射线探测原理与技术

核辐射探测方法

陈明焌常用射线探测器的工作原理1.气体探测器共同特点：作用介质为气体结构相似探测依据射线通过物质时的电离效应

气体探测器电离室（平板型、圆柱型）正比计数器（圆柱型）G-M计数器（圆柱型）1.1气体探测器的工作原理

射线气体（一种物质)相互作用传递能量气体原子（分子）中核外电子获得能量产生电离和激发效应，产生大量的电子正离子对，射线本身损失能量而被阻止下来。1.气体的电离初电离：入射粒子与气体原子分子碰撞直接产生正离子和电子。次电离：直接电离时产生的电子中能量特别高的那部分，称为δ电子，它们也能使气体电离。另外初电离可使原子分子产生内壳层空位，则外壳层向内壳层跃迁时，既可能发射俄歇电子，也有可能发射紫外光或X射线，它们都可能使气体电离。电离的过程包括：

初电离和次电离的总和称为总电离。平均电离能

带电粒子在气体中产生一对电子正离子对需要的平均能量

W→平均电离能射线通过气体时就可形成N对离子对：平均电离能W>最低电离电位I0几种气体的电离能w、和最低电离电位气体w()w(X,)w()I0He46.00.541.50.429.9+0.524.5Ne35.72.636.20.428.6821.6Ar26.30.126.20.215.8O232.30.131.80.331.5212.5CH429.10.127.30.312.8C2H428.030.0526.30.312.2空气34.980.0533.730.1536.00.42.离子的收集和电压电流曲线图4.2离子收集装置示意图图4.3α、β两种粒子在气体探测器中产生的总的离子对数目和电场的关系曲线图4.3给出了α、β两种粒子在气体探测器中产生的总的离子对数目和电场的关系曲线明显分为五个区域：

在辐射强度恒定的条件下，随所加电压与电离电流的关系如图4.3。图各种类型的气体探测器例：210PoEα=5.30MeV

经推导和实际测量已知，每一对电子正离子对都带有一定电量，大小为：圆柱型电离室+++++-----2.闪烁探测器

闪烁探测器是利用辐射在某些物质中产生的闪光来探测电离辐射的探测器。闪烁探测器的主要组成部分：

闪烁体光电倍增管相应的电子学仪器闪烁体光电倍增管(打拿极)反射层管座分压器高压多道或单道光阴极阳极荧光光子光电子暗盒窗前置放大器1）闪烁探测器工作原理（五个相互联系的过程）：损失能量射线进入闪烁题，闪烁体吸收带电粒子能量，而使原子、分子电离、激发。

能量转换受激原子、分子退激发时，发射荧光光子。发出光子→射线能量的一部分转化为光能。

收集光子、光电转换利用反射物和光导将闪烁光子尽可能多地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能→电子

光电子在光电倍增管中倍增，数量由一个增加到104

～109

，电子流在阳极负载上产生电信号，输出幅度几百mV～V,在一定的条件下正比于入射粒子损失的能量，脉冲计数正比与入射粒子强度。

记录分析

a.NaI(Tl)晶体密度大ρ=3.67g/cm3原子序数高Z=53(占总重的85%）对γ射线探测效率高输出脉冲幅度与吸收的能量基本上有线性关系2）介绍几种闪烁体b.Zn(Ag)闪烁体优点：发光效率极高对重带电粒子阻止本领很大，对γ射线不灵敏，适合于在β、γ本底场中用幅度甄别法测量中带电粒子缺点：ZnS层是半透明的因此不能用来测量α能量，只能用来测量α强度c.有机晶体蒽和芪具有良好的发光特性的芳香族化合物蒽：Z小，H的含量大探测β和快中子的好材料在0.1~30MeV能区线性好，可测β能谱芪：光输出是蒽的60%，发光时间-6ns常用作快计数加工困难不多用a.基本原理和构造

光电倍增管是利用光电效应将光转换成光电子，由光电子形成的电流来记录微弱闪光的元件。作用：光电转换、电子倍增、信号输出三个基本组成部分：光阴极、次阴极、阳极3）光电倍增管光阴极接受光子并放出光电子的电极作用：光电转换次阴极

阳极光阴极产生的光电子被加速、聚焦、倍增作用：电子倍增收集经倍增放大后所产生的所有电子作用：信号输出图4.13光电倍增管的工作原理设：系统电容为C,引起阳极上电极电位变化幅度为:ΔVE0结论与启示：2.为了提高，必须增大、A、T等、能量损失率平均光电转换效率电子收集效率总发光效率方法：增大A,增大闪烁体尺寸。(提高探测效率)选的闪烁体（高发光效率）提高（光子收集效率）调节光电倍增管得分压电阻，提高(电子收集效率）闪烁体与光电倍增管相匹配增加（光电转换效率）3.半导体探测器

工作原理与气体探测器类似半导体材料Si或Ge对辐射损伤较灵敏性能随温度变化关系较大能量分辨率高时间响应快（10-9秒）线性范围宽(300KeV-1.3MeV线性偏移<0.2KeV)主要缺点主要优点探测介质时间响应快：

带电粒子在半导体中形成的电离密度要比在气体中形成的电离密度高，大约3个数量级。

所以，当探测高能电子或γ射线时，半导体探测器的尺寸要比气体探测器小得多，因而可以制成高空间分辨、快时间相应的探测器。线性范围宽：

在很大的能量范围内，探测器输出脉冲幅度与所测射线的能量成正比。表4.2不同探测器能量分辨率的比较放射源探测器能量分辨率241Am-α5.486MeVPIPS离子注入表面钝化硅半导体探测器约0.2%气体探测器约1%60Co-γ1.33MeV高纯锗半导体探测器约0.1%NaI（Tl）闪烁探测器约8%55Fe-X5.9keVSi（Li）半导体探测器约3%正比计数器（气体）约17%NaI（Tl）闪烁探测器约50～60%电离室成为探测器必须满足的条件：没有射线穿过灵敏体积时，不产生信号或信号可以忽略；带电粒子穿过灵敏体积时，在其中产生离子对；在电场的作用下，离子在漂向两极的过程中没有明显的损失，在回路中形成的信号能代表原初产生的离子对数。1）半导体探测器的基本原理：

与气体探测器类似，核辐射在半导体中，每产生一对电子空穴对，平均损失的能量即平均电离能w

硅锗

对于能量为E的核辐射，半导体探测器输出脉冲幅度：探测器的结电容漂移型：硅锂漂移探测器锗锂漂移探测器高纯材料：低能γ、x射线γ射线能谱高纯锗探测器HPGe扩散型：主要用于测量粒子能谱和粒子计数扩散结型面垒型离子注入型2）常见的半导体探测器图4.18金硅面垒半导体探测器外形图4.21液氮致冷冗余设计致冷器和脉冲管电致冷器4.中子探测器1）中子探测的基本原理

由于中子不带电，中子与物质中的电子发生相互作用不能引起直接电离。因此，中子探测器只能依靠中子与原子核相互作用产生的核反应、核反冲、核裂变和活化等产生的次级带电粒子来测量中子。中子与原子核的反应过程，以及相互作用截面的大小，依赖于中子的能量和物质的性质。

常用中子探测器主要有：BF3正比计数器、硼电离室、裂变室、闪烁探测器、半导体探测器等。2）常用中子探测器简介BF3正比计数器BF3气体作为探测介质，利用中子和10B发生核反应产生的α粒子和7Li在正比计数器产生的电离效应来达到探测中子的目的。重带电粒子，射程比较短BF3计数管主要用于热中子和慢中子的测量，它对快中子的探测效率很低，若探测器外有用石蜡（或聚乙烯）制成的慢化剂，是快中子经慢化后再进入计数管，则BF3计数管也可以用来探测快中子。这样就可以使得测量中子的能量范围更宽，被称为“长计数管”。

硼电离室和裂变室硼电离室在电离室的一个电极上涂有10B薄膜，利用核反应产生的α粒子和7Li在电离室产生的电流来测量中子的注量率裂变室在电离室的电极上涂裂变物质235U,利用中子轰击235U产生裂变，记录裂变碎片在电离室中产生的电流来记录中子。一般用于核反应堆控制。

3He气体探测器

３He气体与中子发生如下反应，也广泛地用作探测中子的介质： ３He+n

３H+p+0.765MeV此反应产生的0.765MeV能量分别由反应产物３H（0.191MeV）和p(0.574MeV)获得。

闪烁中子探测器有机闪烁体主要用于快中子的测量

硫化锌快中子屏主要用于快中子的测量

硫化锌慢中子屏主要用于快中子的测量

锂玻璃闪烁体主要用于热中子到几百

keV中子的测量5.半导体探测器

用某种物质作为辐射体，通过核反应、核反冲和核裂变产生重带电粒子，然后用半导体探测器测量。图4.22夹心式6LiF半导体中子谱仪两个面对面的金硅面垒半导体探测器，中间放入含6Li薄膜，制成“夹心式”中子谱仪，5.热释光探测器TLD1)热释光探测器的基本原理什么是“热释光”

辐射照射在某种结晶上之后，将这种结晶体加热，它会放出与受照剂量大致成正比的光来。这种现象成为“热致发光现象”。电子获得足够的能量，使原子电离电子由价带进入导带

电离电子获得的能量不足以使它电离，而只能达到激子带

激发a.当带电粒子穿过介质时“激子”

处于激子带的电子和空穴，在晶格中运动，但不导电。运动过程中，电子和空穴可能被陷阱俘获而落入不同的陷阱能级中，或落入被杂质原子在禁带所形成的能级中。

只有通过热起伏而重新被激发到导带，才能形成的发光中心复合而发光。

显然：提高磷光体的温度可以使储存与其中的辐射能加速地释放出来。这一现象称为：“热致发光现象”b.被俘获后的电子

加热发出的总光子数与陷阱中释放出来的电子数成正比，而总电子数又与磷光体最初被吸收的辐射能量成正比。因此，可以通过测量总光子数来测量各种核辐射。加热温度（Ｋ）热释光强度：在所考虑时刻陷阱能级ε上的电子数陷阱能级波尔兹曼常数常数C.发光强度曲线图4.24LiF热释光发光强度曲线

加热热释光材料可以得到热释光发光强度随温度的变化曲线，这就是“热释光的发光曲线”。

发光曲线下的面积叫做发光总额。对同一热释光材料若接受的照射量一定，则发光总额是一个常数。因此，原则上可以用任何一个峰的积分强度确定所接受的照射剂量。常用的测量发光强度的方法有：峰高法、光和法。加热发光装置的三个主要部分：2)加热发光测量装置的主要部分图4.25热释光剂量仪探头部分示意图a.加热部分b.光电转换部分c.输出显示部分3)常用热释光探测器的种类一类是原子序数低的材料如氟化锂（LiF）、氧化铍(BeO)等，其组成接近等效组织材料，能量响应好，常用于个人剂量监测。另一类是原子序数较高的材料，如氟化钙（CaF2）等。能量响应不好，但灵敏度高，常用于环境剂量测量。

目前使用的热释光材料种类很多，大致可分为两类：灵敏度：单位照射量的热释光响应照射量响应：