射線探測原理與技術(shù)綜述

核輻射探測方法

陳明焌常用射線探測器的工作原理1.氣體探測器共同特點：作用介質(zhì)為氣體結(jié)構(gòu)相似探測依據(jù)射線通過物質(zhì)時的電離效應(yīng)

氣體探測器電離室（平板型、圓柱型）正比計數(shù)器（圓柱型）G-M計數(shù)器（圓柱型）1.1氣體探測器的工作原理

射線氣體（一種物質(zhì))相互作用傳遞能量氣體原子（分子）中核外電子獲得能量產(chǎn)生電離和激發(fā)效應(yīng)，產(chǎn)生大量的電子正離子對，射線本身損失能量而被阻止下來。1.氣體的電離初電離：入射粒子與氣體原子分子碰撞直接產(chǎn)生正離子和電子。次電離：直接電離時產(chǎn)生的電子中能量特別高的那部分，稱為δ電子，它們也能使氣體電離。另外初電離可使原子分子產(chǎn)生內(nèi)殼層空位，則外殼層向內(nèi)殼層躍遷時，既可能發(fā)射俄歇電子，也有可能發(fā)射紫外光或X射線，它們都可能使氣體電離。電離的過程包括：

初電離和次電離的總和稱為總電離。平均電離能

帶電粒子在氣體中產(chǎn)生一對電子正離子對需要的平均能量

W→平均電離能射線通過氣體時就可形成N對離子對：平均電離能W>最低電離電位I0幾種氣體的電離能w、和最低電離電位氣體w()w(X,)w()I0He46.00.541.50.429.9+0.524.5Ne35.72.636.20.428.6821.6Ar26.30.126.20.215.8O232.30.131.80.331.5212.5CH429.10.127.30.312.8C2H428.030.0526.30.312.2空氣34.980.0533.730.1536.00.42.離子的收集和電壓電流曲線圖4.2離子收集裝置示意圖圖4.3α、β兩種粒子在氣體探測器中產(chǎn)生的總的離子對數(shù)目和電場的關(guān)系曲線圖4.3給出了α、β兩種粒子在氣體探測器中產(chǎn)生的總的離子對數(shù)目和電場的關(guān)系曲線明顯分為五個區(qū)域：

在輻射強(qiáng)度恒定的條件下，隨所加電壓與電離電流的關(guān)系如圖4.3。圖各種類型的氣體探測器例：210PoEα=5.30MeV

經(jīng)推導(dǎo)和實際測量已知，每一對電子正離子對都帶有一定電量，大小為：圓柱型電離室+++++-----2.閃爍探測器

閃爍探測器是利用輻射在某些物質(zhì)中產(chǎn)生的閃光來探測電離輻射的探測器。閃爍探測器的主要組成部分：

閃爍體光電倍增管相應(yīng)的電子學(xué)儀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1）閃爍探測器工作原理（五個相互聯(lián)系的過程）：損失能量射線進(jìn)入閃爍題，閃爍體吸收帶電粒子能量，而使原子、分子電離、激發(fā)。

能量轉(zhuǎn)換受激原子、分子退激發(fā)時，發(fā)射熒光光子。發(fā)出光子→射線能量的一部分轉(zhuǎn)化為光能。

收集光子、光電轉(zhuǎn)換利用反射物和光導(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)，光子在光陰極上打出光電子光能→電子

光電子在光電倍增管中倍增，數(shù)量由一個增加到104

～109

，電子流在陽極負(fù)載上產(chǎn)生電信號，輸出幅度幾百mV～V,在一定的條件下正比于入射粒子損失的能量，脈沖計數(shù)正比與入射粒子強(qiáng)度。

記錄分析

a.NaI(Tl)晶體密度大ρ=3.67g/cm3原子序數(shù)高Z=53(占總重的85%）對γ射線探測效率高輸出脈沖幅度與吸收的能量基本上有線性關(guān)系2）介紹幾種閃爍體b.Zn(Ag)閃爍體優(yōu)點：發(fā)光效率極高對重帶電粒子阻止本領(lǐng)很大，對γ射線不靈敏，適合于在β、γ本底場中用幅度甄別法測量中帶電粒子缺點：ZnS層是半透明的因此不能用來測量α能量，只能用來測量α強(qiáng)度c.有機(jī)晶體蒽和芪具有良好的發(fā)光特性的芳香族化合物蒽：Z小，H的含量大探測β和快中子的好材料在0.1~30MeV能區(qū)線性好，可測β能譜芪：光輸出是蒽的60%，發(fā)光時間-6ns常用作快計數(shù)加工困難不多用a.基本原理和構(gòu)造

光電倍增管是利用光電效應(yīng)將光轉(zhuǎn)換成光電子，由光電子形成的電流來記錄微弱閃光的元件。作用：光電轉(zhuǎn)換、電子倍增、信號輸出三個基本組成部分：光陰極、次陰極、陽極3）光電倍增管光陰極接受光子并放出光電子的電極作用：光電轉(zhuǎn)換次陰極

陽極光陰極產(chǎn)生的光電子被加速、聚焦、倍增作用：電子倍增收集經(jīng)倍增放大后所產(chǎn)生的所有電子作用：信號輸出圖4.13光電倍增管的工作原理設(shè)：系統(tǒng)電容為C,引起陽極上電極電位變化幅度為:ΔVE0結(jié)論與啟示：2.為了提高，必須增大、A、T等、能量損失率平均光電轉(zhuǎn)換效率電子收集效率總發(fā)光效率方法：增大A,增大閃爍體尺寸。(提高探測效率)選的閃爍體（高發(fā)光效率）提高（光子收集效率）調(diào)節(jié)光電倍增管得分壓電阻，提高(電子收集效率）閃爍體與光電倍增管相匹配增加（光電轉(zhuǎn)換效率）3.半導(dǎo)體探測器

工作原理與氣體探測器類似半導(dǎo)體材料Si或Ge對輻射損傷較靈敏性能隨溫度變化關(guān)系較大能量分辨率高時間響應(yīng)快（10-9秒）線性范圍寬(300KeV-1.3MeV線性偏移<0.2KeV)主要缺點主要優(yōu)點探測介質(zhì)時間響應(yīng)快：

帶電粒子在半導(dǎo)體中形成的電離密度要比在氣體中形成的電離密度高，大約3個數(shù)量級。

所以，當(dāng)探測高能電子或γ射線時，半導(dǎo)體探測器的尺寸要比氣體探測器小得多，因而可以制成高空間分辨、快時間相應(yīng)的探測器。線性范圍寬：

在很大的能量范圍內(nèi)，探測器輸出脈沖幅度與所測射線的能量成正比。表4.2不同探測器能量分辨率的比較放射源探測器能量分辨率241Am-α5.486MeVPIPS離子注入表面鈍化硅半導(dǎo)體探測器約0.2%氣體探測器約1%60Co-γ1.33MeV高純鍺半導(dǎo)體探測器約0.1%NaI（Tl）閃爍探測器約8%55Fe-X5.9keVSi（Li）半導(dǎo)體探測器約3%正比計數(shù)器（氣體）約17%NaI（Tl）閃爍探測器約50～60%電離室成為探測器必須滿足的條件：沒有射線穿過靈敏體積時，不產(chǎn)生信號或信號可以忽略；帶電粒子穿過靈敏體積時，在其中產(chǎn)生離子對；在電場的作用下，離子在漂向兩極的過程中沒有明顯的損失，在回路中形成的信號能代表原初產(chǎn)生的離子對數(shù)。1）半導(dǎo)體探測器的基本原理：

與氣體探測器類似，核輻射在半導(dǎo)體中，每產(chǎn)生一對電子空穴對，平均損失的能量即平均電離能w

硅鍺

對于能量為E的核輻射，半導(dǎo)體探測器輸出脈沖幅度：探測器的結(jié)電容漂移型：硅鋰漂移探測器鍺鋰漂移探測器高純材料：低能γ、x射線γ射線能譜高純鍺探測器HPGe擴(kuò)散型：主要用于測量粒子能譜和粒子計數(shù)擴(kuò)散結(jié)型面壘型離子注入型2）常見的半導(dǎo)體探測器圖4.18金硅面壘半導(dǎo)體探測器外形圖4.21液氮致冷冗余設(shè)計致冷器和脈沖管電致冷器4.中子探測器1）中子探測的基本原理

由于中子不帶電，中子與物質(zhì)中的電子發(fā)生相互作用不能引起直接電離。因此，中子探測器只能依靠中子與原子核相互作用產(chǎn)生的核反應(yīng)、核反沖、核裂變和活化等產(chǎn)生的次級帶電粒子來測量中子。中子與原子核的反應(yīng)過程，以及相互作用截面的大小，依賴于中子的能量和物質(zhì)的性質(zhì)。

常用中子探測器主要有：BF3正比計數(shù)器、硼電離室、裂變室、閃爍探測器、半導(dǎo)體探測器等。2）常用中子探測器簡介BF3正比計數(shù)器BF3氣體作為探測介質(zhì)，利用中子和10B發(fā)生核反應(yīng)產(chǎn)生的α粒子和7Li在正比計數(shù)器產(chǎn)生的電離效應(yīng)來達(dá)到探測中子的目的。重帶電粒子，射程比較短BF3計數(shù)管主要用于熱中子和慢中子的測量，它對快中子的探測效率很低，若探測器外有用石蠟（或聚乙烯）制成的慢化劑，是快中子經(jīng)慢化后再進(jìn)入計數(shù)管，則BF3計數(shù)管也可以用來探測快中子。這樣就可以使得測量中子的能量范圍更寬，被稱為“長計數(shù)管”。

硼電離室和裂變室硼電離室在電離室的一個電極上涂有10B薄膜，利用核反應(yīng)產(chǎn)生的α粒子和7Li在電離室產(chǎn)生的電流來測量中子的注量率裂變室在電離室的電極上涂裂變物質(zhì)235U,利用中子轟擊235U產(chǎn)生裂變，記錄裂變碎片在電離室中產(chǎn)生的電流來記錄中子。一般用于核反應(yīng)堆控制。

3He氣體探測器

３He氣體與中子發(fā)生如下反應(yīng)，也廣泛地用作探測中子的介質(zhì)： ３He+n

３H+p+0.765MeV此反應(yīng)產(chǎn)生的0.765MeV能量分別由反應(yīng)產(chǎn)物３H（0.191MeV）和p(0.574MeV)獲得。

閃爍中子探測器有機(jī)閃爍體主要用于快中子的測量

硫化鋅快中子屏主要用于快中子的測量

硫化鋅慢中子屏主要用于快中子的測量

鋰玻璃閃爍體主要用于熱中子到幾百

keV中子的測量5.半導(dǎo)體探測器

用某種物質(zhì)作為輻射體，通過核反應(yīng)、核反沖和核裂變產(chǎn)生重帶電粒子，然后用半導(dǎo)體探測器測量。圖4.22夾心式6LiF半導(dǎo)體中子譜儀兩個面對面的金硅面壘半導(dǎo)體探測器，中間放入含6Li薄膜，制成“夾心式”中子譜儀，5.熱釋光探測器TLD1)熱釋光探測器的基本原理什么是“熱釋光”

輻射照射在某種結(jié)晶上之后，將這種結(jié)晶體加熱，它會放出與受照劑量大致成正比的光來。這種現(xiàn)象成為“熱致發(fā)光現(xiàn)象”。電子獲得足夠的能量，使原子電離電子由價帶進(jìn)入導(dǎo)帶

電離電子獲得的能量不足以使它電離，而只能達(dá)到激子帶

激發(fā)a.當(dāng)帶電粒子穿過介質(zhì)時“激子”

處于激子帶的電子和空穴，在晶格中運(yùn)動，但不導(dǎo)電。運(yùn)動過程中，電子和空穴可能被陷阱俘獲而落入不同的陷阱能級中，或落入被雜質(zhì)原子在禁帶所形成的能級中。

只有通過熱起伏而重新被激發(fā)到導(dǎo)帶，才能形成的發(fā)光中心復(fù)合而發(fā)光。

顯然：提高磷光體的溫度可以使儲存與其中的輻射能加速地釋放出來。這一現(xiàn)象稱為：“熱致發(fā)光現(xiàn)象”b.被俘獲后的電子

加熱發(fā)出的總光子數(shù)與陷阱中釋放出來的電子數(shù)成正比，而總電子數(shù)又與磷光體最初被吸收的輻射能量成正比。因此，可以通過測量總光子數(shù)來測量各種核輻射。加熱溫度（Ｋ）熱釋光強(qiáng)度：在所考慮時刻陷阱能級ε上的電子數(shù)陷阱能級波爾茲曼常數(shù)常數(shù)C.發(fā)光強(qiáng)度曲線圖4.24LiF熱釋光發(fā)光強(qiáng)度曲線

加熱熱釋光材料可以得到熱釋光發(fā)光強(qiáng)度隨溫度的變化曲線，這就是“熱釋光的發(fā)光曲線”。

發(fā)光曲線下的面積叫做發(fā)光總額。對同一熱釋光材料若接受的照射量一定，則發(fā)光總額是一個常數(shù)。因此，原則上可以用任何一個峰的積分強(qiáng)度確定所接受的照射劑量。常用的測量發(fā)光強(qiáng)度的方法有：峰高法、光和法。加熱發(fā)光裝置的三個主要部分：2)加熱發(fā)光測量裝置的主要部分圖4.25熱釋光劑量儀探頭部分示意圖a.加熱部分b.光電轉(zhuǎn)換部分c.輸出顯示部分3)常用熱釋光探測器的種類一類是原子序數(shù)低的材料如氟化鋰（LiF）、氧化鈹(BeO)等，其組成接近等效組織材料，能量響應(yīng)好，常用于個人劑量監(jiān)測。另一類是原子序數(shù)較高的材料，如氟化鈣（CaF2）等。能量響應(yīng)不好，但靈敏度高，常用于環(huán)境劑量測量。

目前使用的熱釋光材料種類很多，大致可分為兩類：靈敏度：單位照射量的熱釋光響應(yīng)照射量響應(yīng)：熱釋