清華大學(xué)輻射安全與防護(hù)培訓(xùn)輻射探測(cè)器

1、第五節(jié) 輻射探測(cè)及常用輻射探測(cè)器,對(duì)于輻射是不能感知的，因此人們必須借助于輻射探測(cè)器探測(cè)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(duì)輻射進(jìn)行測(cè)量。,輻射探測(cè)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(cè)的器件稱為輻射探測(cè)器。,為什么需要輻射探測(cè)器？,射線與物質(zhì)相互作用的分類,輻射探測(cè)的基本過程：,輻射粒子射入探測(cè)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(cè)器中沉積能量； 探測(cè)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)。 對(duì)非帶電粒子通過次級(jí)效應(yīng)產(chǎn)生次電子或重帶電粒子,實(shí)現(xiàn)能量的沉積。,常用的輻射探測(cè)器按探測(cè)介質(zhì)類型及作

2、用機(jī)制主要分為：,氣體探測(cè)器； 閃爍探測(cè)器； 半導(dǎo)體探測(cè)器。,氣體探測(cè)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(hào)的探測(cè)器。由于產(chǎn)生信號(hào)的工作機(jī)制不同，氣體電離探測(cè)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(duì)。,一. 氣體探測(cè)器,各種氣體探測(cè)器,電離能W：帶電粒子在氣體中產(chǎn)生一電子離子對(duì)所需的平均能量。,對(duì)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(duì)數(shù)為：,離

3、子和電子在外加電場(chǎng)中的漂移,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，還有由于外加電場(chǎng)的作用沿電場(chǎng)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(cè)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(gè)密封外殼將電極系統(tǒng)包起來。,氣體探測(cè)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

4、輸入電容。,氣體電離探測(cè)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(cè)器的不同工作狀態(tài)。,隨著工作電壓的升高，在中央陽(yáng)極附近很小的區(qū)域內(nèi)，電場(chǎng)強(qiáng)度足夠強(qiáng)，以至電子在外電場(chǎng)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),二. 閃爍探測(cè)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(cè)電離輻射的探測(cè)器。,高壓,多道或單道,閃爍探測(cè)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(zhǎng)在可見

5、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(yáng)極輸出回路輸出信號(hào)。,閃爍探測(cè)器可用來測(cè)量入射粒子的能量。,(一). 閃爍體,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(zhǎng)；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。,以NaI(Tl)為例：,2) 發(fā)光效率與光能產(chǎn)額,指閃爍體將所吸

6、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(duì)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：,3) 發(fā)光衰減時(shí)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(duì)于大多數(shù)無機(jī)晶體，t時(shí)刻單位時(shí)間發(fā)射光子數(shù)：,為發(fā)光衰減時(shí)間，即發(fā)光強(qiáng)度降為1/e所需時(shí)間。,（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,入射光,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)

7、根據(jù)電子倍增系統(tǒng),具有較快的響應(yīng)時(shí)間，用于時(shí)間測(cè)量或需要響應(yīng)時(shí)間快的場(chǎng)合。,電子倍增系數(shù)較大，多用于能譜測(cè)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),2. PMT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(zhǎng)的函數(shù)，稱作“光譜響應(yīng)”。,PMT增益,打拿極間電子傳輸效率,陽(yáng)極靈敏度,陽(yáng)極電流,2) 光照靈敏度,陰極靈敏度,(1)光陰極的熱電子發(fā)射。,3) PMT 暗電流與噪聲,當(dāng)工作狀態(tài)下的光電倍增管完全與光輻射隔絕時(shí)，其陽(yáng)極仍能輸出電流(暗電流)及脈沖信號(hào)(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

8、漏電,成因：,4) PMT 的時(shí)間特性,飛行時(shí)間(渡越時(shí)間),一個(gè)光電子從光陰極到達(dá)陽(yáng)極的平均時(shí)間。,渡越時(shí)間離散,到達(dá)陽(yáng)極的每個(gè)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(shí)間的漲落，是決定閃爍計(jì)數(shù)器分辨時(shí)間的限制因素。,：te的分布函數(shù)的半寬度,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(yáng)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(zhǎng)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(zhǎng)期工作條件下，須采用“穩(wěn)峰”措施。,（三）閃爍探測(cè)器的應(yīng)用

9、主要用于構(gòu)成 譜儀,半導(dǎo)體探測(cè)器的基本原理是帶電粒子在半導(dǎo)體探測(cè)器的靈敏體積內(nèi)產(chǎn)生電子空穴對(duì)，電子空穴對(duì)在外電場(chǎng)的作用下漂移而輸出信號(hào)。,我們把氣體探測(cè)器中的電子離子對(duì)、閃爍探測(cè)器中被 PMT第一打拿極收集的電子 及半導(dǎo)體探測(cè)器中的電子空穴對(duì)統(tǒng)稱為探測(cè)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(cè)器)，300eV(閃爍探測(cè)器)和3eV(半導(dǎo)體探測(cè)器)。,三. 半導(dǎo)體探測(cè)器,半導(dǎo)體探測(cè)器的特點(diǎn)：,(1) 能量分辨率最佳；,(2) 射線探測(cè)效率較高，可與閃爍探測(cè)器相比。,常用半導(dǎo)體探測(cè)器有：,(1) P-N結(jié)型半導(dǎo)體探測(cè)器；,(2) 鋰漂移型半導(dǎo)體探測(cè)器；,(3) 高純鍺半導(dǎo)

10、體探測(cè)器；,(一) 半導(dǎo)體作為探測(cè)介質(zhì)的物理性能,1.平均電離能 （w）,入射粒子在半導(dǎo)體介質(zhì)中平均產(chǎn)生一對(duì)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：,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(cè)器不同，不存在電子型或空穴型半導(dǎo)體探測(cè)器。,對(duì)N型半導(dǎo)體，電子的漂移速度為,對(duì)P型半導(dǎo)體，空穴的漂移速度為,電場(chǎng)較高時(shí)，漂移速度隨電場(chǎng)的增加較慢，最后達(dá)到載流子的飽和速度107cm/s。,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(duì)硅來說摻雜對(duì)電阻率的影響比鍺顯

11、著得多。當(dāng)半導(dǎo)體材料被冷卻到液氮溫度時(shí)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(yùn)動(dòng)的時(shí)間。只有當(dāng)漂移長(zhǎng)度 大于靈敏體積的長(zhǎng)度才能保證載流子的有效收集。對(duì)高純度的Si和Ge 10-3s，決定了Si和Ge為最實(shí)用的半導(dǎo)體材料。,高的電阻率和長(zhǎng)的載流子壽命是組成半導(dǎo)體探測(cè)器的關(guān)鍵。,(二) P-N結(jié)半導(dǎo)體探測(cè)器,1、P-N結(jié)半導(dǎo)體探測(cè)器的工作原理,P-N結(jié)區(qū)(勢(shì)壘區(qū))的形成：,多數(shù)載流子擴(kuò)散，空間電荷形成內(nèi)電場(chǎng)并形成結(jié)區(qū)。結(jié)區(qū)內(nèi)存在著勢(shì)壘，結(jié)區(qū)又稱為勢(shì)壘區(qū)。勢(shì)壘區(qū)內(nèi)為耗盡層，無載流子存在，實(shí)現(xiàn)高電阻率，達(dá) ，遠(yuǎn)高于本征電阻率。,2、P-N結(jié)半導(dǎo)體探測(cè)器的類型,1) 擴(kuò)散結(jié)(D

12、iffused Junction)型探測(cè)器,采用擴(kuò)散工藝高溫?cái)U(kuò)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(shí)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(cè)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(jiǎn)單、價(jià)廉。,3.應(yīng)用,重帶電粒子能譜測(cè)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?yàn)殡s質(zhì)濃度極低，相應(yīng)的電阻率很高?？臻g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(cè)器,1) P區(qū)存在空間電荷，HPGe半導(dǎo)體探測(cè)器是PN結(jié)型探測(cè)器。,2) P區(qū)為非均勻電場(chǎng)。,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(cè)器可在常溫下保存，低溫下工作。,2.高純鍺半導(dǎo)體探測(cè)器特點(diǎn),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(tái)；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。,HP