




版權(quán)說明:本文檔由用戶提供并上傳,收益歸屬內(nèi)容提供方,若內(nèi)容存在侵權(quán),請進行舉報或認(rèn)領(lǐng)
文檔簡介
1、核輻射探測器,上海交通大學(xué)張副研究員,2015年10月8日,利用核輻射在氣體、液體或固體中引起的電離效應(yīng)、發(fā)光現(xiàn)象、物理或化學(xué)變化的核輻射探測器,稱為核輻射探測器。在進入探測器的敏感體積后,核輻射與探測介質(zhì)相互作用。有三種類型的信息可以直接或間接反映探測器輸出的核輻射的類型、強度、能量或核壽命:氣體探測器、半導(dǎo)體探測器和閃爍探測器,它們都將核輻射轉(zhuǎn)換成電信號,然后由電信號處理設(shè)備進行分析和處理。如果根據(jù)技術(shù)指標(biāo)和用途的不同來區(qū)分探測器的三個關(guān)鍵點,那么三種類型的探測器就有很多種。本文重點闡述了學(xué)習(xí)這三類探測器時需要了解的三個方面:將核輻射轉(zhuǎn)化為電信號的物理過程,探測器輸出電路與探測器輸出電信號
2、之間的關(guān)系,探測器的主要技術(shù)指標(biāo)和用途,將核輻射轉(zhuǎn)化為電信號的階段,以及第一階段:將入射粒子注入探測器的敏感體積,通過與探測器物質(zhì)的相互作用轉(zhuǎn)化或產(chǎn)生帶電粒子。第二階段:電離或激發(fā)的原子在探測器施加的電場中定向運動,為探測器的外部負(fù)載電路、探測器類型和氣體探測器提供信號:電離室:脈沖電離室、電流電離室和累積電離室;比例計數(shù)器;閃爍探測器:NaI(Tl)(碘化鈉(鉈活化)單晶光譜儀;BGO(鍺酸鉍)探測器半導(dǎo)體探測器:金硅表面勢壘半導(dǎo)體探測器、高純鍺探測器、鋰漂移硅探測器;其他檢測器:核乳膠、固態(tài)徑跡檢測器、氣泡室、火花放電室、多絲正比室、Cherenkov計數(shù)器、熱釋光檢測器、氣體檢測器、氣體
3、檢測器:小室型檢測器,裝有特定氣體,在兩個電極(高壓電極和集電極)之間施加電場。氣體探測器是最早使用的核輻射探測器。雖然其他探測器發(fā)展迅速,但由于其結(jié)構(gòu)簡單、使用方便,仍被廣泛使用。常用的氣體檢測器包括電離室、比例計數(shù)器和蓋革-姆勒(簡稱G-M)。根據(jù)工作情況,氣體探測器通常由高壓電極和收集電極組成,通常使用兩個同軸的圓柱形電極,在電極之間充入氣體并施加一定的電壓。輻射使電極之間的氣體電離,產(chǎn)生帶電粒子。帶電粒子在電場的作用下向兩極漂移。隨著帶電粒子與電極之間距離的變化,極板上感應(yīng)電荷的數(shù)量也隨之變化,回路中產(chǎn)生電流信號。氣體原子的電離和激發(fā),帶電粒子電離氣體原子形成電子和正離子對的現(xiàn)象稱為氣
4、體電離,電離的電子稱為二次電子。帶電粒子直接產(chǎn)生的電離稱為一次電離,而二次電子產(chǎn)生的電離稱為二次電離。一次電離和二次電離之和是總電離平均電離能W:帶電粒子在氣體中產(chǎn)生電子離子對所需的平均能量。w大約是30eV。如果入射粒子的能量是E0,當(dāng)入射粒子的能量在氣體介質(zhì)中完全損失時,產(chǎn)生的離子的平均對數(shù)是激發(fā)和去激發(fā)。帶電粒子激發(fā)氣體原子,并在10-9秒內(nèi)使它們?nèi)ゼぐl(fā)。被激發(fā)的原子對釋放的光子去激發(fā)的方式如下:輻射光子-發(fā)射波長接近紫外光的光子,其可以在周圍介質(zhì)中發(fā)射光電子?;蛘弑灰恍怏w分子吸收,使分子離解并發(fā)射俄歇電子,電子和離子在氣體中移動。當(dāng)沒有外部電場時,產(chǎn)生的電子和正離子,就像氣體分子一樣
5、,處于混沌運動狀態(tài),同時存在擴散,最后它們與氣體分子達到熱平衡狀態(tài),產(chǎn)生的離子對消失電子的平均自由程和混沌運動的平均速度大于離子,因此它們的擴散系數(shù)大于離子,電子的擴散效應(yīng)比離子更嚴(yán)重。離子對的漂移甚至可以增加一個數(shù)量級。離子對漂移、電子在氣體中的流動速度、吸附效應(yīng)、分離和復(fù)合效應(yīng)以及復(fù)合有兩個過程:電子和正離子,或負(fù)離子和正離子,它們相遇時可能復(fù)合成中性原子或分子,導(dǎo)致離子對數(shù)的損失率:一旦復(fù)合系數(shù)形成負(fù)離子,其運動速度遠低于電子,正離子和負(fù)離子的復(fù)合系數(shù)遠大于正離子和電子的復(fù)合系數(shù)。重組的結(jié)果是,許多有用的信號被合成并減少。因此,在探測器的正常工作中應(yīng)盡可能避免復(fù)合現(xiàn)象。電荷轉(zhuǎn)移效應(yīng),當(dāng)正
6、離子與中性氣體分子碰撞時,正離子與分子中的一個電子結(jié)合形成中性分子,中性氣體分子變成正離子?;旌蠚怏w中的電荷轉(zhuǎn)移效應(yīng)明顯,可以降低離子的遷移率和離子的漂移速度。復(fù)合效應(yīng)、電子吸附效應(yīng)、電荷轉(zhuǎn)移效應(yīng)等。不利于收費。離子對收集與外加電場的關(guān)系是:復(fù)合面積:飽和面積(電離室工作面積):比例面積(比例計數(shù)器工作面積):有限比例面積:重力-重力工作面積。外加電場和離子對收集之間的關(guān)系稱為復(fù)合區(qū)。工作電壓非常低,并且存在電子正離子復(fù)合。隨著電壓的增加,復(fù)合損耗降低,電流趨于飽和。二區(qū)被稱為飽和區(qū)或電離室區(qū)。在這個區(qū)域,產(chǎn)生的離子收集所有的電荷,輸出信號反映了計數(shù)器敏感體積中入射離子損失的能量。所施加的電場
7、和離子對收集之間的關(guān)系,并且區(qū)域III被稱為比例區(qū)域。由于碰撞電離引起的氣體放大,與原始電離相比,離子對數(shù)將乘以10104。氣體放大系數(shù)隨電壓增加而增加,但在一定電壓下,氣體放大系數(shù)保持不變,總電荷仍與原始電離電荷成正比。第四區(qū):有限比例區(qū)。由于氣體放大因子太大,空間電荷的影響越來越明顯,而且氣體放大因子與初始電離有關(guān),初始電離越大,入射離子的影響越大,總離子對數(shù)不再與入射粒子的能量成正比。這種狀態(tài)作為過渡沒有實際價值。在外加電場和離子對收集之間的關(guān)系中,V區(qū)稱為蓋革區(qū),它隨著電壓的增加而形成自持放電。此時,總電離電荷與原始電離電荷無關(guān),幾條曲線重合,這就是G-M管的工作區(qū)域。G-M管不能獲得
8、入射粒子的能量信息,而且它的死區(qū)時間很長,只能在計數(shù)率低的情況下使用。壽命短。當(dāng)電壓繼續(xù)上升時,會發(fā)生連續(xù)放電并產(chǎn)生光。利用這一現(xiàn)象,探測器如火花室和自猝滅流光(SQS)開發(fā)。對于氣體探測器,原則上可以改變施加的電壓值,使它們在不同的區(qū)域工作,但實際上,由于結(jié)構(gòu)固定,它只能在某個區(qū)域工作。與兩個氣體檢測器相比,雖然一個是在比例區(qū)工作的比例計數(shù)器,另一個是在重力區(qū)工作的重力計數(shù)器,但不能斷定施加在重力計數(shù)器上的工作電壓一定比另一個高,因為兩個氣體檢測器結(jié)構(gòu)不同,電離室收集電離室中入射粒子形成的所有離子對。施加電場使其既不產(chǎn)生復(fù)合也不產(chǎn)生氣體放大。記錄單個入射粒子的電脈沖信號。脈沖電離室記錄每單位
9、時間內(nèi)大量粒子的平均電離電流。電流電離室記錄了一定時間內(nèi)大量入射粒子產(chǎn)生的總累積電荷。累積電離室、電離室和脈沖電離室的基本結(jié)構(gòu)。不同類型的電離室在結(jié)構(gòu)上基本相同。典型的結(jié)構(gòu)有平板型和圓柱型,兩者都包括高壓極(K):正高壓或負(fù)高壓;集電極(c):與測量儀器相連的電極處于接近地電位;保護電極(g):也稱為保護環(huán),與集電極電位相同;負(fù)載電阻:電流流動時會形成電壓信號。板電離室、高壓電極、集電極、保護電極、負(fù)載電阻、外殼、敏感體積、絕緣體、電壓(t)、當(dāng)高電壓非常高時,將有電流通過負(fù)載電阻R1穿過絕緣體,產(chǎn)生噪聲,即絕緣體的漏電流外殼的功能:必須保證氣體的成分和壓力,因此通常電離室需要一個密封的外殼來
10、包裹電極系統(tǒng)。電離室的尺寸和形狀、室壁和電極的材料以及帶電氣體的成分和壓力應(yīng)根據(jù)輻射特性和實驗要求來確定。測量粒子能量的電離室需要足夠大的體積和氣壓,以便粒子的軌跡落在敏感區(qū)域。為了提高靈敏度,壁材料應(yīng)該是具有高原子序數(shù)的金屬,并且其厚度略大于壁中二次電子的范圍。在絕對劑量測量中,應(yīng)使用相當(dāng)于空氣或生物組織的材料作為電極和室壁,以及電離室的工作機制。步驟4:-在正電荷到達極板之前,q1將通過外環(huán)從A極板流到B極板,當(dāng)E到達B極板時,B極板上的感應(yīng)電荷將被中和。當(dāng)外環(huán)電流結(jié)束時,流經(jīng)外環(huán)的總電荷為:引入負(fù)電荷,在同一點引入正負(fù)電荷,當(dāng)在同一時間同一位置引入離子對時,流經(jīng)外環(huán)的電流為:i(t)=i
11、 (t) i (t),流經(jīng)外環(huán)的總電荷為:q-q=e,只有當(dāng)空間電荷在極板之間移動時,電流才能流經(jīng)外環(huán)。當(dāng)電荷漂移過程結(jié)束時,外環(huán)中的感應(yīng)電流消失。當(dāng)負(fù)電荷被收集時,在外環(huán)中只有正電荷的感應(yīng)電流。當(dāng)E和E電荷在同一位置產(chǎn)生時,它們在極板上的感應(yīng)電荷分別是相同的;電荷漂移結(jié)束,流經(jīng)外環(huán)的總電荷為e;電荷量與這對電荷的產(chǎn)生位置無關(guān)。當(dāng)入射粒子在探測器的敏感體積中產(chǎn)生N個離子對,并且它們都在外加電場的作用下漂移時,產(chǎn)生的總電流信號是,當(dāng)所有的N個離子對被收集時,流過外部電路的總電荷是脈沖電離室,用于記錄單個入射核輻射粒子。其工作原理是帶電粒子進入脈沖電離室的敏感體積后,與氣體原子或分子相互作用使氣體
12、電離,產(chǎn)生的大量電子和正離子(稱為離子對)在電場的作用下向電離室的兩個電極漂移,從而產(chǎn)生電流脈沖,并在電離室的RC輸出電路上產(chǎn)生電壓脈沖,測量單位時間內(nèi)進入電離室的帶電粒子的數(shù)量和能量。假設(shè)入射離子在敏感體積中產(chǎn)生N個離子對,忽略擴散和復(fù)合的影響,并且在信號結(jié)束之前,在檢測器的敏感體積中沒有其他入射粒子產(chǎn)生電離。電離室的RC輸出電路上產(chǎn)生的最大電壓脈沖幅度為N0,N0是入射帶電粒子直接電離電離電離室敏感體積中的氣體所產(chǎn)生的粒子對數(shù)。e是電離室中入射帶電粒子損失的能量;w是指電離室中帶電氣體的平均電離能(離子產(chǎn)生時帶電粒子損失的能量),脈沖電離室輸出電路,電離室結(jié)構(gòu)和輸出電路示意圖,等效電阻,等
13、效電容,時間常數(shù),脈沖電離室輸出電路,電離室結(jié)構(gòu)和輸出電路示意圖,離子脈沖電離室,電子脈沖電離室,全電子收集時間,全離子收集時間, 離子脈沖電離室的輸出脈沖很寬(因為正離子漂移很慢),一般在10-3s的數(shù)量級,這樣就不可能探測到強強度的放射源。 電子脈沖電離室的脈沖寬度很小,約為10-6s,以滿足更強入射粒子流的測量。然而,對于平板電子脈沖電離室,輸出脈沖幅度不僅取決于產(chǎn)生的離子數(shù),還取決于需要采用特殊設(shè)計來解決的問題(圓柱形電子脈沖電離室和屏柵電離室),圓柱形電子脈沖電離室,電勢分布,電壓脈沖幅度,屏柵電離室,柵,入射帶電離子,-,柵對電子透明,輸出電壓脈沖幅度,測量脈沖電離室的輸出信號。脈
14、沖電離室輸出信號中包含的信息是帶電粒子的數(shù)量:帶電粒子的能量通過測量輸出脈沖的數(shù)量來測量;通過測量輸出電壓信號的幅度來確定帶電粒子之間的時間關(guān)系;脈沖電離室的性能、脈沖振幅譜和能量分辨率經(jīng)常被用來測量帶電粒子的能量。如果其所有能量都在敏感體積中損失,脈沖電離室輸出電壓脈沖的幅度反映了單個入射帶電粒子的能量,能量分辨率、多通道測量的脈沖幅度譜、能量分辨率、半高寬度和能量分辨率反映了光譜儀區(qū)分不同入射粒子能量的能力。E1、E2、E2、E1、E2、E1、E1、E2、E3、E1、E2、E3,電離室的飽和特性曲線,電離室的脈沖幅度H與工作電壓V0的關(guān)系影響因素:由于離子和電子的復(fù)合或擴散作用形成飽和特性
15、曲線的物理過程:飽和區(qū)斜率的原因:工作電壓的增加增加了敏感體積和負(fù)離子的釋放, 探測效率和電流電離通過測量電離室中每單位時間內(nèi)入射核輻射粒子產(chǎn)生的平均電離電流來探測核輻射。 如果單位時間內(nèi)入射粒子數(shù)為N,電離室中每個粒子的平均能量損失為E,則電流電離室輸出的平均電流為“飽和”。其意義在于電離室電極間施加的電場不足以引起氣體放大,但它可以將核輻射產(chǎn)生的所有電子和正離子收集在敏感體積內(nèi),達到最大電荷收集數(shù)N0。隨著外加電壓的增加,收集的電荷數(shù)不會增加。電流電離室的應(yīng)用,測量輻射(或X射線)照射量和測量吸收劑量吸收劑量定義為測量放射性氣體,正比計數(shù)器,正比計數(shù)器,正比區(qū),正比計數(shù)器,當(dāng)氣體探測器在正
16、比區(qū)工作時,在離子收集過程中會出現(xiàn)氣體放大現(xiàn)象,即加速的原始電離電子在電離碰撞中倍增形成電子雪崩。因此,在收集電極上感應(yīng)的脈沖幅度將是原始電離感應(yīng)的脈沖幅度的m倍,也就是說,在這種工作狀態(tài)下的氣體檢測器是一個比例計數(shù)器。正比計數(shù)管,1氣體放大機構(gòu),設(shè)圓柱形計數(shù)管的陽極半徑為a,電位為VC;陰極半徑為b,電勢為vk;當(dāng)施加工作電壓時,沿徑向位置R的電場強度為:強電場下的氣體放電、氣體中的雪崩電子電離碰撞過程、雪崩閾值電場:ET 106V/m氣體放大非自持放電:雪崩自始至終只發(fā)生一次;雪崩通過光子作用和二次電子發(fā)射繼續(xù)發(fā)展,這也被稱為自持放電。比例計數(shù)器,其中入射粒子直接產(chǎn)生的電離效應(yīng)被碰撞電離放大,使得比例計數(shù)器的輸出信號幅度明顯大于脈沖電離室的輸出信號幅度。直接電離效應(yīng)的放大稱為“氣體放大”,用m表示,在一定的工作條件下,m保持不變。比例計數(shù)器是一種具有非自持放電的氣體電離檢測器。其工作原理和結(jié)構(gòu)必須滿足碰撞電離的需要,但碰撞電離只能在強電場下實現(xiàn)。在大氣壓下,氣體中電子的自由程約為10-310-4厘米,氣體的電離勢為20eV。為了使電子在自由路
溫馨提示
- 1. 本站所有資源如無特殊說明,都需要本地電腦安裝OFFICE2007和PDF閱讀器。圖紙軟件為CAD,CAXA,PROE,UG,SolidWorks等.壓縮文件請下載最新的WinRAR軟件解壓。
- 2. 本站的文檔不包含任何第三方提供的附件圖紙等,如果需要附件,請聯(lián)系上傳者。文件的所有權(quán)益歸上傳用戶所有。
- 3. 本站RAR壓縮包中若帶圖紙,網(wǎng)頁內(nèi)容里面會有圖紙預(yù)覽,若沒有圖紙預(yù)覽就沒有圖紙。
- 4. 未經(jīng)權(quán)益所有人同意不得將文件中的內(nèi)容挪作商業(yè)或盈利用途。
- 5. 人人文庫網(wǎng)僅提供信息存儲空間,僅對用戶上傳內(nèi)容的表現(xiàn)方式做保護處理,對用戶上傳分享的文檔內(nèi)容本身不做任何修改或編輯,并不能對任何下載內(nèi)容負(fù)責(zé)。
- 6. 下載文件中如有侵權(quán)或不適當(dāng)內(nèi)容,請與我們聯(lián)系,我們立即糾正。
- 7. 本站不保證下載資源的準(zhǔn)確性、安全性和完整性, 同時也不承擔(dān)用戶因使用這些下載資源對自己和他人造成任何形式的傷害或損失。
最新文檔
- 2025至2030大理石行業(yè)市場深度調(diào)研及發(fā)展趨勢與投資報告
- 2025至2030船舶機電設(shè)備行業(yè)市場深度研究及發(fā)展前景投資可行性分析報告
- 攀枝花市市直機關(guān)遴選公務(wù)員考試真題2024
- 關(guān)鍵期中考試數(shù)學(xué)試卷
- 高二金牌考卷數(shù)學(xué)試卷
- 高考卷理科數(shù)學(xué)試卷
- 廣東高職期中考數(shù)學(xué)試卷
- 安全生產(chǎn)培訓(xùn)成本效益與企業(yè)管理水平關(guān)系研究考核試卷
- 光學(xué)計量在光學(xué)系統(tǒng)光束整形技術(shù)中的應(yīng)用探討考核試卷
- 醫(yī)療器械臨床數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析的交叉驗證技術(shù)考核試卷
- 抑郁病診斷證明書
- (約克)機組熱回收技術(shù)
- 《小學(xué)趣味語文》PPT課件(優(yōu)秀)
- 疫苗及其制備技術(shù)課件
- 世界衛(wèi)生組織-人瘤病毒疫苗:世衛(wèi)組織立場文件2022年5月(英譯中)
- (完整版)常見腫瘤AJCC分期手冊第八版(中文版)
- 《企業(yè)轉(zhuǎn)型升級研究》文獻綜述(3000字)
- 人教版PEP初中八年級下冊英語全冊課件
- 幼兒園大班數(shù)學(xué):《認(rèn)識單雙數(shù)》課件
- 日本文化介紹
- 藥廠MES系統(tǒng)解決方案
評論
0/150
提交評論