第2-3章探測器簡介、前放

1、1核儀器概論第二章第二章 譜儀中常用的探測器簡介譜儀中常用的探測器簡介第三章第三章 前置放大器前置放大器2第二章第二章 譜儀中常用的探測器簡介譜儀中常用的探測器簡介第一節(jié)第一節(jié) 探測器的主要性能指標(biāo)的定義探測器的主要性能指標(biāo)的定義第二節(jié)第二節(jié) 能譜測量中常用探測器基本原理簡述能譜測量中常用探測器基本原理簡述能譜測量中最常用的探測器主要有：氣體探測器、閃爍探測器及半導(dǎo)體探測器。1、氣體探測器：包括脈沖電離室、正比計(jì)數(shù)器。3 閃爍探測器的基本組成。工作過程：粒子入射 閃爍體內(nèi)產(chǎn)生熒光 光電倍增管的光陰極按一定概率將光轉(zhuǎn)換成光電子 光電子經(jīng)光電倍增管打拿極多次倍增（倍增數(shù)可104 109） 由收集極

2、（即陽極）收集形成輸出電流 經(jīng)輸出回路轉(zhuǎn)換成足夠大的輸出電壓信號。經(jīng)光導(dǎo)傳輸2、閃爍探測器4 閃爍體 光電倍增管56閃爍探測器實(shí)物圖片探測器外形圖前置放大器7 使用過程中，只要能提供給光電倍增管正常工作所需的電源條件，從收集極最終獲得的電子數(shù)與粒子在閃爍體中消耗的能量即成正比?；谶@一點(diǎn)，閃爍探測器可用來測量入射粒子的能量，用閃爍探測器構(gòu)成的譜儀，稱作“閃爍譜儀”。 閃爍探測器有多種，其中能譜測量中廣泛使用的一種叫：Nal（Tl）閃爍探測器，主要用于測量射線的能譜。83、半導(dǎo)體探測器一N型同一P型半導(dǎo)體利用特殊工藝聯(lián)結(jié)在一起由于擴(kuò)散作用，形成PN結(jié)。被稱作為“結(jié)區(qū)” 或“耗盡層”。 目前，被廣

3、泛應(yīng)用的半導(dǎo)體探測器主要有兩類：P-N結(jié)型半導(dǎo)體探測器以及PIN型半導(dǎo)體探測器。 、 P-N結(jié)半導(dǎo)體探測器原理簡述： 在P-N結(jié)上加一反相電壓，結(jié)區(qū)電場將被加強(qiáng)。結(jié)果，結(jié)區(qū)寬度必定變大。反相電壓越高，結(jié)區(qū)寬度越大。9 因在結(jié)區(qū)內(nèi)有很強(qiáng)的電場，這就相當(dāng)于一個(gè)固體電離室。結(jié)區(qū)就是探測器的靈敏體積。一旦有粒子入射，在結(jié)區(qū)內(nèi)即可產(chǎn)生電子空穴對，電子空穴被收集后給出信號電流。工作時(shí)要在探測器上加合適的反向電壓，當(dāng)有粒子射入時(shí)，輸出電荷量正比于入射粒子在結(jié)區(qū)內(nèi)損耗的能量。利用這一點(diǎn)，可以測量入射粒子的能譜。10 由于P-N結(jié)探測器具有高的能量分辨率、良好的線性等優(yōu)點(diǎn)，它在能譜測量方面有重要的應(yīng)用。主要用在

4、及其它重帶電粒子能譜測量。 性能方面的局限性： a： 靈敏區(qū)寬度窄，約為1mm以下。這種探測器在及測量方面應(yīng)用比較少。 如：1Mev的在硅中的射程為1.6mm，而射線的穿透本領(lǐng)更大。 b：結(jié)區(qū)寬度隨反相工作電壓的變化而變化。導(dǎo)致探測器的結(jié)電容穩(wěn)定性變差。這將不利于能譜測量。因此P-N結(jié)探測器對其工作電源的穩(wěn)定性要求較高。11PN結(jié)型半導(dǎo)體探測器12 由于這種P-I-N結(jié)探測器的制備過程采用了“鋰漂移”技術(shù)，因而又稱作“鋰漂移探測器”。 鋰漂移探測器又分為兩大類：鍺鋰漂移探測器Ge(Li)和硅鋰漂移探測器 Si(Li)。、PIN結(jié)探測器P-I-N結(jié)探測器的工作原理 NPI(a) 設(shè)法在N型及P型

5、半導(dǎo)體之間夾一層寬度為W的本征半導(dǎo)體(I)，如右圖所示。這就構(gòu)成了P-I-N結(jié)。 P-I-N結(jié)13沒有外加電壓時(shí)P-I-N結(jié)的情況 由于擴(kuò)散過程，最終在N層及P層內(nèi)邊界將分別出現(xiàn)正、負(fù)空間電荷。 這些空間電荷所產(chǎn)生的電場把在I區(qū)內(nèi)所產(chǎn)生的兩種載流子分別掃向N區(qū)及P區(qū)。I區(qū)最終將處于耗盡狀況。ENP+-I+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-(b)PIN結(jié)加反向電壓后 N區(qū)及P區(qū)的空間電荷量將增大，在I區(qū)內(nèi)的電場也將變強(qiáng)。由于N區(qū)及P區(qū)內(nèi)空間電荷層的寬度與I區(qū)寬度相比一般是微不足道的，因而PIN結(jié)區(qū)寬度可認(rèn)為就是l區(qū)的寬度，基本上不隨反向電壓變化。14 利用PIN結(jié)探測射線時(shí)，處于耗盡狀態(tài)的I

6、區(qū)就是探測器的靈敏體積。由入射粒子在其中產(chǎn)生的電子空穴對將被I區(qū)電場掃向兩邊，從而產(chǎn)生輸出信號。 與P-N結(jié)探測器相比較： a：由于I區(qū)的存在，PIN結(jié)探測器的靈敏區(qū)寬 度比P-N結(jié)探測器大大增加了（可達(dá)10mm以上）。 Ge(Li)探測器適用于測射線。 Si(Li)探測器通常只用于100Kev以下低能或 X射線以及射線。b：結(jié)區(qū)電容也基本上不隨反向電壓改變。15P-I-N結(jié)構(gòu)的探測器Si(Li)探測器Ge(Li)探測器工作及保存條件：必須永遠(yuǎn)置于低溫及高真空條件之下。16 、高純鍺探測器原理簡述： 高純鍺(HPGe)探測器實(shí)質(zhì)上就是利用極高純度的鍺制成的PN結(jié)探測器。用這種材料制成的PN結(jié)探

7、測器，結(jié)區(qū)寬度很大，可以大到與鋰漂移探測器類似。因此HPGe探測器的性能(包括對射線的探測效率和能量分辨率）與Ge(Li)探測器相似。 17 應(yīng)用： HPGe探測器主要用于測量射線能譜。 另外，也可用于X射線譜學(xué)。與Si(Li)探測器相比較明顯地改善能量分辨率，但HPGe探測器所能測量的X射線能量下限為2.3kev。這要比Si(Li)的高。18高純鍺探測器組成的譜儀系統(tǒng) 高純鍺探測器與Ge(Li)探測器相比較，主要優(yōu)點(diǎn)：不需要在低溫下保存，但仍需在低溫下工作。生產(chǎn)周期短。194、 能譜測量中幾種常用探測器的主要性能比較探測器種類固有能量 分辨率輸出信號幅度（1Mev射線能量在10pF電容上收集

8、） 使用中的 特殊要求 價(jià)格 氣體探測器電離室約為 0.7 0.幾mV 幾百元幾千元 正比計(jì)數(shù)器約為 1.4 AX0.幾mV 電源穩(wěn)定性要求高0.02%閃爍探測器約為 7 幾十mV 幾百mV電源穩(wěn)定0.1%幾千元 半導(dǎo)體探測器P-N結(jié)約為 0.10.2 幾mV電源穩(wěn)定0.1%幾百元上千元 鋰漂移低溫、真空下工作與保存 幾萬元 高純鍺低溫下工作20解釋上表： 各種探測器輸出信號幅度之間的比較平均電離能： 帶電粒子在探測器中產(chǎn)生一個(gè)離子對平均消耗掉的能量稱為該探測器的平均電離能，用 表示。如果入射粒子將它的能量E全部消耗在探測器的靈敏體積內(nèi)，則平均產(chǎn)生的離子對數(shù)為：WENW21 電離室輸出信號幅度

9、（大約） 各種電離室所充氣體的平均電離能 大致為2040eV。W例： 如帶電粒子的能量為1MeV，并全部消耗在電離室 靈敏體積內(nèi)，則在 取33eV時(shí)，平均電離出的離子對 數(shù)為：W13000033EMeVNeVW 將上述電荷收集在一個(gè)10p的電容上（以下均如此）：61912101.6 100.533 10 10NeEeVmVCWC電離室： 正比計(jì)數(shù)器輸出信號幅度（大約）： AX0.幾mV 22 半導(dǎo)體探測器輸出信號幅度（大約） 半導(dǎo)體探測器的平均電離能比氣體探測器小一個(gè)量級。 室溫下的硅（Si）： 低溫下的鍺（Ge）： 3.61WeV2.96WeV 如果入射粒子將它的能量E全部消耗在半導(dǎo)體探測器

10、的靈敏體積內(nèi)，則平均產(chǎn)生的電子空穴對數(shù)為：ENW（約為氣體探測器的10倍）輸出信號幅度（大約）： 幾mV 閃爍探測器輸出信號幅度（大約）N 300個(gè)光電子/1MeV M ( 為打拿系數(shù))M 輸出信號幅度（大約）： 幾mV 幾百mV 23各種探測器“固有能量分辨率”指標(biāo)之間的比較 （只做簡單的定性說明）電離室：同種能量帶電粒子電離所得到的電荷數(shù)N是圍繞其平均值 隨機(jī)漲落的。因此離子對數(shù)概率密度分布曲線會有一定展寬。NN 是N漲落的標(biāo)準(zhǔn)偏差。24（其中： 為離子對數(shù)的平均值 N為N 漲落的標(biāo)準(zhǔn)偏差：NFN相對標(biāo)準(zhǔn)偏差為：NFNN 展寬程度用相對標(biāo)準(zhǔn)偏差表示： F為法諾因子 ：對于氣體，F(xiàn)1/31/

11、2 )N電離室的“固有能量分辨率”約為0.7。25 正比計(jì)數(shù)器：帶電粒子電離所得到的電荷數(shù)N的漲落，與電離室中一樣。但是由于氣體放大作用，輸出電荷數(shù)NNA。而A也是隨機(jī)變量，因此必須按統(tǒng)計(jì)理論中的兩級串級隨機(jī)變量的計(jì)算規(guī)則來計(jì)算N的相對標(biāo)準(zhǔn)偏差。因此，正比計(jì)數(shù)器的固有能量分辨率比電離室的差。約為 1.4。 閃爍探測器：光電倍增管陽極最終收集到的電子數(shù)N0是由三個(gè)隨機(jī)變量串級而成的：同樣能量粒子在閃爍體中發(fā)出的光子數(shù) 一個(gè)光子在光陰極上轉(zhuǎn)換的光電子數(shù)光電倍增管的倍增系數(shù)M，都是具有統(tǒng)計(jì)漲落的隨機(jī)變量。因此使得閃爍探測器的能量分辨率變得更差。一般約10，最好也只有78。26半導(dǎo)體探測器：射線能量在

12、探測器中產(chǎn)生的電子空穴對數(shù)是圍繞其平均值 隨機(jī)漲落的。N只受一個(gè)隨機(jī)變量的影響，這一點(diǎn)與電離室相同。但半導(dǎo)體的平均電離能比氣體約小一個(gè)量級。因此相同能量粒子在半導(dǎo)體探測器中產(chǎn)生的電荷數(shù)N比電離室中要大一個(gè)量級。這將使N的相對統(tǒng)計(jì)偏差要減小許多。也使半導(dǎo)體探測器的固有能量分辨率指標(biāo)比電離室的要好得多，一般約為 0.10.2。N半導(dǎo)體法諾因子:F0.10.15 ）（相對標(biāo)準(zhǔn)偏差為：NFNN27第三節(jié)第三節(jié) 能譜測量中能譜測量中探測器的探測器的選取原則選取原則 （1）、首先要明確被測量射線種類。如： 測射線經(jīng)常選用P-N結(jié)型半導(dǎo)體探測器或 電離室。 測射線通常可選用閃爍探測器或半導(dǎo)體探 測器（Ge(

13、Li)或高純鍺）。 測或x射線時(shí)常選用正比計(jì)數(shù)管或Si(Li) 探測器等。 根據(jù)應(yīng)用的具體場合、客觀存在核素的復(fù)雜程度、針對被測對象提出對分辨率的要求。進(jìn)一步確定探測器的種類。（2）、如測能譜：28 對能量分辨率要求不高，可選擇使用、維護(hù)都比較簡單，價(jià)格經(jīng)濟(jì)的閃爍探測器。當(dāng)要求探測器的分辨率要高時(shí)，一般選用射線半導(dǎo)體探測器。 再根據(jù)被測信號的能量范圍、射線強(qiáng)度等數(shù)據(jù)，選擇能量范圍、探測器效率、計(jì)數(shù)率特性等指標(biāo)適用的探測器。如：同測量信號：能量低時(shí)，可選擇Si（Li）探測器。 能量高時(shí)，可選擇Ge（Li）探測器。 射線強(qiáng)度很強(qiáng)時(shí)，探測器的計(jì)數(shù)率特性要好。射線強(qiáng)度很弱時(shí)，探測器的效率要求要高。（3

14、）、（4）、另外要根據(jù)實(shí)際工作需要對探測器的結(jié)構(gòu)、 尺寸大小、適用的工作條件（如恒溫、防雨 等）及價(jià)格花費(fèi)等提出要求。29第三章第三章 前置放大器前置放大器 探測器輸出信號的幅度較小，因此在ADC之前必須進(jìn)行必要的放大。 譜儀中的放大器通常被分成兩個(gè)部分：前置放大器和主放大器（又稱為譜儀放大器）。結(jié)構(gòu)如圖：第一節(jié) 概述 前置 放大器C 主放 大器探測器輸出 前放與主放之間用電纜連接。電纜長度根據(jù)現(xiàn)場而定，短的0.幾米，長的幾十?dāng)?shù)百米。30為什么要將放大器分成兩個(gè)部分？ 為提高系統(tǒng)的信噪比必須將放大器盡量靠近探測器。那么能否將放大器的所有電路全部與探測器放到一起呢？答案是：一般不這樣做。因?yàn)椋海?/p>

15、1）現(xiàn)場空間通常有限，不允許探測器的體積過大。 （2）放大器的一些設(shè)置需要人經(jīng)常進(jìn)行控制。而探測器 經(jīng)常需要放到射線很強(qiáng)，甚至人根本不能去的環(huán)境。 31各部分的任務(wù)？實(shí)現(xiàn)電荷到電壓脈沖的轉(zhuǎn)換對探測器輸出信號放大盡量提高信號的信噪比（2）主放大器對探測器輸出的電壓信號進(jìn)一步放大。用多種方法對信號進(jìn)行處理，以盡量提高譜儀的能量分辨率。（1）前置放大器32 探測器與前置放大器連接的等效電路圖探測器的等效電路圖中： Rd、Cd分別為探測器結(jié)區(qū)本身的結(jié)電阻和結(jié)電容。 RA、CA分別為前置放大器的等效輸入電阻和輸入電容。 CS為探測器與前置放大器連線的分布電容。33 探測器輸出的電流脈沖 Io(t)流經(jīng)等

16、效電阻Ri、電容Ci的并聯(lián)電路，被轉(zhuǎn)換為電壓信號V(t)。顯然，若RiCiIo(t)的持續(xù)時(shí)間時(shí)， V(t)的幅度與Io(t)的積分成正比，即與入射粒子的能量成正比。上述電路等效如右圖34一、 電壓靈敏前置放大器電壓+-Vo Vi CD Cs CA ii 探測器 電壓靈敏前置 放大器電壓放大器o Mi MVVQ/iMiVQ CCi=CD+CA+CS0wtiQidtiivivo電壓靈敏前置放大器電荷靈敏前置放大器（上述電路忽略了Ri ）第二節(jié)第二節(jié) 譜儀前置放大器的類型譜儀前置放大器的類型35放大器輸入電容CA可能由于輸入級增益不穩(wěn)定而變化。使用P-N結(jié)半導(dǎo)體探測器時(shí)，如偏壓不穩(wěn)，則結(jié)電容CD將發(fā)生變化等。 當(dāng)Ci不穩(wěn)定時(shí)，輸出電壓幅度VoM也不穩(wěn)定，在能譜測量中，這將使系統(tǒng)的能量分辨率降低。 所以電壓靈敏前置放大器一般只適用于能量分辨率比較低的譜儀系統(tǒng)。例如，用閃爍探測