核辐射物理与探测学复习

1、核辐射物理与探测学复习注：本提纲中的问题覆盖范围并不完备，因此不能完全替代书本复习，仅作参考之用！一、关于载流子1) 无论是气体探测器，还是闪烁、半导体探测器，其探测射线的本质都是将射线沉积在探测器灵敏体积内的能量转换为载流子。这三种探测器具有不同的载流子，分别是：气体（），闪烁体（），半导体（）；答：Ø 气体：电子离子对；Ø 闪烁体：第一个打拿极收集到的光电子；Ø 半导体：电子空穴对；2) 在这个转换过程中，每产生一个载流子都要消耗一定的能量，称之为（），对于三种探测器来说，这个能量是不同的，分别大概是多少？气体（），闪烁体（），半导体（）。这个能量是大些好，还

2、是小些好？为什么？答：Ø 平均电离能；30eV，300eV，3eV；Ø 这个能量越小越好，因为平均电离能越小，产生的载流子就越多，而载流子的数目服从法诺分布，载流子越多则其数目的相对涨落越小，这会导致更好的能量分辨率；3) 在这个转换过程中，射线沉积在探测器中的能量是一个（）变量，而载流子的数目是一个（）变量，载流子的数目是不确定的，它服从（）分布，该分布的因子越是大些好，还是小些好？为什么？答：连续型变量；离散型变量；法诺分布；法诺因子越小越好，小的法诺因子意味着小的统计涨落，导致好的能量分辨率；二、关于探测效率1) 对于不带电的粒子（如、中子），在探测器将射线沉积在其灵

3、敏体积中的能量转换为载流子之前，还需要经历一个过程，如果没有该过程，则探测器无法感知射线。以射线为例，这个过程都包含哪些反应（）？这个过程的产物是什么（）？对于1个1MeV的入射射线，请随便给出一个可能的该产物能量（）？答：Ø 对于射线，这些反应包括光电效应、康普顿散射以及电子对效应（如果射线的能量>1.022MeV）；Ø 这些反应的产物都是次级电子；Ø 对于1个1MeV的射线，次级电子的能量可以是几十keV几百keV，也可以是接近1MeV；2) 这个过程发生将主要地决定探测器的探测效率，那么影响探测效率（本征）的因素都有哪些（）？在选择探测器的时候，为了得

4、到高的探测效率（本征），应该做什么考虑（）？答：Ø 影响本征探测效率的因素有：探测器的原子序数、密度、体积、形状，以及射线的能量，甚至还包括射线射入探测器的位置、角度；Ø 在选择探测器时，为了得到高的本征探测效率，应该选择那些原子序数高、密度大的探测器，探测器的体积要大并且探测器的形状合理（例如正圆柱形）；3) 绝对探测效率和本征探测效率的区别是什么？ 答：Ø 绝对探测效率考虑的是对每一个源发射出的粒子，探测器测量到的计数值；Ø 本征探测效率考虑的是对每一个射入探测器的粒子，探测器测量到的计数值。Ø 绝对探测效率是整个探测系统中所有环节的综合表

5、现；而本征探测效率则主要反映了探测器的特性；三、关于能量分辨率1) 能量分辨率是探测器的一项重要指标，但能量分辨率并不是一个特定的量，当我们说某个探测器的能量分辨率是多少的时候，需要指定条件，这个（些）条件是（）。答：Ø 需要指定这是对哪个能量说的。比如，当我们说某个NaI(Tl)探测器的能量是7%的时候，指的是对662keV的射线能量，如果是对于1.33MeV的射线，就不再是7%了，而是要小一些；2) 能量分辨率是个绝对的概念还是相对的概念（）？答：Ø 是个相对的概念，能量分辨率的分子是全能峰的半宽度，分母是全能峰能量的期望值；3) 对于某个确定的探测器，能量分辨率与灵敏

6、体积内沉积能量的关系是什么（）？答：Ø 如果仅仅考虑载流子的统计性问题，则能量分辨率与灵敏体积内沉积能量的关系是反比于E的1/2次方；4) 虽然我们希望能量分辨率越小越好，但实际上它总是受统计涨落限制的，不可能无限小。请从载流子的角度描述，这个限制是什么？ 答：Ø 一个确定的射线能量经过带电粒子在探测器内的电离过程，变成了数目不等的载流子，载流子的的数目服从法诺分布；当载流子数目的期望值N较大时，它将表现为一个期望值为N，sigma为sqrt(FN)的高斯分布，由此决定的能量分辨率为2.355×sqrt(F/N)；Ø 这个分辨率是无法再被改善的，是分辨率

7、的极限，实际中还要考虑其它因素对能量分辨率的影响，因此能量分辨率还要更差。四、射线与物质相互作用1) 带电粒子在射入某个物质时，可以与物质发生四种类型的作用，分别是（）？虽然从微观上看，带电粒子与物质发生的每次相互作用的效果是（）的，但是从宏观上看，我们可以认为带电粒子在进入介质中之后，一定和介质发生了相互作用。答：Ø 带电粒子使原子核外电子电离或激发；带电粒子受到原子核库仑力时发生的轫致辐射；带电粒子与原子核发生的弹性碰撞；带电粒子与原子核外电子发生的弹性碰撞（实际相当与整个原子）；Ø 带电粒子与物质发生的每次相互作用都是随机的（例如，碰撞参数不同，导致其传递给电子的能量

8、就是不同的）；2) 重带电粒子与介质发生相互作用的主要类型是（）；假设你是一个（5MeV）粒子，当你进入某一个介质并被其阻止时，你是否会知道该介质的原子序数是多少，为什么？随着进入该介质的深度不断增加，你的能量将会不断（），对于某个确定的深度，你的能量也是确定的吗，为什么？你是否可以准确预测你将在哪里停下来，为什么？你在介质中损失能量的同时，也在介质中造成了影响（“乒乒乓乓，有的电子被电离，有的电子被激发”），那么随着你的不断深入，你在路上观察到的自由电子是越来越密集，还是越来越稀疏，为什么（不考虑你快要停下来时候的情形）？你的行进道路是曲折的，还是直来直去的，为什么？曾经有一些电子，距离你的

9、路径是那样的近，当你从它们身边掠过的时候，它们被你强劲地拉动了，形成了（）？它们在停止之前又做了些什么？答：Ø 重带电粒子与介质发生相互作用的主要类型是电离（激发）；Ø 如果我是一个粒子，我无法判断介质的原子序数，因为尽管电离能量损失率是与原子序数Z成正比的，但是同时也是与原子密度N成正比的；仅仅通过电离能量损失一项无法判断Z的大小；Ø 随着进入介质深度的增加，能量将会不断下降；Ø 在某个确定的深度，粒子的能量不是确定的。原因是粒子的能量损失过程是一个随机过程，其能量会随着射程的延伸而表现出能量歧离；不过粒子能量的期望值是确定的；Ø 不能确定地

10、预测粒子将在哪里停下来，同样是因为能量损失过程的随机性导致的射程歧离；Ø 随着射程的延伸，粒子的能量逐渐降低，在单位路径上交给电子的能量越来越多，因此看到的自由电子越来越密集（未考虑最终阶段）。Ø 粒子的径迹基本是直线，因为粒子质量远远超过电子的质量，粒子的方向很难被改变；Ø 那些碰撞参数很小的电子形成了delta电子，这些电子的能量足够高，还能接着去电离；3) 快电子与物质发生相互作用的主要类型包括（）和（），二者都可以使快电子的能量损失，其比例关系是（）。如果你是个快电子，射入了某一个介质，你有无可能告诉我们该介质的原子序数是高还是低，为什么？为什么你看起来像

11、个醉汉，东歪西扭地走路？是什么原因，使你突然发生了接近180度的偏转？对于粒子，知道了起始位置和入射方向，其终点位置就差不多确定了，那么对于快电子呢？答：Ø 快电子与物质相互作用的主要类型为电离（激发）和轫致辐射；二者的比例关系为EZ/700（轫致辐射能量损失率vs电离（激发）能量损失率）；Ø 如果是个快电子，进入介质之后，有可能根据两种能量的损失关系来判断原子序数的高低；Ø 与入射电子发生碰撞的可能是电子，二者质量相同，因此入射电子的方向可能发生很大的变化；与入射电子发生碰撞的也可能是原子核，高原子序数的原子核提供的强大库仑力可能会使入射电子发生大角度的反散射；

12、因此电子的径迹是曲曲折折的；高原子序数原子核对电子的吸引使得电子180度的反散射成为可能；Ø 对于粒子来说，入射方向和入射位置确定，基本终点就可以确定了，但是对电子是不可能的；4) 假如一个粒子和一个电子同时从坐标（0，0，0）（单位：cm）的位置出发，并也碰巧都停在了某个介质中的（10，0，0）位置处。问它们各自走了多少路程，粒子答曰：“10.01cm左右吧！”电子答曰：“屈指算来，与粒子相仿也是10cm左右”。它们的回答是否正确，为什么？答：Ø 对于粒子来说，是正确的，因为其射程与路程长度相当；Ø 对于电子来说，不对，它的路程长度远远超过射程；5) 在一个半径

13、为1cm的NaI晶体球的球心处，有一个能量为3MeV的电子想要“跑出去”，很不幸，它没有成功，为什么？如果有10000个这样的电子被“抓住”了，那么能否说NaI晶体球内沉积的能量增加了30GeV呢，为什么？答：Ø 因为3MeV电子的在NaI中的射程仅为4mm，不足以射出1cm的NaI球；Ø 由于电子能量可能以轫致辐射的方式损失，而轫致辐射产生的X射线可能穿透NaI球出去，因此NaI晶体球沉积的能量小于30GeV；6) 射线与单能快电子的区别是什么？当一束射线射入某种介质时，随着入射深度的不断延伸，我们能够观测到的电子数目会越来越少，其减少规律近似地服从一种规律，是什么（）？

14、答：Ø 射线的电子能量是连续的，不是单一的；Ø 这个规律是“指数”衰减规律；7) 对于不带电的粒子，我们通常关心的是射线和中子。它们是间接致电离粒子，需要先通过某些反应变成带电粒子才可以电离。对于射线来说，它能不能和射入的介质发生相互作用是一个（）事件。在射入某个介质之后，它可能和介质中的原子发生三种反应（虽然不局限于此三种，但我们只感兴趣这三种），分别是什么？这三种反应的截面与原子序数和能量关系很重要，这个关系是什么？请说出这三种反应的产物及其可能存在的后续反应的产物都是什么？答：Ø 随机事件；Ø 光电效应、康普顿散射、电子对效应（射线能量超过1.02

15、2MeV）；Ø 这三种反应的截面与原子序数的关系是Z的5次方、1次方和2次方；与能量的关系总的来讲：随着能量提高，光电效应和康普顿散射反应的截面下降，而电子对效应的截面提高（有阈值1.022MeV）；Ø 光电效应的产物：光电子，内层电子空位导致的后续X射线或俄歇电子；Ø 康普顿散射：反冲电子，散射光子；这个散射光子还能继续发生反应（光电、康普顿、电子对等）；Ø 电子对效应：其动能分享了射线能量与1.022MeV之差的正负电子，正电子迅速减速湮没（固体：ps时间）放出两个背向出射的511keV光子；光子还能继续发生光电效应或康普顿散射；8) 对于中子来说，

16、通常有核反应法、核反冲法、裂变法和活化法来将其转换为带电粒子。这些带电粒子可能是（）？核反应法常常用于测量低能的慢中子，此时中子的反应截面与中子的能量之间存在一个关系，是什么关系？在慢中子能区，当中子的能量减小为原来的1/4时，其反应截面将变为原来的（）？答：Ø 粒子，质子，裂变碎片，反应生成的子核，电子；Ø 1/v关系，2倍；9) 如果不考虑积累因子，和中子穿透某种介质的概率服从什么规律？决定衰减系数的因素有哪些？为什么要提出质量衰减系数这个概念？水和水蒸气的衰减系数是否相同，质量衰减系数呢？积累因子的来源又是什么呢？答：Ø 指数衰减规律；Ø 决定线性

17、衰减系数的是反应截面和原子的空间密度；u 对于射线：反应截面由原子序数和入射的射线能量决定；u 对于中子：反应截面由原子核和入射的中子能量决定；Ø 提出质量衰减系数概念的原因是为了描述同种物质在不同物理状态下对射线的衰减；Ø 水的衰减系数比水蒸汽的答，但是质量衰减系数二者是相同的；Ø 积累因子的主要来源是康普对散射（电子对效应亦有可能）。五、统计学问题1) 在辐射探测中，统计性是固有的数学特性，是无法消除的。对同一个物理量，即使保持一切条件不变，不次的观测也会得到不同的结果，这些结果服从一定的概率分布。这些概率分布都是哪些？（）答：泊松分布（期望值>20后近

18、似为高斯分布），指数分布，法诺分布；2) 请回答下列问题：a) 一个活度为10微居的Cs-137源（半衰期为30.17年），一秒钟放出的射线的数目服从什么分布？答：泊松分布b) 设某探测器对上述源发出的射线的绝对探测效率为10%，则探测器每秒测到的信号数目服从什么分布？答：泊松分布c) 射线进入探测器，通过三种效应产生了次级电子，这个次级电子的能量具体为多少是与发生的反应类型有关的，不妨设次级电子的能量为500keV。这个500keV的电子将在探测器内损失能量并形成大量电子离子对（设为气体探测器），则电子离子对的数目服从什么分布？答：法诺分布d) 探测器在某个时刻t0记录到了一个入射事件，在t

19、1时刻记录到了随后到来的第二个事件。时间差t1-t0是个随机量，它服从什么分布？答：指数分布3) 泊松分布是辐射探测中的主要分布。它由二项分布演化而来，在推导泊松分布的时候，需要满足什么条件？请对下面的问题作出回答：答：大量、独立、小概率事件；a) 一个活度为10微居的Cs-137源（半衰期为30.17年），30年内放出的射线的数目是否还服从泊松分布？为什么？答：不是，已经不满足小概率事件这个条件；4) 泊松分布在什么情况下可以简化为高斯分布？其期望值和方差之间的关系是什么？答：Ø 当泊松分布的期望值很大的时候，可以用高斯分布来近似泊松分布，一般认为期望值大于20就可以。Ø

20、 泊松分布的期望值方差；5) 法诺分布不同于泊松分布的地方在哪里？法诺分布中的法诺因子一般小于1，其来源是什么？答：Ø 法诺分布具有和泊松分布类似的形式，但是法诺分布的方差比泊松分布的方差多了一个法诺因子F。Ø F小于1的原因是电离时产生载流子的碰撞之间并不是独立的；6) 什么是级联过程，级联过程变量的期望值与方差有什么特点？在什么情况下，级联变量的相对方差主要由第一级变量的相对方差决定？请举出一个级联变量的例子，并说明它是由哪几个量级联而成的？答：Ø 关于级联过程定义，请见讲义P173。Ø 级联过程变量的期望值是各级期望值的乘积，相对方差等于各级相对方

21、差加权之和，每一级相对方差的权重为前面各级期望值乘积的倒数；Ø 如果第一级的期望值很大，则级联变量的相对方差主要由第一级的相对方差决定；Ø 正比计数器放电产生的电子离子对的数目就是级联变量，第一级变量为带电粒子电离产生的电子离子对数目，第二级变量则为每个电子离子对中的电子在雪崩区域放电产生的电子离子对数目；7) A和B均服从泊松分布，则C=A+B是否服从泊松分布，D=A-B是否服从泊松分布？ 答：C服从泊松，但是D不服从。C和D的方差是相同的；8) 在下列测量结果中，哪些结果的平方根是对它们的标准偏差的合理估计？a) 某探测器的1分钟测量计数b) 某探测器的10分钟测量计数

22、c) 某探测器在本底环境下测量1分钟，扣除本底之后的计数d) 某探测器测量60秒之后得到的计数率（以cps为单位）e) 某探测器测量60秒之后得到的计数率（以cpm为单位）f) 连续测量5次，每次测量1分钟，5次测量得到的计数的平均值g) 连续测量5次，每次测量1分钟，5次测量得到的计数的和答：a，b，e，g9) 关于误差的传递公式，大家要做到很熟悉，试着回答下述问题：a) 已知某样品测量时的计数率为100cps，欲使对该样品计数率测量的相对标准偏差小于0.1%，则测量时间应该选择多长？答：10000秒b) 在某一个测量中，10分钟测量得到的相对标准偏差为2.8%，欲使这个值继续降低为1%，则

23、需要再测量多长时间？答：68.4分钟c) 在某一次实验中，我们想在本底环境下精确测量一个放射源的计数率。经过短暂的粗测之后，估计出本底计数率为25cps，加上样品后的计数率为100cps。如果总共有1小时的测量时间，则本底和样品的测量时间应该怎样分配？最终得到放射源净计数率的相对标准偏差是多少？答：本底测量20分钟，样品测量40分钟；相对标准偏差为1/300;d) 本底计数率是(500+-20) /min，样品计数率是(750+-25)/min，求净计数率及误差。（这是课堂测验的题目）答：净计数率为250cpm；本底的测量时间为1.25min，样品的测量时间为1.2min，因此净计数率的误差为

24、sqrt(500/1.25+750/1.2)=32cpm;10) 某个探测器在同样条件下进行多次测量，得到的计数结果为：1001，1010，990，1003，1002，997，995。请判断这组数据是否正常，为什么？答：不正常，一致性过好；样本的平均值为999.7，标准偏差为6.4，标准偏差的平方为42<<999.7;六、气体探测器1) 回顾带电粒子或中性粒子是如何在气体电离室中产生载流子的，有哪些物理过程？答：Ø 中性粒子（或中子）通过相应的反应（光电效应、康普顿散射、电子对效应，核反应、核反冲、裂变等）变成次级带电粒子。Ø 以次级电子为例，电子在气体电离室的

25、灵敏体积内损失能量，损失能量的主要方式是电离（包括激发），其中的电离（不包括激发）过程形成“载流子”“电子离子对”。Ø 激发后退激发光光子的光电效应光致电离；Ø 电离后离子在阴极形成的电子离子反馈；Ø 处于压稳态原子对其它原子的电离第二类非弹性碰撞；2) 在气体中，产生一个“电子离子”对所需要的平均能量大约是多少？其法诺因子在什么范围？答：平均能量大约为30eV。法诺因子在0.20.5的范围；3) 为什么载流子的数目可以反映射线在气体探测器中沉积的能量？答：因为每产生一个载流子的能量基本是确定的，都是30eV左右，故载流子的数目能够反应沉积能量的大小；4) 如果没

26、有外加电压，载流子在电离室中产生之后会经历哪些物理过程，这些过程对载流子的影响是什么？ 答：如果外加电压，载流子将会经历扩散、电子吸附和复合的过程。其中电子吸附和复合将会导致载流子的减少，使得载流子的统计性变差；5) 在电离室外加电压所形成的电场中，载流子中的电子和离子会开始漂移，电子和离子的饱和漂移速度分别大约是什么量级？载流子的漂移速度与它们在外电路形成的感应电流大小之间存在什么关系？为什么电子在外电路的感应电流大于离子在外电路的感应电流？电子感应电流流过的总电荷量是否一定比离子相应的总电荷量大？是什么决定了电子（或离子）感应电流流过总电荷量的大小？答：Ø 离子（cm/ms），电

27、子(cm/s)；Ø 载流子的漂移速度越大，则它在外电路感应的电流越大（感应电流与载流子的漂移速度和电场强度的乘积有关）；Ø 因为电子的漂移速度远远大于离子，因此电子的外电路感应电流更大；Ø 但是电子的感应电流在外电路流过的电荷量并不一定比离子的大；决定电子（或离子）感应电流流过总电荷量的大小的是电子（或离子）从漂移起始位置到阳极（阴极）所经历的电位差占阴阳极板间电位差的份额；6) 电离室的构成是什么？答：高压极，收集极，保护极，负载电阻7) 随着电离室外加电压的增大，电离室的工作状态也将发生变化。请说出电离室有几个工作区？答：（复合区），饱和区，正比区，（有限正比

28、区），GM区，（连续放电区）8) 电子电离室是否只收集电子的感应电流？离子电离室是否只收集离子的感应电流？这两种电离室的优缺点分别是什么？是什么因素决定了一个电离室是电子还是离子电离室？答；Ø 电子电离室只对电子的感应电流敏感；Ø 而离子电离室则既对离子，也对电子的感应电流敏感；Ø 电子电离室可以实现高的计数率，并有好的信噪比，但是输出信号的幅度与电子离子对的产生位置有关系（而这个位置往往是随机的），因此无法测量单个入射粒子的能量信息；Ø 离子电离室虽然能够测量单个入射粒子的能量信息，但是由于离子的漂移时间为ms量级，因此导致每个脉冲的持续时间很长，无法

29、实现高的计数率，并且信噪比较差（因为低通滤波器）；Ø 决定一个电离室是离子还是电子脉冲电离室的因素是外电路的时间常数，如果外电路的时间常数远远大于离子的收集时间，则是离子脉冲电离室；如果外电路的时间常数远远小于离子的收集时间，但远远大于电子的收集时间，则是电子脉冲电离室；9) 圆柱形电子脉冲电离室和屏栅电离室是如何克服电子电离室和离子电离室的缺点的？对于圆柱形电离室来说，外电路的信号主要是由电子还是离子电流构成的？另外，后面我们还会讨论正比计数器，那么正比计数器的外电路信号主要由谁构成呢？圆柱形电离室的中央丝极是正高压还是负高压，为什么？答：Ø 由于圆柱形电子脉冲电离室的圆

30、柱形结构，使得压降主要发生在半径靠近阳极丝附近的较小区域，而射线产生的电离主要发生在半径较大的区域，因此电离产生的“电子离子对”中的大部分电子在向阳极漂移的过程中都经历了整个阴阳极压降的大部分每个电子在外电路流过的感应电荷都接近于1个电子电量，这个特点使圆柱形电子脉冲电离室既有电子脉冲电离室中电子的快特性，又在能量分辨上具有较好的特性；Ø 屏栅电离室则由于屏栅的存在，使得每一个电离产生的电子离子对中的电子都经过同样的电位差具有同样的贡献。外电路流过的电量严格地正比于电子离子对的数目；Ø 对于圆柱形电子脉冲电离室来说，信号主要是由电子构成的；Ø 正比计数器则主要是由

31、离子构成的；Ø 圆柱形电离室的目的在于发挥电子漂移速度快的优点，并使电子在漂移路径扫过大部分的阴阳极压降（为了准确测量粒子能量）。如果中央丝极不是阳极，则电子扫过的压降只是很小的一部分，并且随电离产生位置的变化明显，因此无法准确测量粒子的能量；所以其丝极必须是阳极；10) 为什么正比计数器的中央丝极必须是正高压？为什么正比计数器的信号主要由离子贡献？正比计数器的放电位置是发生在局部，还是发生在整个阳极丝？在一个正比计数器内，是否能够同时发生2个或2个以上的正比倍增过程？正比计数器的输出信号与什么成正比？如果不考虑电子学因素对能量分辨率造成的影响，仅就载流子自身的统计性而言，是离子电离

32、室的能量分辨率好，还是正比计数器的能量分辨率好？答：Ø 正比计数器的核心在于电子的雪崩倍增过程（离子是无法雪崩倍增的），只有中央丝极是阳极，才能保证电子的雪崩过程；Ø 由于雪崩后的电子离子对距离阳极丝很近，电子从雪崩位置到阳极丝所经过的电位差只占整个电位差的很小一部分，因此电子感应电流流过的电荷很少，而离子的则占了大多数，所以正比计数器的信号主要由离子贡献；Ø 正比计数器的放电发生在局部；Ø 正比计数器可以同时发生多个正比倍增（雪崩）过程；Ø 正比计数器的输出与射线沉积能量成正比，也与倍增系数（工作电压有关）成正比；Ø 仅考虑载流子自

33、身的统计性，则离子电离室的能量分辨率好；11) 正离子的漂移速度很慢（ms量级的漂移时间），为什么正比计数器仍然可以获得s量级的时间响应特性？答：尽管离子慢，但是离子只需要漂移很短的距离就可以扫过大部分的压降（圆柱型结构的特性）；因此正比计数器仍然可以获得较快的时间响应；12) G-M管的放电是发生在局部，还是发生在全阳极丝？G-M管的输出信号幅度具有怎样的特性？答：G-M管的放电是全局发生的；G-M管的输出信号幅度与入射粒子的能量没有关系，无论入射粒子的能量如何，G-M管的输出信号幅度都是确定的（如果在上一个信号的恢复时间内例外）；13) 在有机管中，有机气体分子的作用是什么？如果G-M管全

34、部充满了有机气体（没有氩气了），G-M还能否正常工作，为什么？答：有机气体起到了猝熄的作用；如果G-M管全部充满了有机气体，则G-M管也无法工作，因为有机气体分子有大量低的激发能级，使电子无法积累能量来发生电离；14) 有机管和卤素管的主要区别在哪里？卤素气体分子的作用是什么？答：二者所充的猝熄气体不同。卤素气体由于可以被Ne的亚稳态通过第二类非弹性碰撞电离，而电子可以在几个自由程内进行加速将Ne激发到亚稳态（此前无有效地竞争过程），所以卤素管可以实现较低的阈压，并且可以在半径较大的区域内发生放电；当然，卤素气体也起到了猝熄的作用；15) 无论是圆柱形电离室，还是正比计数器或G-M管，当从中央

35、丝极引出信号的时候，这个信号的极性是什么？答：负极性；16) 假设在射线强度（指射入灵敏体积的射线数目）为X，电离室工作电压为V时，电离室工作在饱和区，输出脉冲信号的幅度为A。若保持其它因素不变，只是增大射线强度，例如变为2X，则输出脉冲信号的幅度是否一定为A？如果不是，原因是什么？通过什么办法可以使输出的幅度成为A？我们在这里讨论的是气体电离室的什么特性？答：Ø 信号的幅度可能还是A，但也可能不是A。Ø 一个电离室是工作在复合区还是饱和区是与工作电压和射线的入射情况都有关系的。当射线的强度增加时，可能需要更高的电压来抑制电子和离子的复合问题。在本题目中，随着射线强度的增加

36、，也许电离室还工作在饱和区，也许不。如果射线强度过强，使之从饱和区进入复合区，则需要进一步提高工作电压（前提是工作电压还没有高到正比区的放电电压）；Ø 这里讨论的是电离室的饱和特性；17) 什么是坪特性，正比计数器和G-M管的坪斜成因分别是什么？答：Ø 坪特性：计数率vs工作电压的曲线；Ø 正比计数器： u 负电性气体、末端和管璧效应产生的小信号，在工作升高之后也可以被记录了（因为超过了阈值）；u 如果信号的幅度分布是从0开始的，那么随着工作电压的提高，更多的信号会超过阈值，形成坪斜；Ø G-M管：u 工作电压升高导致正离子反馈的增加，在阴极产生了电子，

37、导致了假计数；u 工作电压的升高，使负离子在阴极或阳极附近延迟地放出了电子，导致了假计数；u 工作电压升高导致了尖端放电可能性的加大，导致了假计数；u 工作电压升高，灵敏体积会相应增大；18) 假设利用G-M管对某一个活度为A的放射源进行测量，得到的计数率（平均值）为2000cps。如果别的条件保持不变，只是源的活度增大为2A，则得到的计数率（平均值）是4000cps吗？为什么？答：不是，小于4000cps，因为死时间所占的份额更大，活（有效测量）时间更少了；19) 正比计数器的死时间是可扩展的吗？G-M管的死时间是可扩展的吗？答：正比可以，G-M不可以； 20) 如果用示波器来观察G-M的输

38、出信号，各个信号的幅度大小是一样的吗？为什么？G-M管的分辨时间与阈值有无关系？答：Ø 如果不考虑恢复时间内的信号，则是一样的。但如果考虑恢复时间，则不是一样的，因为在恢复时间内，正离子鞘尚未完全漂移完毕，入射粒子产生的雪崩放大效应较小，信号较小。Ø G-M的分辨时间与阈值有关系；21) 什么是分辨时间，什么是时间分辨本领？答：Ø 分辨时间：能够分辨开两个相继入射粒子间的最小时间间隔；Ø 时间分辨本领：由探测器输出脉冲来确定入射粒子入射时刻的精度；22) 决定一个电离室是工作于脉冲状态还是累计状态的因素是什么？如果每秒钟射入探测器灵敏体积的带电粒子数目为

39、100cps，若要让探测器工作在累计状态，外电路参数应该如何选择（举一个例子说明）？在该参数下，输出电压信号的相对均方涨落是多少？如果100cps增大为50000cps，情况又怎样？答：Ø 决定电离室工作于脉冲状态或累计状态的因素是粒子的入射率和外电路的时间常数；Ø RC50ms；10%；Ø RC=100s; 10%23) 设用同一套累计电离室测量装置先后测量两个放射源（置于电离室内，其粒子的全部能量损耗在灵敏体积内）的平均信号电流。若两个源所产生的平均电流相同，而第一个源的粒子能量高，则测量第一个源时信号的统计涨落将比测第二个源时（大，一样，还是小？）（此为课堂

40、测验题目）答：前者的统计涨落大；24) 请解释一下，为什么空气可以广泛应用于电离室，但是却很少用在正比计数器中？答：因为空气中的氧气是负电性气体，对正比放大过程构成了很大的影响；七、闪烁探测器1) 闪烁探测器的载流子是第一打拿极收集到的光电子，请描述从1个2.754MeV射线入射开始，到形成载流子需要经历哪些物理过程？形成一个载流子需要的平均能量大约是多少（对于不同的探测器是不同的，给个范围即可）答：Ø 物理过程包括：u 射线与闪烁体内的原子发生反应（光电、康普顿、电子对），产生带有能量信息的次级电子；u 次级电子在闪烁体内损失能量，使闪烁体电离；u 闪烁体将能量交给激活剂；u 激活

41、剂退激发光；u 光子经反射、光导传输到光阴极；u 闪烁光子在光阴极产生光电子；u 光电子被第一打拿极收集形成载流子；Ø 形成一个载流子的平均能量300eV（对每种闪烁体都是不同的）2) 闪烁探测器的突出优点在于其本征探测效率高，在同样的形状下，为什么BGO探测器比NaI探测器的本征探测效率高？答：Ø BGO的密度（7.13g/cm3）比NaI的密度（3.67g/cm3）大；Ø BGO的原子序数（83）比NaI（53）的高；3) 发光效率的含义是什么？它与本征探测效率有无直接关系？为什么我们倾向于选择发光效率大的闪烁体？答：Ø 发光效率描述的是闪烁体将带电

42、粒子所沉积能量转换为闪烁光子的能力；Ø 它和本征探测效率没有直接的联系；Ø BGO的发光效率比NaI低，但它的本征探测效率却不比同样尺寸的NaI低；Ø 之所以选择发光效率大的闪烁体，目的在于实现高的能量分辨率；4) 闪烁体发光的光子数目近似认为是服从什么分布，对应的法诺因子是多少？答：光子的数目近似服从泊松分布，法诺因子为1；5) 光阴极是否能够把每一个射向光阴极的闪烁光子都转换为光电子？什么叫量子效率？答：Ø 光阴极并不能把每个射向光阴极的闪烁光子都转换为光电子；Ø 量子效率描述的是每个入射的闪烁光子所转换出光电子的数目；6) 闪烁探测器的载

43、流子是同时产生的吗？如果不是，由什么决定？答：Ø 不是；Ø 由于闪烁光子的发出不是同时的，受发光衰减时间的影响，因此由闪烁光子导致的光电子也不是同时产生的；7) 为什么有些闪烁体可用于做粒子种类的鉴别？答：因为在某些闪烁体中，所发荧光有快慢成分，而不同带电粒子在其中电离后发光的快慢成分比例是不同的；8) 沉积同样能量的不同种射线，被NaI探测器测量后得到的信号幅度期望值一定是相同的吗？为什么？答：不是；因为不同种类射线的发光效率可能是不同的；9) 为什么光阴极的电位是光电倍增管中最低的？答：因为电子在光电倍增管内的倍增过程是从低电位向高电位运动的；10) 如果要做类比的话，

44、电子从第一个打拿极向阳极运动的过程可类比于气体探测器中的什么环节？在这个环节中，载流子的绝对数目是增大还是减小了？载流子的统计性是变好还是变差了？为什么一定要有这个环节？答：Ø 可类比于正比计数器的雪崩过程；Ø 在这个环节中，载流子的绝对数目增大了，但是统计性却没有变好，而是有些变差；Ø 之所以必须这个环节，是因为第一打拿极收集到的光电子数目太小，直接形成的信号幅度很小，无法实现高的信噪比（噪来自于后续电路）；11) 为什么最后几个打拿极要并联电容？答：在最后几个打拿极处，倍增后的电子电流很大，需要并联电容来为信号提供通路，实现稳压；12) 正高压供电和负高压供电

45、的特点分别是什么？答：Ø 正高压：阴极接地，但是在阳极和输出之间需要增加隔直电容，不适合于高计数率和电流情况；Ø 负高压：无需隔直电容，适合高计数率和电流情况，但是光阴极处于负高压，需要防止漏电流和场致发光；13) 我们可以从阳极收集信号，也可以从前几个打拿极收集信号。这两种信号有什么区别？答：Ø 从阳极收集到的信号是负极性，幅度较大；Ø 从前级打拿极收集到的信号先为负极性（幅度小），然后为正极性（幅度变大，因为电子倍增），幅度较小，但是由于电子的渡越时间较小，时间离散也小，因为时间特性较好；14) 什么是电压型脉冲工作状态，什么是电流型脉冲工作状态？其

46、输出信号的幅度分别是多大？答：Ø 当外电路的时间常数远远大于发光时间时，表现为电压型脉冲工作状态；Ø 当外电路的时间常数远远小于发光时间时，表现为电流型脉冲工作状态；幅度大小的表达式请见讲义；15) 对于某个射入NaI探测器的射线，它可能在探测器内发生多次康普顿散射，每次都会产生一个反冲电子。NaI探测器能否区分这些电子（是当作1个电子来看，还是当作多个电子来看）？为什么？答：会当作一个电子来看，因为这些电子的产生时间尽管是有先后的，但与闪烁体的发光时间相比，这些时间先后的间隔是很短的，无法区分；16) 什么是峰总比？峰总比大些好，还是小些好？下面列出了几种比较，请分析谁的

47、峰总比更大？答：峰总比指的是全能峰面积与整个能谱面积的比值；峰总比大些好；a) 形状尺寸相同，密度相同，原子序数不同：Z大的探测器 vs Z小的探测器答：前者大b) 都是NaI探测器，体积不同：2英吋（直径）×2英吋vs 3英吋（直径）×3英吋答：后者大c) 形状尺寸相同，原子序数相当，密度不同：密度大 vs 密度小答：前者大d) 都是NaI探测器，体积相同，形状不同：1英吋（直径）×8英吋vs 2英吋（直径）×2英吋答：后者大八、半导体探测器1) 半导体探测器具有非常好的能量分辨率特性和较高的本征探测效率，它的载流子是“电子空穴对”。那么产生一个“电子

48、空穴对”需要的平均电离能是多少？法诺因子的范围是多少？2) “电子空穴对”是如何产生的？答：带电粒子在半导体中的电离，使得价带中的电子进入导带，形成电子空穴对；3) 电子和空穴的饱和漂移速度在什么量级？答：107cm/s；4) 在选择半导体作为探测器材料时，应考虑什么原则？答：Ø 应该有大的电阻率，以减小漏电流和减小结电容；Ø 应该有长的载流子寿命，以保证大体积下载流子的收集；5) PN结探测器中的耗尽层是怎样形成的？耗尽层的存在与实现高能量分辨率有什么关系？答：Ø 耗尽层的形成，请见讲义；Ø 在耗尽层中，由于载流子的数目很少，表现出了高的电阻率，使得漏

49、电流很小，保证了高的能量分辨率；6) 载流子在产生之后会有哪些过程使之损失或无法形成信号？为什么希望载流子的寿命长？答：Ø 载流子会因为陷落或复合而损失，无法形成信号；Ø 载流子寿命长有利于实现大体积的探测器，提高对穿透能力较强射线的探测效率；7) 就统计学特性而言，PN结探测器能够实现很好的分辨率。如果只考虑统计涨落问题，一个5.486MeV的粒子在金硅面垒探测器中的能量分辨率是多少？答：4keV；8) 要实现这么好的能量分辨率，势必要考虑其它因素对能量分辨率的“败坏”问题，有什么因素会使金硅面垒探测器测量到的能量分辨率变差呢？答：探测器的噪声信号；电子学的噪声；入射窗的

50、影响；载流子的陷落与复合；9) 综合考虑各项因素对能量分辨率的影响之后，我们将得到一个总的能量展宽E。各分项因素的贡献E1，E2，Ei等与E之间存在什么关系？答：它们之间是平方和关系；10) 在影响半导体探测器分辨率的各项因素中，电荷灵敏前置放大器的噪声也是重要的一项。什么是零电容噪声，什么是噪声斜率？如果零电容噪声为1keV，噪声斜率为0.03keV/pf，现知道由前放造成的能量展宽为7keV，那么探测器的电容是多大？答：200pf11) 增加金硅面垒探测器的反向电压，会有什么好处，又会有什么坏处？应该怎么选择反向电压的大小？答：Ø 好处是增大灵敏体积，减小结电容（电容噪声小）；&

51、#216; 坏处是反向电流会增大；Ø 反向电压有一个最优值，此时能量分辨率最好；12) 为什么PN结探测器结区不能做得很厚？这个缺点带来了什么问题？答：因为Si材料的掺杂浓度无法做得很小，因此同样反向电压下，结区的厚度不大，仅为mm量级。虽然可以通过提高反向电压来增大厚度，但是电压过高会使结区交界处发生击穿，因此不能无限提高电压；13) HPGe探测器也是一种PN结探测器吗？为什么它可以实现较大的结区厚度？答：是。因为HPGe探测器所用的Ge材料杂质浓度很小，仅为1010原子/cm3；14) 对于1.33MeV的射线，HPGe探测器的典型能量分辨率是多少（以keV为单位）？答：最好可

52、以达到1.3keV，常见的是1.75MeV左右；15) 什么是峰康比？当我们说某个HPGe探测器的探测效率是50的时候，这个探测效率是怎么定义的？50和20探测效率的HPGe相比，谁的峰康比大？答：Ø 峰康比指全能峰的高度与康普顿平台高度的比值；Ø 所谓50%探测效率的HPGe探测器，指的是其全能峰效率相对于3英吋NaI探测器的全能峰效率为50；Ø 50探测效率的HPGe探测器峰康比更大；16) 为什么一般HPGe探测器所测能谱的逃逸峰比NaI探测器的要明显？答：因为HPGe探测器的对出射511keV射线的阻挡能力不如NaI探测器；九、中子测量1) 探测中子的基本

53、方法有哪些？有哪些常用的中子探测器？答：Ø 核反应法；核反冲法；裂变法；活化法；Ø 气体探测器：BF3正比计数器，3He正比计数器，裂变室，硼电离室等；Ø 闪烁体：LiI，Li玻璃等；2) 什么是中子与物质相互作用的宏观截面？答：即原子核密度与每个原子核与某个能量中子的反应截面的乘积。它与线性衰减系数具有同样的量纲和含义。反映了某个能量的中子在某个介质中单位距离内被衰减的程度；3) 什么是中子探测的灵敏度，其量纲是什么？如果某个BF3正比计数器充气压力为500mmHg（室温下），B-10的浓度为90，灵敏体积为3×20cm。请估算这个正比计数器对25.3meV中子的灵敏度。已知B-10对25.3meV的热中子的截面为3836b。答：中子灵敏度的量纲为面积；8.6cps/nv;4) 上题中同样的正比计