)PMT的類型

(1)外觀的不同(2)根據(jù)光陰極形式本文檔共42頁；當(dāng)前第22頁；編輯于星期二\2點(diǎn)48分聚焦型非聚焦型(3)根據(jù)電子倍增系統(tǒng)具有較快的響應(yīng)時(shí)間，用于時(shí)間測量或需要響應(yīng)時(shí)間快的場合。電子倍增系數(shù)較大，多用于能譜測量系統(tǒng)。直線結(jié)構(gòu)環(huán)狀結(jié)構(gòu)百葉窗結(jié)構(gòu)盒柵型結(jié)構(gòu)本文檔共42頁；當(dāng)前第23頁；編輯于星期二\2點(diǎn)48分

2.PMT主要性能1)光陰極的光譜響應(yīng)光陰極受到光照后，發(fā)射光電子的概率是入射光波長的函數(shù)，稱作“光譜響應(yīng)”。本文檔共42頁；當(dāng)前第24頁；編輯于星期二\2點(diǎn)48分PMT增益打拿極間電子傳輸效率陽極靈敏度陽極電流2)光照靈敏度陰極靈敏度光陰極的光電子流光通量FiSkk=本文檔共42頁；當(dāng)前第25頁；編輯于星期二\2點(diǎn)48分(1)光陰極的熱電子發(fā)射。3)

PMT暗電流與噪聲

當(dāng)工作狀態(tài)下的光電倍增管完全與光輻射隔絕時(shí)，其陽極仍能輸出電流(暗電流)及脈沖信號(噪聲)。(2)殘余氣體的電離----離子反饋；

殘余氣體的激發(fā)----光子反饋。(3)工藝----尖端放電及漏電成因：本文檔共42頁；當(dāng)前第26頁；編輯于星期二\2點(diǎn)48分4)

PMT的時(shí)間特性飛行時(shí)間(渡越時(shí)間)一個(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

到達(dá)陽極的每個(gè)電子都經(jīng)歷了不同的倍增過程和飛行距離，反映了飛行時(shí)間的漲落，是決定閃爍計(jì)數(shù)器分辨時(shí)間的限制因素。：te的分布函數(shù)的半寬度本文檔共42頁；當(dāng)前第27頁；編輯于星期二\2點(diǎn)48分5)

PMT的穩(wěn)定性穩(wěn)定性是指在恒定輻射源照射下，光電倍增管的陽極電流隨時(shí)間的變化。包含兩部分：短期穩(wěn)定性，指建立穩(wěn)定工作狀態(tài)所需的時(shí)間。一般在開機(jī)后預(yù)熱半小時(shí)才開始正式工作。長期穩(wěn)定性：在工作達(dá)到穩(wěn)定后，略有下降的慢變化，與管子的材料、工藝有關(guān)，同時(shí)與周圍的環(huán)境溫度有關(guān)。長期工作條件下，須采用“穩(wěn)峰”措施。本文檔共42頁；當(dāng)前第28頁；編輯于星期二\2點(diǎn)48分（三）閃爍探測器的應(yīng)用主要用于構(gòu)成譜儀光電倍增管閃爍體射極輸出器線性脈沖放大器單道脈沖幅度分析器多道脈沖幅度分析器打印機(jī)自動定標(biāo)器線性率表高壓電源示波器源圖3-1 Nal(T1)閃爍譜儀裝置示意圖本文檔共42頁；當(dāng)前第29頁；編輯于星期二\2點(diǎn)48分

半導(dǎo)體探測器的基本原理是帶電粒子在半導(dǎo)體探測器的靈敏體積內(nèi)產(chǎn)生電子－空穴對，電子－空穴對在外電場的作用下漂移而輸出信號。

我們把氣體探測器中的電子－離子對、閃爍探測器中被PMT第一打拿極收集的電子及半導(dǎo)體探測器中的電子－空穴對統(tǒng)稱為探測器的信息載流子。產(chǎn)生每個(gè)信息載流子的平均能量分別為30eV(氣體探測器)，300eV(閃爍探測器)和3eV(半導(dǎo)體探測器)。三.半導(dǎo)體探測器本文檔共42頁；當(dāng)前第30頁；編輯于星期二\2點(diǎn)48分半導(dǎo)體探測器的特點(diǎn)：(1)能量分辨率最佳；(2)射線探測效率較高，可與閃爍探測器相比。常用半導(dǎo)體探測器有：(1)P-N結(jié)型半導(dǎo)體探測器；(2)鋰漂移型半導(dǎo)體探測器；(3)高純鍺半導(dǎo)體探測器；本文檔共42頁；當(dāng)前第31頁；編輯于星期二\2點(diǎn)48分

(一)半導(dǎo)體作為探測介質(zhì)的物理性能1.平均電離能（w）SiGe300oK3.62eV77oK3.76eV2.96eV

入射粒子在半導(dǎo)體介質(zhì)中平均產(chǎn)生一對電子空穴需要的能量。

半導(dǎo)體中的平均電離能與入射粒子能量無關(guān)。在半導(dǎo)體中消耗能量為E時(shí)，產(chǎn)生的載流子數(shù)目N為：本文檔共42頁；當(dāng)前第32頁；編輯于星期二\2點(diǎn)48分2.載流子的漂移

由于電子遷移率n

和空穴遷移率p

相近，與氣體探測器不同，不存在電子型或空穴型半導(dǎo)體探測器。對N型半導(dǎo)體，電子的漂移速度為對P型半導(dǎo)體，空穴的漂移速度為

電場較高時(shí)，漂移速度隨電場的增加較慢，最后達(dá)到載流子的飽和速度～107cm/s。本文檔共42頁；當(dāng)前第33頁；編輯于星期二\2點(diǎn)48分3.電阻率與載流子壽命半導(dǎo)體電阻率：本征電阻率：摻雜將大大降低半導(dǎo)體的電阻率，對硅來說摻雜對電阻率的影響比鍺顯著得多。當(dāng)半導(dǎo)體材料被冷卻到液氮溫度時(shí)將大大提高電阻率。

載流子壽命--載流子在俘獲以前，可在晶體中自由運(yùn)動的時(shí)間。只有當(dāng)漂移長度大于靈敏體積的長度才能保證載流子的有效收集。對高純度的Si和Ge～10-3s，決定了Si和Ge為最實(shí)用的半導(dǎo)體材料。

高的電阻率和長的載流子壽命是組成半導(dǎo)體探測器的關(guān)鍵。本文檔共42頁；當(dāng)前第34頁；編輯于星期二\2點(diǎn)48分

(二)P-N結(jié)半導(dǎo)體探測器1、P-N結(jié)半導(dǎo)體探測器的工作原理

P-N結(jié)區(qū)(勢壘區(qū))的形成：多數(shù)載流子擴(kuò)散，空間電荷形成內(nèi)電場并形成結(jié)區(qū)。結(jié)區(qū)內(nèi)存在著勢壘，結(jié)區(qū)又稱為勢壘區(qū)。勢壘區(qū)內(nèi)為耗盡層，無載流子存在，實(shí)現(xiàn)高電阻率，達(dá)，遠(yuǎn)高于本征電阻率。n-typep-type---------------------------------+++++++++++++++本文檔共42頁；當(dāng)前第35頁；編輯于星期二\2點(diǎn)48分2、P-N結(jié)半導(dǎo)體探測器的類型1)擴(kuò)散結(jié)(DiffusedJunction)型探測器采用擴(kuò)散工藝——高溫?cái)U(kuò)散或離子注入；材料一般選用P型高阻硅，電阻率為1000；在電極引出時(shí)一定要保證為歐姆接觸，以防止形成另外的結(jié)。2)金硅面壘(SurfaceBarrier)探測器一般用N型高阻硅，表面蒸金50～100g/cm2

氧化形成P型硅，而形成P-N結(jié)。工藝成熟、簡單、價(jià)廉。

本文檔共42頁；當(dāng)前第36頁；編輯于星期二\2點(diǎn)48分3.應(yīng)用

重帶電粒子能譜測量--譜儀本文檔共42頁；當(dāng)前第37頁；編輯于星期二\2點(diǎn)48分1.P-N結(jié)的構(gòu)成

采用高純度的P型Ge單晶，雜質(zhì)濃度為。因?yàn)殡s質(zhì)濃度極低，相應(yīng)的電阻率很高?？臻g電荷密度很小，P區(qū)的耗盡層厚度大。一般半導(dǎo)體材料雜質(zhì)濃度為~1015原子/cm3。電荷分布（三）高純鍺半導(dǎo)體探測器本文檔共42頁；當(dāng)前第