北航原子核物理課件

§3.2

核輻射探測器核輻射探測器：通過核輻射與物質(zhì)相互作用提供有關(guān)核輻射信息并對其進行分析處理的實驗儀器。由探測器本身和測量儀器設(shè)備組成不同類型探測器的主要特征是利用核輻射與物質(zhì)相互作用的不同過程電離型核輻射探測器：氣體電離室、正比計數(shù)器、蓋格-米勒技術(shù)管、半導體探測器、云室、火花室和徑跡探測器激發(fā)、分解型探測器：核輻射與物質(zhì)相互作用使阻止介質(zhì)的原子或分子激發(fā)、分離：如閃爍探測器、核乳膠等。按工作狀態(tài)可分為脈沖型和平均電流型：單個核輻射粒子與介質(zhì)的相互作用大量射線粒子與探測器相互作用的平均效果（核反應(yīng)堆、核電站）按功能分：計數(shù)器、能譜儀、位置靈敏探測器、時間探測器。在高能物理和中高能重離子核反應(yīng)實驗中，需要成百上千的探測器，在計算機統(tǒng)一操縱下協(xié)同工作構(gòu)成一個多探測器系統(tǒng)以盡可能完全地提供有關(guān)一個物理事件的各種測量。1、氣體探測器特點：探測器靈敏體積大小和形狀幾乎不受限制沒有核輻射損傷或極易恢復以及運行經(jīng)濟可靠等包括三類處于不同工作狀態(tài)的探測器：電離室正比室雪崩室工作原理中心絲為陽極充入工作氣體[如Ar（90%）和CH4(10%)]射線粒子進入靈敏體積，與工作氣體分子相互作用產(chǎn)生N對電子-離子對，在收集電場作用下，正離子和電子分別向內(nèi)壁和中心絲運動。I區(qū)：收集的離子對數(shù)目隨收集電壓而增加—未被完全收集II區(qū)（飽和區(qū)或電離室區(qū)）：收集電壓實現(xiàn)了對射線粒子在工作氣體中產(chǎn)生離子對的完全收集。

–5

MeV的能量損失，全部收集所產(chǎn)生的電離，其總電荷為–

當輸出電容，輸出電壓為305

·106Q

=·1.6

·10-19

C

=

2.67

·10-14

C-12C

=

20

·10

F2.67

·10-14DV

=V

=

1.33mV20

·10-12電離室對入射核輻射的時間響應(yīng)受到正離子和電子收集時間的限制，具有較慢的時間特性，一般在幾十微秒到幾百微秒之間。III區(qū)為正比區(qū)或限制正比區(qū)：收集的總電荷量不再等于射線粒子產(chǎn)生的電荷量，而由于氣體的放大過程，使收集的總電量變?yōu)镸Q，M稱為放大倍數(shù)。正比區(qū)：M只決定于工作電壓，收集的電量與射線粒子在靈敏體積內(nèi)產(chǎn)生的總離子對數(shù)目成正比限制正比區(qū)：嚴格的正比不再成立通常的正比室都工作在正比區(qū)，M

可達104優(yōu)點：大大增大了氣體探測器輸出信號的幅度—減小了噪聲，提高了信噪比，簡化了所需的測量設(shè)備工作氣體中電場強度增加，離子漂移速度可以提高，探測器的時間反應(yīng)改進，可達幾微秒缺點：氣體放大倍數(shù)對工作電壓十分靈敏，工作電壓微小變化會較大地影響探測器的輸出信號IV區(qū)（雪崩區(qū)）：蓋革-米勒計數(shù)管和雪崩室就工作在這個區(qū)域。收集的離子對數(shù)目與射線粒子在工作氣體中產(chǎn)生的離子對數(shù)目無關(guān)。只能用作計數(shù)輸出信號大、簡單經(jīng)濟快的時間相應(yīng)—提供時間信號和觸發(fā)信號（1）脈沖電離室（II區(qū)）脈沖型電離室用作研究電離輻射的單個粒子，電荷收集過程的細節(jié)具有重要意義如果只要得到電離輻射的粒子數(shù)目，只需脈沖幅度超過與之相連的放大器下閾，而脈沖寬度足夠窄以便區(qū)分隨后到來的下一個脈沖就可以了如果希望研究時間關(guān)系，則需知道電離輻射粒子達到電離室并產(chǎn)生脈沖的時間。如果進行能量測量，則需知道脈沖幅度和在其靈敏體積中電離數(shù)量的關(guān)系脈沖電離室在放大器輸入端產(chǎn)生脈沖形狀取決于原始電離離子對在收集電極上產(chǎn)生感應(yīng)電荷隨時間的變化討論平行板脈沖電離室的電壓脈沖形狀時刻在

??

處有N

對正負離子產(chǎn)生，正負離子分別向高壓電極（負高壓）和收集電極漂移時，時刻在收集電極上產(chǎn)生的感應(yīng)電荷為收集電極電壓變化為d

d+d

-

x d

-

x-

q(t)

=

Ne-x+

=

x0

+

w+tx-

=

x0

-

w-tNedd+-d

-

x d

-

xV

(t)

=-c

正負離子漂移速度決定脈沖上升快慢和寬度??????????，收集的是正負電荷離子脈沖電離室：所形成輸出脈沖優(yōu)點是脈沖高度正比于初始離子對數(shù)N，而與在室中原始離子產(chǎn)生地點無關(guān)缺點是正離子收集時間是幾毫秒，因而只適用于低計數(shù)率情形（小于100次/秒）電子脈沖電離室：使用幾乎不俘獲電子形成負離子的工作氣體，選擇電路于?

，典型值約為值遠小于?

,而稍大

nsV

(t)

=

Ne

(-x0

+

x0

-w-t

)

=

-

New-tc

d

dc輸出脈沖幅度與N

對離子對產(chǎn)生地點有關(guān)，不能作為輻射粒子損失能量的標度屏珊電離室結(jié)構(gòu)示意圖（2）正比室特點：在收集由電離輻射產(chǎn)生的原始電離過程中,存在氣體放大效應(yīng)。a:陽極絲半徑b:陰極絲內(nèi)半徑陰極：金屬管殼，或者玻璃管殼內(nèi)壁的金屬鍍層，其材料為高脫出功的金屬。陽極：直徑幾十微米的鎢絲。

V

r

ln(b

/

a)E(r)

=適合測量低電離輻射粒子的能量，并且可以忍受較高的計數(shù)率多絲正比室：好的時間特性（幾百皮秒）和空間分辨（毫米量級）2、閃爍探測器原理：核輻射與物質(zhì)相互作用會使阻止介質(zhì)原子被激發(fā)，當這些被激發(fā)原子退激回到激發(fā)態(tài)時會發(fā)射光脈沖即稱作閃爍。早在20世紀初，盧策福利用這個探測方法建立了原子的核式結(jié)構(gòu)模型現(xiàn)代：不僅能確定核輻射的存在及強弱，而且可以測定入射粒子的能量或能量分布甚至可以辨別其種類有效且最具廣泛適用性的探測器閃爍探測器工作過程閃爍體對核輻射的吸收及其組成原子的電離和激發(fā)在閃爍體中光脈沖的產(chǎn)生、即通過熒光過程將射線在閃爍體中的損失能量轉(zhuǎn)換成發(fā)射光子的能量閃爍光子盡可能有效地從閃爍體傳輸?shù)焦怆姳对龉艿墓怅帢O光子被光陰極吸收，通過光電效應(yīng)產(chǎn)生光電子光電倍增管對電子進行倍增后，在陽極上獲得電流或電壓脈沖對光電倍增管輸出信號進行處理分析最終獲得測量數(shù)據(jù)?設(shè)

??

代表在一次閃爍中光電倍增管光陰極發(fā)射，并被第一個倍增電極收集到的光電子數(shù)目，為光電倍增管的電子倍增系數(shù)。于是，光電倍增管輸出的總電荷量為Q

=

Menene

=

EFnCnpTp

Fp

Sm

fFe為入射核輻射粒子的能量??

為閃爍體吸收核輻射總能量的份額– ??????

為閃爍體的固有效率—代表在閃爍體中核輻射消耗能量被轉(zhuǎn)換成光能量的效率????

為閃爍體對本身所發(fā)閃爍光的透明系數(shù)????

代表????

=??

時能夠到達光電倍增管光陰極的光子份額????

代表光陰極在最靈敏波長的靈敏度，其數(shù)值表示在光陰極上單位電子伏特的光能釋放出光電子數(shù)目f

代表光陰極光譜靈敏度與閃爍體發(fā)射光譜分布的匹配程度– ????

代表光電倍增管第一倍增電極收集光電子的份額0npCnp

(l)dl￥C

=01npnp

mC

S￥C

(l)S(l)dlf

=??????

代表了在閃爍體中入射粒子能量轉(zhuǎn)換成光能的數(shù)量。??

??代表在全部光中有多大份額到達光電倍增管的光陰極。????

代表每單位光照射光陰極時，能夠被第一個倍增電極收集的光電子數(shù)目挑選閃爍探測器的各種部件及在組裝、調(diào)試過程中權(quán)衡各個因子使其乘積達到最大如需測量能量，還要保證總的輸出電量與核輻射在閃爍體中的能量損失成正比。（1）閃爍體無機閃爍體：包含重元素有機閃爍體：芳香族碳氫化合物需要的特性：能高效率地將核輻射能量轉(zhuǎn)換成熒光輻射能量對自己發(fā)射的熒光輻射是透明的熒光輻射的衰減時間短：有機ns量級；無機長10-100倍。閃爍體的發(fā)射光譜應(yīng)與可用的光電倍增管光陰極的響應(yīng)相匹配。典型閃爍體的發(fā)射光譜常見閃爍體的性能含有少量雜質(zhì)鉈的

NaI無機單晶是經(jīng)常采用的探測 射線的閃爍體。優(yōu)點：對

射線吸收效率高；發(fā)射光譜能與通常光電倍增管光陰極的光譜響應(yīng)特性相匹配；可制成大尺寸晶體和不同形狀；對自己發(fā)光有較好的透明性不足之處：發(fā)光衰減時間較長；容易潮解而性能變差探測快中子通常采用塑料閃爍體：優(yōu)點是有快的時間特性；容易制成不同的幾何形狀和體積；造價較低（2）光電倍增管電真空器件。功能是將光信號轉(zhuǎn)換為電信號并將其放大。都包含一個對光靈敏的光陰極，多個具有高的次級電子發(fā)射系數(shù)的倍增電極以及一個最后收集所有次級電子的陽極。主要性能指標：光電轉(zhuǎn)換特性、電子倍增特性、時間特性、噪聲和暗電流應(yīng)用舉例—NaI

單晶 譜儀3、半導體探測器基于核輻射在阻止介質(zhì)中產(chǎn)生的電離效應(yīng)無論是帶電粒子還是

射線，相對于氣體探測器和閃爍探測器，能量分辨率都能改善

1

至

2

個量級核輻射產(chǎn)生一對電子-空穴的平均能量損失為3~5個eV;氣體（30eV);閃爍體（接受一個光電子，平均損失300eV)好的輸出線性響應(yīng)、體積小、響應(yīng)快、使用方便靈活；外界電磁場對其工作影響不大缺點：靈敏體積?。?02

cm3)對核輻射造成的損傷靈敏The

ParticleDetectorBriefbookModern

Semiconductor

Detectors-

position

localization

accuracy

of

5 in

one

coordinate,-

two-track

separation

down

to

10

,-

geometrical

accuracy

in

the

region

o