射線探測原理與技術(shù)分析PPT學(xué)習(xí)教案

1、會計(jì)學(xué)1射線探測原理與技術(shù)分析射線探測原理與技術(shù)分析常用射線探測器的工作原理 第1頁/共53頁1.1.氣體探測器氣體探測器共同特點(diǎn)共同特點(diǎn)： 作用介質(zhì)為氣體作用介質(zhì)為氣體 結(jié)構(gòu)相似結(jié)構(gòu)相似 探測依據(jù)探測依據(jù) 射線通過物質(zhì)時(shí)的射線通過物質(zhì)時(shí)的電離效應(yīng)電離效應(yīng) 氣體探測器電離室 （平板型、圓柱型）正比計(jì)數(shù)器 （圓柱型）G-M 計(jì)數(shù)器（圓柱型）第2頁/共53頁1.1 氣體探測器的工作原理 射線 氣體（一種物質(zhì)) 相互作用 傳遞能量 氣體原子（分子）中核外電子獲得能量 產(chǎn)生電離和激發(fā)效應(yīng)，產(chǎn)生大量的電子正離子對，射線本身損失能量而被阻止下來。1. 氣體的電離氣體的電離第3頁/共53頁初電離：入射粒子與

2、氣體原子分子碰撞直接產(chǎn)生正離子和電子。 次電離：直接電離時(shí)產(chǎn)生的電子中能量特別高的那部分，稱為電子，它們也能使氣體電離。另外初電離可使原子分子產(chǎn)生內(nèi)殼層空位，則外殼層向內(nèi)殼層躍遷時(shí)，既可能發(fā)射俄歇電子，也有可能發(fā)射紫外光或X射線，它們都可能使氣體電離。電離的過程包括： 初電離和次電離的總和稱為總電離。第4頁/共53頁平均電離能 帶電粒子在氣體中產(chǎn)生一對電子正離子對需要的平均能量 W平均電離能射線通過氣體時(shí)就可形成N對離子對： WEN0 平均電離能 W 最低電離電位 I0第5頁/共53頁幾種氣體的電離能幾種氣體的電離能w w、和最低電離電位、和最低電離電位氣體氣體w w( ( ) )w w( (

3、X, X, ) )w w( ( ) )I I0 0HeHe46.046.0 0.50.541.541.5 0.40.429.929.9+0.5+0.524.524.5NeNe35.735.7 2.62.636.236.2 0.40.428.628.6 8 821.621.6ArAr26.326.3 0.10.126.226.2 0.20.215.815.8O O2 232.332.3 0.10.131.831.8 0.30.331.531.5 2 212.512.5CHCH4 429.129.1 0.10.127.327.3 0.30.312.812.8C C2 2H H4 428.0328.

4、03 0.050.0526.326.3 0.30.312.212.2空氣空氣34.9834.98 0.050.0533.7333.73 0.150.1536.036.0 0.40.4第6頁/共53頁2. 離子的收集和電壓電流曲線離子的收集和電壓電流曲線圖圖4.2 4.2 離子收集裝置示意圖離子收集裝置示意圖第7頁/共53頁圖4.3 、兩種粒子在氣體探測器中產(chǎn)生的總的離子對數(shù)目和電場的關(guān)系曲線圖4.3 給出了、兩種粒子在氣體探測器中產(chǎn)生的總的離子對數(shù)目和電場的關(guān)系曲線明顯分為五個(gè)區(qū)域： 在輻射強(qiáng)度恒定的條件下，隨所加電壓與電離電流的關(guān)系如圖4.3。第8頁/共53頁圖圖 各種類型的氣體探測器各種類

5、型的氣體探測器第9頁/共53頁例：210Po E=5.30MeV cm84.3R 空氣空氣 個(gè)個(gè)561056. 134103 . 5N 經(jīng)推導(dǎo)和實(shí)際測量已知，每一對電子正離子對經(jīng)推導(dǎo)和實(shí)際測量已知，每一對電子正離子對都帶有一定電量，大小為：都帶有一定電量，大小為：C.e19106021 第10頁/共53頁圓柱型電離室圓柱型電離室C0VLR+-第11頁/共53頁2. 2. 閃爍探測器閃爍探測器是利用輻射在某些物質(zhì)中產(chǎn)生的來探測電離輻射的探測器。閃爍探測器的主要組成部分：閃爍探測器的主要組成部分： 閃爍體閃爍體 光電倍增管光電倍增管 相應(yīng)的電子學(xué)儀器相應(yīng)的電子學(xué)儀器第12頁/共53頁閃爍閃爍體體光

6、電倍增管光電倍增管( (打拿極打拿極) )反射層反射層管管座座分壓器分壓器高壓高壓多道或單道多道或單道光陰光陰極極陽陽極極熒熒光光光光子子光電光電子子暗盒暗盒窗窗前置放大器前置放大器第13頁/共53頁1）閃爍探測器工作原理（五個(gè)相互聯(lián)系的過程）：閃爍探測器工作原理（五個(gè)相互聯(lián)系的過程）：損失能量損失能量 射線進(jìn)入閃爍題，閃爍體吸收帶電粒子能量，而射線進(jìn)入閃爍題，閃爍體吸收帶電粒子能量，而使原子、分子使原子、分子電離、激發(fā)電離、激發(fā)。 第14頁/共53頁 能量轉(zhuǎn)換 受激原子、分子退激發(fā)時(shí)，發(fā)射熒光光子。 發(fā)出光子 射線能量的一部分轉(zhuǎn)化為光能。第15頁/共53頁 收集光子、光電轉(zhuǎn)換 利用反射物和光

7、導(dǎo)將閃爍光子盡可能多地收集到光電倍增管的光陰極上，由于光電效應(yīng)，光子在光陰極上打出光電子 光能電子第16頁/共53頁 光電子在光電倍增管中倍增，數(shù)量由一個(gè)增加到104 109 ， 電子流在陽極負(fù)載上產(chǎn)生電信號，輸出幅度幾百mV V, 在一定的條件下正比于入射粒子損失的能量，脈沖計(jì)數(shù)正比與入射粒子強(qiáng)度。 記錄分析 第17頁/共53頁第18頁/共53頁a. NaI(Tl)a. NaI(Tl)晶體晶體密度大密度大 =3.67g/cm=3.67g/cm3 3原子序數(shù)高原子序數(shù)高 Z=53 (Z=53 (占總重的占總重的85%85%）對對射線探測效率高射線探測效率高輸出脈沖幅度與吸收的能量基本上有線性關(guān)

8、系輸出脈沖幅度與吸收的能量基本上有線性關(guān)系2）介紹幾種閃爍體）介紹幾種閃爍體第19頁/共53頁第20頁/共53頁第21頁/共53頁b. Zn(Ag)b. Zn(Ag)閃爍體閃爍體優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：發(fā)光效率極高發(fā)光效率極高 對重帶電粒子阻止本領(lǐng)很大，對重帶電粒子阻止本領(lǐng)很大， 對對 射線不靈敏，射線不靈敏， 適合于在適合于在、本底場中用幅度甄別法測本底場中用幅度甄別法測量量 中帶電粒子中帶電粒子缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：ZnSZnS層是半透明的層是半透明的 因此不能用來測量因此不能用來測量 能量，只能用來測量能量，只能用來測量 強(qiáng)度強(qiáng)度第22頁/共53頁c. c. 有機(jī)晶體蒽和芪有機(jī)晶體蒽和芪具有良好的發(fā)光特性的芳

9、香族化合物具有良好的發(fā)光特性的芳香族化合物蒽：蒽：1014HCZ Z小，小，H H的含量大的含量大探測探測和快中子的好材料和快中子的好材料在在0.130MeV0.130MeV能區(qū)線性好，可能區(qū)線性好，可測測能譜能譜芪：芪：1214HC光輸出是蒽的光輸出是蒽的60%60%，發(fā)光時(shí)間，發(fā)光時(shí)間- -6ns6ns常用作快計(jì)數(shù)常用作快計(jì)數(shù)加工困難加工困難 不多用不多用第23頁/共53頁a. 基本原理和構(gòu)造基本原理和構(gòu)造 光電倍增管是利用光電效應(yīng)將光轉(zhuǎn)換成光電光電倍增管是利用光電效應(yīng)將光轉(zhuǎn)換成光電子，由光電子形成的電流來記錄微弱閃光的元件。子，由光電子形成的電流來記錄微弱閃光的元件。作用：光電轉(zhuǎn)換、電子

10、倍增、信號輸出作用：光電轉(zhuǎn)換、電子倍增、信號輸出三個(gè)基本組成部分三個(gè)基本組成部分：光陰極光陰極、次陰極次陰極、陽極陽極3）光電倍增管第24頁/共53頁光陰極光陰極接受光子并放出光電子的電極接受光子并放出光電子的電極作用：作用：光電轉(zhuǎn)換光電轉(zhuǎn)換次次陰極陰極 陽陽 極極光陰極產(chǎn)生的光電子被加速、聚焦、光陰極產(chǎn)生的光電子被加速、聚焦、倍增倍增作用：作用：電子倍增電子倍增收集經(jīng)倍增放大后所產(chǎn)生的所有電子作用：信號輸出第25頁/共53頁圖4.13 光電倍增管的工作原理第26頁/共53頁 C1eMQgFhCAECeMTnCqVkcphnp0ph 設(shè)：系統(tǒng)電容為設(shè)：系統(tǒng)電容為C , C , 引起陽極上電極電

11、位變化幅度為引起陽極上電極電位變化幅度為: :1. V E0結(jié)論與啟示結(jié)論與啟示：2. 為了提高，必須增大、A、T 等phC、cg能量損失率平均光電轉(zhuǎn)換效率電子收集效率總發(fā)光效率第27頁/共53頁方法：方法：1.1. 增大增大A , A , 增大閃爍體尺寸。增大閃爍體尺寸。( (提高探測效率提高探測效率) )2.2. 選選 的閃爍體（高發(fā)光效率）的閃爍體（高發(fā)光效率）3.3. 提高提高 （光子收集效率）（光子收集效率）4.4. 調(diào)節(jié)光電倍增管得分壓電阻，提高調(diào)節(jié)光電倍增管得分壓電阻，提高 ( (電子收電子收集效率）集效率）5.5. 閃爍體與光電倍增管相匹配增加閃爍體與光電倍增管相匹配增加 （光

12、電轉(zhuǎn)換效率）（光電轉(zhuǎn)換效率）phFphCcg kQ第28頁/共53頁3. 3. 半導(dǎo)體探測器半導(dǎo)體探測器 工作原工作原理理與氣體探測器類與氣體探測器類似似半導(dǎo)體材料半導(dǎo)體材料 SiSi或或GeGe對輻射損傷較靈敏對輻射損傷較靈敏性能隨溫度變化關(guān)系較大性能隨溫度變化關(guān)系較大能量分辨率高能量分辨率高時(shí)間響應(yīng)快（時(shí)間響應(yīng)快（1010-9-9秒）秒）線性范圍寬線性范圍寬(300KeV-1.3MeV (300KeV-1.3MeV 線性偏移線性偏移 0.2KeV) 0.2KeV)主要缺點(diǎn)主要優(yōu)點(diǎn)探測介質(zhì)第29頁/共53頁時(shí)間響應(yīng)快：時(shí)間響應(yīng)快： 帶電粒子在半導(dǎo)體中形成的電離密度要比在氣帶電粒子在半導(dǎo)體中形

13、成的電離密度要比在氣體中形成的體中形成的電離密度高，大約電離密度高，大約3 3個(gè)數(shù)量級個(gè)數(shù)量級。 所以，當(dāng)探測高能電子或所以，當(dāng)探測高能電子或射線時(shí)，半導(dǎo)體探射線時(shí)，半導(dǎo)體探測器的尺寸要比氣體探測器小得多，因而可以制測器的尺寸要比氣體探測器小得多，因而可以制成高空間分辨、快時(shí)間相應(yīng)的探測器。成高空間分辨、快時(shí)間相應(yīng)的探測器。線性范圍寬：線性范圍寬： 在很大的能量范圍內(nèi)，探測器輸出脈沖幅度與在很大的能量范圍內(nèi)，探測器輸出脈沖幅度與所測射線的能量成正比。所測射線的能量成正比。第30頁/共53頁表4.2 不同探測器能量分辨率的比較放射源放射源探測器探測器能量分辨率能量分辨率241Am-5.486Me

14、VPIPS離子注入表面鈍化硅半導(dǎo)體探測器離子注入表面鈍化硅半導(dǎo)體探測器約約0.2%氣體探測器氣體探測器約約1%60Co-1.33MeV高純鍺半導(dǎo)體探測器高純鍺半導(dǎo)體探測器約約0.1%NaI（Tl）閃爍探測器）閃爍探測器約約8%55Fe-X5.9keVSi（Li）半導(dǎo)體探測器）半導(dǎo)體探測器約約3%正比計(jì)數(shù)器（氣體）正比計(jì)數(shù)器（氣體）約約17%NaI（Tl）閃爍探測器）閃爍探測器約約5060%第31頁/共53頁1） 半導(dǎo)體探測器的基本原理：第32頁/共53頁 與氣體探測器類似，核輻射在半導(dǎo)體中，每產(chǎn)生一對電子空穴對，平均損失的能量即平均電離能w eVw76. 3eVw96. 2硅鍺 對于能量為E的

15、核輻射，半導(dǎo)體探測器輸出脈沖幅度： CwEV1 探測器的結(jié)電容第33頁/共53頁漂移型：漂移型： 硅鋰漂移探測器硅鋰漂移探測器 鍺鋰漂移探測器鍺鋰漂移探測器高純材料：高純材料：低能低能、x x射線射線射線能譜射線能譜高純鍺探測器高純鍺探測器 HPGeHPGe擴(kuò)散型：擴(kuò)散型：主要用于測量粒子主要用于測量粒子能譜和粒子計(jì)數(shù)能譜和粒子計(jì)數(shù)擴(kuò)散結(jié)型面壘型離子注入型2）常見的半導(dǎo)體探測器 第34頁/共53頁圖4.18 金硅面壘半導(dǎo)體探測器外形圖4.21 液氮致冷冗余設(shè)計(jì)致冷器和脈沖管電致冷器第35頁/共53頁 4. 中子探測器1）中子探測的基本原理）中子探測的基本原理 由于中子不帶電，中子與物質(zhì)中的電子

16、發(fā)生相互作用不能引起直接電離。 因此，中子探測器只能依靠中子與原子核相互作用產(chǎn)生的核反應(yīng)、核反沖、核裂變和活化等產(chǎn)生的次級帶電粒子來測量中子。 中子與原子核的反應(yīng)過程，以及相互作用截面的大小，依賴于中子的能量和物質(zhì)的性質(zhì)。第36頁/共53頁 常用中子探測器主要有：BF3正比計(jì)數(shù)器、硼電離室、裂變室、閃爍探測器、半導(dǎo)體探測器等。2）常用中子探測器簡介 BF3正比計(jì)數(shù)器 BF3氣體作為探測介質(zhì)，利用中子和10B發(fā)生核反應(yīng)產(chǎn)生的粒子和7Li在正比計(jì)數(shù)器產(chǎn)生的電離效應(yīng)來達(dá)到探測中子的目的。 LiBnLiBn710*710 第37頁/共53頁重帶電粒子，射程比較短 BF3計(jì)數(shù)管主要用于熱中子和慢中子的測

17、量，它對快中子的探測效率很低，若探測器外有用石蠟（或聚乙烯）制成的慢化劑，是快中子經(jīng)慢化后再進(jìn)入計(jì)數(shù)管，則BF3計(jì)數(shù)管也可以用來探測快中子。這樣就可以使得測量中子的能量范圍更寬，被稱為“長計(jì)數(shù)管”。 第38頁/共53頁 硼電離室和裂變室硼電離室 在電離室的一個(gè)電極上涂有10B薄膜，利用核反應(yīng)產(chǎn)生的粒子和7Li在電離室產(chǎn)生的電流來測量中子的注量率 裂變室 在電離室的電極上涂裂變物質(zhì)235U, 利用中子轟擊235U產(chǎn)生裂變，記錄裂變碎片在電離室中產(chǎn)生的電流來記錄中子。一般用于核反應(yīng)堆控制。第39頁/共53頁 3He氣體探測器 He氣體與中子發(fā)生如下反應(yīng)，也廣泛地用作探測中子的介質(zhì)：He + n H

18、 + p + 0.765 MeV此反應(yīng)產(chǎn)生的0.765MeV能量分別由反應(yīng)產(chǎn)物H（0.191MeV）和p(0.574MeV)獲得。 第40頁/共53頁 閃爍中子探測器 LinB710, CeSiOLiO222a)有機(jī)閃爍體 主要用于快中子的測量 b)硫化鋅快中子屏 主要用于快中子的測量 c)硫化鋅慢中子屏 主要用于快中子的測量 d)鋰玻璃閃爍體 主要用于熱中子到幾百 keV中子的測量 第41頁/共53頁5. 半導(dǎo)體探測器 用某種物質(zhì)作為輻射體，通過核反應(yīng)、核反沖和核裂變產(chǎn)生重帶電粒子，然后用半導(dǎo)體探測器測量。 圖圖4.22 夾心式夾心式6LiF半導(dǎo)體中子譜儀半導(dǎo)體中子譜儀兩個(gè)面對面的金硅面壘半

19、導(dǎo)體探測器，中間放入含6Li薄膜，制成“夾心式”中子譜儀， 第42頁/共53頁5.5.熱釋光探測器熱釋光探測器 TLD TLD 1)1)熱釋光探測器的基本原理熱釋光探測器的基本原理什么是什么是 “熱釋光熱釋光” 輻射照射在某種結(jié)晶上之后，將這種結(jié)晶體加輻射照射在某種結(jié)晶上之后，將這種結(jié)晶體加熱，它會熱，它會放出與受照劑量大致成正比的光放出與受照劑量大致成正比的光來。這來。這種現(xiàn)象成為種現(xiàn)象成為“熱致發(fā)光現(xiàn)象熱致發(fā)光現(xiàn)象”。第43頁/共53頁電子獲得足夠的能量，使原子電離電子由價(jià)電子獲得足夠的能量，使原子電離電子由價(jià)帶進(jìn)入導(dǎo)帶帶進(jìn)入導(dǎo)帶 電離電離電子獲得的能量不足以使它電離，而只能達(dá)電子獲得的能

20、量不足以使它電離，而只能達(dá)到激子帶到激子帶 激發(fā)激發(fā)a. 當(dāng)帶電粒子穿過介質(zhì)時(shí)“激子激子” 處于激子帶的電子和空穴，在晶格中運(yùn)動，處于激子帶的電子和空穴，在晶格中運(yùn)動，但不導(dǎo)電。但不導(dǎo)電。 運(yùn)動過程中，電子和空穴可能被陷阱俘獲而運(yùn)動過程中，電子和空穴可能被陷阱俘獲而落入不同的落入不同的陷阱陷阱能級中，或落入被雜質(zhì)原能級中，或落入被雜質(zhì)原子在禁帶所形成的能級中。子在禁帶所形成的能級中。第44頁/共53頁 只有通過熱起伏而重新被激發(fā)到導(dǎo)帶，才能只有通過熱起伏而重新被激發(fā)到導(dǎo)帶，才能形成的發(fā)光中心復(fù)合而發(fā)光。形成的發(fā)光中心復(fù)合而發(fā)光。 顯然：顯然： 提高磷光體的溫度可以使儲存與其中提高磷光體的溫度可

21、以使儲存與其中的輻射能加速地釋放出來。的輻射能加速地釋放出來。這一現(xiàn)象稱為：“熱致發(fā)光現(xiàn)象熱致發(fā)光現(xiàn)象”b. 被俘獲后的電子第45頁/共53頁 加熱發(fā)出的總光子數(shù)與陷阱中釋放出來的電子數(shù)成正比，而總電子數(shù)又與磷光體最初被吸收的輻射能量成正比。因此，可以通過測量總光子數(shù)來測量各種核輻射。加熱溫度（）)exp(kTsnI 熱釋光強(qiáng)度：在所考慮時(shí)刻陷阱能級上的電子數(shù)陷阱能級波爾茲曼常數(shù)常數(shù) C. 發(fā)光強(qiáng)度曲線發(fā)光強(qiáng)度曲線第46頁/共53頁圖4.24 LiF熱釋光發(fā)光強(qiáng)度曲線 加熱熱釋光材料可以得到熱釋光發(fā)光強(qiáng)度隨溫度的變化曲線，這就是“熱釋光的發(fā)光曲線”。 發(fā)光曲線下的面積叫做發(fā)光總額。對同一熱釋光材料若接受的照射量一定，則發(fā)光總額是一個(gè)常數(shù)。因此，原則上可以用任何一個(gè)峰的積分強(qiáng)度確定所接受的照射劑量。常用的測量發(fā)光強(qiáng)度的方法有：峰高法、光和法。第47頁/共53頁加熱發(fā)光裝置的三個(gè)主要部分：加熱發(fā)光裝置的三個(gè)主要部分：2) 加熱發(fā)光測量裝置的主要部分圖圖4.25 熱釋光劑量儀探頭部分示意熱釋光劑量儀探頭部分示意圖圖a. 加熱部分 b. 光電轉(zhuǎn)換部分 c. 輸出顯示部分第48頁/共53頁3) 常用熱釋光探