辐射探测器与检测技术PPT课件

1、第1页/共60页 第2页/共60页第3页/共60页第4页/共60页 气体 一、气体的电离第5页/共60页 WEN0第6页/共60页第7页/共60页测量仪器cab+ -+ - + -放射源v第8页/共60页第9页/共60页第10页/共60页 第11页/共60页阳极阳极 + + + + + + + +- - - - - - - - 阴极阴极 测量仪器ab+ -+ - + -v 第12页/共60页 应 用第13页/共60页+ -+ - + -阳极阴极正比计数管工作在气体探测器特性曲线的正比区。此区存在气体放大作用，即初电离产生的电子从电场获得能量足以产生次电离，而且次电离电子还可以使气体电离，离子对

2、数目逐步增殖，但最后形成的总离子对数保持与初电离成正比关系。于是在收集极上感生的脉冲幅度将是原电离感生的脉冲幅度的M倍。 第14页/共60页 2ra第15页/共60页+ -+ - + -阳极阴极第16页/共60页第17页/共60页最初由盖革（Geiger）和弥勒（Muller）发明的一种计数管，简称G-M计数管。G-M计数管是使用最早(1928年)，最广泛的一种探测器。它的突出特点是制造简单，价格便宜，易于操作，输出脉冲幅度大，对电子学线路要求简单。因此G-M计数管至今在放射性测量和剂量工作中仍是常用的探测器。它的缺点是死时间长，因此它不能用于高计数率场合。第18页/共60页1.G-M的结构第

3、19页/共60页第20页/共60页阳极阴极第21页/共60页阳极阴极第22页/共60页阳极阴极第23页/共60页阳极阴极第24页/共60页 (N2-N1) 1/2 (V2-V1) (N2+N1)第25页/共60页第26页/共60页nnno1第27页/共60页应 用第28页/共60页肖克利( William Shockley) 巴丁(JohnBardeen) 布拉坦(Walter Brattain) 第29页/共60页世界上第一个点接触型晶体管 第30页/共60页 第31页/共60页 第32页/共60页 第33页/共60页要实现这一过程，必须同时满足以下条件：要求用作探测器的固体材料具有高的电阻

4、率，才能保证加上较高的电场强度，而漏电流很小；探测器材料必须有足够长的载流子漂移长度，以便载流子能通过灵敏区厚度d到达电极而不发生复合或俘获。目前，满足上述要求的主要方法有；在硅或锗单晶中形成PN结，在PN结上加反向偏压形成探测器的灵敏区，在该灵敏区内载流子浓度很小，电阻率极大而漏电流很小；在P型和N型的锗或硅单晶之间通过补偿工艺使形成准本征区，其电阻率很高，可作为探测器的灵敏区；使用高纯度半导体材料作为探测器材料。 第34页/共60页 浓度差使载流子发生扩散运动 第35页/共60页 内电场形成 PN结第36页/共60页 PN结型半导体探测器的工作原理可叙述如下：由于PN结区载流子很少，电阻率

5、很高，当探测器加上反向电压以后，电压几乎完全加在结区，在结区形成一个足够强的电场，但几乎没有电流流过。入射粒子射入结区后，通过与半导体的相互作用，损失能量产生电子空穴对。在外加电场作用下，电子和空穴分别向两极漂移，于是在输出回路中形成信号。当电场足够强时，电子和空穴在结区的复合和俘获可以忽略。这时，输出信号的幅度与带电粒子在结区消耗的能量成正比。如果入射粒子的能量全部消耗在结区，则输出脉冲幅度与入射粒子能量成正比。 第37页/共60页 第38页/共60页 第39页/共60页扩散型、离子注入型 第40页/共60页面垒型探测器在制造工艺上不涉及高温，探测器材料能保持原来的良好性能，噪声低，能量线性

6、好，能量分辨率高，入射窗薄，易于制得面积较大且均匀的灵敏区，结构简单，操作方便。面垒型探测器对光灵敏，薄入射窗对光是透明的，照在探测器表面上的光子可以到达灵敏体积内。可见光光子的能量约为(24)eV，大于硅和锗的能隙，因此可见光光子与半导体相互作用可能产生电子空穴对，普通房间内的光线就能引起很高的噪声。所以使用于探测带电粒子时探测器必需在真空密封条件下，以使噪声降低到可以忽略的水平。面垒型探测器的窗很薄，决不能用手触摸其镀金面。 第41页/共60页扩散型探测器是把一种类型的杂质扩散到另一种相反类型的半导体内而形成PN结的探测器。通常是将五价磷(磷可以是气态，也可以是固态)，在高温(800100

7、0)下扩散到P型硅中，即扩散进一层施主杂质而形成N型薄层，它是粒子入射窗。扩散深度通过调节扩散过程的温度和时间来控制，通常扩散深度为(12)m。灵敏区的最大厚度限制在约600m范围内。随着半导体器件工艺的改进，70年代研制出了低噪声氧化物钝化PN结探测器，克服了老式扩散型探测器的缺点，并能制作成大面积的浅扩散结。它的灵敏区比面垒型的厚，可用来制作室温下使用的射线和X射线探测器。第42页/共60页利用加速器产生的具有一定能量的正离子束流，直接穿透半导体表面而形成离子注入型PN结半导体探测器。通常用硼离子轰击N型硅，用磷离子轰击P型硅，离子束能量在5100keV之间。由于用磁分析器排除杂质，入射粒

8、子束便具有高纯度。这种探测器受环境影响小，工作更稳定，这是面垒型所不及的。通过调节离子束的能量和强度很容易得到所需的深度和掺杂浓度。离子注入型的另一优点是可以在高阻硅上得到薄窗(可薄到34nm)且耐磨损。其缺点是入射离子产生强的辐射损伤，形成大量俘获和复合中心，能量分辨率不如面垒型的好。 离子注入型第43页/共60页上节介绍的PN结型半导体探测器灵敏区厚度很难达到2mm以上，它对于探测粒子等重带电粒子有着广泛的应用。但对于像射线这样穿透性很强的辐射，因灵敏区厚度或有效体积有限，就不适应了。60年代，采用锂漂移技术在P型和N型半导体之间得到受主杂质浓度和施主杂质浓度平衡的高电阻率补偿材料区，该区

9、具有的性质与本征材料的性质类似，通常以符号I表示，简称I区，又叫补偿区，它是探测器的灵敏区。可获得厚度大于10mm的灵敏区。所以锂漂移探测器是P-I-N结构，习惯上又称为PIN探测器。 第44页/共60页一块P型半导体，最初它的受主杂质的浓度是均匀分布的。在P型半导体的一面蒸发上一层金属锂，由于锂在Si和Ge半导体中的迁移率高而电离能较低(在硅中是0.033eV，在锗中是0.093eV)，在室温下锂全部电离，电子进入到导带内，起施主作用。而锂离子(Li+)的半径只有6102nm，比室温下Si和Ge的晶格间距(分别为5.42101nm和5.64101nm)小得多，因此，在电场作用下，锂离子很容易

10、穿过晶格，作为填隙离子漂移深入到半导体内部，它和原来的负离子(例如B-)由于静电作用而形成稳定的中性离子对(例如Li+B)。这相当于施主原子把多余的一个电子给了受主原子，使在此区域内的电子和空穴都减少，从而大大提高了电阻率。这就是锂的补偿作用。在典型的漂移温度下(60)往往需要漂移几天至几周的时间。 第45页/共60页 +-+-+-+- 第46页/共60页 第47页/共60页第48页/共60页第49页/共60页一、闪烁探测器的组成和工作原理1.构成闪烁探测器是利用某些物质在核辐射的作用下会发光的特性探测核辐射的，这些物质称为荧光物质或闪烁体。光电器件将微弱的闪烁光转变为光电子，光电子经过多次倍

11、增放大后，输出一个电脉冲，这种装置叫做闪烁探测器。闪烁探测器的主要组成部分有闪烁体、光学收集系统、光电倍增管(或其他光电器件)以及给光电信增管各电极供电的分压器。它们被封闭在一个不透光的外壳里，统称为探头， 第50页/共60页一、闪烁探测器的组成和工作原理第51页/共60页2.工作原理核辐射进入闪烁体中，使原子(或分子)激发，受激原子在退激过程中发光，光子穿过闪烁体、光导，一部分到达光电倍增管的光阴极，在光阴极上打出光电子，被光电倍增管的第一倍增极收集的光电子经过光电倍增管各倍增极的倍增(或称放大)，便产生一个电脉冲信号。闪烁探测器的工作过程，分为以下几个阶段：粒子进入闪烁体内，使闪烁体的原子

12、或分子激发和电离，粒子损失能量。受激的或者电离后又复合而处在激发态的原子和分子在退激过程中，大部分发射光子，这是对探测有用的，另一部分不发射光子，而是将能量转化为晶格振动或热运动的动能，这部分能量对探测没有用。光阴极将光子转换为光电子。光电子经各倍增，最后被阳极收集形成电脉冲。 第52页/共60页二、闪烁体的发光特性1.发光光谱不同闪烁体发射的荧光波长不同，了解不同闪烁体的发光光谱是为了与光电倍增管的光阴极的光谱相应更好的匹配，得到更多的荧光光子。2.发光效率是只闪烁体吸收的射线的能量转化为光能的百分数。效率越高越有利于低能和低水平辐射的测量。3.发光时间闪烁体吸收射线能量后，退激时发射光子数

13、的总体平均值随时间按指数规律增加第53页/共60页二、闪烁体的发光特性3.发光时间闪烁体吸收射线能量后，退激时发光是一随机过程，发射光子数的总体平均值N（t）随时间按指数规律增加N（t） N0（1-e-t/）N0为能够发射的光子总数，为发光衰减时间。当t 时， N（） N0（1-e-t/）0.63 N0的物理意义时受激后闪烁体原子分子发射全部光子数的63所需的时间。第54页/共60页三、常用闪烁体简介1.NaI(Tl)闪烁体透明单晶NaI(Tl)的密度为3.67g/cm3，有效原子序数为50。NaI中的激活剂是(0.10.5)的铊Tl。发光效率可达12%。 因为NaI(T1)闪烁体含有高原子序

14、数的元素碘(Z=53)，射线与其相互作用的三种效应的截面较大。且可以制成大块。所以它对射线的探测效率较高，是探测射线的较好闪烁体。NaI(T1)闪烁体的主要优点是密度大，原子序数高，因而对射线探测效率高。另外它的发光效率高，因而能量分辨率也较好。 NaI(T1)的缺点是容易潮解，因此使用时须密封。 第55页/共60页三、常用闪烁体简介2. ZnS(Ag)晶体硫化锌闪烁体是一种多晶粉末，颗粒度约为几微米几十微米，密度为4.1g/cm3。它对粒子的发光效率高，相对于蒽晶体的发光效率为300，而对射线和电子不灵敏，很适于在强、本底下探测重带电粒子如、核裂片等，探测效率可达100；它的发光光谱在(40

15、0600)nm，主峰位在450nm处。发光衰减时间较长，平均约为200ns。 颗粒度为10m左右的ZnS(Ag)粉喷涂在厚度为12mm的有机玻璃托板上，喷涂层厚度为(810)mgcm2，在强场中测量粒子。表面污染监测仪器的探头大都是采用ZnS（Ag）屏，特别是对于大面积监测，ZnS(Ag)屏更合适。第56页/共60页三、常用闪烁体简介2. ZnS(Ag)晶体硫化锌闪烁体是一种多晶粉末，颗粒度约为几微米几十微米，密度为4.1g/cm3。它对粒子的发光效率高，相对于蒽晶体的发光效率为300，而对射线和电子不灵敏，很适于在强、本底下探测重带电粒子如、核裂片等，探测效率可达100；它的发光光谱在(400600)nm，主峰位在450nm处。发光衰减时间较长，平均约为200ns。 颗粒度为10m左右的ZnS(Ag)粉喷涂在厚度为12mm的有机玻璃托板上，喷涂层厚度为(810)mgcm2，在强场中测量粒子。表面污染监测仪器的探头大都是采