核电子学与核仪器课件17

核电子学与核仪器覃国秀qinguoxiu198201@163.comTel技术教研室2009/04/09上次课关键点时域分析与频域分析tf(t)0时域0F(ω)ω傅立叶变换傅立叶逆变换频域本堂课主要内容：一、气体探测器（Gas－filledDetector）二、闪烁体探测器（ScintillationDetector）三、半导体探测器（SemiconductorDetector）为什么需要辐射探测器？对于辐射是不能感知的，因此人们必须借助于核辐射探测器探测各种辐射，给出辐射的类型、强度(数量)、能量及时间等特性。即对辐射进行测量。核辐射探测器的定义：利用辐射在气体、液体或固体中引起的电离、激发效应或其它物理、化学变化进行辐射探测的器件称为辐射探测器。探测器按探测介质类型及作用机制主要分为：

气体探测器；

闪烁体探测器；半导体探测器。辐射探测的基本过程：辐射粒子射入探测器的灵敏体积；入射粒子通过电离、激发等效应而在探测器中沉积能量；探测器通过各种机制将沉积能量转换成某种形式的输出信号。辐射探测器学习要点（研究问题）：

探测器的工作机制；探测器的输出回路与输出信号；探测器的主要性能指标；探测器的典型应用。一、气体探测器1.1气体中离子与电子的运动规律气体的电离与激发入射带电粒子与靶原子的核外电子通过库仑作用，使电子获得能量而引起原子的电离或激发。

入射粒子直接产生的离子对称为原电离。初电离产生的高速电子足以使气体产生的电离称为次电离。

总电离

=原电离+次电离

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。一、气体探测器1.1气体中离子与电子的运动规律电子与离子在气体中的运动当存在外加电场的作用情况时，离子和电子除了与作热运动的气体分子碰撞而杂乱运动和因空间分布不均匀造成的扩散运动外，还有由于外加电场的作用沿电场方向定向漂移。

离子的飘移：在存在电场的情况下，两次碰撞之间离子从电场获得的能量又会在碰撞中损失，离子的能量积累不起来。

电子的漂移：电子与气体分子发生弹性碰撞时，每次损失的能量很小，因此，电子在两次碰撞中由外电场加速的能量可积累起来。一、气体探测器1.1气体中离子与电子的运动规律一、气体探测器1.2电离室的工作机制电离室的工作方式

(1)脉冲型工作状态记录单个入射粒子的电离效应，处于这种工作状态的电离室称为：脉冲电离室。

(2)累计型工作状态记录大量入射粒子平均电离效应，处于这种工作状态的电离室称为：累计电离室。一、气体探测器1.2电离室的工作机制电离室的基本机构不同类型的电离室在结构上基本相同，典型结构有平板型和圆柱型。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。一、气体探探测器平板型电离离室一、气体探探测器圆柱型电离离室一、气体探探测器1.3脉冲电离室室电离室处于于脉冲工作状状态，电离室的的输出信号号仅反映单个入射粒子的的电离效应应。可以测测量每个入入射粒子的的能量、时间、强度等。脉冲电离室室的输出信信号：电荷信号，电流信号，电压信号。电离室是一一个理想的电荷源（其外回路路对输出量量无影响））。一、气体探探测器1.3脉冲电离室室电离室可以以用电流源源I0(t)和C1并联等效。。并可得到到其输出回回路的等效效电路。一、气体探探测器1.4正比计数器器（ProportionalCounters）正比计数器器中，利用用碰撞电离离将入射粒粒子直接产产生的电离离效应放大了，使得正比比计数器的的输出信号号幅度比脉脉冲电离室室显著增大大。对直接电离离效应放大大的倍数称称为“气体放大倍倍数”，以A表示，在一一定的工作作条件下，，A保持为常数。正比计数器器属于非自自持放电的的气体电离离探测器。。正比计数器器结构上必必须满足实实现碰撞电离的需要，而而在强电场场下才能实实现碰撞电电离。一、气体探探测器1.4正比计数器器（ProportionalCounters）正比计数器器中发生的的物理作用用：碰撞电离与与气体放大大碰撞电离只有电子才能实实现。当电电子到达距距丝极一定定距离r0之后，通过过碰撞电离离过程，电电子的数目目不断增殖殖，这个过过程称为气体放大过过程，又称电子雪崩。。光子反馈在电子与气气体分子的的碰撞中，，不仅能产产生碰撞电电离，同时时也能产生生碰撞激发发。气体分分子在退激激时会发出出紫外光子子，其能量量一般大于于阴极材料料的表面逸逸出功，而而在阴极打打出次电子子。一、气体探探测器气体放大过过程中正离离子的作用用离子漂移速速度慢，在在电子漂移移、碰撞电电离等过程程中，可以以认为正离离子基本没没动，形成成空间电荷，处于阳极极丝附近，，会影响附附近区域的的电场，使使电场强度度变弱，影影响电子雪雪崩过程的的进行。正离子漂移移到达阴极极，与阴极极表面的感感应电荷中中和时有一一定概率产产生次电子子，发生新新的电子雪雪崩过程，，称为离子反馈；也可以通通过加入少少量多原子子分子气体体阻断离子子反馈。一、气体探探测器1.4正比计数器器（ProportionalCounters）正比计数器器的应用流气式4正比计数器器特点：4立体角，探探测效率高高；流气工工作方式，，换样品方方便，结构构密封简单单；阳极丝丝为环状。。低能X射线正比计计数器——鼓形正比计计数器特点：有入入射窗，常常用Be(铍)窗。多丝正比室室和漂移室室多丝正比室室的阴极为为平板，阳阳极由平行行的细丝组组成多路正正比计数器器。位置灵灵敏度达到到mm量级，为粒粒子物理等等作出巨大大贡献，于于1992年获诺贝尔尔物理奖。。一、气体探探测器1.5G-M计数管G-M计数管是由由盖革(Geiger)和弥勒(Mueller)发明的一种种利用自持持放电的气气体电离探探测器。G-M管的特点是是：制造简单、、价格便宜宜、使用方方便。灵敏敏度高、输输出电荷量量大。G-M管的的缺缺点点是是：：死时时间间长长，，仅仅能能用用于于计计数数。。一、、气气体体探探测测器器1.5G-M计数数管管G-M管的的工工作作机机制制(1)正离离子子鞘鞘的的形形成成及及自自持持放放电电过过程程初始始电电离离及及碰碰撞撞电电离离过过程程（电电子子加加速速发发生生碰碰撞撞电电离离形形成成电电子子潮潮－－雪雪崩崩过过程程））放电电传传播播（气气体体放放出出的的紫紫外外光光子子打打到到阴阴极极上上并并打打出出次次电电子子））正离离子子鞘鞘向向阴阴极极漂漂移移过过程程（形形成成““离离子子电电流流””，，是是形形成成输输出出脉脉冲冲的的主主要要贡贡献献））正离离子子在在阴阴极极表表面面的的电电荷荷中中和和过过程程。。(2)有机机和和卤卤素素自自熄熄G-M计数数管管在工工作作气气体体中中加加入入少少量量有机机气气体体或卤素素气气体体，构构成成的的G-M管，，具具有有自自熄熄能能力力。。一、、气气体体探探测测器器1.5G-M计数数管管G-M计数数管管的的典典型型结结构构及及性性能能G-M管主主要要有有圆圆柱柱型型和和钟钟罩罩型型两两种种。。圆圆柱柱型型主主要要用用于于射线线测测量量，，而而钟钟罩罩型型由由于于有有入入射射窗窗，，主主要要用用于于，，射线线的的测测量量。。二、、闪闪烁烁体体探探测测器器闪烁烁探探测测器器是利利用用辐辐射射在在某某些些物物质质中中产产生生的的闪光光来探探测测电电离离辐辐射射的的探探测测器器。。二、、闪闪烁烁体体探探测测器器闪烁烁探探测测器器的的工工作作过过程程：：(1)辐射射射射入入闪闪烁烁体体使使闪闪烁烁体体原原子子电离离或激发发，受受激激原原子子退激激而发发出出波波长长在在可可见见光光波波段段的的荧光光；(2)荧光光光光子子被被收收集集到到光电电倍倍增增管管(PMT)的光阴阴极极，通通过过光电电效效应应打出出光电电子子；(3)光电子子在在光光电电倍倍增增管管里里运运动动并并倍倍增增，并并在在阳极极输输出出回回路路输出出信信号号。。闪烁烁探探测测器器可用用来来测测量量入射射粒粒子子的能量量。二、、闪闪烁烁体体探探测测器器2.1闪烁烁体体闪烁烁体体的的分分类类无机机闪闪烁烁体体：无机机晶晶体体(掺杂杂)玻璃璃体体纯晶晶体体有机机闪闪烁烁体体：有有机机晶晶体体———蒽晶晶体体等等；；有有机机液液体体闪闪烁烁体体及及塑塑料料闪闪烁烁体体。。二、、闪闪烁烁体体探探测测器器2.1闪烁烁体体闪烁烁体体的的发发光光机机制制无机机闪闪烁烁体体的的发发光光机机制制晶体体中中电电子子的的能能态态不不再再用用原原子子能能级级表表示示，，而而用用“能带带”来描描述述，，晶晶体体的的发发光光机机制制取取决决于于整整个个晶晶体体的的电电子子能能态态。。对于离子子晶体，，辐射射射入闪烁烁体使晶晶体原子子电离和激发。二、闪烁体体探测器2.1闪烁体闪烁体的发发光机制有机闪烁体体的发光机机制有机闪烁体体的发射光光谱和吸收收光谱的峰峰值是分开开的，所以以，有机闪闪烁体对其其所发射的的荧光是透透明的。但但发射谱的的短波部分分与吸收谱谱的长波部部分有重叠叠，为此在在有的有机机闪烁体中中加入移波剂，以减少自自吸收。二、闪烁体体探测器2.1闪烁体光的收集1)反射层在非光子出出射面打毛毛，致使光光子漫反射射，并再衬衬以或涂敷敷氧化镁或或氧化钛白白色粉末。。2)光学耦合为防止光由由光密介质质到光疏介介质发生的的全反射，，用折射系系数n=1.4~1.8的硅脂(或硅油)。3)光导常用于闪烁烁体与光电电倍增管的的尺寸不符符或其它特特殊需要。。二、闪烁体体探测器2.2光电倍增管管光电倍增管管的结构二、闪烁体体探测器2.2光电倍增管管光电倍增管管的主要性性能光阴极的光光谱响应光阴极受到到光照后，，发射光电电子的概率率是入射光光波长的函函数，称作作“光谱响响应”。光照灵敏度度阴极灵敏度度；阳极灵灵敏度。光电倍增管管的暗电流流与噪声当工作状态态下的光电电倍增管完完全与光辐辐射隔绝时时，其阳极极仍能输出出电流(暗电流)及脉冲信号号(噪声)。光电倍增管管的时间特特性与稳定定性。二、闪烁体体探测器2.3单晶闪烁谱谱仪闪烁谱仪的的组成与工工作原理闪烁体、PMT以及配套的的电子学仪仪器组成。。X或射线不带电电，它与闪闪烁体的相相互作用是是通过三种种次级效应实现的，它它产生的次级电子的的能谱是相当复杂杂的，因而而由次级电子产产生的输出脉冲幅幅度谱也是相当复复杂的。以NaI(Tl)闪烁晶体的的单晶闪烁谱仪为为例。二、闪烁体体探测器2.3单晶闪烁谱谱仪单能射线的的输出脉冲冲幅度谱射线与物质质的相互作作用：二、闪烁体体探测器2.3单晶闪烁谱谱仪单能射线的的输出脉冲冲幅度谱常见单能射线谱二、闪烁体体探测器2.3单晶闪烁谱谱仪单能射线的的输出脉冲冲幅度谱常见单能射线谱三、半导体体探测器半导体探测测器的基本原理理是带电粒粒子在半导导体探测器器的灵敏体体积内产生生电子－空穴穴对，电子－空空穴对在外外电场的作作用下漂移而输出信号号。我们把气体探测器器中的电子－离子子对、闪烁探测器器中被PMT第一打拿极极收集的电电子及半导体探测测器中的电子－空穴穴对统称为探测器的信信息载流子子。产生每个个信息载流流子的平均均能量分别别为30eV(气体探测器器)，300eV(闪烁探测器器)和3eV(半导体探测测器)。三、半导体体探测器半导体探测测器的特点：(1)能量分辨率率最佳；(2)射线探测效效率较高，可与闪烁烁探测器相相比。常用半导体体探测器有有：(1)P-N结型半导体探测测器；(2)锂漂移型半导体探测测器；(3)高纯锗半导体探测测器。三、半导体体探测器3.1半导体的基基本性质常用半导体体材料为硅(Si)和锗(Ge)，均为IV族元素。本征半导体体和杂质半半导体1)本征半导体体：理想、无杂杂质的半导导体。由于于热运动而而产生的载流子浓度度称为本征载流子子浓度，且导带中的的电子数和价带中的的空穴数严格格相等。固体物理理理论已证明明半导体内内的载流子平衡衡浓度为：三、半导体体探测器3.1半导体的基基本性质本征半导体体和杂质半半导体2)杂质半导体体替位型：III族元素，如如B，Al，Ga等；V族元素，如如P，As，Sb等间隙型：Li，可在晶格格间运动。。施主杂质（施主杂质为为V族元素，其电电离电位ED很低。在室室温下，这这些杂质原原子几乎全全部电离。。掺有施主主杂质的半半导体称为为N型半导体。）受主杂质（受主杂质为为III族元素，其电电离电位EA也很低。掺掺有受主杂杂质的半导导体称为P型半导体。）三、半导体体探测器3.1半导体的基基本性质半导体作为为探测介质质的物理性性能1)平均电离能能入射粒子在在半导体介介质中平均均产生一对对电子空穴穴需要的能能量。2)载流子的漂漂移由于电子迁迁移率n和空穴迁迁移率p相近，与气气体探测器器不同，不不存在电子子型或空穴穴型半导体体探测器。。SiGe300ºK3.62eV2.80eV77ºK3.76eV2.96eV三、半导体体探测器3.1半导体的基基本性质半导体作为为探测介质质的物理性性能3)电阻率与载载流子寿命命掺杂将大大大降低半导导体的电阻阻率，对硅硅来说掺杂杂对电阻率率的影响比比锗显著得得多。当半半导体材料料被冷却到到液氮温度度时将大大大提高电阻阻率。载流子寿命命--载流子在俘俘获以前，，可在晶体体中自由运运动的时间间。只有当当漂移长度度大于灵敏敏体积的长长度才能保保证载流子子的有效收收集。对高高纯度的Si和Ge～10-3s，决定了Si和Ge为最实用的的半导体材材料。半导体电阻率：三、半导体体探测器3.2P-N结半导体探探测器P-N结半导体探探测器的工工作原理1)P-N结区(势垒区)的形成多数载流子子扩散，空空间电荷形形成内电场场并形成结区。结区内存存在着势垒垒，结区又又称为势垒区。势垒区内内为耗尽层，无载流子存存在，实现高电阻率。三、半导体体探测器3.2P-N结半导体探探测器P-N结半导体探探测器的工工作原理1)P-N结区(势垒区)的形成在P-N结上加反向向电压，由由于结区电电阻率很高高，电位差差几乎都降降在结区。。反向电压压形成的电电场与内电电场方向一一致。外加加电场使结结区宽度增增大。反向向电压越高高，结区越越宽。在外加反向向电压时的的反向电流流：少子的扩散散电流，结结区面积不不变，IS不变；结区体积加加大，热运运动产生电电子空穴多多，IG增大；反向电压产产生漏电流IL，主要是表表面漏电流流。即在使结区区变宽的同同时，IG增加,IS不变，并出出现IL，此时表现现的宏观电电流称为暗电流。三、半导体体探测器3.2P-N结半导体探探测器P-N结半导体探探测器的工工作原理2)P-N结半导体探探测器的特特点结区的空间间电荷分布布，电场分分布n-typep-type---------------------------------+++++++++++++++P-N结内N区和P区的电荷密度分别为：式中ND和NA分别代表施施主杂质和和受主杂质质浓度；a,b则代表空间间电荷的厚厚度。一般般a,b不一定相等等，取决于于两边的杂杂质浓度，，耗尽状态态下结区总电荷荷为零，即即NDa＝NAb。三、半导体体探测器3.2P-N结半导体探探测器P-N结半导体探探测器的工工作原理2)P-N结半导体探探测器的特特点结区的空间间电荷分布布，电场分分布电场场为为非非均均匀匀电电场场：：三、、半半导导体体探探测测器器3.2P-N结半半导导体体探探测测器器P-N结半半导导体体探探测测器器的的工工作作原原理理2)P-N结半半导导体体探探测测器器的的特特点点结区区宽宽度度与与外外加加电电压压的的关关系系结区区宽宽度度的的限限制制因因素素及及结结电电容容随随工工作作电电压压的的变变化化受材材料料的的击穿穿电电压压的限限制制；；受受暗电电流流的限限制制。。结区区电电容容随随外外加加电电压压变变化化而而变变化化，，外外加加电电压压的的不不稳稳定定可可以以影影响响探探测测器器输输出出电电压压幅幅度度的的不不稳稳定定。。Ni为掺掺杂杂少少的的一一边边的的杂杂质质浓浓度度。。三、、半半导导体体探探测测器器3.2P-N结半半导导体体探探测测器器P-N结半半导导体体探探测测器器的的类类型型1)扩散散结结(DiffusedJunction)型探探测测器器采用用扩扩散散工工艺艺———高温温扩扩散散或或离离子子注注入入；；材材料料一一般般选选用用P型高高阻阻硅硅，电电阻阻率率为为1000；在在电电极极引引出出时时一一定定要要保保证证为为欧欧姆姆接接触触，，以以防防止止形形成成另另外外的的结结。。2)金硅硅面面垒垒(SurfaceBarrier)探测测器器一般般用用N型高高阻阻硅硅，表表面面蒸蒸金金50～100g/cm2氧化化形形成成P型硅硅，，而而形形成成P-N结。。工工艺艺成成熟熟、、简简单单、、价价廉廉。。三、、半半导导体体探探测测器器3.2P-N结半半导导体体探探测测器器P-N结半半导导体体探探测测器器的的输输出出电电路路三、、半半导导体体探探测测器器3.3锂漂漂移移半半导导体体探探测测器器锂的的漂漂移移特特性性及及P-I-N结1)间隙隙型型杂杂质质———LiLi为施施主主杂杂质质，，电电离离能能很很小小～～0.033eVLi＋漂移移速速度度2)P-I-N结的的形形成成三、、半半导导体体探探测测器器3.3锂漂漂移移半半导导体体探探测测器器锂的的漂漂移移探探测测器器工工作作原原理理空间间电电荷荷、、电电场场及及电电位位分分布布I区为完全全补补偿偿区区，呈呈电电中中性性为为均均匀匀电电场场；；I区为耗尽尽层层，电电阻阻率率可可达达1010cm；I区厚度度可可达达10～20mm，为为灵敏敏体体积积。杂质质电位位电场场电荷荷三、、半半导导体体探探测测器器3.4高纯纯锗锗半半导导体体探探测测器器由耗耗尽尽层层厚厚度度的的公公式式：：降低低杂杂质质的的浓浓度度Ni可提提高高耗耗尽尽层层的的厚厚度度。。高高纯纯锗锗半半导导体体探探测测器器是是由由极极高高纯纯度度的的Ge单晶晶制制成成的的P-N结半导导体体探探测测器器。。杂杂质质浓浓度度为为~1010原子子/cm3。一般般半半导导体体材材料料杂杂质质浓浓度度为为~1015原子子/cm3。三、、半半导导体体探探测测器器3.4高