核辐射物理及探测学

核辐射物理及探测学

期末考前总结复习第六章

射线与物质的相互作用射线与物质相互作用的分类：带电粒子辐射非带电粒子辐射快电子－重带电粒子－中子电磁辐射－射线射线重带电粒子与物质的相互作用1、特点重带电粒子均为带正电荷的离子；重带电粒子主要通过电离损失而损失能量；

重带电粒子在介质中的运动径迹近似为直线。

2、重带电粒子在物质中的能量损失规律1)能量损失率(SpecificEnergyLoss)对重带电粒子，辐射能量损失率相比小的多，因此重带电粒子的能量损失率就约等于其电离能量损失率。2)Bethe公式的探讨(2)、与带电粒子的电荷z的关系；(1)、与带电粒子的质量M无关，而仅与其速度v和电荷数z有关。(3)、与带电粒子的速度v的关系：非相对论状况下，B随v变更缓慢，近似与v无关，则：(4)、，吸收材料密度大，原子序数高的，其阻止本领大。快电子与物质的相互作用特点：快电子的速度大；快电子除电离损失外，辐射损失不行忽视；快电子散射严峻。1、快电子的能量损失率必需考虑相对论效应时的电离能量损失和辐射能量损失。探讨：(1)：辐射损失率与带电粒子静止质量m的平方成反比。所以仅对电子才重点考虑。当要吸取、屏蔽β射线时，不宜选用重材料。当要获得强的X射线时，则应选用重材料作靶。(2)：辐射损失率与带电粒子的能量E成正比。即辐射损失率随粒子动能的增加而增加。(3)：辐射损失率与吸收物质的NZ2成正比。所以当吸收材料原子序数大、密度大时，辐射损失大。电子的散射与反散射电子与靶物质原子核库仑场作用时，只变更运动方向，而不辐射能量的过程称为弹性散射。由于电子质量小，因而散射的角度可以很大，而且会发生多次散射。电子沿其入射方向发生大角度偏转，称为反散射。对同种材料，电子能量越低，反散射越严峻；对同样能量的电子，原子序数越高的材料，反散射越严峻。反散射的利用与避开A)对放射源而言，利用反散射可以提高β源的产额。B)对探测器而言，要避开反散射造成的测量偏差。3、正电子的湮没正电子与物质发生相互作用的能量损失机制和电子相同。高速正电子被慢化，在正电子径迹的末端与介质中的电子发生湮没，放出两个光子。正电子的特点是：两个湮没光子的能量相同，各等于511keV两个湮没光子的方向相反，且放射是各向同性的。射线与物质的相互作用特点：光子通过次级效应与物质的原子或核外电子作用，光子与物质发生作用后，光子或者消逝或者受到散射而损失能量，同时产生次电子；次级效应主要的方式有三种，即光电效应、康普顿效应和电子对效应。

射线与物质发生不同的相互作用都具有确定的概率，用截面来表示作用概率的大小。总截面等于各作用截面之和，即：作用截面与吸取物质原子序数的关系总体来说，吸取物质原子序数越大，各相互作用截面越大，其中光电效应随吸取物质原子序数变更最大，康普顿散射变更最小。光电效应康普顿散射电子对效应作用截面与入射光子能量的关系光电效应截面随入射光子能量增加而减小，开始时变化剧烈，后基本成反比。电子对效应截面随入射光子能量增加而增加，只有光子能量大于1.022MeV才能发生。康普顿散射截面开始基本为常数，随入射光子能量增加而减小，减小比光电效应缓慢。次电子能量光电效应：

光电子康普顿散射：反冲电子电子对效应：正负电子对第七章

辐射探测中的

概率统计问题(1).探测计数的统计误差粒子计数——探测器输出脉冲数听从统计分布规律，当计数的数学期望值m较小时，听从泊松分布。m较大时，听从高斯分布。而且，m较大时，m与有限次测量的平均值

和任一次测量值N相差不大。

N为单次测量值标准偏差

随计数N增大而增大，因此用相对标准偏差来表示测量值的离散程度：计数测量结果的表示：表示一个置信区间，该区间包含真平均值的概率为68.3％（置信度）。一些常见状况：(1)计数统计误差的传递例如：存在本底时净计数误差的计算：辐射测量中，本底总是存在的。本底包括宇宙射线、环境中的自然放射性及仪器噪声等。这时，为求得净计数须要进行两次测量：第一次，没有样品，在时间t内测得本底的计数为Nb；其次次，放上样品，在相同时间内测得样品和本底的总计数为Ns。样品的净计数为：其标准偏差为：(2)或例如：计数率的误差：设在t时间内记录了N个计数，则计数率为n=N/t，计数率的标准偏差为：其相对标准偏差为：(3)或(4)平均计数的统计误差对某样品重复测量k次，每次测量时间t相同(等精度测量)，得到k个计数则在时间t内的平均计数值为：由误差传递公式，平均计数值的方差为：多次重复测量结果表达：平均计数的相对标准偏差：(5)存在本底时净计数率误差的计算：第一次，在时间tb内测得本底的计数为Nb；其次次，在时间ts内测得样品和本底的总计数为Ns。样品的净计数率为：标准偏差为：相对标准偏差为：(6)不等精度独立测量值的平均假如对同一量进行了k次独立测量，各次测量的时间为ti，计数为Ni。这是不等精度测量。这时，简洁的求平均不再是求单次“最佳值”的适宜方法。须要进行加权平均，使测量精度高的数据在求平均值时的贡献大，精度低的贡献小。结果表示为：假如k次测量的时间均相等，则测量为等精度测量：从统计误差而言，无论是一次测量还是多次测量，只要总的计数相同，多次测量的平均计数率相对误差和一次测量的计数率的相对误差是一样的。(7)测量时间的选择(B)有本底存在时，须要合理支配样品测量时间ts和本底测量时间tb。(A)不考虑本底的影响；依据：在相对标准偏差给定的状况下，所需最小测量时间为：辐射探测器学习要点：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。第八章

气体探测器Gas－filledDetectorPulseamplitude(logscale)电离室工作机制：入射带电粒子(或非带电粒子的次级效应产生的带电粒子)使气体电离产成电子－离子对，电子－离子对在外加电场中漂移，感应电荷在回路中流过，从而在输出回路产生信号。输出信号：电荷、电流、电压。是志向的电荷源。是近似志向的电流源（条件：V(t)<<V0）电压信号可通过对输出回路分析得出。电离室的两种工作状态脉冲工作状态离子脉冲（慢、幅度与能量成正比h=Ne/C0）电子脉冲（快、幅度与能量一般不成正比h=Q-/C0）圆柱形电子脉冲电离室与屏栅电离室累计工作状态输出电流信号输出电压信号及涨落脉冲电离室的主要性能能量辨别率饱和特性——脉冲幅度与工作电压的关系坪特性——计数率与工作电压的关系探测效率：登记脉冲数/入射到灵敏体积内的粒子数时间特性：辨别时间：能辨别开两个相继入射粒子的最小时间间隔时滞：粒子入射与输出信号的时间差时间辨别本事：确定入射粒子入射时刻的精度累计电离室的主要性能饱和特性——输出电流信号与工作电压的关系灵敏度线性范围——确定工作电压下，输出信号幅度与入射粒子流强度的线性关系范围。响应时间——反映入射粒子流强度发生变更时，输出信号的变更快慢。能量响应——灵敏度随入射粒子能量而变更的关系具有气体放大功能的气体探测器非自持放电：正比计数器

输出信号幅度与沉积能量成正比。自持放电：GM管非自熄自熄有机卤素输出信号幅度与入射粒子的种类和能量无关。1)输出脉冲幅度与能量辨别率输出脉冲幅度的涨落是一个二级串级型随机变量：输出脉冲幅度：正比计数器的性能实验表明，所以，能量分辨率

自熄G-M计数管输出脉冲与正比计数器一样，输出脉冲由两部分组成：起初相应于电子收集的快上升部分和以后相应于正离子漂移的缓慢上升部分。与正比计数器比较，最基本的区分在于GM计数管的输出脉冲幅度与入射粒子的类型和能量无关。只要有电子进入计数管的灵敏体积，就会导致计数，入射粒子仅仅起到一个触发的作用。GM计数管仅能用于计数。正比计数器漏计数校正真信号计数率m，辨别时间一信号与前一信号时间间隔小于的概率为：单位时间内由于辨别时间影响而丢失的计数为：实际计数率：校正公式：条件：GM管漏计数校正真信号计数率m，死时间

，实际计数率n单位时间内探测器死时间为：单位时间内由于死时间影响而丢失的计数为：校正公式：

第九章

闪烁探测器闪烁探测器辐射射入闪烁体使闪烁体原子电离或激发，受激原子退激而发出波长在可见光的荧光。荧光光子被收集到光电倍增管(PMT)的光阴极，通过光电效应打出光电子。电子倍增，并在阳极或打拿极输出回路输出信号。第一打拿极收集到的光电子数是其信息载流子数目。闪烁探测器输出信号的物理过程、输出回路及其等效电路IaIkIa输出回路的等效电路闪烁探测器的输出信号：1、闪烁探测器输出电荷量闪烁体发出的闪烁光子数第一打拿极收集到的光电子数阳极收集到的电子数2、闪烁探测器输出电流脉冲信号闪烁体发出的闪烁光子数的规律第一打拿极收集到的光电子数的规律单光电子所引起的电流脉冲信号3、闪烁探测器输出电压脉冲信号实际应用中，为得到较大幅度和较小宽度，取且要尽量减小电压脉冲型工作状态

电流脉冲型工作状态

条件

脉冲前沿

脉冲幅度

脉冲后沿

慢：缺点快：优点大：优点小：缺点4、闪烁探测器输出信号的涨落多级串级随机变量的相对均方涨落闪烁光子数的涨落(泊松)第一打拿极收集到的光电子数的涨落(泊松串伯努利=泊松)光电倍增管的倍增系数M

的涨落（多个泊松的串级）阳极收集到的电子数的涨落闪烁谱仪能量辨别率的极限：NaI(Tl)单晶γ射线谱仪的性能1)响应函数--闪烁谱仪对某单能γ射线的脉冲幅度谱。2)能量辨别率用全能峰(光电峰)来确定闪烁谱仪的能量辨别率3)能量线性4)

射线探测效率高Z,ρ，大尺寸的闪烁体探测效率高。5)时间特性6)稳定性——主要由PMT确定第十章

半导体探测器半导体探测器类似气体探测器（信息载流子为：电子－空穴对），也称为固体电离室。有三类匀整型PN结型扩散结型、面垒型高纯锗(HPGe)P－I－N型锂漂移（锗锂Ge(Li)、硅锂Si(Li)）半导体探测器的特点：(1)能量辨别率最佳；(2)射线探测效率较高，可与闪烁探测器相比。高的电阻率和长的载流子寿命是组成半导体探测器的关键。P-N结半导体探测器1、P-N结半导体探测器的工作原理1)P-N结区(势垒区)的形成2)P-N结半导体探测器的特点

(1)结区的空间电荷分布，电场分布及电位分布(2)结区宽度与外加电压的关系(3)结区宽度的限制因素受击穿电压和暗电流的限制(4)结电容随工作电压的变更运用电荷灵敏前置放大器半导体探测器的输出信号1)输出回路须考虑结电阻Rd和结电容Cd，结区外材料的电阻和电容RS，CS。测量仪器2)输出信号当R0(Cd+Ca)>>tc(tc为载流子收集时间)时，为电压脉冲型工作状态：辐射在灵敏体积内产生的电子－空穴对数由于h与Cd有关，而结电容随偏压而变更，因此当所加偏压不稳定时，将会使h发生附加的涨落；为解决该冲突，PN结半导体探测器通常接受电荷灵敏前置放大器。则输出脉冲幅度为：输出回路的时间常数为：主要性能1)能量辨别率（线宽表示）(1)输出脉冲幅度的统计涨落

E1(2)噪声引起的展宽E2电子学噪声主要由第一级FET构成，包括：零电容噪声和噪声斜率。(3)窗厚度的影响E3(4)电子与空穴陷落的影响

E42）辨别时间与时间辨别本事：3）能量线性很好，与入射粒子类型和能量基本无关4）辐照寿命辐照寿命是半导体探测器的一个致命的弱点。随运用时间的增加，载流子寿命变短。耗尽层厚度为1～2mm。对强穿透实力的辐射而言，探测效率受很大的局限。P-N结半导体探测器存在的冲突：锂漂移探测器1)空间电荷分布、电场分布及电位分布I区为完全补偿区，呈电中性为匀整电场；I区为耗尽层，电阻率可达1010cm；I区厚度可达10～20mm，为灵敏体积。2)工作条件为了降低探测器和FET的噪声，同时为降低探测器的表面漏电流，探测器和FET都置于真空低温的容器内，工作于液氮温度(77K)。对Ge(Li)探测器，须保持在低温下；对Si(Li)探测器，可在常温下保存。高纯锗探测器1)P区存在空间电荷，HPGe半导体探测器是PN结型探测器。2)P区为非匀整电场。3)P区为灵敏体积，其厚度与外加电压有关，一般工作于全耗尽状态。4)HPGe半导体探测器可在常温下保存，低温下工作。5)留意其空间电荷分布、电场分布及电位分布性能其中：Si(Li)和Ge(Li)平面型探测器用于低能(X)射线的探测，其能量辨别率常以55Fe的衰变产物55Mn的KX能量5.95KeV为标准，一般指标约：1)能量分辨率：为载流子数的涨落。为漏电流和噪声；

为载流子由于陷阱效应带来的涨落，通过适当提高偏置电压减小。HPGe，Ge(Li)同轴型探测器用于射线探测，常以60Co能量为1.332MeV的射线为标准，一般指标约：2)探测效率一般以3英寸×3英寸的NaI(Tl)晶体为100％，用相对效率来表示。以85cm3的HPGe为例，探测效率为19％。3)峰康比P=全能峰峰值/康普顿平台的峰值与FWHM以及体积有关，可达600～8004)能量线性：特殊好5)时间特性：电流脉冲宽度约10-9~10-8s.1)HPGe和Ge(Li)用于组成谱仪：锗具有较高的密度和较高的原子序数(Z=32)

应用2)Si(Li)探测器由于Si的Z＝14，对一般能量的射线，其光电截面仅为锗的1/50，因此，其主要应用为：低能量的射线和X射线测量，在可得到较高的光电截面的同时，Si的X射线逃逸将明显低于锗的X射线逃逸；粒子或其他外部入射的电子的探测，由于其原子序数较低，可削减反散射。探测器的工作机制及输出信号产生的物理过程气体探测器中的电子－离子对闪烁探测器中被PMT的D1收集的电子半导体探测器中的电子－空穴对产生每个信息载流子的平均能量分别为 30eV(气体探测器) 300eV(闪烁探测器) 3eV(半导体探测器)探测器的信息载流子电离室：电子-正离子对的生成；离子对在电场中的漂移；感应电荷的流淌；输出电流信号和电压信号。正比计数器：非自持放电--碰撞电离与雪崩过程；光子反馈与离子反馈及多原子分子气体；气体放大系数。GM管：自持放电--电子雪崩的传播及正离子鞘的形成；自熄过程；有机管与卤素管的工作机制的特点。闪烁探测器：发光机制；闪烁体的发光衰减时间常数；光子的收集--光电转换--光电子被D1收集--电子倍增--电子在最终打拿极与阳极间运动产生信号。半导体探测器：空间电荷形成的电场；电子-空穴对的形成；PN结及PIN结的形成及工作原理。探测器的输出信号1）电荷量：（电离室、半导体探测器）（正比计数器）（闪烁探测器）（GM管）2）电流信号气体和半导体探测器的电流信号的一般表达式：

正比计数器：闪烁探测器：3）电压信号：等效电路与输出回路时间常数一般表达式探测器的工作状态（1）电流工作状态--反映粒子束流的平均电离效应，条件：

输出直流电流

电压

（2）脉冲工作状态--反映单个入射粒子的电离效应，条件：

电流脉冲工作状态：tc为载流子收集时间，电压脉冲形态与电流脉冲相像电压脉冲工作状态：电压脉冲为电流脉冲在电容上的积分，且有

（3）脉冲束工作状态--反映粒子束脉冲的总电离效应，辐射源为脉冲束源。条件各种探测器的能量辨别率电离室正比计数器闪烁探测器半导体探测器能量辨别率的表示百分数表示线宽表示(单位为KeV)考虑影响能量辨别率的各种因素时，谱仪的总辨别率：第十二章

辐射测量方法放射性样品的活度测量相对法测量简便，但条件苛刻：必需有一个与被测样品相同的已知活度的标准源，且测量条件必需相同。确定测量法困难，须要考虑很多影响测量的因素，但确定测量法是活度测量的基本方法。1)小立体角法2)4计数法射线能谱的测定单能能谱的分析1)单晶谱仪主过程：全能峰——光电效应＋全部的累计效应；康普顿平台、边沿及多次康普顿散射；单、双逃逸峰。2)单能射线的能谱其他过程：和峰效应；I(或Ge)逃逸峰；边缘效应(次电子能量未完全损失在灵敏体积内)。屏蔽和结构材料对谱的影响：散射及反散射峰；湮没峰；特征X射线。24Na

的

衰

变

纲

图AB24Na的NaI能谱ABA+BSEBDEB58Co

的衰变纲图ABC58Co的NaI能谱ABC800+511Ann.Rad.各种谱仪装置1)单晶谱仪。探测器放大器多道分析器计算机2)全吸取反康普顿谱仪。主探测器符合环前置放大反符合带门控的多道前置放大限制信号测量信号3)康普顿谱仪(双晶谱仪)。放大器放大器符合电路带门控的多道主探测器辅探测器测量信号门控信号4)电子对谱仪(三晶谱仪)辅I辅II放大器放大器放大器符合带门控的多道测量信号门控信号第十三章

中子及中子探测中子与物质的相互作用1.中子的散射1)弹性散射(n,n)中子与物质的相互作用实质上是中子与物质的靶核的相互作用。出射粒子仍为中子、剩余核仍为靶核。反冲核的动