第三章---核辐射探测器简介

第三章核辐射探测器简介第一节引言•射线探测器：分为气体探测器和固体探测器，固体探测器中又分为闪烁探测器和半导体探测器。•常用的气体探测器：电离室、正比计数器和G－M计数管等。均以气体为探测介质，利用了射线在气体中的电离现象。•入射的带电粒子通过气体时，与气体分子发生非弹性碰撞而逐渐损失其能量，最后被阻止下来。碰撞使气体分子电离或激发，并在入射粒子通过的径迹上生成大量的离子对（电子正离子对）。•基本术语：电离：入射的带电粒子与气体分子发生碰撞，气体分子获得的能量大于核外电子的结合能时，这些轨道电子会脱离原子核的束缚而成为自由电子。这个过程叫气体分子的电离。发射出的自由电子和失去壳层电子的气体分子—正离子称之为该过程的产物—离子对。第三章核辐射探测器简介•激发：碰撞后，如果气体分子所获得的能量还比较小，不足以引起壳层电子的电离时，壳层电子就只能从能量较低的能级跃迁到能量较高的能级，这个过程称之为激发。•初电离:由入射的带电粒子直接与气体分子发生碰撞而引起的电离叫初电离。由初电离产生的出射电子叫电子。•次电离：由初电离产生的高速电子与气体分子继续发生碰撞产生新的电离。这种电离过程叫做次电离。•总电离：由初电离和次电离产生的离子对的总和叫总电离。•比电离：入射粒子在单位路程上所产生的离子对数目叫比电离。比电离又分为初比电离、次比电离和总比电离。第三章核辐射探测器简介电离能：•入射的带电粒子在气体中产生一个离子对所需要消耗的平均能量叫电离能(W)。射线在气体中产生的离子对数目与它在气体中损失的能量成正比(N=E/W)。•对于不同能量的同一种粒子或不同种类的粒子在同一种气体中的电离，其电离能都很相近。在常用气体中，W30eV（电子伏）。•射线在气体当中的电离能差不多是其最低电离电位的两倍。因为很多能量要消耗在使气体分子的激发上，导致分子的热运动。•电离的分布服从泊松分布:•电离碰撞是随机的过程，即使入射粒子损失同样的能量，产生的总电离也仍然会有统计涨落。涨落的大小可用标准偏差来表示：F为法诺因子0.3F0.5。-NNePN=NgN!2σ=NgF第三章核辐射探测器简介离子对在空气中的运动：•在无外加电场的情况下，产生的正、负离子对除了与热运动的气体分子碰撞做杂乱的运动外，还可以发生由密度大的地方向密度小的地方扩散。•电子的扩散要比离子快很多。•电子和正离子碰撞或负离子和正离子碰撞，就会复合成中性原子或中性分子。电子和正离子的符合叫做电子复合，负离子和正离子的复合叫做离子复合。•通常离子的复合系数比电子的复合系数要大好几个数量级。•电子与中性气体分子碰撞时，有可能被气体分子捕获而形成负离子。•被俘获的几率P与气体的性质、电子的能量有关。•P10-4的气体称为负电性气体(O2、水蒸气和卤素气体)；惰性气体(H2、N2、CH4)等捕获电子流的几率很小，P10-4。•电子被负电性气体捕获的几率还与电子的能量有关。第三章核辐射探测器简介•如果在工作气体中含有负电性气体的杂质，电子被捕获形成负离子的机会将大大地增加，从而增加了复合损失。•需要时应将工作气体进行纯化。•减小负电性气体杂质影响的另一种方法是在单原子分子气体中添加少量的双原子分子或多原子分子气体，不但能使电子的漂移速度增加，还能使电子被捕获的几率减小。•在有外加电场的情况下，自由电子和离子在外加电场的作用下，要做定向运动—漂移。•离子的漂移：漂移速度与外加电场的强度成正比，而与气体的压力成反比•离子迁移率的大小与气体的性质有关•在标准大气压下，对一般的气体、离子迁移率的数量级为1cm/S.V。•在气体探测器的条件下，离子的漂移速度一般为103cm/s，比离子杂乱运动的速度小很多。±EW=μP第三章核辐射探测器简介电子的漂移：•电子的漂移与离子漂移不同。•电子的漂移速度与约化场强不成正比关系。•和离子相比，电子的质量约小103倍，电子的平均自由程比离子的平均自由程大数倍。在平均自由程内，电子获得较大的动能，有更大的漂移速度。•电子的漂移对气体的成份非常灵敏，如果在单原子分子气体(Ar、Xe、Kr等)中加入少量的多原子分子气体(CO2、CH4等)，电子的漂移速度可提高一个数量级。电子和离子在电极上的收集：•气体探测器从本质上讲，就是一个离子收集器，收集器通常由高压电极和收集电极组成。电极间充有气体，两个电极上加有一定的电压。•放射源的辐射使电极之间的气体电离，产生正负离子对，在外加电场的作用下，电子和正离子分别向正极和负极漂移，最后收集到电极上。•气体电离生成离子对后，由于静电感应，在两个电极上会有感应电荷生成，•生成的感应电荷随着离子对的漂移而变化，在输出电路中形成电离电流。第三章核辐射探测器简介•电流的强度将取决于被电极收集的离子对数目。•这种电讯号经过电子学仪器的成形放大，最后被分析、记录。•随着加在两个电极上工作电压的变化，在输出回路中形成的电离电流的强度也不同。这种电流随电压变化的关系曲线叫伏—安特性曲线。1).第I区称为复合区：当电压为0时，输出电流I也为0。这是由于电子－正离子的复合造成的。随着电压的增加，电子和离子漂移的速度增大，使得它们复合的几率减小，电流随电压的增大而增加2).第II区叫饱和区，是电离室工作的区域。继续增大电压，复合逐渐消失，离子对被完全收集，电流达到饱和。第三章核辐射探测器简介•3).第III区叫正比区。电压继续升高，这时的电场强度足以使被加速的电子进一步引起电离，使离子对数目倍增至原电离的104倍，产生气体放大。离子对数目的倍增系数叫做气体放大系数，随电压的增高而增大。电压恒定时，气体放大系数也恒定。在这个区域，电离电流正比于原电离的电荷数，即正比于射线在探测器中所消耗的能量。•4).第IV区叫有限正比区。当电压继续增加，这时由于气体放大系数过大，空间离子对密集，电荷密度很大，抵消了部分电场强度，使气体放大系数相对的减小。这种现象称为空间电荷效应。显然，原电离越大，这种影响也越大。在一定的工作电压下，气体放大系数不再是恒定的，破坏了正比关系。•5).第V区叫G－M区。气体倍增更剧烈，电流猛增。电离电流不再与原电离有关，原电离只起“触发”作用，形成自激放电。这时，必须有猝灭功能，才能作为探测器使用。利用上述气体电离的伏－安特性曲线的不同区域，可以制成三种不同的辐射探测器：工作在饱和区的叫电离室，工作在正比区的叫正比计数器，工作在G－M区的叫盖革计数器。第三章核辐射探测器简介第二节电离室•电离室是一种工作在伏—安特性曲线饱和区的气体探测器。•电离室有两种类型：脉冲电离室－记录单个辐射粒子；电流电离室－记录大量辐射粒子平均效应及累计电离室－记录大量辐射粒子累计效应的。•脉冲电离室主要用于测量重带电粒子的能量和强度；电流电离室和累计电离室主要用于测量x、射线及粒子的强度或中子的通量。•电离室像是一个充气电容器。主要由电极，工作气体和绝缘体三部分组成。电极：收集电极通过一个负载电阻接地，负载电阻上输出的信号与测量仪表相连接。高压电极上通常加有数百伏至数千伏的工作电压，与收集电极之间形成一个电场。第三章核辐射探测器简介在高压电极和收集电极之间通常还有一个保护环，其电位与收集电极的电位相同。它的作用有两点：•1).使收集极边缘的电场不发生畸变，保持均匀；•2).使从高压电极到地的漏电流不会通过收集极。栅网电极是加在栅网电离室中高压电极和收集电极之间的一种金属网电极，它的电位介于高压电极和收集电极之间，其主要作用是产生静电屏蔽，使电子形成的输出脉冲幅度与产生原电离的地点无关。电极之间用绝缘体隔开；电极之间充有工作气体。电极形状、结构以及所充的工作气体要根据待测射线的类型、射线的能量以及要测量的物理量而定。当射线入射到电离室中使气体电离时，产生电子—正离子形成的离子对。在工作电压形成的电场作用下，电子和正离子分别向正、负电极漂移。第三章核辐射探测器简介•电子和正离子的漂移，使得收集电极上产生感应电荷。感应电荷随离子对的漂移而变化，在负载电阻上形成电压脉冲或电流脉冲。脉冲的形成始于离子对的生成，终于离子对的全部被收集。如果没有复合损失，在电离室的灵敏体积内生成的全部离子对都将被收集。•电离室工作在饱和区，无气体放大作用，输出的脉冲讯号比较小。需要用高灵敏仪表记录或使用放大器将输出脉冲放大后再分析。•电极之间用绝缘体分开，避免漏电流发生。由于电离室输出信号微弱，能否采用性能良好的绝缘体对电离室性能的影响很大。一般要求绝缘体的电阻要大于1014欧姆。使用较多的绝缘体是有机玻璃和聚四氟乙烯.•电离室的工作气体采用空气或惰性气体。像α电离室通常充有Ar，CH4气体或者Ar和CH4混合气体；电离室最好充以原子序数较高的Kr、Xe等气体，并且充气压要很高，达到十几个大气压。测中子的电离室，视中子能量的不同可以充有BF3、3He或H2等。第三章核辐射探测器简介•在电离室的灵敏体积内，入射的带电粒子使工作气体电离，产生大量的电子和正离子，在电场的作用下，以相反的方向朝两个电极漂移。•离子对在电场中运动，在两个电极上产生感应电荷。感应电荷随离子的漂移而发生变化。•高压电极上所加的电位保持恒定不变，但收集电极上感应的电荷将随离子对的漂移而变化。这种变化始于离子对的产生，终于离子对的全部被收集，经过的时间大约为10-3s，这个过程相应于一个粒子的电离，在收集电极上出现的一个短暂的电压或电流脉冲。•脉冲电压的变化取决于电子和离子的漂移速度。电子的漂移速度比离子大3个量级，决定了脉冲波形由快慢两个成分组成。•在tT-(电子收集时间)的时间内，脉冲的前沿主要是电子脉冲的贡献，它构成脉冲波形的快成份；在T-tT+(离子收集时间)的时间内，主要是离子脉冲的贡献，是脉冲波形的慢成份。第三章核辐射探测器简介•实际的电离室为非独立系统，要考虑负载电阻及输出回路的影响。•设R为输出回路等效电阻，C为输出回路的等效电容，RC叫做输出回路的时间常数。当RC很大于正离子在电离室中的收集时间时，收集电极上输出的脉冲波形有三个成份：首先以微秒级的时间迅速上升到电子脉冲的幅度，然后以毫秒量级的时间缓慢的上升，达到最大，再以RC时间常数指数衰减。电子脉冲电离室只测量与由电子漂移形成的电压脉冲，主要用于计数率较高的脉冲计数，要选择时间常数RC满足条件T－RCT＋。离子脉冲电离室测量正离子漂移形成的电压脉冲，主要用于低计数率条件下，带电粒子的能量测量和计数，要选择RCT＋。第三章核辐射探测器简介脉冲电离室的特性：•对用于带电粒子能量测量的离子脉冲电离室，例如栅网电离室，测量的是计数率随脉冲幅度的分布。经过能量刻度后，就变成了计数率随入射粒子能量分布的能谱。即使是单能量的α粒子，由于电离的统计涨落等原因，测量得到的能谱并非一条直线，而是有一个分布。我们通常把分布曲线的半宽度（即最大高度一半处的全宽度）叫做它的能量分辨率。能量分辨率反映了电离室对能量相近的两条α射线所产生的能谱谱线的分辨本领。谱线的半宽度窄，能量分辨率高，能量相近的两条谱线就可以分得很开。反之，能量分辨率差，对能量相近的两条谱线就不能分开。第三章核辐射探测器简介•233U、239Pu、241Am、244Cm的能谱图。•粒子的能量分别为：233U:4817.6(4824.7-84.4%)keV239Pu:5032.3(5155.5-73.2%)keV241Am:5480.4(5485.7-84.4%)keV244Cm:5795.0(5804.96-84.4%)keV。•能量分辨率随粒子能量的增大而线性的增加•工作在饱和区的电离电流随高压的增加仍有缓慢地增加，伏—安特性曲线上存在一定的斜率。通常用高压每增加100伏时，电离电流变化的百分数来表示。第三章核辐射探测器简介•为了尽量减小斜率，获得良好的饱和特性，还需要降低离子对复合几率。这就需要纯化工作气体，消除负电性气体的存在，或在单原子惰性气体中添加少量的多原子分子气体，以降低离子对复合的几率。•电离室的特性：电离室的灵敏度：以单位强度射线照射下输出电离