核輻射探測器(監(jiān)測)

1、蘇州大學(xué)放射醫(yī)學(xué)與防護(hù)學(xué)院萬駿2014年5月輻射探測器學(xué)習(xí)目標(biāo)了解探測器的輸出回路與輸出信號(hào)；掌握探測器的工作機(jī)制；掌握探測器的主要性能指標(biāo)；熟悉探測器的典型應(yīng)用。 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(qiáng)度(數(shù)量)、能量及時(shí)間等特性。即對輻射進(jìn)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(jìn)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？ 探測器按探測介質(zhì)類型及作用機(jī)制主要分為： 氣體探測器； 閃爍探測器； 半導(dǎo)體探測器； 徑跡探測器； 中子探測器。輻射探測的基本過程： 輻射粒子射入探測器的靈敏

2、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(jī)制將沉積能量轉(zhuǎn)換成某種形式的輸出信號(hào)。氣體探測器均以氣體作為探測介質(zhì)。具有制備簡單、性能可靠、成本低廉、使用方便等優(yōu)點(diǎn)，有廣泛的應(yīng)用。20世紀(jì)70年代以來，氣體探測器有很大發(fā)展，在高能物理和重離子物理實(shí)驗(yàn)中獲得新的應(yīng)用，并廣泛應(yīng)用于核醫(yī)學(xué)、生物學(xué)、天體物理、凝聚態(tài)物理和等離子體物理等領(lǐng)域。氣體探測器核輻射引起的氣體電離初級電離：入射粒子與氣體分子或原子直接碰撞而導(dǎo)致的氣體電離；次級電離：直接電離所產(chǎn)生的電子或紫外光及X射線而導(dǎo)致的氣體電離。復(fù)合過程：正離子和電子或負(fù)離子復(fù)合成中性粒子的過程。氣體探測器的特點(diǎn)： 探測器的

3、靈敏體積大小和形狀幾乎不受限制； 沒有輻射損傷或極易恢復(fù)； 經(jīng)濟(jì)可靠。各種氣體探測器 氣體探測器由于產(chǎn)生信號(hào)的工作機(jī)制不同，氣體電離探測器主要有電離室、正比計(jì)數(shù)器、G-M計(jì)數(shù)器等類型。它們均有各自的特點(diǎn)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(shí)，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。 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(dāng)其能量全部損失在氣體介質(zhì)中時(shí)，產(chǎn)生的平均離子對數(shù)為： 離子和電子除了與作熱運(yùn)動(dòng)的氣體分子碰撞而雜亂運(yùn)動(dòng)和因空間分布不均勻造成的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)外，還

4、有由于外加電場的作用沿電場方向定向漂移。 這種運(yùn)動(dòng)稱為“漂移運(yùn)動(dòng)”，定向運(yùn)動(dòng)的速度為“漂移速度”。它是形成輸出信號(hào)的基本過程。 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； 需要保證氣體的成分和壓力，所以一般電離室均需要一個(gè)密封外殼將電極系統(tǒng)包起來。 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0.110大氣壓。氣體探測器的圓柱型電離室結(jié)構(gòu)高壓極負(fù)載電阻靈敏體積輸出信號(hào)：分別為極板電容、分布電容和放大器輸入電容。 氣體電離探測器主要有電離室、正比計(jì)數(shù)器、G-M計(jì)數(shù)器等類型。 當(dāng)在兩電極上所加電壓不同時(shí)，就造成氣體探測器的不同工作

5、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(qiáng)度足夠強(qiáng)，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。 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)電離室脈沖電離室：記錄單個(gè)輻射粒子，主要用于測量重帶電粒子的能量和強(qiáng)度。電流電離室：記錄大量粒子平均效應(yīng)，主要用于測量X, g, b 和中子的強(qiáng)度或通量，劑量或劑量率。0d+ + + + + + + +- - - - - - - - 陽極 陰極 -U0z脈沖電離室輸出信號(hào)的測量脈沖電離室的輸出信號(hào)所包含的信息：1）入射帶電粒子的數(shù)量；2）入射

6、帶電粒子的能量；3）確定入射粒子間的時(shí)間關(guān)系。通過對輸出脈沖數(shù)進(jìn)行測量。通過對輸出電壓信號(hào)的幅度進(jìn)行測量。通過對輸出電壓信號(hào)的時(shí)間進(jìn)行測量。脈沖電離室的性能1) 脈沖幅度譜與能量分辨率脈沖電離室常用來測量帶電粒子的能量。 對單能帶電粒子，若其全部能量都損耗在靈敏體積內(nèi)，則脈沖電離室輸出電壓脈沖的幅度反映了單個(gè)入射帶電粒子能量的大小。能量分辨率：半寬度多道測量的脈沖幅度譜： 能量分辨率反映了譜儀對不同入射粒子能量的分辨能力。(1)能量分辨率反映了譜儀對不同入射粒子能量的分辨能力。能量分辨率越小，則可區(qū)分更小的能量差別。這是譜儀的最主要的指標(biāo)。關(guān)于能量分辨率的小結(jié)：(2)能量分辨率的公式是譜儀所達(dá)

7、到的分辨率的極限和理論值。并可檢驗(yàn)譜儀的性能。(3)能量分辨率的數(shù)值是對某一能量而言的，它與入射粒子能量的關(guān)系為2) 電離室的飽和特性曲線-脈沖幅度h與電離室工作電壓V0的關(guān)系影響因素：離子和電子的復(fù)合或擴(kuò)散效應(yīng)。飽和特性曲線形成的物理過程： 飽和區(qū)斜率的原因：隨工作電壓的升高而使靈敏體積增加及負(fù)離子的釋放。V0hV1飽和電壓3) 電離室的坪特性曲線 當(dāng)輸出脈沖幅度飽和后，計(jì)數(shù)率不再隨工作電壓而變化，稱坪特性曲線。在入射粒子束流不變的情況下：V0n甄別閾h1h2h3h1h2h3入射粒子是單能的V1-電離室的計(jì)數(shù)率與工作電壓的關(guān)系4) 探測效率定義：原因：A 帶電粒子可能只在靈敏體積內(nèi)損失一部分

8、能量；B 電離過程是漲落的。 這樣必將有一部分幅度低于甄別閾的信號(hào)脈沖未被記錄下來。粒子等中性粒子則取決于與介質(zhì)作用產(chǎn)生次級帶電粒子的相互作用截面，以及次級帶電粒子能否進(jìn)入靈敏體積。對帶電粒子5) 時(shí)間特性常用三種指標(biāo)A：分辨時(shí)間 能分辨開兩個(gè)相繼入射粒子間的最小時(shí)間間隔。 主要取決于輸出回路參數(shù)的選擇和放大器的時(shí)間常數(shù)的大小。B：時(shí)滯d 入射粒子的入射時(shí)刻與輸出脈沖產(chǎn)生的時(shí)間差。 C：時(shí)間分辨本領(lǐng)即由探測器輸出脈沖來確定入射粒子入射時(shí)刻的精度。 當(dāng)電離室的輸出信號(hào)是反映大量入射粒子的平均電離效應(yīng)時(shí)，稱作電流工作狀態(tài)或累計(jì)工作狀態(tài)。此時(shí)電離室稱作“累計(jì)電離室”或“電流電離室”。恒定狀態(tài)下，輸出

9、直流電流信號(hào)是：設(shè)入射粒子在電離室靈敏體積內(nèi)各處單位時(shí)間、單位體積內(nèi)恒定地產(chǎn)生 對離子對。則在靈敏體積內(nèi)單位時(shí)間的總離子對數(shù)為累計(jì)電離室電流電離室的應(yīng)用 累計(jì)電離室的應(yīng)用比脈沖電離室更為廣泛，特別是充入高壓工作氣體的累計(jì)電離室，靈敏度高、性能穩(wěn)定可靠、工作壽命長。 由于其具有十分良好的承受惡劣工作環(huán)境影響的能力，所以，在工業(yè)上可應(yīng)用于核輻射密度計(jì)、厚度計(jì)、料位計(jì)、水分計(jì)、核子秤等。 累計(jì)電離室還可應(yīng)用于劑量測量、反應(yīng)堆監(jiān)測等方面。正比計(jì)數(shù)器（Proportional Counters） 在正比計(jì)數(shù)器中，利用碰撞電離將入射粒子直接產(chǎn)生的電離效應(yīng)放大了，使得正比計(jì)數(shù)器的輸出信號(hào)幅度比脈沖電離室顯著

10、增大。 對直接電離效應(yīng)放大的倍數(shù)稱為“氣體放大倍數(shù)”，以A表示，在一定的工作條件下，A保持為常數(shù)。 正比計(jì)數(shù)器屬于非自持放電的氣體電離探測器。正比計(jì)數(shù)器的特點(diǎn)脈沖幅度大，比電離室大100-10000倍；靈敏度高，原則上只要有一對離子就可分辨，而電離室必須大于2000對左右；脈沖寬度窄，可用于快速計(jì)數(shù)；與G-M計(jì)數(shù)器相比壽命長；可用低水平測量；缺點(diǎn)是脈沖幅度隨電壓變化大，容易受外電磁場干擾。正比計(jì)數(shù)器：脈沖幅度正比于入射粒子能量。電場強(qiáng)度：脈沖電壓：多絲正比計(jì)數(shù)器：具有很高的空間分辨和時(shí)間分辨本領(lǐng)-U02rarcR G-M計(jì)數(shù)管是由蓋革(Geiger)和彌勒(Mueller)發(fā)明的一種利用自持放

11、電的氣體電離探測器。G-M計(jì)數(shù)管G-M管的特點(diǎn)是：制造簡單、價(jià)格便宜、使用方便。靈敏度高、輸出電荷量大。G-M管的缺點(diǎn)是：死時(shí)間長，僅能用于計(jì)數(shù)。G-M計(jì)數(shù)管：記錄粒子個(gè)數(shù)工作區(qū)域輸出信號(hào)用途電離室飽和區(qū)計(jì)數(shù)及測量入射粒子能量正比計(jì)數(shù)器正比區(qū)計(jì)數(shù)及測量入射粒子能量G-M計(jì)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(jì)數(shù)工作原理閃爍探測器閃爍探測器是利用輻射在某些物質(zhì)中產(chǎn)生的閃光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

12、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) 電子運(yùn)動(dòng)并倍增，并在陽極輸出回路輸出信號(hào)。閃爍探測器可用來測量入射粒子的能量。 光電倍增管1、閃爍體的分類1) 無機(jī)閃爍體：玻璃體純晶體無機(jī)晶體(摻雜)(鋰玻璃)2) 有機(jī)閃爍體：有機(jī)晶體蒽晶體等；有機(jī)液體閃爍體及塑料閃爍體.3) 氣體閃爍體：Ar、Xe等。2、閃爍體的發(fā)光機(jī)制1) 無機(jī)閃爍體的發(fā)光機(jī)制重點(diǎn)分析摻雜的無機(jī)晶體，以NaI(Tl)，CsI(Tl),CsI(Na)屬于離子晶體等為最典型，又稱鹵素堿金屬晶體。 禁帶導(dǎo)帶價(jià)帶激帶晶體的發(fā)光機(jī)制取決于整個(gè)晶體的電子能態(tài)。晶體中電子的能

13、態(tài)不再用原子能級表示，而用“能帶”來描述。 激活劑導(dǎo)帶上的自由電子和價(jià)帶空穴可以復(fù)合成激子，相反，激子也可以受熱運(yùn)動(dòng)而變成自由電子空穴對。 對于離子晶體，輻射射入閃爍體使晶體原子電離和激發(fā)。結(jié)果使得價(jià)帶中的一些電子由原來位置躍遷過禁帶而進(jìn)入導(dǎo)帶，成為自由電子，同時(shí)在價(jià)帶中形成空穴。（電離）電子也可能躍遷到較低的激帶，這時(shí)產(chǎn)生的電子空穴對稱之為激子。激子只能在晶格中束縛在一起運(yùn)動(dòng)。（激發(fā)）B）由于離子晶體禁帶寬度大，退激發(fā)出的光子能量為紫外范圍，一般光電倍增管的光陰極不能響應(yīng)，這些發(fā)射的光子不能被有效利用。 退激過程將可能發(fā)出光子，也可能變成晶格振動(dòng)能而不發(fā)光。A）對純離子晶體，退激發(fā)出的光子容

14、易被晶體自吸收，傳輸?shù)骄w外的光子很少；出現(xiàn)的問題：選擇合適的雜質(zhì)，使它的激發(fā)能級比晶體的導(dǎo)帶、激帶低，而基態(tài)比價(jià)態(tài)高。雜質(zhì)能級成為發(fā)光中心。解決辦法：在晶體中摻入少量雜質(zhì)。稱為“激活劑”的雜質(zhì)在晶格形成特殊的晶格點(diǎn)，并在禁帶中形成一些局部能級。由于雜質(zhì)的電離能小于典型晶格點(diǎn)的電離能，原子受激產(chǎn)生的電子、空穴將迅速遷移到雜質(zhì)能級的激發(fā)態(tài)和基態(tài)，即使雜質(zhì)原子處于激發(fā)狀態(tài)。激發(fā)態(tài)的雜質(zhì)原子有三種可能的退激方式： 電子從激發(fā)態(tài)立即跳回基態(tài)，發(fā)射出光子，發(fā)光的衰減時(shí)間通常在10-7s以內(nèi)，稱為“熒光”。熒光光子為可見光的范圍，且有效地克服了發(fā)光的自吸收，使晶體的發(fā)射光譜和吸收光譜有效的分離。 電子把激

15、發(fā)能轉(zhuǎn)換為晶格的振動(dòng)(熱運(yùn)動(dòng))而到達(dá)價(jià)帶，并不發(fā)射光子，這種過程稱為“淬滅過程”。2) 有機(jī)閃爍體的發(fā)光機(jī)制有機(jī)閃爍體的發(fā)射光譜和吸收光譜的峰值是分開的，所以，有機(jī)閃爍體對其所發(fā)射的熒光是透明的。但發(fā)射譜的短波部分與吸收譜的長波部分有重疊，為此在有的有機(jī)閃爍體中加入移波劑，以減少自吸收。 激發(fā)態(tài)是亞穩(wěn)態(tài)，電子可以在此狀態(tài)保持一段較長的時(shí)間，像掉入陷阱一樣。這些電子可以從晶格振動(dòng)中獲得能量，重新躍遷到導(dǎo)帶，然后再通過發(fā)射光子而退激，因而發(fā)光的衰減時(shí)間較長，稱之為“磷光”。3、閃爍體的物理特性1) 發(fā)射光譜特點(diǎn)：發(fā)射光譜為連續(xù)譜。各種閃爍體都存在一個(gè)最強(qiáng)波長；要注意發(fā)射光譜與光電倍增管光陰極的光譜

16、響應(yīng)是否匹配。以NaI(Tl)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：4、常用閃爍體發(fā)光效率高，Z,高，適宜于射線探測。易潮解，須仔細(xì)封裝。 不潮解，價(jià)貴。塑料閃爍體將 粉末加1%有機(jī)玻璃粉末溶于有機(jī)溶劑涂于有機(jī)玻璃板上，透明度差，薄層，測,粒子。溶劑(二甲苯)+發(fā)光物質(zhì)(PPO)+移波劑(POPOP)。放于玻璃或石英杯中。 有機(jī)液體閃爍體苯乙烯(單體)+ PP

17、O + POPOP，聚合成塑料。閃爍體：閃爍體的物理特性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(shí)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(shí)間。一般在開機(jī)后預(yù)熱半小時(shí)才開始正式工作。長期穩(wěn)定性：在工作達(dá)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(shí)與周圍的環(huán)境溫度有關(guān)。長期工作條件下，須采用“穩(wěn)峰”措施。3、PMT 使用中的幾個(gè)問題1) 光屏蔽，嚴(yán)禁加高壓時(shí)曝光。2) 高壓極性：正高壓和負(fù)高壓供電方式。正高壓供電方式，缺點(diǎn)是脈沖輸出要用耐高壓的電容耦合，耐高壓電容體積大，因而分布電容大。高壓紋波也容易進(jìn)入測量電路。負(fù)高壓供電方式，陽

18、極是地電位，耦合方式簡單，尤其在電流工作方式。但其陰極處于很高地負(fù)電位，需要注意陰極對處于地電位的光屏蔽外殼之間的絕緣。光電倍增管的光譜響應(yīng) 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(hào)。 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)生每個(gè)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)體探測器的特點(diǎn)：(1) 能量分辨率最佳；(2) 射線探測效率較高，可與閃爍探測器

19、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； (一) 半導(dǎo)體作為探測介質(zhì)的物理性能平均電離能 （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。 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(shí)，產(chǎn)生的載流子數(shù)目N為：半導(dǎo)體探測器工作原理金硅面壘探測器高純鍺半導(dǎo)體探測器射線能譜的測定1. 單能能譜的分析1) 單晶譜儀常用NaI(Tl)，Cs(Tl)，Ge(Li)，HPGe等探測器 主過程：全能峰光電效應(yīng)所有的累計(jì)效應(yīng)；康普頓平臺(tái)、邊沿及

20、多次康普頓散射；單、雙逃逸峰。2) 單能射線的能譜 其他過程：和峰效應(yīng)；I(或Ge)逃逸峰；邊緣效應(yīng)(次電子能量未完全損失在靈敏體積內(nèi))。 屏蔽和結(jié)構(gòu)材料對譜的影響：散射及反散射峰；湮沒峰；特征X射線；軔致輻射。3) 能量特征峰 從單能射線能譜中可以看出，全能峰、單逃逸峰、雙逃逸峰的峰位所對應(yīng)的能量與射線的能量都有確定的對應(yīng)關(guān)系，稱為特征峰。即：全能峰單逃逸峰雙逃逸峰(1) 峰位和能量刻度峰位即特征峰的中心位置，代表射線的能量。能量刻度：選一組能量已知的射線標(biāo)準(zhǔn)源，用譜儀得到特征峰的峰位與射線能量的關(guān)系，稱為對該譜儀的能量刻度。(2) 峰寬與能量分辨率峰函數(shù)：用高斯函數(shù)表示。FWHM與的關(guān)系：

21、能量分辨率：(3) 源峰探測效率、峰面積、峰總比、峰康比源峰探測效率(又稱峰探測效率) sp峰面積或峰總比：峰康比：閃爍探測器半導(dǎo)體探測器探測效率一般以3英寸3英寸的NaI(Tl)晶體為100，用相對效率來表示。以85cm3的HPGe為例，探測效率為19。3) 峰康比P = 全能峰峰值/康普頓平臺(tái)的峰值與FWHM以及體積有關(guān)，可達(dá)6008004) 能量線性：非常好5) 時(shí)間特性：電流脈沖寬度可達(dá)10-910-8s.1) HPGe和Ge(Li)用于組成譜儀：鍺具有較高的密度和較高的原子序數(shù)(Z=32)探頭(晶體前置放大器低溫裝置)；應(yīng)用譜放大器(穩(wěn)定性，抗過載，極零調(diào)節(jié)，基線恢復(fù)等);譜儀的組成

22、：多道脈沖幅度分析器(一般大于4000道，現(xiàn)在一般都帶有數(shù)字穩(wěn)譜功能)；計(jì)算機(jī)(譜解析軟件及定量分析軟件)。譜儀的應(yīng)用：活化分析；X射線熒光分析；核物理研究等。徑跡探測器原子核乳膠Wilson云室氣泡室固體徑跡探測器中子探測器直接探測：核反應(yīng)轉(zhuǎn)換：微通道板輻射強(qiáng)度：單位時(shí)間在某一方向上通過的粒子數(shù)帶電粒子：電流單位通量：單位時(shí)間通過單位面積上的粒子數(shù)探測器的本征效率：核輻射量度能譜：絕對分辨率：半峰寬（FWHM)相對分辨率：輻射劑量：單位體積的物質(zhì)所接受的輻射能量劑量當(dāng)量：描述輻射所產(chǎn)生的實(shí)際效應(yīng) （1Sv=1J/kg, 1rem=0.01Sv)劑量率：物質(zhì)在單位時(shí)間內(nèi)吸收的劑量核輻射量度GBZ130-20