[专业文献]03核地球物理仪器

1、3.1核辐射的基本知识3.1.1 放射性现象放射性现象对于我们早已不陌生，岩石里、食物内、空气中，到处都存在放射性。放射性现象就是不稳定的核素自发地放出粒子或射线，或在轨道电子俘获后放出X射线，或产生自发裂变的过程。我们知道，原子由原子核和其外围绕的电子组成，原子核由质子及中子组成，质子与电子的数目相等，使原子呈中性。通常用AZX表示核素，X为元素的化学符号；A为质量数，等于质子和中子质量的总和，Z为原子序数，等于质子的数目。例如氢有三个核素：氢、氖、氖，分别记作11H，21H，31H，它们是同位素。同位素是质子数相同，而中子数不相同的核素。从构成万物的一百多种元素来看，已经发现了2000多种

2、核素，其中280多种核素是稳定的。在不稳定的核素中有60多种是天然放射性核素，其中主要在 Z 83的元素里，而余下的为人工放射性核素。天然放射性核素发生核衰变时，会放出、射线，人工放射性核素还可以辐射出质子或中子等。天然放射性核素自发地衰变，一般不受温度、压力的影响，并且按指数规律变化，若某时刻t时的放射性原子核数目为N（t）,则其与初始N0时具有的放射性原子核数目N。之间有下面的关系： N（t）= N0e-t （1-1）称为衰变常数，和原子核的性质有关，不同的原子核有不同的，衰变常数的物理意义是单位时间内一个原子核发生衰变的概率。它反映的是衰变的速度，愈大，则衰变率愈大，衰变速度愈快。通常用

3、半衰期T1/2来表示衰变的速度或元素的寿命。半衰期就是放射性元素原有的原子衰变一半所需要的时间。例如238U的半衰期T1/2= 451*109a,从若原有 1000万个原子，则经过451*109a后将剩下一半，约 500万个，再经过451*109a又剩下一半约为 250万个；而不是经过一个半衰期剩下了一半，再经过一个半衰期的时间另一半就衰变完了。实际上，历时10个半衰期，原有的原子还剩下于分之一左右。半衰期和衰变常数有下面的简单关系：T1/2=ln2/ （1-2）各种放射性核素的半衰期差别很大，例如氡的三个放射性同位素：222Rn（氡）、220Rn（钍射气）、 219Rn（锕射气） 虽然同为惰

4、性气体，但半衰期差别很大，分别为 38 2 5 d，5 56 s和 39 6s，利用半衰期的差别就可以把它们区分开来。虽然不同放射性核素的半衰期或衰变常数为一确定数值，基本上不随化学或物理状态而改变。但是在放射性测量时我们将会发现，测量条件虽未变化，而所得结果并不完全一样，即放射源每单位时间内发生衰变的原子数目是不相同的，时多时少，有起有伏。例如第一次读数为每分钟100次衰变，条件完全相同，第二次读数可能为每分钟97次衰变，第三次读数却为每分钟108次衰变，前后读数相差不少，这是其他许多测量（长度测量、重量测量等）中未见到过的，这种现象称为放射性衰变的统计涨落。出现这种现象的原因在于放射性原子

5、核的衰变是自动发生的，哪一个原子核发生衰变是带有偶然性的，谁先衰变，谁后衰变无法确定。因此，对一具有大量原子的放射源，在某一时刻会有较多的原子核衰变，而另一时刻则有较少的原子核衰变，这样便使观测结果有了起伏涨落。实验及理论均已证明，放射性测量的数据虽有涨落，但比较集中地在某一个范围内波动。例如进行了1000次观测，平均值N=400，数据出现在 N士N范围内的数占 683，即有 683次数据出现在 4 0 0 士20范围内（3804 2 0之间），而超过N士N 这个范围的数据占317，即约有317次的结果不在380420这个范围内。出现在N士2N范围内的概率是955；出现在N士3N范围内的概率是

6、 997。人工放射性探测与天然放射性测量一样，都具有放射性统计涨落现象，并符合上述规律。3.1.2射线与物质的相互作用一、射线和物质的相互作用为了便于掌握放射性测量仪器的工作原理，下面按照不同类型的射线介绍射线和物质相互作用的有关知识。射线是由粒子组成的。粒子就是快速运动的氦核，它是一个稳定的原子核，粒子是在不稳定原子核发生衰变时放射出来的。天然放射性核素衰变时放射出的粒子的动能约在410MeV之间。粒子质量较大，所以它的速度比光速低很多，能量为10 MeV的粒子，其运动速度约为光速的 1/10。由一定的放射性核素辐射出来的粒子能量是一定的，如：214Po(RaC)辐射出的粒子能量为 768

7、MeV，212Po(ThC) 放出的粒子能量为1054 MeV。在同时还辐射出射线时，一般辐射出不止一种能量的粒子，226Ra衰变时伴有辐射，它的粒子有两种能量，一种是478 MeV（占 943），另一种是459 MeV。不同核素放出的粒子在能量（或称能谱）方面的这种差异可以用来区分不同的放射性核素。粒子通过物质时主要是与介质中原子的轨道（束缚）电子相互作用。带电的粒子与束缚电子作弹性碰撞，两者之间的电磁相互作用使束缚电子得到加速而离开轨道变成自由电子，引起电离。如果束缚电子获得的能量还不够大，未能变成自由电子，而只是激发到更高能级上去，便是激发作用。粒子通过物质时，能量主要消耗在使物质电离和

8、激发上。我们正是根据粒子电离或激发介质的原子产生的效应来探测粒子有关特性的。因为粒子能量很大，而在每一次碰撞中损失的能量相对是很小的，所以原子对粒子的散射作用很小，a粒子在空气中的轨迹近似直线，仅在其末端，因粒子速度变小，运动轨迹才稍有弯曲。粒子能量不断消耗于电离和激发上，最终耗尽动能，粒子就停下来，在捕获了两个电子后，变成通常的氮原子。粒子在物质中穿透的距离称为射程，它随粒子能量及介质不同而异。粒子能量在47MeV范围内时，粒子在空气中的射程R。可用下式求出：R空=0.309E3/2 （1-3）式中R空为粒子在空气中的射程，单位：cm；E为粒于的能量，单位：MeV。粒子的射程很短，而且与粒子

9、的能量有关，在空气中一般约为几厘米。天然放射性核素辐射出的能量最大的粒子（E。= 1054 MeV）在空气中的射程也不过是11 5cm粒子通过其他介质时射程就更短了，用一张纸就足以挡住粒子。在塑料中粒子的射程约为l mm。 二、射线及其与物质的相互作用射线是由粒子束组成的。粒子为带一个负电荷（或正电荷）的高速运动（可以接近光速）的电子。带正电的寿命很短，其他性质均与带负电荷的p粒子相同，仅所带电荷符号相反而已。放射性核素衰变时放出的粒子能量一般低于15 MeV，并且粒子的能量都是连续的，可在很大的范围内变化，这是和粒子很不相同的一点。粒子质量轻，体积小，所以它和物质相互作用的特点与粒子有所不同

10、。粒子通过物质时除有电离、激发作用外，还有弹性散射和韧致辐射等现象。带电粒子通过物质时，因受原子核库仑电场的相互作用而改变运动方向的现象称为散射。粒子很轻，散射作用很明显，而且会发生多次散射，粒子散射后运动方向发生改变，甚至可能发生与原来前进方向相反的称为反散射的运动。因此粒子的实际路径比它能穿透的射程一般要大14倍。当粒子被物质所阻止突然降低速度时，有一部分动能将转变为能量连续的电磁辐射，称为轫致辐射。这种轫致辐射损耗随电子能量增加而增加。例如动能为 10 MeV的粒子，在铅（Z为 82）中，电离损耗与轫致辐射损耗基本相等。能量越大，轫致辐射的损耗也越大。因为粒子的质量与电子质量相等，粒子在

11、电离碰撞过程中每次传递给轨道电子的能量涨落很大，再加上轫致辐射损耗，所以即使粒子的能量是单一的，它在同一物质中的路径差别也很大，又因散射现象，粒子的路径就更不会相等，射程的涨落一般达到1015。就214Bi（RaC）放出的射线而言，它的粒子最大能量为317MeV，在空气中的最大射程约为12m，在铝中的射程约为06cm。和粒子相比粒子的穿透能力还是强得多，因此，探测射线和探测射线有许多不同的地方,应予注意。三、 射线及其与物质的相互作用 射线和X射线都是一种电磁波，是一种光子，它们的差别仅在于产生的方式不同。射线通常是伴随射线和射线一起产生的，是原子核从激发态跃迁至基态时放出的电磁辐射。X射线是

12、原子内层轨道电子退激过程或高能电子的韧致辐射所发出的电磁辐射。因为它们是电磁波，所以和光有相同的传播速度，不过射线和X射线波长较短，频率较高。就光子而言，它没有静止质量。光子的能量E=hV,全部是动能,h是普朗克常数，V为频率，光子的能量较可见光的光子能量大得多，波长比可见光短得多，天然放射性核素发生衰变时辐射出的射线的能量约在几十keV到几MeV之间。一定的核素放出的射线能量是一定的。如137Cs放出的射线能量为 06 61 MeV，60Co放出的 射线能量为117MeV和 13 3MeV。以后要讨论的能谱测量正是根据射线能量的差异来区分不同放射性核素的。射线是不带电的辐射，它通过介质时能量

13、的损失方式不同于前述粒子或粒子。后二者主要是通过与原子的轨道电子的库仑场作用，使原子电离或激发，逐渐损耗其能量的。y射线是与原子或电子作用，产生出电子来，并将能量交给这些电子，称为次级电子，再由次级电子引起物质的电离或激发，这样射线可以通过间接的关系加以探测。射线通过物质时，主要有三种相互作用。 （一）光电效应光子与原子相碰撞时，把全部能量交给一个轨道电子，使它脱离原子运动，光子本身整个被吸收，这种作用放出的电子称为光电子，这一效应称为光电效应。图11(a）示意地表示了光电效应的过程。射线本身虽不能引起介质的电离或激发，但产生的光电子将引起物质的电离和激发，借此可对射线加以探测。图11 射线通

14、过物质时的三种效应示意图（a）光电效应；(b）康普顿效应；(c）形成电子对效应。能量为h( EbhmC2,Eb为轨道电子的结合能，mC2=0.51MeV) 的光子通过介质发生光电效应的概率可用下面经验公式表示：NZ5(h)-3.5 (1-4)式中，N为单位体积中的原子数；Z为原子序数。从式（1-41）中可以看出光电效应和原子序数有密切的关系，原子序数愈大愈明显，探测射线用的闪烁计数器等选用原子序数大的材料做闪烁体，就是充分利用这一特性。从式（1-4）还可以看出，当能量增加时，光电效应将明显降低。例如，能量为05MeV的射线通过铅时，光电效应十分明显，而当能量增至2MeV时，光电效应就不十分明显

15、。产生光电效应后的原子会处于激发态，多余的能量可使外层电子从原子中逃出，发射出的这个电子称为俄歇电子；也可以使外层电子跃迁到内层，充填电子空缺，多余的能量以X射线释出。由于每种元素辐射出的X射线能量是一定的，故名特征X射线，也叫X荧光。 （二）康普顿效应当光子能量增加后，光电效应逐渐减弱，康普顿散射成为光子能量损失的主要方式。在这一过程中，光子和原子中的一个电子发生非弹性碰撞。碰撞之后光子将一部分能量传给电子，使电子从原子空间中以一定的方向射出，称为康普顿电子；光子能量减少，并以一定的方向散射出去。若碰撞前光子能量为h，碰撞后光子能量为h，则hh。图l1（B）示意地绘出了这一过程。康普顿电子又

16、称反冲电子，它将引起物质电离或激发，为我们所探测。射线通过介质发生康普顿散射的概率也与光子能量h及介质原子序数Z有关，当hmC2，则（NZ/h）ln(2h/mC2+1/2) (1-5)可见光子能量减弱时，康普顿散射效应上升；介质原子序数及密度大时，康普顿效应增加。 （三）形成电子对效应当 光子能量大于 102 MeV时，它和物质作用有另一新的现象。光子在原子核库仑场作用下转化成一个电子和一个正电子，即形成一个正负电子对，而原来的光子整个不见了。图13(C）示意地表示这一过程的情形。光子通过介质发生形成电子对效应的概率有下面的关系:NZ2(h-2mC2) (1-6)可见，发生形成电子对效应的概率

17、也与人射射线的能量及介质原子序数有关。h大,Z大则产生形成电子对效应的概率增加。正电子和粒子性质相似，会引起物质的电离和激发，因其带有正电荷，当其损失能量之后将和电子结合转化成光子，发生电子对的“湮没”，称为光化辐射，它的特征能量是 051MeV。图 13(C）的下方是电子对湮没的示意图。因此当能量大于10 2 2 MeV的射线穿过原子序数高的介质时，可以容易地测到这个能量的次级射线。 射线也能与原子核作用发生核反应，称光核反应，例如(,n)反应，能产生中子。综上所述射线通过物质时，将发生三种不同的效应，这些效应除与射线能量有关外，还与介质的原子序数Z有关，其中： (光电效应）Z5 (康普顿效

18、应）Z （形成电子对效应）Z 2 为了更好地让光子被介质吸收掉，使其转化为我们能方便探测到的带电粒子，用作探测射线的探测器常常选用原子序数高的材料做成。射线穿过物质的本领比射线要大得多，它在空气中可以穿透数百米的距离，在岩石中也有1m左右的射程。许多放射性核素虽都能辐射出射线，但其能量是不相同的，测定其能谱可以区分它们。值得指出的是射线通过物质时会发生光电效应、康普顿效应等过程，使得实测的能谱曲线与原始情况有较大差异，如图14所示，并在无放射性核素存在的100 keV附近出现峰值，但能量低于50 keV的射线比例很小。这些特点在调整仪器时常可加以利用。图14 岩石上实测的一条射线能谱曲线 四、

19、 中子及其与物质的相互作用中子不带电荷，质量数为1。用带电粒子粒子或光子轰击原子核，当其发生核反应时，可以产生中子。自由中子的半衰期约为12 min。衰变后形成质子、电子和中微子，即np+e-+ 根据中子的能量不同，可以粗略地分成热中子、慢中子、快中子等等。快中子能量最大，一般大于100keV；慢中子的能量一般小于1keV。热中子能量很小，通常与介质的分子或原子热运动的动能为同一个数量级，在 15C时，热中子的平均能量约为 0025eV。中子不带电，通过物质时不受电场的作用，所以即使在热中子那样低的能量时仍可与原子核发生作用，与其发生核反应，这便决定了中子与物质相互作用的许多特殊之处。中子通过

20、物质时主要发生散射和俘获反应。中子的散射可分为弹性散射和非弹性散射。当发生弹性散射时，中子的一部分能量交给原子核，形成所谓反冲核，根据动量守恒原理，原子核的质量愈接近中子质量，中子交出的能量愈多，反冲核的动量将愈大。这个具有一定动量并带有电荷的反冲核，在性质上与粒子颇相似，能引起原子或分子的激发和电离，从而可以间接地显示中子的一些情况。当发生非弹性碰撞时，中子将损失很大一部分能量（例如快中子通常可因此损耗全部能量的90左右）.使原子核处于激发状态，它将在很短的时间内回复到基 态，并放出中子和光子。散射现象是快中子与原子核作用的最主要形式，快中子通过散射作用，能量逐渐减弱，中子速度减低，逐渐慢化

21、而成为慢中子。中子发生被俘获的现象，是中子与原子核相互作用的另一种形式。原子核俘获中子后可形成受激复合核，受激复合核可以通过辐射粒子、光子或发生裂变而回到基态。这些不同的核反应便是通常称做的（n,p）(n,)(n,)或(n,f)反应。俘获是慢中子与介质的原子核相互作用的主要形式，快中子被原子核俘获的概率是较小的。中子虽然不能直接引起物质的电离和激发，但借助上述各种反应产生的一些带电产物的次级作用，中子通过物质时仍能间接地引起原子或分子的电离和激发，从而易于被探测。中子通过物质后，它的减弱规律可用下述关系式表示： N=N0 e-nd （1-6）式中N为透过吸收介质后的中子数目，N0为入射中子的数

22、目，n为吸收介质单位体积内原子核的数目,d为介质的厚度，为介质的有效截面。有效截面表示中子被介质散射和俘获的概率。我们可以把它想象为一个以原子核为中心的圆形靶子，其面积为,因此每当中子进入靶区时，就会发生给定的相互作用，靶愈大，则发生反应的概率就愈大。有效截面曾用单位是“靶恩”，符号为b， B=10-24CM2它并不表示面积，而是反映一种过程的概率。3.1.3放射性测量中的一些常用单位 放射性测量工作中应用的单位很多，由于多种原因，单位的定义变化较大。以下仅就放射性测量工作中常用的单位做一简要介绍。 一、法定计量单位 贝可（勒尔）它是放射性活度的单位。放射性核素每秒钟衰变一次为1贝可勒尔，简称

23、贝可，符号是Bq。 库仑每千克 ：它是射线或X射线的照射量单位。照射量X定义是 X=dQ/dm式中dQ为当光子在质量为dm的空气中释放出来的全部电子被完全阻止于空气中时，在空气中所形成的任一种符号的离子总电荷的绝对值。符号为C/kg。戈（瑞）它是吸收剂量的单位。吸收剂量D是对介质在辐射场中吸收辐射能量的度量，即 D=dE/dm式中dE为辐射授予物质的平均能量,dm 为物质的质量。戈瑞简称戈，符号为 Gy。显然，若平均能量为 1焦耳,入该物质质量为1干克（kg），则 1G y= 1J /kg式中J为焦耳。希（沃特）它是剂量当量的单位。剂量当量H是辐射防护上采取的物理量，用以衡量辐射对人体产生效应

24、的情况， H=DQN式中：D是吸收剂量力是品质因数，N是修正因子。剂量当量的单位称为希，符号为Sv 1Sv=1J/kg3.2核辐射传感器3.2.1 概述一台完整的核辐射仪器，可分为两部分，一是将入射射线的能量转换成电信号或其它易测信号的转换器，即传感器或称为换能器；另一是测量电路或称为仪器，它把核辐射传感器给出的信号予以放大、处理和记录，给人们提供入射线的某些特征，如强度、能量、位置、种类等。用于测定核辐射射线的种类、能量及强度的传感器，称为核辐射探测器。 人们根据不同的要求和探测的对象，制成了多种不同类型的探测器，常见的核辐射探测器按其工作原理可分为以下几种：气体探测器 它是根据带电粒子通过

25、气体时，引起气体的电离来探测辐射粒子的。早期该种探测器曾广泛应用，它的优点是制备简单，性能可靠，成本低廉，使用方便，因而至今仍在应用。随着探测器技术不断发展，在高能物理和重粒子物理实验中它已获得新的应用。闪烁探测器它是根据射线与物质相互作用产生荧光现象，来探测射线粒子的。它比气体探测器高多的探测效率而被广泛使用，在不少仪器中已取代了气体探测器。半导体探测器这是六十年代以来迅速发展起来的一种新型探测器。主要优点是：能量分辨率高。线型范围广，体积小。是今年来发展极为迅速的一种核辐射探测器件。用于核辐射测量的还有原子乳胶，固体径迹探测器；威尔逊（wilson）云室和气泡室火花放电室；多能正比室切伦科

26、夫（uepeHKOB）计数器；热释光探测器等。探测器的工作原理可归纳为：利用射线与物质作用时产生的荧光现象；利用射线通过物质时产生的电离作用；利用射线对某些物质的核反应；利用射线与物质作用时产生辐射损伤；利用射线与物质作用时产生的化学反应或热效应。运用上述某种效应，直接或间接对射线进行探测和解释。本节将讨论前面三种类型的探测器。3.2.2气体探测器气体探测器包括电离室，正比计数器和GM计数器等。图2.1气体探测器的结构示意图研究气体探测器的工作原理首先要了解气体探测器中的电离现象。一、 气体探测器中的电离现象在气体探测器中带电粒子通过气体时与气体分子发生电离碰撞，使气体分子电离或激发。并在粒子

27、通过的途径上生成大量的离子对，或者这些入射的粒子所带电荷与气体分子中核外电子之间产生库仑作用力，使气体分子的核外电子被拉出来，离开原来的分子而独立运动，从而使原来的中性气体分子形成离子对（一个带负电的电子和一个带正电的正离子）。以上统称为气体的电离现象。因为辐射粒子射入气体后将前进一段路程，在它经过的途径上由于电离效应将产生大量的电子正离子对，直到辐射粒子能量逐渐消耗到低于气体分子的电离电位时。电离才告结束，收集这些电离电荷，就可以了解辐射射线的情况。因此，气体探测器也就是离子的收集器，它通常是由高压电极和收集电极组成，常见的是两个同轴的圆柱形电极，两个电极由绝缘体隔开并密封于容器内。电极间充

28、入一定气体并加一定电压，使气体中有一定的电场存在，辐射使两电极间的气体电离时，生成的电子和正离子在电场作用下漂移，最后收集到电极上，电子和正离子生成后，由于静电感应，电极上将感生电荷，并且随它们的漂移而变化。从而在输出回路中形成电离电流。电子电流的强度取决于单位时间被收集的离子对数，与辐射强度一般是成正比关系，还与外加电压形成气体中电场强度呈现如图2.2所示的比较复杂的关系，该曲线是在辐射强度固定不变的情况下，改变电图2.2气体探测器电极到的离子数与外加直流电压的关系极上所加的电压，即改变气体中的电场强度与测得的电离电流的关系曲线，曲线明显地分为五个区段，区称为复合区，在第区中，电离电流随电压

29、的增大而增加，这是因为离子对复合损失随电压的升高而减小。继续增加电压时复合逐渐消失，电流趋向饱和。曲线的第区称饱和区或称电离室区。该区内的离子对可全部被收集，电流强度等于单位时间产生的原电离电荷数。图中曲线的标记对应于和射线，电压超过V以后电流又开始上升而进入第区，第区称为正比区。这时的电场强度使电子加速，进一步引起电离。离子对数将倍增至电离的10104倍。此种现象称气体放大。倍增的系数称气体放大系数，它随电压的增高而增大，但电压固定时气体放大系数恒定。因为电流正比于原电离的电荷数。电压继续增大时由于气体放大系数过大，空间离子密集，抵消部分场强，使气体放大系数相对地减小，这称为空间电荷效应。显

30、然，原电离越大这种影响也越大，这时气体放大系数不是恒定的，而是与原电离有关，所以第区称为有限正比区。进入第区后倍增更加剧烈，电流猛增，形成雪崩放电。此时，电流强度不再与原电离强度有关，图中的和两根曲线重合。而原电离放电只起“点火”作用，在这种情况下每次放电后还必须使其“猝灭”，猝灭作用由猝灭气体或猝灭电路来完成，工作在该区的射线探测器称为盖革弥勒（GeigerMiiller）计数器，或称GM计数器，故该区称GM区或盖革区。 二、气体电离室气体电离室是最早出现的气体探测器。它的工作特点是：收集入射粒子也电离室中形成的全部离子对，外加电场使其既不产生复合也不发生气体放大。它的工作方式可以分为两类。

31、一类是记录单个入射粒子引起的电脉冲信号，称为脉冲工作方式此种电离室为脉冲电离室。只一类是记录大量入射粒子在单位时间内产生的平均电离电流，称为电流工作方式，这种电离室称为电流电离室。还有一种是记录一定时间内大量入射粒子产生的总累积电荷量，这应该属于电流工作方式，但是通常称这种电离室为累计电离室。电离室的结构如图23所示。图2.3电离室的结构略图设射线在探测器中消耗掉的能量为E，得到的电子电荷的平均数为N，则N/E称为探测器的能量-电荷转换系数，即 =N/E；由于能量-电荷转换的统计性，一般为平均值。气体电离室中的能量电荷转换用气体电离室探测带电粒子时，如果所充气体的平均电离能为W，则能量-电荷转

32、换系数就是W的倒数。W是带电粒子在气体中产生一对电子-离子对平均消耗掉的能量，其数值主要决定于气体的种类，与入射带电粒子的种类和能量关系不大。如果入射粒子将它的能量E全部消耗在电离室内，则平均产生的离子对数为：N=E=E/W各种电离室所充气体的平均电离能W大致为2040eV。如果入射粒子的能量为1M eV，取W=33 eV，则产生的离子对数为N=E/W=30000，如果这30000对离子对分别收集在20PF的电容器的两个极板上，所得的电压为V=Ne/C=0.25mV，E为电子电荷。实际上，这些离子不一定收集得到。即使这样，上面的例子也可以使我们对气体电子室探测带电粒子时的电荷转换系数有一个量级

33、的概念，它大概是每MeV约30000对离子对，全收集在20PF的电容器上约0.25mV。三、 GM计数器 （一）、GM计数器的工作原理GM计数器在核辐射探测中一直得到广泛的使用。虽然出现了闪烁探测器、半导体探测器等部分性能比GM计数器优越的器件，但在一些器件中仍使用GM计数器。这主要是因为它具有以下优点：轻便可靠，使用方便。制造容易，价格便宜，输出信号大，附属设备简单等。它能记录不同类型、不同能量的粒子，只要入射的离子在灵敏区内电离产生一对离子对，就能引起计数器发生放电现象，这个离子就被记录下来。因此，GM计数器对带电粒子的探测效应可达100%。 盖革计数管结构盖革计数管一般做成圆柱状，中间用

34、一根金属丝做成阳极，其外壳有一金属厩叫做阴极，通常阳极和阴极封装在玻璃管内，也有阴极本身兼做外壳的，管内充以一定比例的惰性气体和多原子气体。GM计数器的缺点是：不能鉴别粒子的类型和能量；分辨时间长，约102s，故不能进行快速计数；正常工作的温度范围小；有乱真记数。GM计数器按不同情况可分为以下几类：1按用途可分为计数器，计数器，射线计数器。2按所充催灭气体可分为有机计数器和卤素计数器。3按形状可分为圆柱形、钟罩形和4形计数器。G-M计数器所加工作电压均在盖革区，有气体放大作用，所以输出信号幅度较大，约为几伏到几十伏。当工作电压一定时，输出信号幅度一定且与入射粒子的能量无关，这也是G-M计数器的

35、主要特点。一般G-M计数器多充填惰性气体，常用的气体有氖、氩等。其原因是它们不易形成负离子。为了能使放电自行猝灭，还充填猝灭气体，如果所充气体是酒精、石油醚等有机气体，则称为有机计数器。当充填溴这一类卤素气体时，则称为卤素计数器。在G-M计数器中，气体放大系数将随电压急剧上升而高达107以上，并失去与原电离的正比例关系。管内产生雪崩放电，增殖的粒子对总数与原电离无关。因而，不论原电离情况如何，计数器均输出幅度相同的讯号。其输出讯号幅度仅随外加电压的变化而改变。为保证G-M计数器正常工作，必须对计数器加以猝灭，方法有外猝灭和内猝灭两种。外猝灭是在计数器的阳极输出端加一猝灭电路，而另一种常用的内猝

36、灭法是在单原子或双原子分子气体中加入少量的猝灭气体，如酒精、石油醚、甲酸、乙脂等有机气体，或充有少量的Br2、Cl2等卤素气体，这些猝灭气体在第一次气体电离后能将正离子在能量转换过程中放出的光子吸收掉，多余的能量则引起多原子气体超前分解，而不发射光子，使计数器在第一次放电输出一个讯号脉冲后立即停止，从而消除了连续放电，完成了猝灭作用。为了猝灭连续放电，必须消除离子增殖的两个因素：激发分子退激时放出的光子，能在阳极上击出光电子；正离子鞘从阴极上拉出电子与自己中和，此时多余的能量以光子形式放出，也会放出光电子。为此，可在计数管内除充以惰性气体外，还应加入少量的多原子气体。多原子气体具有猝灭连续放电

37、的特性。首先，多原子气体（如酒精分子）其电离电位比惰性气体低，例如充以氩和少量酒精的计数管，氩的电离电位是15。8，而酒精的电离电位为。，由于这个原因，多原子气体（如酒精分子或其它）极易分裂，因而当氩离子（r）移向阴极，与酒精气体分子发生电荷交换时，便会使酒精分子变成正离子（），而氩离子则变成了氩原子（r）,即：。，同时，在阴极附近拉出电子表和自己中和，即：e，这样，多余的能量就用在原子气体超前分解上，而不会放出光子。其次，酒精气体具有吸光能力，虽然当时要将多余能量以光形式放出，但这些光子，在还没有来得及从阴极再次击出电子前，即被酒精分子所吸收。因此，引起连续放电的两个因素均被阻止。 表1.2

38、.1 为有机计数管和卤素计数管的主要参数 数计数器所充气体猝灭气体寿命（次）阀压坪斜 坪长卤素计数器氖（Ne）溴（Br）1091010300V10%/100V80V有机计数器氩（Ar）酒精108700V1000V5%/100V200V（二）G-M计数管的特征参数（1）坪曲线在辐射强度不变的情况下，测量计数率（单位时间记录的粒子个数）随工作电压的变化，所得的曲线称计数管坪曲线，如图122所示。曲线的特点是当工作电压超过起始电压Va时，计数率由零迅速增大。工作电压继续升高，当超过Vp时，计数率随工作电压增大仅略有增加，即有一段明显的坪区出现。工作电压再继续升高，计数器又急剧增大，此时计数管失去了猝

39、灭作用，形成连续放电。坪曲线是衡量G-M计数管性能的重要标志。其主要参数如下：计数管坪开始电压Vp：相当于计数管的阀电压，当工作电压超过Vp后，输出脉冲幅度不再与原电离有关。起始电压与气体的成分，气压和电极的直径以及温度有关，一般的说，管内气压越高，管径越大或温度越低，起始电压越高。有机体的起始电压约为1000V，卤素管充Cl2约600V，充Br2时约为300V。坪斜：在坪区，计数率仍随电压升高而略有增加，通常以工作电压字Vp处开始，每增加100V时计数率增长的百分率称为坪斜，如有机管坪斜小于5%/100V，卤素管坪斜小于10%/100V。造成坪斜的主要原因是乱真放大随电压升高而增多，此外，计

40、数管结构的缺陷，尖端放电以及灵敏区随电压升高而扩大等也可造成坪斜。坪长：坪区的长度与猝灭气体的性质含量有关。坪长的单位是伏特。有机计数管的坪长约100V300V，卤素管的坪长约80V100V。（2）G-M计数管的死时间，恢复时间和分辨时间入射粒子进入计数管引起放电后，在阳极周围形成正离子鞘，使阳极周围的电场下降到阈值以下，此时若有新的入射粒子进入计数管内，也不能引起放电，即使产生离子对，因失去放大作用，讯号幅度过小，也无法记录下来，而出现漏记现象。这段时间称计数管的死时间。用D表示。在时间D以后电场逐渐恢复到原来数值。此时虽然记录辐射粒子，但幅度尚小于原始脉冲，要经一段时间，正离子全部到达阳极

41、后，输出脉冲幅度才能恢复到原有的大小，这段时间称计数管的恢复时间。用r表示。所谓分辨时间，是指探测器能记下的两个相邻讯号的最短时间间隔，分辨时间用表示。从图123可看出，从第一个脉冲开始到第二个脉冲的幅度恢复到Vx的时间内，进入计数管的粒子记录不下来。显然，D （D+r）。在仪器灵敏高，小脉冲亦可记录下时，可近似看做= D。 （3）计数管的探测效率对带电粒子来说G-M计数管的探测效应很高，如计数管的探测效率可达90%100%。而探测射线的计数管其探测效率1 2%，但对宇宙射线的探测效率很高，可达100%。对周围的辐射粒子也能使计数管记录，故计数器有本底存在。（4）G-M计数管的寿命计数管的寿命

42、决定猝灭气体的损耗。猝灭能力的减弱，使坪长缩短，坪斜增长，最终完全失去猝灭作用之前所能记数的次数定义为它的寿命。（5）计数管的温度效应计数管必须在一定温度范围内，才能保持正常工作，温度太低时，部分猝灭蒸气会凝聚，使猝灭作用减弱，有机气体问题凝聚较严重，卤素气体蒸气压较高，故低温性能较好。如果温度太高，由于阴极表面热电子发射等原因，会使坪长缩短，坪斜增长。我们选择工作点时必须对温度的影响加以注意。三、G-M计数管的注意事项为保证计数管能有最大的使用期限和良好的工作性能，工作中应注意以下几点：工作前大致了解该型号计数管的性能，通常所加工作电压在坪开始电压上增加50V100V即可，必要时测出坪曲线前

43、一端区的变化情况将工作电压定在坪区前1/3处即可。每隔一定时间应检查坪曲线情况，以便及时调整工作电压。严禁计数管发生连续放电现象，一旦发生应立即断掉高压。辐射强度不能太强，计数率不能过高。卤素管一般在5万次/分以下；有机计数管在2.5万次/分以下。应避光使用。可包以黑纸或涂上黑墨，也可采取其它避光装置。应轻拿轻放，保持清洁，以免漏电。要求连接电路的输入阻抗要高一些，卤素管尤其如此。其它还有一些注意事项可根据计数管使用说明书及具体情况加以注意。3.2.3 闪烁探测器闪烁探测器具有分辨时间短，探测效率高等优点。因此，它在很多领域已代替了气体探测器，是当前使用最多的核辐射探测器。一、 闪烁探测器的工

44、作原理闪烁探测器主要由闪烁体和光电倍增（有称光电倍加管）组成，如图131所示。其工作过程可分为五个相互联系的环节。射线进入闪烁体，使闪烁体的原子或分子电离或激发。被电离或激发的原子或分子退激时产生光子。利用反射物和光导将光子尽可能收集到光电倍增管的光阴极上，由于光电效应，光子在光阴极上打出光电子。光电子在光电倍增管中各倍增极上逐渐倍增，电子数目增加几个数量级，经过倍增的电子流在阳极负载上产生电脉冲讯号。此讯号有电路记录，闪烁探测器的主要特点有：探测效率高：由于高灵敏度的光电倍增管的试制成功和电子元件的迅速发展，使快速记录微弱闪烁现象成为可能。分辨时间短：辐射射线强时，单位时间产生的脉冲数就多些

45、，由于闪烁探测器的分辨时间短，漏记的脉冲比较少。故可用它来探测强辐射。可探测射线的能量，射线射入闪烁体将损耗能量，所消耗的能量将转化成光子放出，放出光子数目的多少有其入射射线的能量决定，放出的光子数多，在光阴极上轰击出的光子就多。而输出脉冲的辐度取决于阳极收集到的电子数目多少。故测量脉冲的幅度，即可了解入射线的能量。二、闪烁体 受到射线照射时能发光的物质统称为“闪烁体”，或称做“荧光体”。这是由于辐射粒子通过物质时将使原子或分子激发，被激发的原子或分子由受激态回到基态时，将放出光子，这便是可见的闪烁光。在我们日常生活中也经常用到闪烁体，例如电视机的显像管之所以能发光就是由于高速电子打在荧光屏上

46、产生的，夜光表之所以夜间能自行发光，就是因为在钟表的指针和刻度盘上涂有荧光粉，而在荧光粉内又掺有能辐射出射线的物质（放射性同位素）的缘故。闪烁体的种类很多，按其化学性质可分为两大类：一类是无机晶体：闪烁体。它是指含少量杂质（称为激活剂）的无机盐晶体。常用的有碘化钠（铊激活）单晶体NaI（Cl）；碘化铯（铊激活）晶体CsI（Tl）；硫化锌（银激活）多晶体ZnS（Ag）。另一类是有机闪烁体，它们都是苯环碳氢化合物，该类又可分为三种：有机晶体闪烁体。常用的有蒽、芪，对联三苯等有机结晶体。有机液体闪烁体。在有机液体溶剂（如甲苯、二甲苯）中容入少量发光物质（如对联三苯等），称为第一发光物质，或第一发光剂

47、。另外再溶入一些光谱波长转换剂（如popop化合物），称为第二发光物质，或第二发光剂。 popop是2（5苯氧氮茂基）一类的缩写。塑料闪烁体。 它是在有机液体苯乙烯中加入第一发光物质对联三苯和第二发光物质（popop）后，聚合而成的塑料。 除以上两大类外，还有利用氙等惰性气体的气体闪烁体，用以制备记录裂变产物和重粒子的探测器。 闪烁体的发光机制比较复杂，我们仅对常见的一些闪烁体作定性介绍。1、无机闪烁体发光机制无机闪烁体均属离子型晶体，原子（离子）之间结合比较紧密，相互之间影响比较大，晶格中核外电子能级加宽成为一系列连续的能带，如图1-3-2所示。其中，最低能量状态已为电子所填满，称为满带。价

48、电子均处于稍高的能量状态，这种能量状态成为“价带”。若价带未填满，则在外电场作用下，将有净电流产生，若价带已填满，则必须有电子激发到高的能带导带上去，才能产生电流。这时，价带中有一空穴，导带中有一电子，即产生一个自由电子空穴对。价带到导带之间的空隙中，因不能存在电子能级，故称禁带。禁带宽度Eg是决定晶体导电性能的一个重要量度。当Eg=1ev时，价电子就可能由热运动的能量激发到导带，称为导体。Eg足够大，则为绝缘体，无机闪烁体均为绝缘体，他们Eg比半导体大得多。 Eg的含义是电子从价带跳到导带所必须获得的最小激发动能。 也存在着另一种情况。在闪烁体中，由射线激发的电子空穴对仍可能被束缚着，称为“

49、激子”。它们在晶格中一起运动，而不是独立运动。因此，在外电场作用下，也无静电流产生。其能带在导带之下称为“激带”，如图132所示。自由的导带电子和价带空穴可以复合成“激子”；相反，“激子”也可以受热运动变成自由电子空穴时。 图133 晶体能级中的杂质能级当有足够能量的核辐射进入闪烁体时，可能产生下列两种情况：一种是电子将从价带激发到导带，产生自由电子空穴对，即电离过程。另一种是能量仅够将价带电子激发到激带，激子互相束缚着，只可在晶格中运动，而且必须成对地一起运动。当然这种情况会由于热运动而互相转化。电子从导带或激带到价带跃迁退激的过程中将发出光子。其中也有可能通过热形式，转变为晶格的振动而退激

50、。纯净的NaI或ZnS晶体在辐射照射下，虽然发出光子，但却不能起到闪烁体的作用。因为退激发出的光子尚未逸出晶体就会被晶体中其它原子所吸收，又产生电子从价带激发到导带，于是发光、激发、放热的交替过程将使晶体放出的光子被晶体本身吸收掉。怎样才能使晶体出的光子不被本身吸收掉呢？假如晶体发出的光子的能量小于禁带的密度Eg，那么它就不可能再使带上的电子激发到导带上去。办法是我们在晶体中掺入少量的杂质原子（如铊Tl、银Ag等），就会使晶体能级的禁带中出现一点杂质能级，当然只有在杂质原子附近才存在这样的能级。自由电子或激子在晶格中运动时，当遇到杂质原子时将被激活的离子形成的发光中心所俘获。到达孤立的杂质能级

51、上，多余的能量以热运动形成形式放出。这些处于杂质能级的电子有几种可能的退激方式，或者以发光的形式跃迁到价带，这时发出光子的能量是小于禁带宽度的。故晶体发光不会本自身所吸收，这就是闪烁过程所发出的光，或者将能量转换成晶格振动（即热运动）而达到价带，这称为“猝灭过程”。此处也有可能吸收能量激发到导带上去，再退激跃迁到价带。显然在某些晶体（如NaI、CsI、LiI等）中掺入少量的激活物质铊（Tl），将使闪烁体有效地发光，该光子到达光电倍增管的光阴极被记录。必须注意激活物质铊是一种剧毒物质，损坏晶体由铝壳中取出后，应妥善保存在干燥缸内，以防迅速潮解损坏，更需注意防止误将铊弄入人体口内，常用的碘化钠晶体

52、写为NaI（Tl），硫化锌晶体为ZnS（Ag），激活物铊和银用元素符号加括号放在晶体符号后面。2、有机闪烁体发光机制有机闪烁体均为苯环化合物，分子较大，因此分子与分子之间的作用比无机晶体中离子之间的束缚作用弱得多，一般认为其激发发光是由于分子自身的激发和跃迁。图134是分子的势能与分子形成共振的曲线，下面的曲线表示电子处于基态的势能曲线，上面的曲线为电子处于激发的势能曲线，每条曲线的势阱中，都存在着许多分立的分子振动能级。当核辐射粒子进入有机闪烁体中时，使分子由基态平衡位置A处垂直激发到A处，此时电子处于激发态。能垂直激发，是因为电子激发所需的时间比分子作形变运动所需的时间要短得多。接着分子由

53、状态A通过振动能级跃迁到分子激发态的平衡位置B，跃迁能量以热能形式放出，然后，电子由激发态跃迁基态，分子由B到B，发出荧光辐射，光子能量为 h=EBEB这一过程非常快，平均衰减时间约为310-9S。最后，电子处于基态的分子由状态B通过分子振动能级之间跃迁通过放热到达平衡位置A。 有机闪烁体的荧光过程可归纳如下： AA电子由基态到激发态，分子处于振动激发态； AB电子仍处于激发态，分子在振动能级之间跃迁通过放热到达平衡位置B； BB电子退激到基态，发出荧光光子，但分子处于振动激发态； BA电子仍处于基态，分子在振动能级之间跃迁通过放热达到振动平衡位置。由于荧光光子的能量h=EBEBEAEA，因此

54、发出的荧光光子不可能使闪烁分子从状态A到状态A，也就是说闪烁体不吸收自身所放出的荧光光子。除了上述荧光过程外，还存在着从A退激到A的非辐射过程，即猝灭过程。由图134也可看出，当分子激发态A在上面曲线的势阱，沿振动能级向下退激时（即放热过程），有可能达到振动能级某个中间状态Q处，由于它和下面曲线非常靠近，有很大可能跃迁到Q状态。此时，放出的能量为EQEQ，可以被其它分子吸收而使其激发到振动能级，最后通过Q到A的振动能级之间的跃迁到达基态平衡态，这一过程没有光子发射，也称猝灭过程。3、闪烁体的物理特性闪烁体的发光光谱必须和光阴极的光谱响应相配合：闪烁体受辐射激发后所发射的光并不是单色的，而是一个

55、连续的如图135所示为碘化钠（Tl）和蒽两种典型闪烁体的发射光谱曲线。Ps（）d表示光在波长+d之间的发射几率。显然。 对于每种闪烁体总可以找到一、二种波长的光，它的发射几率最大，整个光谱是以该波长为中心的一个或数个发射带。闪烁体的技术说明书上往往给出这个峰位的波长，称为“发射光谱最强的波长”。从图上亦可看出，NaI（Tl）的发射光谱最强的波长是4150；而蒽的发射光谱最强的波长为4470。 不同波长的入射光线，在光电倍增管光阴极上打出电子的本领是不同的。光阴极发射电子的效率随入射光线波长变化的关系称为光电倍增管的光谱响应。每种光电倍增管都有一个对入射光比较敏感的发射带。多数光电倍增管对于40

56、00左右的光线比较敏感。若闪烁体发射出的光谱与光电倍增管光阴极的敏感光谱不一致，虽然闪烁体有大量光子放出，但光阴极对其不敏感，就很少产生光电子，也就得不到较大的输出信号。 发光效率：或称转换效率，它是闪烁能量与入射粒子损耗能量之比。入射粒子在闪烁体中损耗的能量虽不能全部转换为光能，但我们总希望转换为光能的部分越多越好，这样才能获得较大幅度的输出信号，以便记录。例如ZnS（Ag）闪烁体发光效率很高。光输出大，亮度强，用放大镜就可看见其闪光，而塑料闪烁体发光效率较低，光输出很小，亮度很弱。值得提出的是：NaI（Tl）闪烁体闪烁时所发出的光子数与入射射线能量有良好的线性关系，所以根据闪烁体发光的光子

57、数，即根据光线的强弱就可以判断入射射线能量的大小，因此，NaI（Tl）闪烁体很广泛地用来探测射线的能量。发光时间：闪烁体发光时间包括闪烁脉冲的上升时间和衰减时间两部分。上升时间主要由闪烁体电子激发时间及带电粒子在闪烁体中耗尽能量所需的时间决定，这个时间极短，常可忽略不计，因此闪烁体发光时间主要指的是发光衰减时间。因为受激电子由激发态回到基态时发射出光子并不是立刻完成的，过渡到正常态有先有后。电子退激发光一般服从指数衰减规律。一般有机物制成的闪烁体发光时间较无机闪烁体要短。对用于高强度辐射测量或时间测量的闪烁体，应要求有尽可能短的光衰减时间，一般发光时间的确定，是按退激光子达到63%时所需的时间

58、而定的。常用的闪烁体的发光时间约为0.25S；ZnS（Ag）闪烁体的发光时间约为10S，塑料闪烁体的发光时间约为0.0045S。探测效率：即射到闪烁体上的粒子数与仪器输出的脉冲数之比为探测效率=N/Nin。它和两个因素有密切关系。一是闪烁体的几何形状；二是和组成闪烁体的物质的密度以及平均原子系数。NaI（Tl）闪烁体其射线探测效率可达20%以上，而过去使用的GM计数器对射线的探测效率仅为12%。阻止本领：即晶体本身吸收射线的本领。射线射入闪烁体损失的能量越多其阻止本领越大。从组成闪烁体的物质上来看，则要求密度越大越好，原子序数越高越好。例如NaI（Tl）其中含碘（I）约85%，因碘的原子序数为

59、53，因而NaI（Tl）闪烁体的阻止本领较大。透明度高：闪烁体的透明度越高，产生的光子被吸收越少。因而可以把闪烁体做得较厚较大，提高探测效率。因此，要求闪烁体尽可能无缺陷，光学均匀度好。当温度发生变化时，闪烁体的发光效率，分辨率和时间特性也都会改变。例如NaI（Tl）晶体在25时的发光效率最大，温度越低效率越低，在-500C约为25的一半。分辨率也相应变坏，是25的一半。各种闪烁体随温度的变化规律并不相同，因此闪烁体的温度效应是实际应用中必须注意的问题之一。能量分辨率要好：所谓能量分辨率是指探测器能测定两个能量不同的辐射粒子的最小能量间隔。其间隔越小越好。这一点对能谱测量来说非常重要。前面提到

60、当入射射线与闪烁体相互作用产生闪烁现象时，发出的光子数与入射射线的能量成正比，且输出的脉冲幅度取决于光子数的多少，那么既然入射射线的能量有相当差别，为什么会造成闪烁体给出的信号幅度却不能明确的将它们区分开来呢？这首先是因为放射性存在着统计涨落现象，虽然入射线能量大时产生的光子数就多，能量小产生的光子数就少，但在产生光子的过程中也是服从统计规律的。同一能量的射线产生的光子数不会完全相同。因而表现在输出脉冲幅度上就有大有小，不会是同一幅度。图136为脉冲振幅的的微分分布曲线。该曲线的入射粒子能量固定为E。但输出讯号的幅度并不是同一数值V。其幅度时大时小存在涨落。但却是围绕V。出现最多，比V。过大或