6核辐射探测器 硕1 张 ppt课件

1、核辐射探测器，上海交通大学张副研究员，2015年10月8日，利用核辐射在气体、液体或固体中引起的电离效应、发光现象、物理或化学变化的核辐射探测器，称为核辐射探测器。在进入探测器的敏感体积后，核辐射与探测介质相互作用。有三种类型的信息可以直接或间接反映探测器输出的核辐射的类型、强度、能量或核寿命：气体探测器、半导体探测器和闪烁探测器，它们都将核辐射转换成电信号，然后由电信号处理设备进行分析和处理。如果根据技术指标和用途的不同来区分探测器的三个关键点，那么三种类型的探测器就有很多种。本文重点阐述了学习这三类探测器时需要了解的三个方面：将核辐射转化为电信号的物理过程，探测器输出电路与探测器输出电信号

2、之间的关系，探测器的主要技术指标和用途，将核辐射转化为电信号的阶段，以及第一阶段：将入射粒子注入探测器的敏感体积，通过与探测器物质的相互作用转化或产生带电粒子。第二阶段：电离或激发的原子在探测器施加的电场中定向运动，为探测器的外部负载电路、探测器类型和气体探测器提供信号：电离室：脉冲电离室、电流电离室和累积电离室；比例计数器；闪烁探测器：NaI(Tl)(碘化钠(铊活化)单晶光谱仪；BGO(锗酸铋)探测器半导体探测器：金硅表面势垒半导体探测器、高纯锗探测器、锂漂移硅探测器；其他检测器：核乳胶、固态径迹检测器、气泡室、火花放电室、多丝正比室、Cherenkov计数器、热释光检测器、气体检测器、气体

3、检测器：小室型检测器，装有特定气体，在两个电极(高压电极和集电极)之间施加电场。气体探测器是最早使用的核辐射探测器。虽然其他探测器发展迅速，但由于其结构简单、使用方便，仍被广泛使用。常用的气体检测器包括电离室、比例计数器和盖革-姆勒(简称G-M)。根据工作情况，气体探测器通常由高压电极和收集电极组成，通常使用两个同轴的圆柱形电极，在电极之间充入气体并施加一定的电压。辐射使电极之间的气体电离，产生带电粒子。带电粒子在电场的作用下向两极漂移。随着带电粒子与电极之间距离的变化，极板上感应电荷的数量也随之变化，回路中产生电流信号。气体原子的电离和激发，带电粒子电离气体原子形成电子和正离子对的现象称为气

4、体电离，电离的电子称为二次电子。带电粒子直接产生的电离称为一次电离，而二次电子产生的电离称为二次电离。一次电离和二次电离之和是总电离平均电离能W:带电粒子在气体中产生电子离子对所需的平均能量。w大约是30eV。如果入射粒子的能量是E0，当入射粒子的能量在气体介质中完全损失时，产生的离子的平均对数是激发和去激发。带电粒子激发气体原子，并在10-9秒内使它们去激发。被激发的原子对释放的光子去激发的方式如下：辐射光子-发射波长接近紫外光的光子，其可以在周围介质中发射光电子。或者被一些气体分子吸收，使分子离解并发射俄歇电子，电子和离子在气体中移动。当没有外部电场时，产生的电子和正离子，就像气体分子一样

5、，处于混沌运动状态，同时存在扩散，最后它们与气体分子达到热平衡状态，产生的离子对消失电子的平均自由程和混沌运动的平均速度大于离子，因此它们的扩散系数大于离子，电子的扩散效应比离子更严重。离子对的漂移甚至可以增加一个数量级。离子对漂移、电子在气体中的流动速度、吸附效应、分离和复合效应以及复合有两个过程：电子和正离子，或负离子和正离子，它们相遇时可能复合成中性原子或分子，导致离子对数的损失率：一旦复合系数形成负离子，其运动速度远低于电子，正离子和负离子的复合系数远大于正离子和电子的复合系数。重组的结果是，许多有用的信号被合成并减少。因此，在探测器的正常工作中应尽可能避免复合现象。电荷转移效应，当正

6、离子与中性气体分子碰撞时，正离子与分子中的一个电子结合形成中性分子，中性气体分子变成正离子。混合气体中的电荷转移效应明显，可以降低离子的迁移率和离子的漂移速度。复合效应、电子吸附效应、电荷转移效应等。不利于收费。离子对收集与外加电场的关系是：复合面积：饱和面积(电离室工作面积):比例面积(比例计数器工作面积):有限比例面积：重力-重力工作面积。外加电场和离子对收集之间的关系称为复合区。工作电压非常低，并且存在电子正离子复合。随着电压的增加，复合损耗降低，电流趋于饱和。二区被称为饱和区或电离室区。在这个区域，产生的离子收集所有的电荷，输出信号反映了计数器敏感体积中入射离子损失的能量。所施加的电场

7、和离子对收集之间的关系，并且区域III被称为比例区域。由于碰撞电离引起的气体放大，与原始电离相比，离子对数将乘以10104。气体放大系数随电压增加而增加，但在一定电压下，气体放大系数保持不变，总电荷仍与原始电离电荷成正比。第四区：有限比例区。由于气体放大因子太大，空间电荷的影响越来越明显，而且气体放大因子与初始电离有关，初始电离越大，入射离子的影响越大，总离子对数不再与入射粒子的能量成正比。这种状态作为过渡没有实际价值。在外加电场和离子对收集之间的关系中，V区称为盖革区，它随着电压的增加而形成自持放电。此时，总电离电荷与原始电离电荷无关，几条曲线重合，这就是G-M管的工作区域。G-M管不能获得

8、入射粒子的能量信息，而且它的死区时间很长，只能在计数率低的情况下使用。寿命短。当电压继续上升时，会发生连续放电并产生光。利用这一现象，探测器如火花室和自猝灭流光(SQS)开发。对于气体探测器，原则上可以改变施加的电压值，使它们在不同的区域工作，但实际上，由于结构固定，它只能在某个区域工作。与两个气体检测器相比，虽然一个是在比例区工作的比例计数器，另一个是在重力区工作的重力计数器，但不能断定施加在重力计数器上的工作电压一定比另一个高，因为两个气体检测器结构不同，电离室收集电离室中入射粒子形成的所有离子对。施加电场使其既不产生复合也不产生气体放大。记录单个入射粒子的电脉冲信号。脉冲电离室记录每单位

9、时间内大量粒子的平均电离电流。电流电离室记录了一定时间内大量入射粒子产生的总累积电荷。累积电离室、电离室和脉冲电离室的基本结构。不同类型的电离室在结构上基本相同。典型的结构有平板型和圆柱型，两者都包括高压极(K):正高压或负高压；集电极(c):与测量仪器相连的电极处于接近地电位；保护电极(g):也称为保护环，与集电极电位相同；负载电阻：电流流动时会形成电压信号。板电离室、高压电极、集电极、保护电极、负载电阻、外壳、敏感体积、绝缘体、电压(t)、当高电压非常高时，将有电流通过负载电阻R1穿过绝缘体，产生噪声，即绝缘体的漏电流外壳的功能：必须保证气体的成分和压力，因此通常电离室需要一个密封的外壳来

10、包裹电极系统。电离室的尺寸和形状、室壁和电极的材料以及带电气体的成分和压力应根据辐射特性和实验要求来确定。测量粒子能量的电离室需要足够大的体积和气压，以便粒子的轨迹落在敏感区域。为了提高灵敏度，壁材料应该是具有高原子序数的金属，并且其厚度略大于壁中二次电子的范围。在绝对剂量测量中，应使用相当于空气或生物组织的材料作为电极和室壁，以及电离室的工作机制。步骤4:-在正电荷到达极板之前，q1将通过外环从A极板流到B极板，当E到达B极板时，B极板上的感应电荷将被中和。当外环电流结束时，流经外环的总电荷为：引入负电荷，在同一点引入正负电荷，当在同一时间同一位置引入离子对时，流经外环的电流为：i(t)=i

11、 (t) i (t)，流经外环的总电荷为：q-q=e，只有当空间电荷在极板之间移动时，电流才能流经外环。当电荷漂移过程结束时，外环中的感应电流消失。当负电荷被收集时，在外环中只有正电荷的感应电流。当E和E电荷在同一位置产生时，它们在极板上的感应电荷分别是相同的；电荷漂移结束，流经外环的总电荷为e；电荷量与这对电荷的产生位置无关。当入射粒子在探测器的敏感体积中产生N个离子对，并且它们都在外加电场的作用下漂移时，产生的总电流信号是，当所有的N个离子对被收集时，流过外部电路的总电荷是脉冲电离室，用于记录单个入射核辐射粒子。其工作原理是带电粒子进入脉冲电离室的敏感体积后，与气体原子或分子相互作用使气体

12、电离，产生的大量电子和正离子(称为离子对)在电场的作用下向电离室的两个电极漂移，从而产生电流脉冲，并在电离室的RC输出电路上产生电压脉冲，测量单位时间内进入电离室的带电粒子的数量和能量。假设入射离子在敏感体积中产生N个离子对，忽略扩散和复合的影响，并且在信号结束之前，在检测器的敏感体积中没有其他入射粒子产生电离。电离室的RC输出电路上产生的最大电压脉冲幅度为N0，N0是入射带电粒子直接电离电离电离室敏感体积中的气体所产生的粒子对数。e是电离室中入射带电粒子损失的能量；w是指电离室中带电气体的平均电离能(离子产生时带电粒子损失的能量)，脉冲电离室输出电路，电离室结构和输出电路示意图，等效电阻，等

13、效电容，时间常数，脉冲电离室输出电路，电离室结构和输出电路示意图，离子脉冲电离室，电子脉冲电离室，全电子收集时间，全离子收集时间， 离子脉冲电离室的输出脉冲很宽(因为正离子漂移很慢)，一般在10-3s的数量级，这样就不可能探测到强强度的放射源。 电子脉冲电离室的脉冲宽度很小，约为10-6s，以满足更强入射粒子流的测量。然而，对于平板电子脉冲电离室，输出脉冲幅度不仅取决于产生的离子数，还取决于需要采用特殊设计来解决的问题(圆柱形电子脉冲电离室和屏栅电离室)，圆柱形电子脉冲电离室，电势分布，电压脉冲幅度，屏栅电离室，栅，入射带电离子，-，栅对电子透明，输出电压脉冲幅度，测量脉冲电离室的输出信号。脉

14、冲电离室输出信号中包含的信息是带电粒子的数量：带电粒子的能量通过测量输出脉冲的数量来测量；通过测量输出电压信号的幅度来确定带电粒子之间的时间关系；脉冲电离室的性能、脉冲振幅谱和能量分辨率经常被用来测量带电粒子的能量。如果其所有能量都在敏感体积中损失，脉冲电离室输出电压脉冲的幅度反映了单个入射带电粒子的能量，能量分辨率、多通道测量的脉冲幅度谱、能量分辨率、半高宽度和能量分辨率反映了光谱仪区分不同入射粒子能量的能力。E1、E2、E2、E1、E2、E1、E1、E2、E3、E1、E2、E3，电离室的饱和特性曲线，电离室的脉冲幅度H与工作电压V0的关系影响因素：由于离子和电子的复合或扩散作用形成饱和特性

15、曲线的物理过程：饱和区斜率的原因：工作电压的增加增加了敏感体积和负离子的释放， 探测效率和电流电离通过测量电离室中每单位时间内入射核辐射粒子产生的平均电离电流来探测核辐射。 如果单位时间内入射粒子数为N，电离室中每个粒子的平均能量损失为E，则电流电离室输出的平均电流为“饱和”。其意义在于电离室电极间施加的电场不足以引起气体放大，但它可以将核辐射产生的所有电子和正离子收集在敏感体积内，达到最大电荷收集数N0。随着外加电压的增加，收集的电荷数不会增加。电流电离室的应用，测量辐射(或X射线)照射量和测量吸收剂量吸收剂量定义为测量放射性气体，正比计数器，正比计数器，正比区，正比计数器，当气体探测器在正

16、比区工作时，在离子收集过程中会出现气体放大现象，即加速的原始电离电子在电离碰撞中倍增形成电子雪崩。因此，在收集电极上感应的脉冲幅度将是原始电离感应的脉冲幅度的m倍，也就是说，在这种工作状态下的气体检测器是一个比例计数器。正比计数管，1气体放大机构，设圆柱形计数管的阳极半径为a，电位为VC；阴极半径为b，电势为vk；当施加工作电压时，沿径向位置R的电场强度为：强电场下的气体放电、气体中的雪崩电子电离碰撞过程、雪崩阈值电场：ET 106V/m气体放大非自持放电：雪崩自始至终只发生一次；雪崩通过光子作用和二次电子发射继续发展，这也被称为自持放电。比例计数器，其中入射粒子直接产生的电离效应被碰撞电离放大，使得比例计数器的输出信号幅度明显大于脉冲电离室的输出信号幅度。直接电离效应的放大称为“气体放大”，用m表示，在一定的工作条件下，m保持不变。比例计数器是一种具有非自持放电的气体电离检测器。其工作原理和结构必须满足碰撞电离的需要，但碰撞电离只能在强电场下实现。在大气压下，气体中电子的自由程约为10-310-4厘米，气体的电离势为20eV。为了使电子在自由路