核辐射物理基础省公开课一等奖全国示范课微课金奖课件

对于辐射是不能感知，所以人们必须借助于辐射探测器探测各种辐射，给出辐射类型、强度(数量)、能量及时间等特征。即对辐射进行测量。

辐射探测器定义：利用辐射在气体、液体或固体中引发电离、激发效应或其它物理、化学改变进行辐射探测器件称为辐射探测器。为何需要辐射探测器？

探测器按探测介质类型及作用机制主要分为：

气体探测器；

闪烁探测器；

半导体探测器。第1页辐射探测器学习关键点（研究问题）：探测器工作机制；探测器输出回路与输出信号；探测器主要性能指标；探测器经典应用。辐射探测基本过程：

辐射粒子射入探测器灵敏体积；入射粒子经过电离、激发等效应而在探测器中沉积能量；

探测器经过各种机制将沉积能量转换成某种形式输出信号。第2页第八章

气体探测器Gas－filledDetector第3页电离室正比计数器盖革-弥勒计数器气体探测器：以气体为工作介质，由入射粒子在其中产生电离效应引发输出电信号探测器。第4页电离损失——与核外电子非弹性碰撞过程

入射带电粒子与靶原子核外电子经过库仑作用，使电子取得能量而引发原子电离或激发。

8.1气体中离子与电子运动规律1、气体电离与激发入射粒子直接产生离子对称为原电离。初电离产生高速电子足以使气体产生电离称为次电离。总电离=原电离+次电离第5页

电离能W：带电粒子在气体中产生一电子离子对所需平均能量。对不一样气体，W大约为30eV

若入射粒子能量为E0，当其能量全部损失在气体介质中时，产生平均离子对数为：A.NumberofIonPairsFormed第6页

几个气体电离能ω(eV)和最低电离电位I0(eV)第7页气体分子被电离后,生成电离电子和正离子存在以下几个运动情况:因为外加电场加速作用,电子与正离子将被电场拉开而沿电场方向漂移;2.电子和离子因空间分布不均匀而由密度大处向密度小处扩散;4.正负离子复合,形成中性分子。3.电子被中性气体分子俘获,形成负离子;二.电子和离子在气体中运动(外加电场下)第8页A、离子和电子在外加电场中漂移因为外加电场作用沿电场方向定向漂移。

这种运动称为“漂移运动”，定向运动速度为“漂移速度”。第9页对于离子：在存在电场情况下，两次碰撞之间离子从电场取得能量又会在碰撞中损失，离子能量积累不起来。离子平均动能与没有电场情况相同，为：离子漂移速度离子迁移率电场强度气体压强约化场强第10页对于自由电子：电子与气体分子发生弹性碰撞时，每次损失能量很小，所以，电子在两次碰撞中由外电场加速能量可积累起来。直到使它弹性碰撞能量损失和碰撞间从电场取得能量相等，或发生非弹性碰撞为止。到达平衡状态时，即损失能量等于从电场取得能量时，电子平均能量为:

称为电子温度，是场强函数。第11页电子漂移速度与约化场强不成正比，可用函数表示：这个函数关系均由试验测定。普通给出是试验曲线(如图)。

电子漂移速度对气体成份很敏感，少许某种气体混入就可显著提升电子漂移速度。第12页下列图给出了电子在几个气体中漂移速度。第13页(1)电子漂移速度普通为：离子漂移速度普通为：

电子与离子在气体中在外电场作用下漂移速度主要区分为：这是因为电子质量比离子小约103倍，而其平均自由程比离子大数倍，因而在平均自由程内电子将取得较大动能，从而有更大漂移速度。第14页(2)电子漂移速度对组成气体组分极为灵敏在单原子分子气体中（如卤素）加入少许多原子分子气体（如CO2、H2O等）时，电子漂移速度有很大增加。这是因为多原子气体分子激发电位很低，因而在单原子分子气体中加入少许后，电子做杂乱运动程度降低，从而漂移速度对应增大。第15页B.扩散(Diffusion)

在气体中电离粒子密度是不均匀，原电离处密度大。因为其密度梯度而造成离子、电子定向运动叫扩散。由气体动力学，可得到扩散方程：电子或离子粒子流密度电子或离子扩散系数电子或离子密度第16页若电离粒子速度恪守麦克斯韦分布，则扩散系数

D

与电离粒子杂乱运动平均速度之间关系为：平均自由程

电子平均自由程和乱运动平均速度都比离子大，所以其扩散系数比离子大，因而电子扩散效应比离子严重。第17页C.电子吸附和负离子形成

电子在运动过程中与气体分子碰撞时可能被气体分子俘获，形成负离子，这种现象称之为吸附效应。Electronattachmente-Negativeion第18页比如O2、H2O，，卤素达

每次碰撞中被电子俘获概率称为吸附系数h。h大(h>10-5)气体称为负电性气体。电子吸附现象对气体探测器产生是正面or负面影响？

气体探测器工作气体应尽可能选择吸附系数小气体，在不得已采取时，将会影响探测器性能。第19页D.复合(Recombination)

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原子或分子。Recombinatione-＋—＋第20页

为复合系数

复合结果是把许多有用信号给复合掉，使有用信号降低。所以，复合现象在探测器正常工作中应尽可能防止。

复合引发离子对数目损失率：

一旦形成了负离子，其运动速度远小于电子，正离子与负离子复合系数要比正离子与电子复合系数大得多。第21页8.2电离室工作机制与输出回路电离室工作方式可分为：1)脉冲型工作状态2)电流型或累计型工作状态

统计单个入射粒子电离效应，处于这种工作状态电离室称为：脉冲电离室

统计大量入射粒子平均电离效应或总电离效应，处于这种工作状态电离室称为：电流电离室或累计电离室。第22页1、电离室基本结构不一样类型电离室在结构上基本相同.经典结构有平板型和圆柱型。高压极(K)：正高压或负高压；均包含：搜集极(C)：与测量仪器相联电极，处于与地靠近电位；保护极(G)：又称保护环，处于与搜集极相同电位；负载电阻(RL)：电流流过时形成电压信号。第23页高压极搜集极保护极高压负载电阻外壳灵敏体积绝缘子平板型电离室第24页圆柱型电离室第25页灵敏体积：

由经过搜集级边缘电力线所包围两电极间区域。保护环G作用：1)使灵敏体积边缘处电场保持均匀；2)若无G，当高压很大时，会有电流经过绝缘子从负载电阻RL上经过，从而产生噪声，即绝缘子漏电流。第26页

气体压力：从10-1~10大气压。2、工作气体

充满电离室内部空间，是电离室工作介质；

如Ar

加少许多原子分子气体CH4。

需要确保气体成份和压力，所以普通电离室均需要一个密封外壳将电极系统包起来。第27页第一步：假设回路中没有负载电阻

极板a上加高压V0，极板ab

间电容量为C1，则两极板电荷量：3、输出信号产生物理过程

即电离室工作机制。第28页第二步：在电离室内某一点引入一单位正电荷e+

它将在两极板上分别感应出一定负电荷，设分别为-q1、-q2高斯定律：第29页

即正电荷靠哪个极板近，那个极板上产生感应电荷多。

这就相当于感应电荷从外回路流过，即在外回路流过电流i+(t)。第三步：当电荷沿电场向搜集极运动，则上极板a上感应电荷

降低，下极板b上感应电荷

增加。且第30页

正离子漂移所引发负感应电荷在回路中流过电荷量为：第31页第四步：当正电荷快抵达极板前一瞬间，-q1全部由a极板经外回路流到b极板，b极板上感应电荷：

当e+抵达b极板，e+与b极板上感应电荷中和。外回路电流结束，流过外回路总电荷量为：考虑：假如在电极之间引入是负电荷，解释一下整个物理过程。产生结果是否与正电荷有共同之处？第32页

电子(负离子)漂移所引发正感应电荷在回路中流过电荷量为：第33页假如在电场中同一点引入一负电荷，它将在ab两极板上分别感应一定正电荷，分别为和。当负电荷沿电场反方向运动时，则a极板上感应电荷

增加，而b极板上感应电荷

降低。整个过程中，流过外回路总电荷量为：

对应在外回路流过电流为，电流方向与相同。第34页同一点引入正负电荷：

当同时在同一位置引入一离子对，则在外回路流经电流：i(t)=i+(t)+i

–(t)

流过外回路总电荷量：△q++△q-

=e第35页(1)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。当负电荷被搜集后，外回路中就只有正电荷感应电流。结论：(2)当+e、

e电荷在同一位置产生时，它们在极板上感应电荷量分别相同；

+e、

e电荷漂移结束，流过外回路总电荷量为e；该电荷量与这一对电荷产生位置无关。第36页(1)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，产生总电流信号是：引伸结论：(2)当N个离子对全部被搜集时，流过外电路总电荷量为：第37页

输出回路定义：输出信号电流全部流过回路都包含在输出回路中。①感应电荷在外回路上形成电流，在负载电阻RL上形成电压，有信号输出；②测量仪器有内阻、电容；③探测器电容C1。输出回路简化过程：4、电离室输出回路④

线路杂散电容C′。第38页测量仪器总电阻总电容RL

：负载电阻；C1：探测器电容；R入

：测量仪器输入电阻；C入

：测量仪器输入电容；：杂散电容；如,电缆电容~100pF/m。第39页三.电离室类型

1.脉冲电离室经过统计单个入射粒子与气体作用产生电离电荷在搜集电极上所引发电压脉冲来实现.因为电子漂移引发脉冲改变率远大于正离子所引发,所以电子脉冲组成电压脉冲快成份,而离子脉冲组成电压脉冲慢成份.但它最终到达幅度只决定于总电离,而与电离产生地点无关.第40页平行板电离室电压脉冲和电流脉冲第41页离子脉冲电离室:搜集一个入射粒子引发全部正负离子电离室,脉冲延续时间比较长(约为10-3s),可用来测定入射粒子能量;电子脉冲电离室:只统计电子脉冲电离室,脉冲延续时间较短(约μs量级),可用作对入射粒子进行快计数,但普通不能用来测定入射粒子能量.

脉冲电离室分类离子脉冲电离室缺点：脉冲延续时间太长(~ms)，当计数率大于102cps时，脉冲就可能发生重合。怎样使得电子脉冲电离室既能做快计数又能测能量？屏珊电离室和圆柱形电离室第42页(a)屏珊电离室屏珊电离室克服了电子脉冲电离室脉冲幅度与电离产生地点相关缺点；

脉冲开始出现时刻（第一个电子抵达G时刻）与电离发生时刻有一段时延；

屏珊电离室显然不适合用于气态放射源第43页(b)圆柱形电离室当b/a很大时，搜集电极附近场强远大于高压电极附近场强，所以大部分电位降集中在搜集电极周围。所以，在靠近高压电极占大部分空间里，电离产生电子所经过电位差均靠近于V0，因而在电离室内大部分空间里产生电离，其电子脉冲近似地与产生地点无关。第44页3、脉冲电离室输出信号测量脉冲电离室输出信号所包含信息：1）入射带电粒子数量；2）入射带电粒子能量；3）确定入射粒子间时间关系。经过对输出脉冲数进行测量。经过对输出电压信号幅度进行测量。经过对输出电压信号时间进行测量。第45页脉冲电离室输出信号需要用电子仪器来测量。气体电离室高压前置放大器放大器单道或多道脉冲分析器第46页4、脉冲电离室性能1)脉冲幅度谱与能量分辨率脉冲电离室惯用来测量带电粒子能量。

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幅度反应了单个入射带电粒子能量大小。第47页能量分辨率：半宽度多道测量脉冲幅度谱：

能量分辨率反应了谱仪对不一样入射粒子能量分辨能力。FWHME0h=E0=E0Δ

EY能量分辨率越小，则可区分更小能量差异。这是谱仪最主要指标。第48页2)电离室饱和特征曲线----脉冲幅度h与电离室工作电压V0关系影响原因：离子和电子复合或扩散效应。饱和特征曲线形成物理过程：

饱和区斜率原因：随工作电压升高而使灵敏体积增加及负离子释放。V0hV1饱和电压第49页

电离室坪特征在强度不变放射源照射下，测量计数率随工作电压改变，称为坪曲线。第50页

坪特征曲线主要参数起始电压Va：开始计数时探测器上所加电压；坪斜：曲线平坦部分称为坪区，而坪区并不是绝对平，有一定斜率，通常以V1开始，每增加1V（或100V）时计数率增加百分率来表示；坪长：坪区电压范围即称为坪长。第51页4)探测效率定义：原因：A带电粒子可能只在灵敏体积内损失一部分能量；B电离过程是涨落。这么必将有一部分幅度低于甄别阈信号脉冲未被统计下来。γ粒子等中性粒子则取决于与介质作用产生次级带电粒子相互作用截面，以及次级带电粒子能否进入灵敏体积。对带电粒子第52页

关于脉冲电离室脉冲电离室所能统计带电粒子数目不能过大,不然脉冲将重合,甚至无法分辩。所以，在大量入射粒子情况下，只能由平均电离电流或累积总电荷来测定射线强度。这就是电流电离室和累计电离室。第53页2.电流电离室在大量入射粒子时，若电离强度不变或改变得很迟缓，只要外加电压足够大，电离电流便能到达饱和值，此时扩散和复合损失比起电离电流来能够忽略。假定在每单位时间内产生总电离N0相等，则饱和电流为：

电离室饱和电流曲线与所充气体、电极几何条件和电离强度相关。电极间距大，有负电性气体杂质或电离