6核辐射探测器-(硕1)(张).

核辐射探测器上海交通大学张继革副研究员2015年10月8日2020/1/122/84核辐射探测器利用核辐射在气体、液体或固体中引起的电离效应、发光现象、物理或化学变化进行核辐射探测的元器件称为核辐射探测器核辐射进入探测器灵敏体积后与探测介质相互作用，探测器输出能够直接或间接的反映核辐射种类、强度、能量或核寿命等的信息常用的有三大类：气体探测器、半导体探测器和闪烁探测器这三类探测器都是把核辐射转变成为电信号，再由电信号处理设备进行分析和处理2020/1/123/84探测器的三个关键点如果按照技术指标和用途的差别来区分，三类探测器中每一类都有很多种。在此侧重讲述在学习这三类探测器时需要了解的三个方面：探测器把核辐射转变为电信号的物理过程探测器的输出回路及其与探测器输出电信号的关系探测器的主要技术指标及其用途2020/1/124/84核辐射转变为电信号的阶段•第一阶段：入射的粒子射入探测器的灵敏体积，通过与探测器物质的相互作用，转变或产生出带电粒子。•第二阶段：被电离或激发的原子，在探测器的外加电场中作定向移动，为探测器外部负载电路提供信号2020/1/125/84探测器种类气体探测器：•电离室：脉冲电离室、电流电离室、累计电离室；•正比计数器、G-M计数管；闪烁探测器：•NaI（Tl）(碘化钠（铊激活））单晶γ谱仪；BGO（锗酸铋）探测器半导体探测器：•金硅面垒半导体探测器、高纯锗（HPGe)探测器、锂漂移硅探测器；其它探测器：原子核乳胶、固体径迹探测器、气泡室、火花放电室、多丝正比室、切伦科夫计数器、热释光探测器2020/1/126/84气体探测器2020/1/127/84气体探测器气体探测器：一个内部充有特定气体、两电极间（高压极和收集极）加有电场的小室型探测器。气体探测器是最早使用的核辐射探测器，尽管其他探测器发展很快，但是它具有结构简单，使用方便等优点，至今仍被广泛使用。常用的气体探测器有电离室、正比计数管和盖革-米勒计数管（Geiger-Müller，简称G-M）2020/1/128/84工作概况气体探测器通常是由高压电极和收集电极组成，常见的是两个同轴的圆柱形电极，电极间充气体并外加一定的电压。辐射使电极间的气体电离，生成带电粒子。带电粒子在电场作用下向两极漂移。随着带电粒子到两极的距离发生变化，极板上的感生电荷数发生变化，回路中产生电流信号。2020/1/129/84气体原子的电离和激发带电粒子使气体原子电离而形成电子和正离子对的现象叫做气体的电离，电离出来的电子称为次级电子带电粒子直接产生的电离叫做原电离，次级电子产生的电离叫做次电离，原电离和次电离之和为总电离平均电离能W：带电粒子在气体中产生一电子离子对所需的平均能量，对不同的气体，W大约为30eV若入射粒子的能量为E0，当其能量全部损失在气体介质中时，产生的平均离子对数为WEN02020/1/1210/84激发和退激带电粒子使气体原子激发，在10-9s内退激，释放光子被激发原子的退激方式有：辐射光子---发射波长接近紫外光的光子，这些光子又可能在周围介质中打出光电子，或被某些气体分子吸收而使分子离解发射俄歇电子2020/1/1211/84电子与离子在气体中的运动无外加电场存在时，已产生的电子和正离子与气体分子一样，处于一种杂乱运动的状态，同时存在着扩散，最终与气体分子达到热平衡状态，已产生的离子对消失，不能形成电流。扩散：在气体中电离粒子的密度是不均匀的，原电离处密度大。由于其密度梯度而造成的离子、电子的定向运动叫扩散。电子的平均自由程和杂乱运动的平均速度都比离子的大，因此其扩散系数比离子的大，因而电子的扩散效应比离子的严重。2020/1/1212/84离子对的漂移PEU度甚至可增大一个量级。2020/1/1213/84离子对的漂移电子在气体中的飘逸速度2020/1/1214/84吸附效应分2020/1/1215/84复合效应复合有两个过程：电子与正离子，或负离子与正离子，相遇时可能复合成中性的原子或分子复合引起的离子对数目的损失率：为复合系数一旦形成了负离子，其运动速度远小于电子，正离子与负离子的复合系数要比正离子与电子的复合系数大得多复合的结果是把许多有用信号给复合掉，使有用的信号减少。因此，复合现象在探测器正常工作中应尽量避免nntntn2020/1/1216/84电荷转移效应正离子与中性的气体分子碰撞时，正离子与分子中的一个电子结合成中性分子，中性气体分子成为正离子电荷转移效应在混合气体中比较明显电荷转移效应可以减小离子的迁移率，降低离子的漂移速度复合效应、电子吸附效应、电荷转移效应等，都不利于电荷收集2020/1/1217/84离子对收集与外加电场的关系Ⅰ：复合区Ⅱ：饱和区（电离室工作区）Ⅲ：正比区（正比计数器工作区）Ⅳ：有限正比区Ⅴ：G-M工作区2020/1/1218/84外加电场与离子对收集的关系I区称为复合区，工作电压很低而存在电子-正离子的复合，随电压上升复合损失减少，电流趋于饱和。II区称为饱和区或电离室区。在这个区域内，生成的离子对电荷全部收集，输出信号的大小反映了入射离子损失在计数器灵敏体积内的能量。2020/1/1219/84外加电场与离子对收集的关系III区称为正比区，由于碰撞电离的发生而产生气体放大，离子对数将比原电离倍增10~104。气体放大系数随电压而增大，但对一定电压气体放大系数保持恒定，总电荷量仍正比于原电离电荷量。IV区：有限正比区。由于气体放大系数过大，空间电荷的影响越趋明显，气体放大系数与原电离有关，而且初始电离越大的入射离子影响越大，总离子对数不再与入射粒子能量成正比。这种状态作为过渡而无实用价值。2020/1/1220/84外加电场与离子对收集的关系V区称为盖革区，随电压升高形成自持放电，此时总电离电荷与原电离无关，几条曲线重合，这就是G-M管的工作区域。G-M管不能得到入射粒子的能量信息，另外死时间长，可达102μs，只能用于计数率不高的情况。寿命较短。当电压继续升高，进入连续放电并有光产生，利用这一现象又发展了火花室、自猝熄流光管（SQS）等探测器2020/1/1221/84对于气体探测器来说，从原理上讲可以改变外加电压的数值使其工作在不同区域，但实际上由于结构已定，它只能适合于工作在某个区域。用两只气体探测器来比较，尽管一只是工作于正比区的正比计数器，而另一只是工作于G-M区的G-M计数器，这并不能断定加到G-M计数器上的工作电压一定比另一个要高，这是因为两只气体探测器的结构不同2020/1/1222/84电离室(ionizationchamber)收集入射粒子在电离室中形成的全部离子对，外加电场使其既不产生复合也不发生气体放大记录单个入射粒子的电脉冲信号-脉冲电离室记录大量粒子在单位时间内的平均电离电流-电流电离室记录一定时间内大量入射粒子产生的总累积电荷量-累计电离室2020/1/1223/84电离室脉冲电离室•记录单个辐射粒子，主要用于测量重带电粒子的能量和强度；按输出回路的参量，脉冲电离室又可区分为离子脉冲电离室和电子脉冲电离室电流电离室、累计电离室•记录大量辐射粒子平均效应，主要用于测量X，γ，β和中子的强度或通量、剂量或剂量率。它是剂量监测和反应堆控制的主要传感元件。2020/1/1224/84电离室的基本结构不同类型的电离室在结构上基本相同典型结构有平板型和圆柱型，均包括高压极(K)：正高压或负高压；收集极(C)：与测量仪器相联的电极，处于与地接近的电位；保护极(G)：又称保护环，处于与收集极相同的电位；负载电阻(RL)：电流流过时形成电压信号。2020/1/1225/84平板型电离室高压极收集极保护极0VKCGLR负载电阻外壳灵敏体积绝缘子V(t)2020/1/1226/84圆柱型电离室CLRKG-V0V(t)2020/1/1227/84灵敏体积：由通过收集级边缘的电力线所包围的两电极间的区域保护环G的作用：使灵敏体积边缘处的电场保持均匀若无G，当高压很大时，会有电流通过绝缘子从负载电阻RL上通过，从而产生噪声，即绝缘子的漏电流外壳的作用：需要保证气体的成分和压力，所以一般电离室均需要一个密封外壳将电极系统包起来2020/1/1228/84电离室的大小和形状，室壁和电极的材料以及所充的气体成分、压强都要根据辐射的性质、实验的要求来确定。测量α粒子能量的电离室，须要足够大的容积和气压，以便使α粒子的径迹都落在灵敏区内。对γ射线强度作相对测量时，为了提高灵敏度，室壁材料宜用高原子序数的金属，其厚度略大于室壁中次级电子的射程。作绝对γ剂量测量时，须用与空气或生物组织等价的材料作电极和室壁2020/1/1229/84电离室的工作机制0100VCQQ0Vab0Q0Q2020/1/1230/840Vabe1q2q0012()()()()0qQQeqqx2020/1/1231/8412qqe1xqed2dxqed0Vab)(tie2q1q2020/1/1232/84第四步：当正电荷快到达极板的前一瞬间，-q1全部由a极板经外回路流到b极板，b极板上的感应电荷：当e+到达b极板，e+与b极板上的感应电荷中和。外回路电流结束，流过外回路的总电荷量为：12qqe1qq2020/1/1233/84引入负电荷2qq0Vab)(tie2q1q2020/1/1234/84同一点引入正负电荷当同时在同一位置引入一离子对，则在外回路流经的电流：i(t)=i+(t)+i–(t)流过外回路的总电荷量：△q++△q-=e0Vab)(tie2q1qe2q2020/1/1235/84只有当空间电荷在极板间移动时，在外回路才有电流流过，此时i(t)=i+(t)+i–(t)，正、负电荷的感应电流方向相同，在探测器内部从阳极流向阴极。电荷漂移过程结束，外回路感应电流消失。当负电荷被收集后，外回路中就只有正电荷的感应电流当+e、e电荷在同一位置产生时，它们在极板上的感应电荷量分别相同；+e、e电荷漂移结束，流过外回路的总电荷量为e；该电荷量与这一对电荷的产生位置无关。2020/1/1236/84当入射粒子在探测器灵敏体积内产生N个离子对，它们均在外加电场作用下漂移，这时，产生的总电流信号是：当N个离子对全部被收集时，流过外电路的总电荷量为11()()NNjjjjItititItItQNe2020/1/1237/84脉冲电离室脉冲电离用来记录单个入射核辐射粒子。工作原理是一个带电粒子进入脉冲电离室灵敏体积后，与气体原子或分子相互作用，使气体电离，产生的大量电子和正离子(称为离子对)在电场作用下向电离室两电极漂移，从而产生一个电流脉冲，在电离室的RC输出电路上产生一个电压脉冲测量单位时间进入电离室带电粒子数目和能量2020/1/1238/84脉冲电离室假设入射离子在灵敏体积中产生N个离子对，并忽略扩散和复合的影响，而且在信号结束前，探测器灵敏体积内不再有其它入射粒子产生电离电离室RC输出电路上产生的最大电压脉冲幅度为•N0为入射带电粒子在电离室灵敏体积内直接使气体电离产生的粒子对数；E为入射带电粒子在电离室内损失的能量；W为电离室内所充气体的平均电离能（产生一个离子对需要入射带电粒子损失的能量）0NeQEeVCCWC饱和2020/1/1239/84脉冲电离室的输出回路电离室结构和输出电路示意图iaiaRRRRR0110CCCCCCia等效电阻等效电容时间常数00CR2020/1/1240/84脉冲电离室的输出回路电离室结构和输出电路示意图离子脉冲电离室TCR00电子脉冲电离室TCRT00T-—全部电子的收集时间T+—全部离子的收集时间ms量级μs量级2020/1/1241/84脉冲电离室的输出回路离子脉冲电离室输出脉冲较宽（因为正离子漂移速度慢），一般在10-3s量级，这使得它不能用来探测强度很