核辐射探测器(硕)教学课件分解

1、核辐射探测器上海交通大学张继革 副研究员2015年10月8日核辐射探测器利用核辐射在气体、液体或固体中引起的电离效应、发光现象、物理或化学变化进行核辐射探测的元器件称为核辐射探测器核辐射进入探测器灵敏体积后与探测介质相互作用，探测器输出能够直接或间接的反映核辐射种类、强度、能量或核寿命等的信息常用的有三大类：气体探测器、半导体探测器和闪烁探测器这三类探测器都是把核辐射转变成为电信号，再由电信号处理设备进行分析和处理探测器的三个关键点如果按照技术指标和用途的差别来区分，三类探测器中每一类都有很多种。在此侧重讲述在学习这三类探测器时需要了解的三个方面：探测器把核辐射转变为电信号的物理过程探测器的输

2、出回路及其与探测器输出电信号的关系探测器的主要技术指标及其用途核辐射转变为电信号的阶段第一阶段：入射的粒子射入探测器的灵敏体积，通过与探测器物质的相互作用，转变或产生出带电粒子 。第二阶段：被电离或激发的原子，在探测器的外加电场中作定向移动，为探测器外部负载电路提供信号 探测器种类气体探测器：电离室：脉冲电离室、电流电离室、累计电离室；正比计数器、G-M计数管；闪烁探测器：NaI（Tl）(碘化钠（铊激活）单晶谱仪；BGO（锗酸铋）探测器半导体探测器：金硅面垒半导体探测器、高纯锗（HPGe)探测器、锂漂移硅探测器；其它探测器：原子核乳胶、固体径迹探测器、气泡室、火花放电室、多丝正比室、切伦科夫计

3、数器、热释光探测器气体探测器气体探测器气体探测器：一个内部充有特定气体、两电极间（高压极和收集极）加有电场的小室型探测器。气体探测器是最早使用的核辐射探测器，尽管其他探测器发展很快，但是它具有结构简单，使用方便等优点，至今仍被广泛使用。常用的气体探测器有电离室、正比计数管和盖革-米勒计数管（Geiger-Mller，简称G-M）工作概况气体探测器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，电极间充气体并外加一定的电压。辐射使电极间的气体电离，生成带电粒子。带电粒子在电场作用下向两极漂移。随着带电粒子到两极的距离发生变化，极板上的感生电荷数发生变化，回路中产生电流信号。气体原子

4、的电离和激发带电粒子使气体原子电离而形成电子和正离子对的现象叫做气体的电离，电离出来的电子称为次级电子带电粒子直接产生的电离叫做原电离，次级电子产生的电离叫做次电离，原电离和次电离之和为总电离平均电离能W：带电粒子在气体中产生一电子离子对所需的平均能量，对不同的气体， W大约为30eV若入射粒子的能量为E0，当其能量全部损失在气体介质中时，产生的平均离子对数为激发和退激带电粒子使气体原子激发，在10-9s内退激，释放光子被激发原子的退激方式有：辐射光子-发射波长接近紫外光的光子，这些光子又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离解发射俄歇电子电子与离子在气体中的运动无外加电场

5、存在时，已产生的电子和正离子与气体分子一样，处于一种杂乱运动的状态，同时存在着扩散，最终与气体分子达到热平衡状态，已产生的离子对消失，不能形成电流。扩散：在气体中电离粒子的密度是不均匀的，原电离处密度大。由于其密度梯度而造成的离子、电子的定向运动叫扩散。电子的平均自由程和杂乱运动的平均速度都比离子的大，因此其扩散系数比离子的大，因而电子的扩散效应比离子的严重。离子对的漂移 度甚至可增大一个量级。离子对的漂移 电子在气体中的飘逸速度吸附效应分复合效应复合有两个过程：电子与正离子，或负离子与正离子，相遇时可能复合成中性的原子或分子复合引起的离子对数目的损失率：为复合系数一旦形成了负离子，其运动速度

6、远小于电子，正离子与负离子的复合系数要比正离子与电子的复合系数大得多复合的结果是把许多有用信号给复合掉，使有用的信号减少。因此，复合现象在探测器正常工作中应尽量避免电荷转移效应正离子与中性的气体分子碰撞时，正离子与分子中的一个电子结合成中性分子，中性气体分子成为正离子电荷转移效应在混合气体中比较明显电荷转移效应可以减小离子的迁移率，降低离子的漂移速度复合效应、电子吸附效应、电荷转移效应等，都不利于电荷收集离子对收集与外加电场的关系 ：复合区：饱和区（电离室工作区）：正比区（正比计数器工作区）：有限正比区 ：G-M工作区外加电场与离子对收集的关系 I区称为复合区，工作电压很低而存在电子-正离子的

7、复合，随电压上升复合损失减少，电流趋于饱和。II区称为饱和区或电离室区。在这个区域内，生成的离子对电荷全部收集，输出信号的大小反映了入射离子损失在计数器灵敏体积内的能量。外加电场与离子对收集的关系 III区称为正比区，由于碰撞电离的发生而产生气体放大，离子对数将比原电离倍增10104。气体放大系数随电压而增大，但对一定电压气体放大系数保持恒定，总电荷量仍正比于原电离电荷量。IV区：有限正比区。由于气体放大系数过大，空间电荷的影响越趋明显，气体放大系数与原电离有关，而且初始电离越大的入射离子影响越大，总离子对数不再与入射粒子能量成正比。这种状态作为过渡而无实用价值。外加电场与离子对收集的关系 V

8、区称为盖革区，随电压升高形成自持放电，此时总电离电荷与原电离无关，几条曲线重合，这就是G-M管的工作区域。G-M管不能得到入射粒子的能量信息，另外死时间长，可达102s，只能用于计数率不高的情况。寿命较短。当电压继续升高，进入连续放电并有光产生，利用这一现象又发展了火花室、自猝熄流光管（SQS）等探测器对于气体探测器来说，从原理上讲可以改变外加电压的数值使其工作在不同区域，但实际上由于结构已定，它只能适合于工作在某个区域。用两只气体探测器来比较，尽管一只是工作于正比区的正比计数器，而另一只是工作于G-M区的G-M计数器，这并不能断定加到G-M计数器上的工作电压一定比另一个要高，这是因为两只气体

9、探测器的结构不同电离室(ionization chamber)收集入射粒子在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记录单个入射粒子的电脉冲信号-脉冲电离室记录大量粒子在单位时间内的平均电离电流-电流电离室记录一定时间内大量入射粒子产生的总累积电荷量-累计电离室电离室脉冲电离室记录单个辐射粒子，主要用于测量重带电粒子的能量和强度 ；按输出回路的参量，脉冲电离室又可区分为离子脉冲电离室和电子脉冲电离室电流电离室、累计电离室记录大量辐射粒子平均效应，主要用于测量X，和中子的强度或通量、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。 电离室的基本结构不同类型的电离

10、室在结构上基本相同典型结构有平板型和圆柱型，均包括高压极(K)：正高压或负高压；收集极(C)：与测量仪器相联的电极，处于与地接近的电位；保护极(G)：又称保护环，处于与收集极相同的电位；负载电阻(RL)：电流流过时形成电压信号。平板型电离室高压极收集极保护极负载电阻外壳灵敏体积绝缘子V(t)圆柱型电离室-V0V(t)灵敏体积：由通过收集级边缘的电力线所包围的两电极间的区域保护环G的作用：使灵敏体积边缘处的电场保持均匀若无G，当高压很大时，会有电流通过绝缘子从负载电阻RL上通过，从而产生噪声，即绝缘子的漏电流外壳的作用：需要保证气体的成分和压力，所以一般电离室均需要一个密封外壳将电极系统包起来电

11、离室的大小和形状，室壁和电极的材料以及所充的气体成分、压强都要根据辐射的性质、实验的要求来确定。测量粒子能量的电离室，须要足够大的容积和气压，以便使粒子的径迹都落在灵敏区内。 对射线强度作相对测量时，为了提高灵敏度，室壁材料宜用高原子序数的金属，其厚度略大于室壁中次级电子的射程。作绝对剂量测量时，须用与空气或生物组织等价的材料作电极和室壁电离室的工作机制x第四步：当正电荷快到达极板的前一瞬间，-q1全部由a极板经外回路流到b极板，b极板上的感应电荷：当e+到达b极板，e+与b极板上的感应电荷中和。外回路电流结束，流过外回路的总电荷量为：引入负电荷同一点引入正负电荷当同时在同一位置引入一离子对，

12、则在外回路流经的电流：i(t)= i+(t)+ i (t)流过外回路的总电荷量：q+ +q- = e只有当空间电荷在极板间移动时，在外回路才有电流流过，此时i(t)= i+(t)+i (t)，正、负电荷的感应电流方向相同，在探测器内部从阳极流向阴极。电荷漂移过程结束，外回路感应电流消失。当负电荷被收集后，外回路中就只有正电荷的感应电流当+e、e电荷在同一位置产生时，它们在极板上的感应电荷量分别相同；+e、e电荷漂移结束，流过外回路的总电荷量为e；该电荷量与这一对电荷的产生位置无关。当入射粒子在探测器灵敏体积内产生N个离子对，它们均在外加电场作用下漂移，这时，产生的总电流信号是：当N个离子对全部

13、被收集时，流过外电路的总电荷量为脉冲电离室脉冲电离用来记录单个入射核辐射粒子。工作原理是一个带电粒子进入脉冲电离室灵敏体积后，与气体原子或分子相互作用，使气体电离，产生的大量电子和正离子(称为离子对)在电场作用下向电离室两电极漂移，从而产生一个电流脉冲，在电离室的RC输出电路上产生一个电压脉冲测量单位时间进入电离室带电粒子数目和能量脉冲电离室假设入射离子在灵敏体积中产生N 个离子对，并忽略扩散和复合的影响，而且在信号结束前，探测器灵敏体积内不再有其它入射粒子产生电离电离室RC输出电路上产生的最大电压脉冲幅度为N0为入射带电粒子在电离室灵敏体积内直接使气体电离产生的粒子对数；E为入射带电粒子在电

14、离室内损失的能量；W为电离室内所充气体的平均电离能（产生一个离子对需要入射带电粒子损失的能量）脉冲电离室的输出回路电离室结构和输出电路示意图 等效电阻等效电容时间常数脉冲电离室的输出回路电离室结构和输出电路示意图 离子脉冲电离室电子脉冲电离室T-全部电子的收集时间T+全部离子的收集时间ms量级s量级脉冲电离室的输出回路离子脉冲电离室输出脉冲较宽（因为正离子漂移速度慢），一般在10-3s量级，这使得它不能用来探测强度很强的放射源电子脉冲电离室脉冲宽度小，为10-6s量级满足测量强得多的入射粒子流，但是对平板型电子脉冲电离室而言，输出的脉冲幅度不仅取决于产生的离子对数，还与离子对产生的位置有关。需

15、要采用特殊的设计来解决（圆柱形电子脉冲电离室与屏栅电离室）圆柱形电子脉冲电离室电位分布：电压脉冲幅度：屏栅电离室G：栅极入射带电离子+-栅极对电子透明输出电压脉冲幅度脉冲电离室输出信号的测量脉冲电离室的输出信号所包含的信息入射带电粒子的数量：通过对输出脉冲数进行测量入射带电粒子的能量：通过对输出电压信号的幅度进行测量确定入射粒子间的时间关系：通过对输出电压信号的时间进行测量脉冲电离室的性能脉冲幅度谱与能量分辨率脉冲电离室常用来测量带电粒子的能量：对单能带电粒子，若其全部能量都损耗在灵敏体积内，则脉冲电离室输出电压脉冲的幅度反映了单个入射带电粒子能量的大小能量分辨率多道测量的脉冲幅度谱能量分辨率

16、：半高宽度 能量分辨率反映了谱仪对不同入射粒子能量的分辨能力。E1E2E2E1E2E1E1E2E3E1 E2 E3电离室的饱和特性曲线脉冲幅度h与电离室工作电压V0的关系影响因素：离子和电子的复合或扩散效应饱和特性曲线形成的物理过程：饱和区斜率的原因：工作电压的升高使灵敏体积增加及负离子的释放V0hV1饱和电压N0探测效率电流电离室 通过测定单位时间内入射核辐射粒子在电离室内产生的平均电离电流来探测核辐射若单位时间入射的粒子数为n，每个粒子在电离室内平均的能量损失为E，则电流电离室输出的平均电流为角标“饱和”的意义是因为电离室电极间加的电场不足以引起气体放大，但能把核辐射在灵敏体积内产生的电子

17、和正离子全部收集，达到最大电荷收集数N0，外加电压增加，收集的电荷数不再增加，即电离室输出的I不再增加达到饱和。电流电离室的应用 测量射线（或X射线）照射量 测量吸收剂量吸收剂量定义为在给定物质中由电离辐射传递单位质量物质的平均能量测量放射性气体正比计数器正比计数器 正比区 正比计数器 气体探测器工作于正比区时，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而形成电子的雪崩。于是，在收集电极上感生的脉冲幅度 将是原电离感生的脉冲幅度的M倍，即处于这种工作状态下的气体探测器就是正比计数器。正比计数器1 气体放大机制 设圆柱形计数管的阳极半径为a ，电位为Vc；阴极

18、半径为b ，电位为 Vk；外加工作电压 ，则沿着径向位置为r的电场强度 为:强电场下气体放电雪崩电子在气体中的电离碰撞过程，发生雪崩的阈值电场：ET 106V/m气体放大非自持放电：雪崩从产生到结束，只发生一次自持雪崩： 通过光子的作用和二次电子发射，雪崩持续发展，也叫自持放电正比计数器(Proportional Counter）正比计数器中，利用碰撞电离将入射粒子直接产生的电离效应放大了，使得正比计数器的输出信号幅度比脉冲电离室显著增大。对直接电离效应放大的倍数称为“气体放大倍数”，以M表示，在一定的工作条件下，M保持为常数。正比计数器属于非自持放电的气体电离探测器工作原理 结构上必须满足实

19、现碰撞电离的需要，而在强电场下才能实现碰撞电离在一个大气压下，电子在气体中的自由程约 10-310-4cm，气体的电离电位20eV。要使电子在一个自由程就达到电离电位，场强须104V/cm为达到这一要求，一般采用非均匀电场，以圆柱型为主工作原理中心阳极的电位相对于阴极为正电位，当核辐射进入正比计数管灵敏体积后，使气体电离产生电子和正离子（称为初电离）电离电子在向中心电极漂移过程中不断从电场获得能量，当其能量足够使气体电离时，产生新的离子对（称为次电离）次电离电子在向中心阳极漂移过程中又被加速再使气体电离，产生更多的离子对。电子越接近阳极，电离气体的概率越大，于是离子对不断的增殖，这就是气体放大

20、，也称为电子雪崩脉冲电压近似与入射粒子能量成正比正比计数器正比计数管一般为圆柱形结构，和圆柱形电离室一样，其灵敏体积距中心r处的电场为：a和b分别是中心阳极和圆筒形阴极的半径；V0为两电极间所加电压（称为工作电压）放大倍数MN/N0M的大小决定于气体性质、压强、工作电压和电极半径。在rb时场强最小，ra时场强最大定义:VT 称为正比计数器的起始电压(阈压).对于一个确定的正比计数器，只有当工作电压V VT 时，才工作于正比计数器工作区，否则工作于电离室区当V 0 VT 时，仅在 r0a 区间内发生碰撞电离 一般r0很小，和a是同一量级，这样入射粒子在 r0 内产生电离的可能性很小，可以忽略。因

21、此，在不同位置射入的入射粒子所产生的电离效应在正比计数器中都经受同样的气体放大过程，都有同一个气体放大倍数。正比计数器输出信号主要由正离子漂移贡献碰撞电离与气体放大碰撞电离只有电子才能实现。当电子到达距丝极一定距离 r0 之后，由于电场很强，电子在平均自由程上获得的能量足以与气体分子发生电离碰撞，产生新离子对。而且新的电子又被加速再次产生电离碰撞。漂移电子越接近阳极，电离碰撞概率越大。于是，电子的数目不断增殖，这个过程称为气体放大过程，又称电子雪崩(electron avalanche)气体放大过程中正离子的作用离子漂移速度慢，在电子漂移、碰撞电离等过程中，可以认为正离子基本没动，形成空间电荷

22、，处于阳极丝附近，会影响附近区域的电场，使电场强度变弱，影响电子雪崩过程的进行正离子漂移到达阴极，与阴极表面的感应电荷中和时有一定概率产生次电子，发生新的电子雪崩过程，称为离子反馈；也可以通过加入少量多原子分子气体阻断离子反馈气体放大过程中的光子作用光子反馈光子反馈的影响光子反馈的过程(10-9s)远快于电子的漂移过程(10-6s)，对信号的形成而言，在时间上是同时事件加入少量的多原子分子气体M，它可以强烈吸收气体分子退激所发出的紫外光子而处于激发态M*，它不再发出光子而是分解为几个小分子(超前分解)退激。这样可以阻止紫外光子打到阴极而减小光子反馈在正比计数器中，光子反馈和正离子反馈的作用极微

23、弱，因此，经一次雪崩以后增殖过程即行终止，且雪崩只限于局部的区域，对一个初始电子仅展宽 200m左右优点脉冲幅度较大； 灵敏度较高； 脉冲幅度几乎与原电离的地点无关；价格便宜，使用条件不苛刻缺点脉冲幅度随工作电压变化较大，且容易受外来电磁干扰，因此，对电源的稳定度要求也较高（ 0.1% ）常用的正比计数器流气式4正比计数器低能X射线正比计数器三氟化硼（BF3）正比计数器球形含氢正比计数器流气式4正比计数器 无窗流气式2正比计数器G-M计数管正比计数器 G-M区 G-M计数管盖革-米勒(Geiger-Mller)计数管，简称G-M管 。由盖革(Geiger)和弥勒(Mueller)发明的一种利用

24、自持放电的气体电离探测器通常是一个充气的圆柱形管，管内装设一圆筒式金属阴极和一根位于中心的细丝作阳极。根据外形主要可分为钟罩型（或称端窗式）和圆柱型。根据所充气体又分为有机管和卤素管。G-M计数管灵敏度高，输出脉冲幅度大，可以不经放大而直接记录，使用方便。对带电粒子如和粒子的探测效率几乎可达到100%，但对射线的探测效率较低，只有1%左右。在一定电压下，其输出脉冲幅度对不同能量、不同种类的射线均相同，不能直接用以鉴别射线的种类和测定能量的大小工作原理入射核辐射在G-M计数管灵敏体积内只要产生一对以上的初电离（即N01），则初电离电子在电场作用下向中心阳极漂移过程中，除了有正比计数管类似的次电离

25、引起的电子雪崩（称为汤姆逊雪崩）以外，电子在向阳极漂移过程中还会使许多气体分子或原子激发。处于激发态的分子或原子退激发射波长在可见光或紫外光区的光子，光子与气体或阴极发生光电效应产生光电子，这些光电子在电场作用下也向阳极漂移，并至少会再能触发一个新的次级雪崩。正离子鞘由于受激分子或原子退激可以向各个方向发射光子，因此气体放大不像正比计数管那样只局限在初电离那一侧的局部区域发生，而是在整个G-M计数管内发生。不管初电离发生在管内何处，雪崩放电都会逐渐包围整个阳极丝。在阳极丝附近的大量电子很快漂移到阳极而留下大量的正离子包围着阳极丝，形成一个“正离子鞘”。输出信号正离子鞘使G-M计数管中心阳极周围

26、的电场强度减弱，以至于抑制电子增殖，最终使雪崩放电结束，电子完全被收集，“电子电流”消失。放电结束后，正离子鞘向阴极漂移过程：形成“离子电流”，是形成输出脉冲的主要贡献，G-M计数管输出一个电脉冲。正离子在阴极表面的电荷中和过程G-M计数管内每次放电都以管内产生大致相同的总电荷数而结束，所以G-M计数管输出的脉冲幅度都是相同的。G-M管仅能用来记录入射粒子的数目，不能用于测量入射粒子的能量 。G-M管主要有圆柱型和钟罩型两种。 圆柱型主要用于射线测量，而钟罩型由于有入射窗，主要用于，射线的测量GM管的性能由计数管的丝极a，阴极与丝极之比b/a、工作气体的组成与压力等因素决定探测效率对用于带电粒子探测的钟罩型GM管，只要入射粒子进入灵敏体积，其探测效率可接近100对用于探测射线的圆柱型GM管，仅当次电子进入灵敏体积才能引起计数，其探测效率仅1G-M管工作特性-坪特性曲线G-M管工作特性-坪特性曲线坪特性曲线入射粒子流强度一定的条件下，计数率随工作电压的变化关系坪特性曲线可用三个指标衡量坪起始电压VA坪长 VBVA坪斜 坪区当工作电压加到一定数值后，核辐射产生的脉冲大部分超过阈电平的幅度，噪声也只有极少超过阈电平，此时被记录的脉冲数目基本趋于饱和，随工作电压增加计数增加很小，这个区域