核辐射探测器课件

第七章核辐射探测器

（电子仪器）NuclearRadiationDetectors(AssociatedElectronics)1PPT课件第七章核辐射探测器

（电子仪器）Nu目的了解核辐射探测器的分类掌握核辐射探测器的原理了解与核辐射探测相关的电子仪器2PPT课件目的2PPT课件内容引言气体探测器半导体探测器闪烁探测器（计数器）热释光探测器3PPT课件内容3PPT课件引言核辐射探测的对象核辐射探测的实质核辐射探测器的分类核辐射探测器的性能指标4PPT课件引言核辐射探测的对象4PPT课件核辐射探测的对象核辐射的质→射线的能量（特征量）→（放射性）核素的种类核辐射的量→射线的强度（累加量）→（放射性）核素的活度5PPT课件核辐射探测的对象5PPT课件核辐射探测的实质能量转换过程即：将辐射能转变成可以记录的电信号的过程6PPT课件核辐射探测的实质6PPT课件核辐射探测器的分类按作用原理（工作方式）带电粒子(α、β)探测器→电离和激发非带电粒子(γ)探测器→通过三种效应产生次级带电粒子进行间接探测按记录方式

收集电离电荷→气体和半导体探测器

收集退激荧光→闪烁和热释光探测器7PPT课件核辐射探测器的分类按作用原理（工作方式）7PPT课件核辐射探测器的性能指标本征效率或灵敏度(intrinsicefficiencyorsensitivity)死时间或分辨时间(deadtimeorresolvingtime)能量区分能力或能量分辨率(energydiscriminationcapabilityorenergyresolution)其它方面8PPT课件核辐射探测器的性能指标本征效率或灵敏度(intrinsic本征效率或灵敏度ThemeasureofitsabilitytodetectradiationThehigher,thebetterPrimaryaffectingfactors:thelinearattenuationcoefficientandthethicknessofthesensitivevolume9PPT课件本征效率或灵敏度Themeasureofitsabi死时间或分辨时间AmeasureoftheabilityofadetectortofunctionaccuratelyathighcountratesTheintervalbetweenthetimewhenarayinteractswithadetectorandthetimewhenthedetectorrespondsandtheeventisrecordedTheshorter,thebetterLevel:μs10PPT课件死时间或分辨时间Ameasureoftheabili能量区分能力或能量分辨率TheabilityofadetectortodistinguishbetweentworadiationsofdifferentenergiesFullwidthathalfmaximum(FWHM)AlowervalueofFWHMindicatesabetterenergydiscriminationcapabilityAnotherwaytolookatFWHMistoconsideritasameasureoferrorintheenergydeterminationofanx-orγ–raybyadetector11PPT课件能量区分能力或能量分辨率Theabilityofad其它方面（性能指标）TheabilityofadetectornottobeappreciablyaffectedbythefluctuationsinlinevoltageandenvironmenttemperaturePortableSimpletooperateInexpensive12PPT课件其它方面（性能指标）Theabilityofadet气体探测器(gas-filleddetectors)结构原理13PPT课件气体探测器(gas-filleddetectors)13P结构（气体探测器）14PPT课件结构（气体探测器）14PPT课件原理（气体探测器）圆柱形容器内部空间的电场分布电压-电流曲线15PPT课件原理（气体探测器）15PPT课件圆柱形容器内部空间的电场分布（气体探测器）16PPT课件圆柱形容器内部空间的电场分布（气体探测器）16PPT课件电压-电流曲线（气体探测器）17PPT课件电压-电流曲线（气体探测器）17PPT课件气体探测器的原理气体受放射源照射产生电离，外加电压收集电离电荷电离室：工作在饱和区上G-M管：工作在G-M区上18PPT课件气体探测器的原理18PPT课件医用活度计(dosecalibrator)19PPT课件医用活度计(dosecalibrator)19PPT课件盖革-弥勒监测仪(G-Msurveymeter)20PPT课件盖革-弥勒监测仪(G-Msurveymeter)20PP半导体探测器(semiconductor)结构本质和特点21PPT课件半导体探测器(semiconductor)21PPT课件结构（半导体探测器）22PPT课件结构（半导体探测器）22PPT课件本质和特点（半导体探测器）本质：固体电离室突出的特（优）点：高的能量分辨率与气体探测器相比：平均电离能W小一个数量级与闪烁探测器相比：线性好（输出脉冲与吸收的能量严格成正比）23PPT课件本质和特点（半导体探测器）本质：固体电离室23PPT课件闪烁探测器（计数器）(scintillation)组成和工作原理闪烁体的发光特性常用闪烁体简介光电倍增管电子仪器24PPT课件闪烁探测器（计数器）(scintillation)24PPT组成和工作原理（闪烁计数器）25PPT课件组成和工作原理（闪烁计数器）25PPT课件组成和工作原理（闪烁计数器）闪烁体：吸收辐射能，产生闪烁光光电倍增管：光电转换，电子倍增电子仪器：对电信号放大、分析和记录26PPT课件组成和工作原理（闪烁计数器）26PPT课件两个问题能否去掉闪烁体，让γ射线直接射向光电倍增管的光阴极？为什么？不密封如何？27PPT课件两个问题27PPT课件闪烁体的发光特性（闪烁计数器）闪烁体(scintillator)-在射线作用下能发射荧光的物质;无机→NaI(Tl),有机→液体闪烁体发光光谱-在射线作用下闪烁体发射的荧光强度随波长的分布发光效率-闪烁体吸收的射线能量转化为光能的百分数;Photonyield(perkeV):NaI(Tl)→40发光衰减时间-受激后的闪烁体原子、分子发射全部光子数的63%所需要的时间;NaI(Tl)→250ns28PPT课件闪烁体的发光特性（闪烁计数器）闪烁体(scintillato常用闪烁体简介（闪烁计数器）NaI(Tl)液体闪烁体（闪烁溶液）29PPT课件常用闪烁体简介（闪烁计数器）29PPT课件NaI(Tl)吸收辐射能的主要元素是I→HPGe半导体探测器效率较低（尺寸相同条件下）Tl：激活剂，发光中心作用1：引出闪烁光←避免自吸收作用2：闪烁光波长转换(λ>λ0)→避免自吸收；匹配PM管的光谱响应30PPT课件NaI(Tl)吸收辐射能的主要元素是I→HPGe半导体探测器讨论和提问（1~3分钟）31PPT课件讨论和提问（1~3分钟）31PPT课件液体闪烁体（闪烁溶液）溶剂：常用甲苯→溶解样品和吸收辐射能溶质：常用PPO+POPOP→产生闪烁光（波长转换）注：液体闪烁测量对低能和低水平β(如H-3，C-14)特别有利32PPT课件液体闪烁体（闪烁溶液）溶剂：常用甲苯→溶解样品和吸收辐射能333PPT课件33PPT课件光电倍增管(photomultiplier,PM)示意图概况主要特性34PPT课件光电倍增管(photomultiplier,PM)34PP示意图(PM)35PPT课件示意图(PM)35PPT课件概况(PM)一种光电转换器件→将闪烁体发射的微弱光信号转变成放大的电信号光电转换→光阴极(photocathode)电子倍增→各级打拿极(dynode)36PPT课件概况(PM)一种光电转换器件→将闪烁体发射的微弱光信号转变成主要特性(PM)光阴极的光谱响应光阴极受光照后发射光电子的概率与入射光波长的关系暗电流

PM管在一定工作电压下，无光照时所产生的阳极电流主要来源：光阴极和前几级打拿极的热电子发射注：因有暗电流而在阳极输出端产生的脉冲称为本底脉冲37PPT课件主要特性(PM)光阴极的光谱响应37PPT课件38PPT课件38PPT课件电子仪器（闪烁计数器）前置放大器(preamplifier)线性放大器(linearamplifier)脉冲幅度分析器(pulse-heightanalyzer,PHA)或单道分析器(single-channelanalyzer,SCA)多道分析器(multichannelanalyzer)定标器(scaler)和计时器(timer)计数率仪(ratemeter)39PPT课件电子仪器（闪烁计数器）前置放大器(preamplifier)前置放大器预放大便于PM管的输出信号传送比较远而不会严重衰减匹配（阻抗）便于来自PM管的信号在输入线性放大器时不发生畸变(distortion)和衰减(attenuation)40PPT课件前置放大器预放大40PPT课件线性放大器对输入脉冲进行放大输出脉冲与输入脉冲的幅度之比称为放大器的增益(gain)以正比方式进行放大放大过程中保持射线的能量信息41PPT课件线性放大器对输入脉冲进行放大41PPT课件脉冲幅度分析器或单道分析器脉冲电压（或幅度，刻度后对应射线能量）范围选择器控制旋钮：下阈(lowerlevel)和窗宽(window)

或：峰位电压(peakvoltage)和百分窗宽(percentwindow)→射线能量E和%ΔE42PPT课件脉冲幅度分析器或单道分析器脉冲电压（或幅度，刻度后对应射线能43PPT课件43PPT课件多道分析器可以将脉冲同时分离成多个范围（1000或更多）可以一次完成脉冲幅度分布全谱的测量44PPT课件多道分析器44PPT课件定标器和计时器记录射线脉冲数目→定标器记录测量时间→计时器记录终止信号的预置：时间或计数45PPT课件定标器和计时器记录射线脉冲数目→定标器45PPT课件计数率仪直接给出计数率→计数率仪注1：计数率直接反映放射性的强弱注2：由于计算机的广泛应用，计数率仪现在已几乎不用了46PPT课件计数率仪直接给出计数率→计数率仪46PPT课件γ计数器47PPT课件γ计数器47PPT课件甲状腺功能测定仪48PPT课件甲状腺功能测定仪48PPT课件热释光探测器→用于个人剂量监测（辐射防护）热释光(thermoluminescence,TL)热释光发光曲线(glowcurve)热释光测量系统49PPT课件热释光探测器→用于个人剂量监测（辐射防护）49PPT课热释光(TLD)释光(luminescence)：物质并非因为达到白炽（灼热）状态而释放光辐射的过程（现象）能长时间贮存电离辐射能，受热升温时释放光辐射的现象（过程）50PPT课件热释光(TLD)50PPT课件热释光(TLD)

MeansofexcitationLuminescenceeffectOpticalphotonsPhotoluminescence(ultraviolet,visible,infrared)BiochemicalenergyBioluminescenceIonizingradiationRadioluminescence51PPT课件热释光(TLD)51PPT课件热释光(TLD)LuminescenceeffectTimescaleofemissionFluorescencePromptPhosphorescenceDelayedThermoluminescencethermallyaccelerated52PPT课件热释光(TLD)52PPT课件热释光发光曲线(TLD)热释光强度随加热温度（时间）的分布曲线加热放出的光子数与热释光剂量元件受辐照时所吸收的能量（←照射量）成正比53PPT课件热释光发光曲线(TLD)热释光强度随加热温度（时间）的分布曲热释光发光曲线(TLD)54PPT课件热释光发光曲线(TLD)54PPT课件热释光测量系统(TLD)热释光剂量计（元件，探测器）(thermoluminescencedosimeter,TLD)：贮存电离辐射能读出器(reader-out，也称热释光测量仪)：读出电离辐射能55PPT课件热释光测量系统(TLD)热释光剂量计（元件，探测器）(the读出器(TLD)56PPT课件读出器(TLD)56PPT课件小结电离室与G-M计数管的基本工作原理：气体受放射源照射产生电离，外加电压收集电离电荷半导体探测器本质上属于固体电离室，它具有很高的能量分辨率闪烁计数器由闪烁体（吸收辐射能，产生闪烁光），光电倍增管（光电转换，电子倍增）以及电子仪器（对电信号放大、分析和记录）组成液体闪烁体由溶剂（溶解样品，吸收辐射能）和溶质（产生闪烁光）组成热释光测量系统由热释光剂量计（贮存电离辐射能）和读出器（读出电离辐射能）两部分组成57PPT课件小结电离室与G-M计数管的基本工作原理：气体受放射源照射产生思考题电离室和G-M计数管分别工作在电压-电流曲线的哪个区上？医用活度计的探测器？半导体探测器具有高能量分辨率的原因闪烁探测器的组成与工作原理NaI(Tl)闪烁体具有较高探测效率的原因为什么说液体闪烁体对测量低能和低水平β特别有利？热释光和热释光发光曲线的含义58PPT课件思考题电离室和G-M计数管分别工作在电压-电流曲线的哪个区上参考文献Chandra,NuclearMedicalPhysics59PPT课件参考文献Chandra,NuclearMedicalPTHANKYOU!60PPT课件THANKYOU!60PPT课件第七章核辐射探测器

（电子仪器）NuclearRadiationDetectors(AssociatedElectronics)61PPT课件第七章核辐射探测器

（电子仪器）Nu目的了解核辐射探测器的分类掌握核辐射探测器的原理了解与核辐射探测相关的电子仪器62PPT课件目的2PPT课件内容引言气体探测器半导体探测器闪烁探测器（计数器）热释光探测器63PPT课件内容3PPT课件引言核辐射探测的对象核辐射探测的实质核辐射探测器的分类核辐射探测器的性能指标64PPT课件引言核辐射探测的对象4PPT课件核辐射探测的对象核辐射的质→射线的能量（特征量）→（放射性）核素的种类核辐射的量→射线的强度（累加量）→（放射性）核素的活度65PPT课件核辐射探测的对象5PPT课件核辐射探测的实质能量转换过程即：将辐射能转变成可以记录的电信号的过程66PPT课件核辐射探测的实质6PPT课件核辐射探测器的分类按作用原理（工作方式）带电粒子(α、β)探测器→电离和激发非带电粒子(γ)探测器→通过三种效应产生次级带电粒子进行间接探测按记录方式

收集电离电荷→气体和半导体探测器

收集退激荧光→闪烁和热释光探测器67PPT课件核辐射探测器的分类按作用原理（工作方式）7PPT课件核辐射探测器的性能指标本征效率或灵敏度(intrinsicefficiencyorsensitivity)死时间或分辨时间(deadtimeorresolvingtime)能量区分能力或能量分辨率(energydiscriminationcapabilityorenergyresolution)其它方面68PPT课件核辐射探测器的性能指标本征效率或灵敏度(intrinsic本征效率或灵敏度ThemeasureofitsabilitytodetectradiationThehigher,thebetterPrimaryaffectingfactors:thelinearattenuationcoefficientandthethicknessofthesensitivevolume69PPT课件本征效率或灵敏度Themeasureofitsabi死时间或分辨时间AmeasureoftheabilityofadetectortofunctionaccuratelyathighcountratesTheintervalbetweenthetimewhenarayinteractswithadetectorandthetimewhenthedetectorrespondsandtheeventisrecordedTheshorter,thebetterLevel:μs70PPT课件死时间或分辨时间Ameasureoftheabili能量区分能力或能量分辨率TheabilityofadetectortodistinguishbetweentworadiationsofdifferentenergiesFullwidthathalfmaximum(FWHM)AlowervalueofFWHMindicatesabetterenergydiscriminationcapabilityAnotherwaytolookatFWHMistoconsideritasameasureoferrorintheenergydeterminationofanx-orγ–raybyadetector71PPT课件能量区分能力或能量分辨率Theabilityofad其它方面（性能指标）TheabilityofadetectornottobeappreciablyaffectedbythefluctuationsinlinevoltageandenvironmenttemperaturePortableSimpletooperateInexpensive72PPT课件其它方面（性能指标）Theabilityofadet气体探测器(gas-filleddetectors)结构原理73PPT课件气体探测器(gas-filleddetectors)13P结构（气体探测器）74PPT课件结构（气体探测器）14PPT课件原理（气体探测器）圆柱形容器内部空间的电场分布电压-电流曲线75PPT课件原理（气体探测器）15PPT课件圆柱形容器内部空间的电场分布（气体探测器）76PPT课件圆柱形容器内部空间的电场分布（气体探测器）16PPT课件电压-电流曲线（气体探测器）77PPT课件电压-电流曲线（气体探测器）17PPT课件气体探测器的原理气体受放射源照射产生电离，外加电压收集电离电荷电离室：工作在饱和区上G-M管：工作在G-M区上78PPT课件气体探测器的原理18PPT课件医用活度计(dosecalibrator)79PPT课件医用活度计(dosecalibrator)19PPT课件盖革-弥勒监测仪(G-Msurveymeter)80PPT课件盖革-弥勒监测仪(G-Msurveymeter)20PP半导体探测器(semiconductor)结构本质和特点81PPT课件半导体探测器(semiconductor)21PPT课件结构（半导体探测器）82PPT课件结构（半导体探测器）22PPT课件本质和特点（半导体探测器）本质：固体电离室突出的特（优）点：高的能量分辨率与气体探测器相比：平均电离能W小一个数量级与闪烁探测器相比：线性好（输出脉冲与吸收的能量严格成正比）83PPT课件本质和特点（半导体探测器）本质：固体电离室23PPT课件闪烁探测器（计数器）(scintillation)组成和工作原理闪烁体的发光特性常用闪烁体简介光电倍增管电子仪器84PPT课件闪烁探测器（计数器）(scintillation)24PPT组成和工作原理（闪烁计数器）85PPT课件组成和工作原理（闪烁计数器）25PPT课件组成和工作原理（闪烁计数器）闪烁体：吸收辐射能，产生闪烁光光电倍增管：光电转换，电子倍增电子仪器：对电信号放大、分析和记录86PPT课件组成和工作原理（闪烁计数器）26PPT课件两个问题能否去掉闪烁体，让γ射线直接射向光电倍增管的光阴极？为什么？不密封如何？87PPT课件两个问题27PPT课件闪烁体的发光特性（闪烁计数器）闪烁体(scintillator)-在射线作用下能发射荧光的物质;无机→NaI(Tl),有机→液体闪烁体发光光谱-在射线作用下闪烁体发射的荧光强度随波长的分布发光效率-闪烁体吸收的射线能量转化为光能的百分数;Photonyield(perkeV):NaI(Tl)→40发光衰减时间-受激后的闪烁体原子、分子发射全部光子数的63%所需要的时间;NaI(Tl)→250ns88PPT课件闪烁体的发光特性（闪烁计数器）闪烁体(scintillato常用闪烁体简介（闪烁计数器）NaI(Tl)液体闪烁体（闪烁溶液）89PPT课件常用闪烁体简介（闪烁计数器）29PPT课件NaI(Tl)吸收辐射能的主要元素是I→HPGe半导体探测器效率较低（尺寸相同条件下）Tl：激活剂，发光中心作用1：引出闪烁光←避免自吸收作用2：闪烁光波长转换(λ>λ0)→避免自吸收；匹配PM管的光谱响应90PPT课件NaI(Tl)吸收辐射能的主要元素是I→HPGe半导体探测器讨论和提问（1~3分钟）91PPT课件讨论和提问（1~3分钟）31PPT课件液体闪烁体（闪烁溶液）溶剂：常用甲苯→溶解样品和吸收辐射能溶质：常用PPO+POPOP→产生闪烁光（波长转换）注：液体闪烁测量对低能和低水平β(如H-3，C-14)特别有利92PPT课件液体闪烁体（闪烁溶液）溶剂：常用甲苯→溶解样品和吸收辐射能393PPT课件33PPT课件光电倍增管(photomultiplier,PM)示意图概况主要特性94PPT课件光电倍增管(photomultiplier,PM)34PP示意图(PM)95PPT课件示意图(PM)35PPT课件概况(PM)一种光电转换器件→将闪烁体发射的微弱光信号转变成放大的电信号光电转换→光阴极(photocathode)电子倍增→各级打拿极(dynode)96PPT课件概况(PM)一种光电转换器件→将闪烁体发射的微弱光信号转变成主要特性(PM)光阴极的光谱响应光阴极受光照后发射光电子的概率与入射光波长的关系暗电流

PM管在一定工作电压下，无光照时所产生的阳极电流主要来源：光阴极和前几级打拿极的热电子发射注：因有暗电流而在阳极输出端产生的脉冲称为本底脉冲97PPT课件主要特性(PM)光阴极的光谱响应37PPT课件98PPT课件38PPT课件电子仪器（闪烁计数器）前置放大器(preamplifier)线性放大器(linearamplifier)脉冲幅度分析器(pulse-heightanalyzer,PHA)或单道分析器(single-channelanalyzer,SCA)多道分析器(multichannelanalyzer)定标器(scaler)和计时器(timer)计数率仪(ratemeter)99PPT课件电子仪器（闪烁计数器）前置放大器(preamplifier)前置放大器预放大便于PM管的输出信号传送比较远而不会严重衰减匹配（阻抗）便于来自PM管的信号在输入线性放大器时不发生畸变(distortion)和衰减(attenuation)100PPT课件前置放大器预放大40PPT课件线性放大器对输入脉冲进行放大输出脉冲与输入脉冲的幅度之比称为放大器的增益(gain)以正比方式进行放大放大过程中保持射线的能量信息101PPT课件线性放大器对输入脉冲进行放大41PPT课件脉冲幅度分析器或单道分析器脉冲电压（或幅度，刻度后对应射线能量）范围选择器控制旋钮：下阈(lowerlevel)和窗宽(window)

或：峰位电压(peakvoltage)和百分窗宽(percentwindow)→射线能量E和%ΔE102PPT课件脉冲幅度分析器或单道分析器脉冲电压（或幅度，刻度后对应射线能103PPT课件43PPT课件多道分析器可以将脉冲同时分离成多个范围（1000或更多）可以一次完成脉冲幅度分布全谱的测量104PPT课件多道分析器44PPT课件定标器和计时器记录射线脉冲数目→定标器记录测量时间→计时器记录终止信号的预置：时间或计数105PPT课件定标器和计时器记录射线脉冲数目→定标器45PPT课件计数率仪直接给出计数率→计数率仪注1：计数率直接反映放射性的强弱注2：由于计算机的广泛应用，计数率仪现在已几乎不用了106PPT课件计数率仪直接给出计数率→计数率仪46PPT课件γ计数器107PPT课件γ计数器47PPT课件甲状腺功能测定仪108PPT课件甲状腺功能测定仪48PPT课件热释光探测器→用于个人剂量监测（辐射防护）热释光(thermoluminescence,TL)热释光发光曲线(glowcurve)热释光测量系统109PPT课件热释光探测器→用于个人剂量监测（辐射防护）49PPT课热释光(TLD)释光(luminescence)：物质并非因为达到白炽（灼热）状态而释放光辐射的过程（现象）能长时间贮存电离辐射能，受热升温时释放光辐射的现象（过程）110PPT课件热释光(TLD)50PPT课件热释光(TLD)

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