輻射探測及常用輻射探測器課件

1、輻射探測及常用輻射探測器輻射探測及常用輻射探測器 對于輻射是不能感知的，因此人們必須借助于輻射探測器探測各種輻射，給出輻射的類型、強度(數(shù)量)、能量及時間等特性。即對輻射進行測量。 輻射探測器的定義：利用輻射在氣體、液體或固體中引起的電離、激發(fā)效應(yīng)或其它物理、化學(xué)變化進行輻射探測的器件稱為輻射探測器。為什么需要輻射探測器？ 對于輻射是不能感知的，因此人們必須借助于輻射探測器探射線與物質(zhì)相互作用的分類Charged Particulate RadiationsUncharged RadiationsHeavy charged particlesNeutronsFast electronsX-ra

2、ys and rays射線與物質(zhì)相互作用的分類Charged Particulat輻射探測的基本過程： 輻射粒子射入探測器的靈敏體積； 入射粒子通過電離、激發(fā)等效應(yīng)而在探測器中沉積能量； 探測器通過各種機制將沉積能量轉(zhuǎn)換成某種形式的輸出信號。對非帶電粒子通過次級效應(yīng)產(chǎn)生次電子或重帶電粒子,實現(xiàn)能量的沉積。常用的輻射探測器按探測介質(zhì)類型及作用機制主要分為：氣體探測器； 閃爍探測器； 半導(dǎo)體探測器。輻射探測的基本過程： 輻射粒子射入探測器的靈敏體積；常用的輻 氣體探測器是以氣體為工作介質(zhì)，由入射粒子在其中產(chǎn)生的電離效應(yīng)引起輸出電信號的探測器。由于產(chǎn)生信號的工作機制不同，氣體電離探測器主要有電離室、

3、正比計數(shù)器、G-M計數(shù)器等類型。它們均有各自的特點以及相應(yīng)的適用領(lǐng)域。 核輻射引起氣體的電離：入射帶電粒子通過氣體介質(zhì)時，使氣體分子、原子電離和激發(fā)，并在通過的路徑周圍生成大量離子對。 一. 氣體探測器 氣體探測器是以氣體為工作介質(zhì)，由入射粒子在其中產(chǎn)生的各種氣體探測器各種氣體探測器 電離能W：帶電粒子在氣體中產(chǎn)生一電子離子對所需的平均能量。 對不同的氣體， W大約為30eV。 若入射粒子的能量為E0，當其能量全部損失在氣體介質(zhì)中時，產(chǎn)生的平均離子對數(shù)為： 電離能W：帶電粒子在氣體中產(chǎn)生一電子離子對所需的平 離子和電子在外加電場中的漂移 離子和電子除了與作熱運動的氣體分子碰撞而雜亂運動和因空間

4、分布不均勻造成的擴散運動外，還有由于外加電場的作用沿電場方向定向漂移。 這種運動稱為“漂移運動”，定向運動的速度為“漂移速度”。它是形成輸出信號的基本過程。 離子和電子在外加電場中的漂移 離子和電子除了 工作氣體： 氣體探測器的工作介質(zhì)為氣體，工作氣體充滿電離室內(nèi)部空間； 工作氣體有確定的組成，一般為氬氣(Ar ) 加少量多原子分子氣體CH4。 氣體壓力：從10-110大氣壓。 需要保證氣體的成分和壓力，所以一般電離室均需要一個密封外殼將電極系統(tǒng)包起來。 工作氣體： 氣體探測器的工作介質(zhì)為氣體，氣體探測器的圓柱型電離室結(jié)構(gòu)高壓極負載電阻靈敏體積輸出信號：分別為極板電容、分布電容和放大器輸入電容

5、。氣體探測器的圓柱型電離室結(jié)構(gòu)高壓極負載電阻靈敏體積輸出信號： 氣體電離探測器主要有電離室、正比計數(shù)器、G-M計數(shù)器等類型。 當在兩電極上所加電壓不同時，就造成氣體探測器的不同工作狀態(tài)。 隨著工作電壓的升高，在中央陽極附近很小的區(qū)域內(nèi)，電場強度足夠強，以至電子在外電場的加速作用下，能發(fā)生新的碰撞電離，我們稱之為氣體放大或雪崩過程。 氣體電離探測器主要有電離室、正比計數(shù)器、G-M計數(shù)器等類I : 復(fù)合區(qū)II : 飽和區(qū)III : 正比區(qū)IV: 有限正比區(qū)V: G-M工作區(qū)VI: 連續(xù)放電區(qū)I : 復(fù)合區(qū)II : 飽和區(qū)III : 正比區(qū)IV:工作區(qū)域輸出信號用途電離室飽和區(qū)計數(shù)及測量入射粒子能量

6、正比計數(shù)器正比區(qū)計數(shù)及測量入射粒子能量G-M計數(shù)管G-M工作區(qū)形成正離子鞘，與入射粒子能量無關(guān)。僅用作計數(shù)工作區(qū)域輸出信號用途電離室飽和區(qū)計數(shù)及測量入射粒子能量正比計二. 閃爍探測器 利用輻射在某些物質(zhì)中產(chǎn)生的閃光，產(chǎn)生熒光光子來探測電離輻射的探測器。閃爍體光電倍增管(打拿極)反射層管座分壓器高壓多道或單道光陰極陽極熒光光子光電子暗盒窗前置放大器二. 閃爍探測器閃爍體光電倍增管(打拿極)反射層管座分壓器高閃爍探測器的工作過程：(1) 輻射射入閃爍體使閃爍體原子電離或激發(fā)，受激原子退激而發(fā)出波長在可見光波段的熒光。(2) 熒光光子被收集到光電倍增管(PMT)的光陰極，通過光電效應(yīng)打出光電子。(3

7、) 電子運動并倍增，并在陽極輸出回路輸出信號。閃爍探測器可用來測量入射粒子的能量。 閃爍探測器的工作過程：(1) 輻射射入閃爍體使閃爍體原(一). 閃爍體1、閃爍體的分類1) 無機閃爍體：玻璃體純晶體無機晶體(摻雜)(鋰玻璃)2) 有機閃爍體：有機晶體蒽晶體等；有機液體閃爍體及塑料閃爍體.3) 氣體閃爍體：Ar、Xe等。(一). 閃爍體1、閃爍體的分類1) 無機閃爍體：玻璃體純晶 2. 閃爍體的物理特性1) 發(fā)射光譜特點：發(fā)射光譜為連續(xù)譜。各種閃爍體都存在一個最強波長；要注意發(fā)射光譜與光電倍增管光陰極的光譜響應(yīng)是否匹配。 2. 閃爍體的物理特性1) 發(fā)射光譜特點：發(fā)射光譜為連續(xù)譜以NaI(Tl

8、)為例：對粒子；對粒子2) 發(fā)光效率與光能產(chǎn)額指閃爍體將所吸收的射線能量轉(zhuǎn)化為光的比例。發(fā)光效率：Eph閃爍體發(fā)射光子的總能量；E入射粒子損耗在閃爍體中的能量。以NaI(Tl)為例：對粒子；對粒子2) 發(fā)光效率與光能以NaI(Tl)為例對1MeV的粒子，發(fā)射光子平均能量光能產(chǎn)額：nph為產(chǎn)生的閃爍光子總數(shù)。發(fā)光效率與光能產(chǎn)額的關(guān)系：以NaI(Tl)為例對1MeV的粒子，發(fā)射光子平均能量光能3) 發(fā)光衰減時間受激過程大約退激過程及閃爍體發(fā)光過程按指數(shù)規(guī)律對于大多數(shù)無機晶體，t時刻單位時間發(fā)射光子數(shù)：為發(fā)光衰減時間，即發(fā)光強度降為1/e所需時間。 3) 發(fā)光衰減時間受激過程大約退激過程及閃爍體發(fā)光

9、過程按指數(shù)輻射探測及常用輻射探測器 （二）. 光電倍增管 1. PMT的結(jié)構(gòu)光電倍增管為電真空器件。1) PMT的主要部件和工作原理 真空殼打拿極陽極光電子軌跡入射光聚焦電極半透明光陰極 （二）. 光電倍增管 1. PMT的結(jié)構(gòu)光電倍增管為電2) PMT的類型 (1) 外觀的不同(2) 根據(jù)光陰極形式2) PMT的類型 (1) 外觀的不同(2) 根據(jù)光陰極形式聚焦型非聚焦型(3) 根據(jù)電子倍增系統(tǒng)具有較快的響應(yīng)時間，用于時間測量或需要響應(yīng)時間快的場合。電子倍增系數(shù)較大，多用于能譜測量系統(tǒng)。直線結(jié)構(gòu)環(huán)狀結(jié)構(gòu)百葉窗結(jié)構(gòu)盒柵型結(jié)構(gòu)聚焦型非聚焦型(3) 根據(jù)電子倍增系統(tǒng)具有較快的響應(yīng)時間，用 2. P

10、MT主要性能1) 光陰極的光譜響應(yīng)光陰極受到光照后，發(fā)射光電子的概率是入射光波長的函數(shù)，稱作“光譜響應(yīng)”。 2. PMT主要性能1) 光陰極的光譜響應(yīng)光陰極受到光照后PMT增益打拿極間電子傳輸效率陽極靈敏度陽極電流2) 光照靈敏度陰極靈敏度光陰極的光電子流光通量FiSkk=PMT增益打拿極間電子傳輸效率陽極靈敏度陽極電流2) 光照靈(1)光陰極的熱電子發(fā)射。3) PMT 暗電流與噪聲 當工作狀態(tài)下的光電倍增管完全與光輻射隔絕時，其陽極仍能輸出電流(暗電流)及脈沖信號(噪聲)。(2)殘余氣體的電離-離子反饋； 殘余氣體的激發(fā)-光子反饋。(3)工藝-尖端放電及漏電成因：(1)光陰極的熱電子發(fā)射。3

11、) PMT 暗電流與噪聲 4) PMT 的時間特性飛行時間(渡越時間)一個光電子從光陰極到達陽極的平均時間。渡越時間離散 到達陽極的每個電子都經(jīng)歷了不同的倍增過程和飛行距離，反映了飛行時間的漲落，是決定閃爍計數(shù)器分辨時間的限制因素。：te的分布函數(shù)的半寬度4) PMT 的時間特性飛行時間(渡越時間)一個光電子從光陰5) PMT 的穩(wěn)定性穩(wěn)定性是指在恒定輻射源照射下，光電倍增管的陽極電流隨時間的變化。包含兩部分：短期穩(wěn)定性，指建立穩(wěn)定工作狀態(tài)所需的時間。一般在開機后預(yù)熱半小時才開始正式工作。長期穩(wěn)定性：在工作達到穩(wěn)定后，略有下降的慢變化，與管子的材料、工藝有關(guān)，同時與周圍的環(huán)境溫度有關(guān)。長期工作

12、條件下，須采用“穩(wěn)峰”措施。5) PMT 的穩(wěn)定性穩(wěn)定性是指在恒定輻射源照射下，光電倍增（三）閃爍探測器的應(yīng)用主要用于構(gòu)成 譜儀光電倍增管閃爍體射極輸出器線性脈沖放大器單道脈沖幅度分析器多道脈沖幅度分析器打印機自動定標器線性率表高壓電源示波器源圖3-1Nal(T1)閃爍譜儀裝置示意圖（三）閃爍探測器的應(yīng)用光電閃爍體射極線性脈沖單道脈沖多道脈沖 半導(dǎo)體探測器的基本原理是帶電粒子在半導(dǎo)體探測器的靈敏體積內(nèi)產(chǎn)生電子空穴對，電子空穴對在外電場的作用下漂移而輸出信號。 我們把氣體探測器中的電子離子對、閃爍探測器中被 PMT第一打拿極收集的電子 及半導(dǎo)體探測器中的電子空穴對統(tǒng)稱為探測器的信息載流子。產(chǎn)生每

13、個信息載流子的平均能量分別為30eV(氣體探測器)，300eV(閃爍探測器)和3eV(半導(dǎo)體探測器)。三. 半導(dǎo)體探測器 半導(dǎo)體探測器的基本原理是帶電粒子在半導(dǎo)體探測半導(dǎo)體探測器的特點：(1) 能量分辨率最佳；(2) 射線探測效率較高，可與閃爍探測器相比。常用半導(dǎo)體探測器有：(1) P-N結(jié)型半導(dǎo)體探測器；(2) 鋰漂移型半導(dǎo)體探測器；(3) 高純鍺半導(dǎo)體探測器；半導(dǎo)體探測器的特點：(1) 能量分辨率最佳；(2) 射線探 (一) 半導(dǎo)體作為探測介質(zhì)的物理性能1.平均電離能 （w）SiGe300K3.62eV 77K3.76eV2.96eV 入射粒子在半導(dǎo)體介質(zhì)中平均產(chǎn)生一對電子空穴需要的能量。

14、 半導(dǎo)體中的平均電離能與入射粒子能量無關(guān)。在半導(dǎo)體中消耗能量為E時，產(chǎn)生的載流子數(shù)目N為： (一) 半導(dǎo)體作為探測介質(zhì)的物理性能1.平均電離能 （w）2. 載流子的漂移 由于 電子遷移率n 和 空穴遷移率p 相近，與氣體探測器不同，不存在電子型或空穴型半導(dǎo)體探測器。對N型半導(dǎo)體，電子的漂移速度為對P型半導(dǎo)體，空穴的漂移速度為 電場較高時，漂移速度隨電場的增加較慢，最后達到載流子的飽和速度107cm/s。2. 載流子的漂移 由于 電子遷移率n 和 空穴遷3. 電阻率與載流子壽命半導(dǎo)體電阻率：本征電阻率： 摻雜將大大降低半導(dǎo)體的電阻率，對硅來說摻雜對電阻率的影響比鍺顯著得多。當半導(dǎo)體材料被冷卻到液

15、氮溫度時將大大提高電阻率。 載流子壽命-載流子在俘獲以前，可在晶體中自由運動的時間。只有當漂移長度 大于靈敏體積的長度才能保證載流子的有效收集。對高純度的Si和Ge 10-3s，決定了Si和Ge為最實用的半導(dǎo)體材料。 高的電阻率和長的載流子壽命是組成半導(dǎo)體探測器的關(guān)鍵。3. 電阻率與載流子壽命半導(dǎo)體電阻率：本征電阻率： 摻雜 (二) P-N結(jié)半導(dǎo)體探測器1、P-N結(jié)半導(dǎo)體探測器的工作原理 P-N結(jié)區(qū)(勢壘區(qū))的形成： 多數(shù)載流子擴散，空間電荷形成內(nèi)電場并形成結(jié)區(qū)。結(jié)區(qū)內(nèi)存在著勢壘，結(jié)區(qū)又稱為勢壘區(qū)。勢壘區(qū)內(nèi)為耗盡層，無載流子存在，實現(xiàn)高電阻率，達 ，遠高于本征電阻率。n-typep-type-

16、 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -+ + + + + + + + + + + + + (二) P-N結(jié)半導(dǎo)體探測器1、P-N結(jié)半導(dǎo)體探測器的工作2、P-N結(jié)半導(dǎo)體探測器的類型1) 擴散結(jié)(Diffused Junction)型探測器采用擴散工藝高溫擴散或離子注入；材料一般選用P型高阻硅，電阻率為1000；在電極引出時一定要保證為歐姆接觸，以防止形成另外的結(jié)。 2) 金硅面壘(Surface Barrier)探測器一般用N型高阻硅，表面蒸金50100g/cm2 氧化形成P型硅，而形成P-N結(jié)。工藝成熟、簡單

17、、價廉。 2、P-N結(jié)半導(dǎo)體探測器的類型1) 擴散結(jié)(Diffused3.應(yīng)用 重帶電粒子能譜測量- 譜儀3.應(yīng)用 重帶電粒子能譜測量- 譜儀1.P-N結(jié)的構(gòu)成 采用高純度的 P型Ge單晶，雜質(zhì)濃度為 。因為雜質(zhì)濃度極低，相應(yīng)的電阻率很高。空間電荷密度很小，P區(qū)的耗盡層厚度大。一般半導(dǎo)體材料雜質(zhì)濃度為1015原子/cm3。電荷分布（三）高純鍺半導(dǎo)體探測器1.P-N結(jié)的構(gòu)成 采用高純度的 P型Ge單晶，雜1) P區(qū)存在空間電荷，HPGe半導(dǎo)體探測器是PN結(jié)型探測器。2) P區(qū)為非均勻電場。3) P區(qū)為靈敏體積，其厚度與外加電壓有關(guān)，一般工作于全耗盡狀態(tài)。4) HPGe半導(dǎo)體探測器可在常溫下保存，低溫下工作。2.高純鍺半導(dǎo)體探測器特點1) P區(qū)存在空間電荷，HPGe半導(dǎo)體探測器是PN結(jié)型探測器10.8mm不銹鋼絲；2玻璃鋼支柱；3活性炭；4內(nèi)膽；5鍍鋁滌綸薄膜；6真空室外套；7多孔套管；8活性炭；9導(dǎo)冷棒；10外殼；11定位器和套卡；12前置電極；13導(dǎo)線螺釘；14晶體臺；15電極支架；16下電極；17晶體；18屏蔽罩；19真空罩；20氟橡膠密封圈；21真空室外殼；22液氮注入管道；23內(nèi)膽頸管；24液氮。10.8mm