带电粒子测量方法

1、成都理工大学核自院成都理工大学核自院主讲教师主讲教师: 杨 佳l 本课程的理论学时本课程的理论学时24学时，主要讲授内容包括：学时，主要讲授内容包括：4.1 带电粒子测量的基本原理带电粒子测量的基本原理4.2 氡气测量方法氡气测量方法4.1.1 核辐射探测对象核辐射探测对象4.1.2 核辐射探测器概述核辐射探测器概述4.1.3 带电粒子的测量带电粒子的测量 泛指泛指核衰变或核裂变放出的粒子，和由加速器或核反应产生的核衰变或核裂变放出的粒子，和由加速器或核反应产生的各种粒子各种粒子，包括，包括、3He、 p、 d、 T、X、n、重离子和裂片、重离子和裂片等。等。p 射线（核辐射）：射线（核辐射）

2、：核辐射粒子的基本性质核辐射粒子的基本性质1.008665 0 n中中 子子1.007276 +1 p质质 子子 0 0 5.48610-4 1 e 4.00279 +2 4He 质质 量量 ( u )电荷电荷(e)符号符号种类种类可见：射线的本质就是核辐射粒子可见：射线的本质就是核辐射粒子p 带电粒子：带电粒子： 重带电粒子（重带电粒子（粒子、裂变碎片）粒子、裂变碎片） 轻带电粒子（快电子，轻带电粒子（快电子，粒子）粒子）p 非带电粒子：非带电粒子： X、射线射线 中子中子 非带电粒子与物质作用时，先与物质相互作用产生带电的次级非带电粒子与物质作用时，先与物质相互作用产生带电的次级粒子后（如

3、载能电子），由次级电子使物质原子电离粒子后（如载能电子），由次级电子使物质原子电离 间接致间接致电离辐射电离辐射。 带电粒子与物质作用时，可带电粒子与物质作用时，可直接发生电离作用直接发生电离作用（使物质原子电（使物质原子电离，产生电子和正离子）离，产生电子和正离子） 称为称为（致）电离辐射或直接致电离辐（致）电离辐射或直接致电离辐射射。 利用核辐射在气体、液体或固体中引起的电离、发光现象等物利用核辐射在气体、液体或固体中引起的电离、发光现象等物理、化学变化进行核辐射探测的元件称为核辐射探测器。理、化学变化进行核辐射探测的元件称为核辐射探测器。 将核辐射转变为电信号或可记录径迹的元件称为核辐射

4、探测器。将核辐射转变为电信号或可记录径迹的元件称为核辐射探测器。 通过核辐射与物质相互作用提供有关核辐射信息并对其进行分通过核辐射与物质相互作用提供有关核辐射信息并对其进行分析处理的实验仪器称为核辐射探测器。析处理的实验仪器称为核辐射探测器。p 一台完整的放射性测量装置应包括两部分一台完整的放射性测量装置应包括两部分: 第一部分是将射线的辐射能转变为电信号的第一部分是将射线的辐射能转变为电信号的能量转换器能量转换器辐射辐射探测器或辐射探测元件探测器或辐射探测元件； 第二部分是第二部分是各种特殊的电子线路各种特殊的电子线路，它是将，它是将灵敏的辐射探测器输灵敏的辐射探测器输出的信号出的信号经放大

5、、鉴别、记录，进行对比测量，从而得到入射射线经放大、鉴别、记录，进行对比测量，从而得到入射射线的计数率和能量分布等情况。的计数率和能量分布等情况。p 按按“利用核辐射与物质相互作用的不同过程利用核辐射与物质相互作用的不同过程”进行分类进行分类: 电离型电离型核辐射探测器：基于核辐射在阻止介质中的电离效应核辐射探测器：基于核辐射在阻止介质中的电离效应带电粒子在探测器中直接产生电离；带电粒子在探测器中直接产生电离；射线、中子等不带电粒子则射线、中子等不带电粒子则是先与物质相互作用产生带电的次级粒子后再在探测器中产生电离。是先与物质相互作用产生带电的次级粒子后再在探测器中产生电离。 电离型核辐射探测

6、器包括：气体探测器（电离室、正比计数器、电离型核辐射探测器包括：气体探测器（电离室、正比计数器、盖革计数器）、半导体探测器、云室、火花室和径迹探测器等。盖革计数器）、半导体探测器、云室、火花室和径迹探测器等。 基于核辐射与物质相互作用使阻止介质的基于核辐射与物质相互作用使阻止介质的原子或分子激发原子或分子激发、分分解解等作用构成的探测器：等作用构成的探测器： 闪烁探测器：以闪烁晶体为探测介质，利用闪烁探测器：以闪烁晶体为探测介质，利用闪烁效应闪烁效应的闪烁探的闪烁探测器测器（当入射射线进入闪烁体，损失的能量使闪烁体的（当入射射线进入闪烁体，损失的能量使闪烁体的原子或分子激发原子或分子激发；当被

7、；当被激发的原子或分子由受激态回复到基态时，将能量转换为波长更长的光辐射出来，激发的原子或分子由受激态回复到基态时，将能量转换为波长更长的光辐射出来，即为可见的闪烁光）即为可见的闪烁光）； 原子核乳胶：原子核乳胶：带电粒子射入乳胶后，与乳胶的主要成分溴化银晶粒发生带电粒子射入乳胶后，与乳胶的主要成分溴化银晶粒发生作用，不断损失能量，并使溴化银作用，不断损失能量，并使溴化银分解分解成溴原子和银原子。银原子汇集在一起形成溴原子和银原子。银原子汇集在一起形成可以显影的核心，即潜影。经化学显影处理后，还原的银颗粒就把带电粒子的成可以显影的核心，即潜影。经化学显影处理后，还原的银颗粒就把带电粒子的径迹显

8、示出来。径迹显示出来。 可以认为：通过任何一种相互作用都有可能设计一种核辐射探可以认为：通过任何一种相互作用都有可能设计一种核辐射探测器。测器。p 按按“工作状态工作状态”进行分类进行分类: 脉冲型核辐射探测器：脉冲型核辐射探测器： 平均电流型核辐射探测器：平均电流型核辐射探测器： 响应于响应于单个核辐射粒子单个核辐射粒子与介质的相互作用；与介质的相互作用； 输出的输出的每个脉冲信号每个脉冲信号代表代表一个一个射线粒子与介质相互作用的结果射线粒子与介质相互作用的结果； 输出信号是输出信号是大量大量射线粒子与探测器相互作用的射线粒子与探测器相互作用的平均效果平均效果，不不企企图区分单个射线粒子的

9、效应；图区分单个射线粒子的效应； 在核反应堆、核电站等核设施运行中，大量使用平均型探测器在核反应堆、核电站等核设施运行中，大量使用平均型探测器来监测、控制正常工作状态和核辐射剂量防护来监测、控制正常工作状态和核辐射剂量防护（如电流电离室，其输出（如电流电离室，其输出电流强度正比于单位时间射入探测器的核辐射粒子数目）电流强度正比于单位时间射入探测器的核辐射粒子数目）；p 按按“功能功能”进行分类进行分类: 计数器：计数器： 能谱仪：能谱仪： 位置灵敏探测器：位置灵敏探测器： 时间探测器：时间探测器： 提供入射核辐射粒子的数目，确定核辐射的有无及其强弱，它提供入射核辐射粒子的数目，确定核辐射的有无

10、及其强弱，它不能鉴别核辐射种类，也不能确定射线粒子的能量或能量分布。不能鉴别核辐射种类，也不能确定射线粒子的能量或能量分布。 详细按能量将核辐射粒子进行分类，给出不同能量的核辐射粒详细按能量将核辐射粒子进行分类，给出不同能量的核辐射粒子数目。子数目。 给出核辐射的空间入射方向或空间位置分布的信息。给出核辐射的空间入射方向或空间位置分布的信息。 给出核辐射到达或穿过探测器的时间信息或不同核辐射粒子间给出核辐射到达或穿过探测器的时间信息或不同核辐射粒子间的时间顺序及关联信息。的时间顺序及关联信息。 应用：应用：在高能物理和中高能重离子核反应在高能物理和中高能重离子核反应实验中，需要在计算机统一操纵

11、下构成多探测实验中，需要在计算机统一操纵下构成多探测器系统，提供有关一个物理事件的各种参量。器系统，提供有关一个物理事件的各种参量。$ 对对带电粒子测量带电粒子测量常用的三类核辐射探测器：常用的三类核辐射探测器： 以以气体为探测介质气体为探测介质，利用，利用电离作用电离作用的的气体探测器气体探测器； 以以闪烁晶体为探测介质闪烁晶体为探测介质，利用，利用闪烁效应闪烁效应的的闪烁探测器闪烁探测器； 以以半导体为探测介质半导体为探测介质，利用，利用电离作用电离作用的的半导体探测器半导体探测器。p 气体电离探测器是早期应用最广的核辐射探测器，五十年代气体电离探测器是早期应用最广的核辐射探测器，五十年代

12、后逐渐被闪烁和半导体探测器代替，但至今在工业上仍广泛应用。后逐渐被闪烁和半导体探测器代替，但至今在工业上仍广泛应用。其主要原因是：其主要原因是： 制备简单；制备简单； 成本低廉；成本低廉； 较好的特性：低噪声、高能量分辨率。较好的特性：低噪声、高能量分辨率。 气体电离探测器是气体电离探测器是以气体作为带电粒子电离或激发的介质以气体作为带电粒子电离或激发的介质，在，在气体电离空间置有两个电极，外加电场并保持一定的电位差，当带气体电离空间置有两个电极，外加电场并保持一定的电位差，当带电粒子穿过气体时与气体分子轨道上的电子发生碰撞，电粒子穿过气体时与气体分子轨道上的电子发生碰撞，使气体分子使气体分子

13、产生电离而形成离子对产生电离而形成离子对，在电场中在电场中电子向正极移动，正离子向负极电子向正极移动，正离子向负极移动，最后分别到达两极而被收集起来。移动，最后分别到达两极而被收集起来。电子和正离子在电场中电子和正离子在电场中漂漂移过程中移过程中，在两极引起感生电荷量的变化在两极引起感生电荷量的变化，进而在电子线路回路上，进而在电子线路回路上形成形成电压脉冲电压脉冲（瞬间电压变化）而由后续的电子仪器记录。（瞬间电压变化）而由后续的电子仪器记录。 气体中气体中电子与离子的运动规律决定探测器的基本特性电子与离子的运动规律决定探测器的基本特性。 气体探测器通常包括三类处于不同工作状态的探测器：电离室

14、、气体探测器通常包括三类处于不同工作状态的探测器：电离室、正比室（正比计数器）和雪崩室（盖格正比室（正比计数器）和雪崩室（盖格-米勒计数管，米勒计数管，G-M计数计数管）。它们的管）。它们的共同特点共同特点是是通过收集射线穿过工作气体时产生的电子通过收集射线穿过工作气体时产生的电子-正离子对来获得核辐射的信息正离子对来获得核辐射的信息。1、气体的电离、气体的电离 1）带电的入射粒子通过气体；）带电的入射粒子通过气体；2）粒子与气体分子轨道电子发生）粒子与气体分子轨道电子发生碰撞，引发电离或激发；碰撞，引发电离或激发；3）在通过的径迹上生成大量离子对。）在通过的径迹上生成大量离子对。p 总电离总

15、电离=初电离初电离+次级电离次级电离 初电离（直接电离）：入射粒子直接产生的电离初电离（直接电离）：入射粒子直接产生的电离 次（级）电离：初电离产生的次级粒子如果能量较大，与气体次（级）电离：初电离产生的次级粒子如果能量较大，与气体分子产生的电离。一般多为电子，称为分子产生的电离。一般多为电子，称为电子电子 平均电离能平均电离能(W)：入射粒子在气体中产生一对离子所需的平均能：入射粒子在气体中产生一对离子所需的平均能量。约为量。约为30eV最低电离点位最低电离点位总电离离子对数总电离离子对数N与入射粒子与入射粒子在气体中损失的总能量在气体中损失的总能量E成正成正比关系：比关系：WEN 电离碰撞

16、中被激发的原子，即受激原子有三种退激方式：电离碰撞中被激发的原子，即受激原子有三种退激方式：1）辐射光子：光子可能在周围介质中打出光电子，或被某些气体）辐射光子：光子可能在周围介质中打出光电子，或被某些气体分子吸收而使分子解离（在受激后分子吸收而使分子解离（在受激后10-9s内完成）；内完成）；2）俄歇效应：发射俄歇电子，内层电子的空穴被外层电子填充，）俄歇效应：发射俄歇电子，内层电子的空穴被外层电子填充，伴随发射特征伴随发射特征X射线（在受激后射线（在受激后10-9s内完成）内完成） ；3）亚稳原子：只能与其它粒子发生非弹性碰撞才能退激，这种原）亚稳原子：只能与其它粒子发生非弹性碰撞才能退激

17、，这种原子的寿命较长，约子的寿命较长，约10-210-4s。2、电子和正离子在气体中的运动、电子和正离子在气体中的运动 在气体中，电离后生成的电子和离子的运动：在气体中，电离后生成的电子和离子的运动：1）杂乱无章的热运动；）杂乱无章的热运动； 从密度大向密度小的空间扩散，温从密度大向密度小的空间扩散，温度越高，气压越低，扩散系数越大。度越高，气压越低，扩散系数越大。 3）吸附：电子与气体分子碰撞时，可能被捕获而形成负离子。）吸附：电子与气体分子碰撞时，可能被捕获而形成负离子。4）复合：）复合： 电子和正离子碰撞或负离子和正离子碰撞可复合成中性原子或电子和正离子碰撞或负离子和正离子碰撞可复合成中

18、性原子或中性分子，前者称电子复合，后者称离子复合。中性分子，前者称电子复合，后者称离子复合。 离子复合几率比电子大几个量级。离子复合几率比电子大几个量级。 电子被捕获形成负离子的结果使漂移速度大大地减慢，从而增电子被捕获形成负离子的结果使漂移速度大大地减慢，从而增加了复合损失。加了复合损失。2）两种定向运动：）两种定向运动： 漂移。沿电场方向漂移，一方面与漂移。沿电场方向漂移，一方面与气体碰撞损失能量，另一方面从电场获得气体碰撞损失能量，另一方面从电场获得能量；能量；3、离子的收集和外加电压关系、离子的收集和外加电压关系 气体探测器利用收集射线在气体中产生的电离电荷来探测气体探测器利用收集射线

19、在气体中产生的电离电荷来探测入射粒子。入射粒子。 当一个射线粒子进入灵敏体积内，由于与工作气体分子作用当一个射线粒子进入灵敏体积内，由于与工作气体分子作用产生电子离子对数目产生电子离子对数目N，在收集电场作用下，正离子和电子分别，在收集电场作用下，正离子和电子分别向内壁和中心丝运动。当向内壁和中心丝运动。当RC时间常量时间常量比电荷收集时间长得多的条比电荷收集时间长得多的条件下，收集全部离子对数目随所加工作电压件下，收集全部离子对数目随所加工作电压V的变化曲线如下图的变化曲线如下图所示（曲线分为所示（曲线分为6个区域）：个区域）： 第第区：收集的离子对数目（电区：收集的离子对数目（电离电流）随

20、收集电压增大而增加。离电流）随收集电压增大而增加。表明在表明在区域内区域内收集电压还不够收集电压还不够高高，射线粒子在工作气体中产生，射线粒子在工作气体中产生的的电子电子-正离子对由于复合损失而正离子对由于复合损失而未被完全收集未被完全收集。第第区：称区：称饱和区或电离室区饱和区或电离室区。在。在区，收集电压实现了对射线粒子区，收集电压实现了对射线粒子在工作气体中产生在工作气体中产生离子对的完全收离子对的完全收集集（设离子对数目为（设离子对数目为N0）。因而，）。因而，在一定的电压变化范围内在一定的电压变化范围内，收集离收集离子对数目不随工作电压而变化，电子对数目不随工作电压而变化，电离室就工

21、作在这个区域离室就工作在这个区域。外加电压与电离电流曲线外加电压与电离电流曲线（图中两条曲线分别代表具有不同（图中两条曲线分别代表具有不同比电离的比电离的粒子和粒子和粒子）粒子）第第区：称为正比区。继续增加工作电压，区：称为正比区。继续增加工作电压，收集到的离子对数目收集到的离子对数目又会重新随又会重新随V增加而增大，且增加而增大，且仍保持与射线粒子在工作气体中产生仍保持与射线粒子在工作气体中产生的初始离子对数目的初始离子对数目N0成正比成正比（离子对数目为（离子对数目为N=MN0，M称为气体称为气体放大倍数），因此称为正比区。放大倍数），因此称为正比区。外加电压与电离电流曲线外加电压与电离电

22、流曲线第第区：称为有限正比区。收集区：称为有限正比区。收集到的离子对数目到的离子对数目N与初始离子对与初始离子对数目数目N0不再保持正比关系不再保持正比关系，而是，而是满足：满足：0NN 第第V区：称为区：称为G-M区或盖革区。在区或盖革区。在这个区域内，这个区域内， 收集的离子对数目收集的离子对数目根本与射线粒子在工作气体中产根本与射线粒子在工作气体中产生的初始离子对数目无关生的初始离子对数目无关，即使，即使在工作气体中只产生一对离子对，在工作气体中只产生一对离子对，收集的离子对数目也是很大的，收集的离子对数目也是很大的，其数值完全由气体探测器本身的其数值完全由气体探测器本身的特性及相随电子

23、学电路来决定特性及相随电子学电路来决定。第第区：称为连续放电区。当外加电压继续增高，即达到连续放电区：称为连续放电区。当外加电压继续增高，即达到连续放电区，只要电离开始就连续放电不止。区，只要电离开始就连续放电不止。1、电离室结构、电离室结构 电离室的主体由两个处于不同电位的电极组成，电极之间用绝电离室的主体由两个处于不同电位的电极组成，电极之间用绝缘体隔开，并密封于充一定气体的容器内。典型结构如下：缘体隔开，并密封于充一定气体的容器内。典型结构如下：高压极高压极(K)：正高压或负高压；：正高压或负高压；收集极收集极(C)：与测量仪器相联的电极，处与测量仪器相联的电极，处于与地接近的电位；于与

24、地接近的电位；保护极保护极(G)：又称保护环，处于与收集极又称保护环，处于与收集极相同的电位；相同的电位；负载电阻负载电阻(RL)：电流流过时形成电压信号。电流流过时形成电压信号。平行板型电离室平行板型电离室圆柱型电离室圆柱型电离室平行板型电离室平行板型电离室2、电离室的分类、电离室的分类 1）脉冲电离室脉冲电离室，记录单个辐射粒子，主要用于测量，记录单个辐射粒子，主要用于测量重带电粒重带电粒子子的能量和强度。的能量和强度。 2）电流电离室和累计电离室电流电离室和累计电离室，分别记录大量辐射粒子平均效，分别记录大量辐射粒子平均效应和累计效应，主要用于测量应和累计效应，主要用于测量X、和中子的照

25、射量率或通量、和中子的照射量率或通量、剂量或剂量率，它是剂量监测和反应堆控制的主要传感元件。剂量或剂量率，它是剂量监测和反应堆控制的主要传感元件。3、电离室脉冲形成、电离室脉冲形成 入射粒子引起电离，产入射粒子引起电离，产生生电子和正离子电子和正离子(离子对离子对) 。在。在电场作用下，分别朝着正、电场作用下，分别朝着正、负电极漂移，因而电极上的负电极漂移，因而电极上的感生电荷随之而变。当高压感生电荷随之而变。当高压电极保持固定电位时，则收电极保持固定电位时，则收集极的电位将随着电子和正集极的电位将随着电子和正离子的漂移而变化。离子的漂移而变化。p 脉冲的形成始于两电极上感生的电荷发生变化脉冲

26、的形成始于两电极上感生的电荷发生变化（即始于离子（即始于离子对生成，终于离子对全部被收集），不能以为脉冲是由电子和离子对生成，终于离子对全部被收集），不能以为脉冲是由电子和离子被收集到电极上才形成的。这是不符合实际的，却又是常有的错误被收集到电极上才形成的。这是不符合实际的，却又是常有的错误概念。概念。 脉冲始于离子对的形成，终于离子对全部到达电极，时间以毫脉冲始于离子对的形成，终于离子对全部到达电极，时间以毫秒计。所以，一入射粒子进入电离室，收集极就出现一个电压脉冲。秒计。所以，一入射粒子进入电离室，收集极就出现一个电压脉冲。 当离子对全部到达电极，此时的电压脉冲值为：当离子对全部到达电极，

27、此时的电压脉冲值为：eNQ0WEN 0WeEQCVQ CWeECeNCQV0饱和 电子漂移速度电子漂移速度106cm/s，正离子，正离子103cm/s。设。设T- 和和T+分别代表收集电子分别代表收集电子和正离子所需的时间，所以脉冲的快成和正离子所需的时间，所以脉冲的快成分是电子的贡献（电子全部被收集的过分是电子的贡献（电子全部被收集的过程）；慢成分是正离子的贡献（正离子程）；慢成分是正离子的贡献（正离子全部被收集的过程）。全部被收集的过程）。离子脉冲电离室离子脉冲电离室离子脉冲电离室的工作条件为离子脉冲电离室的工作条件为RCT+，其中：，其中：iiLiLCCCCRRRRR0,RL：负载电阻；

28、：负载电阻；Ri：放大器的输入：放大器的输入电阻；电阻；Ci：放大器的输入电容；：放大器的输入电容；C0：电离室电容；电离室电容；C：杂散电容：杂散电容 理解：电流脉冲先给电容理解：电流脉冲先给电容C充电，充电，在充电过程中，因在充电过程中，因RC很大使在很大使在R上流上流过的电荷可忽略。当过的电荷可忽略。当t=T+时，充电达时，充电达最大值。当最大值。当tT+后，充电停止，后，充电停止，C上的上的电荷通过电荷通过R放电，电压放电，电压VC(t)按指数规按指数规律下降。律下降。 离子脉冲电离室可用来测量带电粒子的能量离子脉冲电离室可用来测量带电粒子的能量，特别是重带电，特别是重带电粒子（如粒子

29、（如粒子粒子）。）。缺点缺点：脉冲延续时间太长脉冲延续时间太长（ms），当计数率），当计数率大于大于102cps时，脉冲可能发生重叠。时，脉冲可能发生重叠。 当当tT+时，脉冲是上升阶段，当时，脉冲是上升阶段，当t=T+时，脉冲达到最大值，随后，时，脉冲达到最大值，随后，按时间常数为按时间常数为RC的指数规律下降。的指数规律下降。在此条件下，在此条件下，Vc(t)波形为：波形为： 因而，脉冲宽度为因而，脉冲宽度为RC的量级（的量级（10-410-5s），最大幅度决定），最大幅度决定于于 ，但，但 与离子对产生的地点有关。所以，与离子对产生的地点有关。所以，电子脉冲电离室电子脉冲电离室虽可获得更

30、高的计数率，但不能用于分析带电粒子的能量虽可获得更高的计数率，但不能用于分析带电粒子的能量。VV 电子脉冲电离室的工作条件为电子脉冲电离室的工作条件为T-RCT+，在，在tT-以后就以时间常数以后就以时间常数RC放电。放电。可认为电子已被收集而正离子几乎还没动。可认为电子已被收集而正离子几乎还没动。V电子脉冲电离室电子脉冲电离室 屏栅电离室屏栅电离室克服了电子脉冲电离克服了电子脉冲电离室的脉冲幅度与电离产生地点有关的室的脉冲幅度与电离产生地点有关的缺点，使缺点，使脉冲高度正比于原始电离电脉冲高度正比于原始电离电荷，而不再与产生位置有关荷，而不再与产生位置有关。p 改进：改进： 结论：结论：p

31、脉冲的变化率取决于漂移速度。脉冲脉冲的变化率取决于漂移速度。脉冲前沿主要是电子脉冲的贡献，但脉冲幅度前沿主要是电子脉冲的贡献，但脉冲幅度与电离产生的地点有关。与电离产生的地点有关。p 至于脉冲最终达到的最大幅度只决定于原电离的离子对总数，至于脉冲最终达到的最大幅度只决定于原电离的离子对总数，而与电离产生的地点无关。认为电子脉冲和离子脉冲的贡献是各占而与电离产生的地点无关。认为电子脉冲和离子脉冲的贡献是各占一半的概念也是错误的。一半的概念也是错误的。p RC是电路的时间衰减常数，其大小直接影响脉冲幅度和形状，是电路的时间衰减常数，其大小直接影响脉冲幅度和形状，因而影响电离室的性能。因而影响电离室

32、的性能。 p 电离室工作在饱和区，此时，没有电离离子数的放大存在。电离室工作在饱和区，此时，没有电离离子数的放大存在。CWeECeNCQV0饱和4、讨论、讨论p 电离室的大小和电离室的大小和形状，壁厚和电极的形状，壁厚和电极的材料、充气成分、电材料、充气成分、电压强度等，根据辐射压强度等，根据辐射的性质、实验的要求的性质、实验的要求而确定。而确定。p 对重带电粒子可测量能量（对重带电粒子可测量能量（FWHM1%），对），对X、与中子与中子主要是测量其通量（粒子注量率），强度和剂量（率）。主要是测量其通量（粒子注量率），强度和剂量（率）。p 测量测量射线时，则要求电离室具有较厚的室壁，以阻隔住射

33、线时，则要求电离室具有较厚的室壁，以阻隔住射射线、线、X射线等。射线等。p 用于用于粒子测量时，要求电离室的容积要大，充较高气压的气粒子测量时，要求电离室的容积要大，充较高气压的气体。体。p 电离室气体探测器的探测效率较低。电离室气体探测器的探测效率较低。1、正比计数器的结构、正比计数器的结构 为获得好的能量分辨率，大多数采用为获得好的能量分辨率，大多数采用圆筒形、鼓形结构，以便有均匀的电场分圆筒形、鼓形结构，以便有均匀的电场分布，可使射线入射窗作得很大。阳极丝加布，可使射线入射窗作得很大。阳极丝加正高压，金属壳为阴极，面对入射窗设置正高压，金属壳为阴极，面对入射窗设置一个出射窗，好让未被气体

34、吸收的光子穿一个出射窗，好让未被气体吸收的光子穿出。出。 正比计数器是一种充气型辐射探测正比计数器是一种充气型辐射探测器，器，工作在工作在气体电离放电伏安特性曲线气体电离放电伏安特性曲线的的正比区正比区。2、正比计数器的工作原理、正比计数器的工作原理 在正比区，在正比区，M与射线离子的原始比电离无关，与射线离子的原始比电离无关，只决定与工作电只决定与工作电压压，收集的总电量，收集的总电量MQ仍保持着与射线粒子在灵敏体积内产生的总仍保持着与射线粒子在灵敏体积内产生的总离子对数目成正比。离子对数目成正比。 气体探测器工作于正比区，因为工作电压足够高，在气体探测器工作于正比区，因为工作电压足够高，在

35、中心丝阳中心丝阳极附近出现了高电场极附近出现了高电场，在离子收集的过程中将出现气体放大现象，在离子收集的过程中将出现气体放大现象，即被加速的原电离电子在电离碰撞中逐次倍增（雪崩现象）。所以即被加速的原电离电子在电离碰撞中逐次倍增（雪崩现象）。所以最后收集到的离子对总电荷量不再等于射线粒子产生的原始电荷量最后收集到的离子对总电荷量不再等于射线粒子产生的原始电荷量Q，收集的总电量变为，收集的总电量变为MQ，M称为气体放大倍数称为气体放大倍数（可高达（可高达104）。）。于是，在于是，在收集电极上感生的脉冲幅度收集电极上感生的脉冲幅度 V将是原电离感生的脉冲幅将是原电离感生的脉冲幅度的度的M倍倍，即

36、，即00MVCeNMV处于这种工作状态下的气体探测器就是正比计数器。处于这种工作状态下的气体探测器就是正比计数器。CWeECeNCQV00使气体原子电离初级射线高压p 气体放大机制：气体放大机制：即满足即满足收集到的离子收集到的离子对数目对数目N与射线离子与射线离子在工作气体中产生的在工作气体中产生的初始离子对数目初始离子对数目N0成成正比：正比：N=MN0p 广泛应用于正比计数器的电极结构：广泛应用于正比计数器的电极结构： 设圆柱形计数管的阳极半径为设圆柱形计数管的阳极半径为a ，电位为电位为Vc；阴极半径为；阴极半径为b ，电位为，电位为 Vk；外加工作电压；外加工作电压 ，则，则沿着径向

37、位置为沿着径向位置为r的电场强度为的电场强度为:KCVV 0V)/ln()(0abrVrE E(r)随距中心丝距离减小而急剧增强随距中心丝距离减小而急剧增强。原始电离的自由电子当。原始电离的自由电子当漂移至中心丝阳极附近时就会漂移至中心丝阳极附近时就会引发气体放大引发气体放大。由于电子具有高迁移。由于电子具有高迁移率且就在中心丝周围，所以被很快收集，随后正离子开始向阴极运率且就在中心丝周围，所以被很快收集，随后正离子开始向阴极运动，在中心丝阳极上感应出电荷，选取动，在中心丝阳极上感应出电荷，选取RCT+（正离子收集时（正离子收集时间），所以间），所以正比室的正比室的输出脉冲窄输出脉冲窄且且其幅

38、度正比于其幅度正比于电离辐射在工作气电离辐射在工作气体中产生的体中产生的原电离而与产生位置无关原电离而与产生位置无关，特别适合测量低电离辐射粒，特别适合测量低电离辐射粒子的能量（如子的能量（如粒子、软粒子、软X X射线射线），且可忍受较高的计数率。），且可忍受较高的计数率。3、讨论、讨论 1）工作在正比区，有气体放大效应，输出信号幅度较电离室大；）工作在正比区，有气体放大效应，输出信号幅度较电离室大； 2）输出信号幅度尚与充气气压有关。）输出信号幅度尚与充气气压有关。 3）采用不同的结构，充不同的气体，可以设计出测量不同射线：）采用不同的结构，充不同的气体，可以设计出测量不同射线：、X、n的正

39、比计数管。的正比计数管。例如：充例如：充BF3测量中子；测量中子； 4）可以进行能量与强度测量（即能注量率和粒子注量率的测量）。）可以进行能量与强度测量（即能注量率和粒子注量率的测量）。 探测中子的本质探测中子的本质是探测中子与原子核的相互作用中产生的次级带电粒子。是探测中子与原子核的相互作用中产生的次级带电粒子。探探测中子的测中子的4种基本方法种基本方法：核反应法、核反冲法、核裂变法和核活化法。：核反应法、核反冲法、核裂变法和核活化法。 10B(n,)7Li反应是目前应用最广泛的，主要原因是硼材料容易获得，气态反应是目前应用最广泛的，主要原因是硼材料容易获得，气态可选用可选用BF3气体。气体

40、。 核反应法核反应法：由于中子核反应所产生的带电粒子与中子和靶核的作用截面以及：由于中子核反应所产生的带电粒子与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 ，所以通过测得带电粒，所以通过测得带电粒子在探测器中产生的脉冲数可求出中子注量率。主要用来探测慢中子注量率。子在探测器中产生的脉冲数可求出中子注量率。主要用来探测慢中子注量率。中子中子与靶核带电粒子)(N1、G-M计数器的结构计数器的结构 圆柱形计数管为圆柱形玻璃外壁，圆柱形计数管为圆柱形玻璃外壁，内衬一金属圆筒或涂一层导电物质内衬一金属圆筒或涂一层导电物质（Hg或或ZnCl2）作为阴极。计数管内沿）作为阴极。计数管内

41、沿轴心穿一根细钨丝作为阳极。钟罩形计轴心穿一根细钨丝作为阳极。钟罩形计数管外观象一个扣着的钟罩，供射线进数管外观象一个扣着的钟罩，供射线进入的底窗是云母片制成的。入的底窗是云母片制成的。 G-M计数管内充工作气体：惰性气体（氩、氖、氮）；猝计数管内充工作气体：惰性气体（氩、氖、氮）；猝灭气体（乙醇、二乙醚、溴、氯等）。灭气体（乙醇、二乙醚、溴、氯等）。2、G-M计数器的工作原理计数器的工作原理 惰性气体的作用是射线照射后引惰性气体的作用是射线照射后引起气体的电离，产生放电。起气体的电离，产生放电。 猝灭气体的作用是猝灭气体的作用是防止防止计数管在计数管在一次放电之后，发生连续放电。一次放电之后

42、，发生连续放电。 1）射线进入计数管内，引起管内惰性气体电离，形成正负离）射线进入计数管内，引起管内惰性气体电离，形成正负离子对。在电场作用下，正离子向负极，电子向正极移动。射线引起子对。在电场作用下，正离子向负极，电子向正极移动。射线引起的电离称为的电离称为原电离原电离。 2）当电子靠近阳极电场强度越大，受到作用也大，运动速率）当电子靠近阳极电场强度越大，受到作用也大，运动速率加快，加快，又碰撞到又碰撞到阳极附近阳极附近的惰性气体分子的惰性气体分子引起次级电离引起次级电离。多次的新。多次的新的次级电离，使得阳极附近在极短时间内，产生大量次级电子，这的次级电离，使得阳极附近在极短时间内，产生大

43、量次级电子，这种现象称为种现象称为雪崩雪崩。 3）沿整个阳极金属线引起雪崩的结果，大量的电子跑到阳极）沿整个阳极金属线引起雪崩的结果，大量的电子跑到阳极上，阳极产生放电，产生脉冲电压，记录即可检测粒子的数目。上，阳极产生放电，产生脉冲电压，记录即可检测粒子的数目。 4）惰性气体正离子这时在）惰性气体正离子这时在阳极丝周围阳极丝周围形成正离子鞘。形成正离子鞘。 5）惰性气体正离子与猝灭气体发生电子交换，恢复成中性。）惰性气体正离子与猝灭气体发生电子交换，恢复成中性。猝灭气体正离子移动到阴极通过解离（分解成小分子）释放能量，猝灭气体正离子移动到阴极通过解离（分解成小分子）释放能量，抑制连续放电。抑

44、制连续放电。3、讨论、讨论 1）工作在）工作在GM计数区，有很大计数区，有很大的气体放大效应，输出信号幅度较的气体放大效应，输出信号幅度较正比计数器大；正比计数器大；2）输出信号幅度尚与充气气压有关。）输出信号幅度尚与充气气压有关。 3）采用不同的结构，充不同的）采用不同的结构，充不同的气体，可以设计出测量不同射线：气体，可以设计出测量不同射线：、X的的G-M计数管。计数管。 4）只能进行粒子的强度测量。）只能进行粒子的强度测量。即只能用作计数（测粒子注量）、显即只能用作计数（测粒子注量）、显示有无射线进入探测器，根本无法分示有无射线进入探测器，根本无法分辨射线的种类和能量。辨射线的种类和能量

45、。 核辐射与物质相互作用会使阻止介质原子或分子被激发，当其核辐射与物质相互作用会使阻止介质原子或分子被激发，当其退激的过程中，将把从辐射粒子处获得的能量以一定波长的光的形退激的过程中，将把从辐射粒子处获得的能量以一定波长的光的形式释放出来，这种光的波长属于可见光波长范围，称为闪烁光。闪式释放出来，这种光的波长属于可见光波长范围，称为闪烁光。闪烁探测器就是利用这一特性来工作的。烁探测器就是利用这一特性来工作的。1、闪烁探测器的结构、闪烁探测器的结构 p闪烁探测器是由闪烁探测器是由闪烁体闪烁体、光学收集系统光学收集系统和和光电转换器件光电转换器件组成。组成。 闪烁晶体闪烁晶体，如：，如：NaI(T

46、l)晶体、晶体、BGO（锗酸铋，（锗酸铋，Bi4Ge3O12）晶）晶体、体、CsI(Tl)晶体、晶体、ZnS(Ag)、蒽、塑料、液体闪烁体等。其中，、蒽、塑料、液体闪烁体等。其中， NaI(Tl)晶体应用最为广泛。有常用的标准探测器，还有根据用户具晶体应用最为广泛。有常用的标准探测器，还有根据用户具体应用而设计的特殊探测器。体应用而设计的特殊探测器。 光学收集系统光学收集系统，包括：反射层、光学耦合剂、光导。，包括：反射层、光学耦合剂、光导。 光电转换器件光电转换器件，如：光电倍增管（，如：光电倍增管（ PMT或或GDB）、光电二极）、光电二极管，及所需的电子学电路组成。管，及所需的电子学电路

47、组成。NaI(Tl)BGOBaF2塑料闪烁体CsI(Tl) 几种主要闪烁体介绍：几种主要闪烁体介绍：p NaI(Tl)晶体：晶体： Z较大、易潮解、易碎裂、温较大、易潮解、易碎裂、温度稳定要求高，与度稳定要求高，与PMT的光谱的光谱匹配好，匹配好，FWHM优于优于8% 主要用于探测低能主要用于探测低能射线和射线和X射线。射线。p CsI(Tl)晶体：晶体： 不潮解，不潮解，密度和密度和Z比比NaI(Tl)大，机械强度大，大，机械强度大，温度稳定性好温度稳定性好，贵贵。 对重带电粒子阻止本领高，便于在高能对重带电粒子阻止本领高，便于在高能辐射本底下测量辐射本底下测量及低能及低能X射线等。射线等。

48、 对对粒子的发光效率很高，早期常作为粒子的发光效率很高，早期常作为闪烁谱仪的闪烁晶体。对闪烁谱仪的闪烁晶体。对210Po的的5.3MeV的的粒子，能量分辨率优于粒子，能量分辨率优于4%。p ZnS(Ag)闪烁体：闪烁体： 多晶粉末，易塑性，多晶粉末，易塑性，Z较大，半透明，发光较大，半透明，发光效率极高，对重带电粒子阻止本领很大。对效率极高，对重带电粒子阻止本领很大。对射线极不灵敏。射线极不灵敏。 很适合于在很适合于在、本底场中测量重带电粒本底场中测量重带电粒子子、p p等。缺点：由于透明度和能量分辨率等。缺点：由于透明度和能量分辨率较差，不能用来测量较差，不能用来测量能量，只能作能量，只能作

49、强度强度测量。测量。p BGO（锗酸铋，（锗酸铋，Bi4Ge3O12）晶体：）晶体： Z较大、较大、不潮解、不潮解、透明度高透明度高，与与PMT的光谱匹配好的光谱匹配好。对低能。对低能X射线和高能射线和高能有特别高的探测效率。有特别高的探测效率。 主要用于探测低能主要用于探测低能X射线和高能射线和高能射线或电子。射线或电子。p 液体闪烁体：液体闪烁体：p 塑料闪烁体：塑料闪烁体： 用发光物质溶于有机溶液内制成。优用发光物质溶于有机溶液内制成。优点：发光衰减时间短点：发光衰减时间短(毫微秒数量级毫微秒数量级)、透明度好、容易制备、成本较低、透明度好、容易制备、成本较低、Z小、小、易塑性、体积不受

50、限。易塑性、体积不受限。 主要用于测量中子及主要用于测量中子及射线，在某些射线，在某些弱放射性或液态样品的测量中也广泛采弱放射性或液态样品的测量中也广泛采用。用。掺Gd(g)的液体闪烁体 特点：制作简便、发光衰减时间短特点：制作简便、发光衰减时间短(13ns)、透明度高、光传输性能好、性能、透明度高、光传输性能好、性能稳定、机械强度高。稳定、机械强度高。 可测量可测量、快中子、质子、快中子、质子、宇宙射线及裂变碎片等。宇宙射线及裂变碎片等。 光电倍增管（光电倍增管（PMT）：）：p 结构：由光阴极结构：由光阴极K、阳、阳极极A、倍增级（通常为、倍增级（通常为1214级）以及高压（级）以及高压（

51、HV）组成。组成。p 作用：将闪烁体发出的闪烁光转换成光电子，并进行倍增。作用：将闪烁体发出的闪烁光转换成光电子，并进行倍增。p 工作原理：工作原理： PMT通常工作在通常工作在10002500V的高压下，光阴极最低，阳极最的高压下，光阴极最低，阳极最高。每个相邻倍增极间分别有高。每个相邻倍增极间分别有100200V电位差，通过分压电阻向各电位差，通过分压电阻向各倍增极提供电压。倍增极提供电压。 闪烁体发出的光子通过光导照射到光阴极闪烁体发出的光子通过光导照射到光阴极K上，通过光电效应上，通过光电效应产生光电子发射。在电场加速下，光电子打在倍增极上，通过电离产生光电子发射。在电场加速下，光电子

52、打在倍增极上，通过电离引起倍增极的二次电子发射。每个电子能从倍增极上打出引起倍增极的二次电子发射。每个电子能从倍增极上打出36个次个次级电子，倍增极使电子再次加速倍增，电子流逐渐升高，最后到达级电子，倍增极使电子再次加速倍增，电子流逐渐升高，最后到达阳极的电子流增益在阳极的电子流增益在105106数量级。数量级。PMT把阴极的光电流放大几把阴极的光电流放大几万万几百万倍。几百万倍。2、闪烁探测器的工作原理、闪烁探测器的工作原理 射线进入闪烁体，与之发生相互作用，闪烁体吸收带电粒子射线进入闪烁体，与之发生相互作用，闪烁体吸收带电粒子能量而使原子、分子电离和激发；能量而使原子、分子电离和激发； 受

53、激原子、分子退激时发射荧光光子；受激原子、分子退激时发射荧光光子； 利用反射物和光导将闪烁光子尽可能多地收集到光电倍增管利用反射物和光导将闪烁光子尽可能多地收集到光电倍增管的光阴极上，由于光电效应，光子在光阴极上击出光电子；的光阴极上，由于光电效应，光子在光阴极上击出光电子； 光电子在光电倍增管中倍增，数量由一个增加到光电子在光电倍增管中倍增，数量由一个增加到104109个，个，电子流在阳极负载上产生电信号；电子流在阳极负载上产生电信号； 电信号由电子仪器记录和分析。电信号由电子仪器记录和分析。p 输出信号幅度输出信号幅度V与入射粒子能量与入射粒子能量E的关系：的关系：1200V入射入射射线射

54、线EV输出端电信号输出端电信号NaI(Tl)PMT3、闪烁探测器测量射线信号的基本特征、闪烁探测器测量射线信号的基本特征输出光电子光电子光子入射粒子ViMNNNEPM经入射粒子输出EV典型的闪烁探测器测量的典型的闪烁探测器测量的137Cs的的射线谱线射线谱线184KeV（反散射峰）（反散射峰）1、半导体探测器的结构及工作原理、半导体探测器的结构及工作原理 半导体探测器（半导体探测器（semiconductor detector）是以半导体材料为探）是以半导体材料为探测介质的辐射探测器。最通用的半导体材料是锗和硅。测介质的辐射探测器。最通用的半导体材料是锗和硅。PN结型结型面垒型面垒型 固体半导

55、体探测器可看作固体半导体探测器可看作固体电离室固体电离室，即，即“填充填充”半导体晶体半导体晶体（而不是气体）作介质的电离室。因此其工作原理与电离室相同（而不是气体）作介质的电离室。因此其工作原理与电离室相同（通过电离将入射射线转换成电信号）。（通过电离将入射射线转换成电信号）。 半导体探测器有两个电极，加有一定的偏压。当入射粒子进入半导体探测器有两个电极，加有一定的偏压。当入射粒子进入半导体探测器的灵敏区时，即产生半导体探测器的灵敏区时，即产生电子电子-空穴对空穴对。在两极加上电压在两极加上电压后，电荷载流子就向两极作漂移运动，收集电极上会感应出电荷，后，电荷载流子就向两极作漂移运动，收集电

56、极上会感应出电荷，从而在外电路形成信号脉冲从而在外电路形成信号脉冲。 由于固体半导体探测器阻止本领比电离室中所充气体的大好几由于固体半导体探测器阻止本领比电离室中所充气体的大好几倍。产生一个电子倍。产生一个电子-空穴对所需的平均能量，硅为空穴对所需的平均能量，硅为3.6eV，锗为，锗为2.8eV。而在气体中产生一对离子对，需要电离能量而在气体中产生一对离子对，需要电离能量36.5eV左右。闪烁探测左右。闪烁探测器产生一个光电子需器产生一个光电子需100eV。射线消耗相同能量，在半导体探测器。射线消耗相同能量，在半导体探测器中产生的电子中产生的电子-空穴对数要多得多，因而形成脉冲幅度的相对涨落空

57、穴对数要多得多，因而形成脉冲幅度的相对涨落要小得多，所以半导体探测器的能量分辨率好得多。要小得多，所以半导体探测器的能量分辨率好得多。PN结型结型面垒型面垒型2、常用的半导体探测器、常用的半导体探测器p 金硅面垒型半导体探测器：金硅面垒型半导体探测器： 金硅面垒探测器，金硅面垒探测器，由于耗尽层厚度较薄由于耗尽层厚度较薄，主要用于探测带电重主要用于探测带电重粒子粒子(如如、P等等)，亦可用作能谱测量，探测效率近于，亦可用作能谱测量，探测效率近于100。也可也可用于用于射线测量，对射线测量，对射线不灵敏射线不灵敏。 金硅面垒探测器属于金硅面垒探测器属于PN结型半导体探测器，以结型半导体探测器，以

58、N型硅单晶作基型硅单晶作基片。基片经酸处理后形成一氧化层，氧化层具有片。基片经酸处理后形成一氧化层，氧化层具有P型硅特性，氧化型硅特性，氧化层构成层构成PN结耗尽层为金硅面垒探测器的灵敏区。在氧化层上镀一层结耗尽层为金硅面垒探测器的灵敏区。在氧化层上镀一层金膜金膜(约约10nm厚厚)。 下图为使用不同孔径滤膜采集的空气样品，用下图为使用不同孔径滤膜采集的空气样品，用金硅面垒探测器金硅面垒探测器测得的测得的214Po（7.687MeV）和）和218Po（6.002MeV）的）的能量谱。能量谱。 根据根据能谱仪测能谱仪测得的能量峰，可以得的能量峰，可以确定样品中的不同确定样品中的不同核素，以及各单

59、个核素，以及各单个核素的活度水平。核素的活度水平。cpm: counts per minute仪器常用单位：仪器常用单位：p HPGe（高纯锗）半导体探测器：（高纯锗）半导体探测器： HPGe灵敏区的厚度与材料的电阻的平方根成正比，所以高纯灵敏区的厚度与材料的电阻的平方根成正比，所以高纯度的度的Ge的探测灵敏区厚度可达的探测灵敏区厚度可达10mm，一般有平面型和同轴型两种。，一般有平面型和同轴型两种。常温时常温时Ge的禁带太小（且同轴型结电容较大），因此必须在低温下的禁带太小（且同轴型结电容较大），因此必须在低温下工作。工作。 主要测量主要测量射线和射线和X射线射线。3、半导体探测器的特点、半

60、导体探测器的特点p 主要优点：主要优点： 能量分辨率高（优于正比计数器、闪烁计数器）。例如：金硅能量分辨率高（优于正比计数器、闪烁计数器）。例如：金硅面垒探测器对面垒探测器对241Am的的5.486MeV的的射线峰的线宽度达射线峰的线宽度达10.8KeV。 线性范围宽。在很大能量范围内，探测器的输出幅度与所测射线性范围宽。在很大能量范围内，探测器的输出幅度与所测射线的能量都精确地成正比。线的能量都精确地成正比。p 主要缺点：主要缺点： 受强辐照后性能变坏，输出脉冲幅度小，性能随温度变化较大受强辐照后性能变坏，输出脉冲幅度小，性能随温度变化较大等。等。 脉冲上升时间较短，可用于快速测量；窗可以做得很薄，可测脉冲