6核輻射探測器 碩1 張 ppt課件

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