核辐射探测器(监测)描述

苏州大学放射医学与防护学院万骏2014年5月辐射探测器学习目标•了解探测器的输出回路与输出信号；•掌握探测器的工作机制；•掌握探测器的主要性能指标；•熟悉探测器的典型应用。对于辐射是不能感知的，因此人们必须借助于辐射探测器探测各种辐射，给出辐射的类型、强度(数量)、能量及时间等特性。即对辐射进行测量。辐射探测器的定义：利用辐射在气体、液体或固体中引起的电离、激发效应或其它物理、化学变化进行辐射探测的器件称为辐射探测器。为什么需要辐射探测器？探测器按探测介质类型及作用机制主要分为：气体探测器；闪烁探测器；半导体探测器；径迹探测器；中子探测器。辐射探测的基本过程：辐射粒子射入探测器的灵敏体积；入射粒子通过电离、激发等效应而在探测器中沉积能量；探测器通过各种机制将沉积能量转换成某种形式的输出信号。•气体探测器均以气体作为探测介质。•具有制备简单、性能可靠、成本低廉、使用方便等优点，有广泛的应用。•20世纪70年代以来，气体探测器有很大发展，在高能物理和重离子物理实验中获得新的应用，并广泛应用于核医学、生物学、天体物理、凝聚态物理和等离子体物理等领域。气体探测器•核辐射引起的气体电离•初级电离：入射粒子与气体分子或原子直接碰撞而导致的气体电离；•次级电离：直接电离所产生的电子或紫外光及X射线而导致的气体电离。•复合过程：正离子和电子或负离子复合成中性粒子的过程。•气体探测器的特点：探测器的灵敏体积大小和形状几乎不受限制；没有辐射损伤或极易恢复；经济可靠。各种气体探测器气体探测器由于产生信号的工作机制不同，气体电离探测器主要有电离室、正比计数器、G-M计数器等类型。它们均有各自的特点以及相应的适用领域。核辐射引起气体的电离：入射带电粒子通过气体介质时，使气体分子、原子电离和激发，并在通过的路径周围生成大量离子对。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离子和电子除了与作热运动的气体分子碰撞而杂乱运动和因空间分布不均匀造成的扩散运动外，还有由于外加电场的作用沿电场方向定向漂移。这种运动称为“漂移运动”，定向运动的速度为“漂移速度”。它是形成输出信号的基本过程。工作气体：气体探测器的工作介质为气体，工作气体充满电离室内部空间；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。工作气体有确定的组成，一般为氩气(Ar)加少量多原子分子气体CH4。气体压力：从0.1~10大气压。气体探测器的圆柱型电离室结构高压极负载电阻灵敏体积输出信号：,0CNeh入CCCC'10分别为极板电容、分布电容和放大器输入电容。气体电离探测器主要有电离室、正比计数器、G-M计数器等类型。当在两电极上所加电压不同时，就造成气体探测器的不同工作状态。随着工作电压的升高，在中央阳极附近很小的区域内，电场强度足够强，以至电子在外电场的加速作用下，能发生新的碰撞电离，我们称之为气体放大或雪崩过程。I:复合区II:饱和区III:正比区NNAIV:有限正比区NNV:G-M工作区VI:连续放电区1E2E3E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。电流电离室：记录大量粒子平均效应，主要用于测量X,g,b和中子的强度或通量，剂量或剂量率。0d++++++++--------阳极阴极-U0z脉冲电离室输出信号的测量脉冲电离室的输出信号所包含的信息：1）入射带电粒子的数量；2）入射带电粒子的能量；3）确定入射粒子间的时间关系。通过对输出脉冲数进行测量。通过对输出电压信号的幅度进行测量。通过对输出电压信号的时间进行测量。脉冲电离室的性能1)脉冲幅度谱与能量分辨率脉冲电离室常用来测量带电粒子的能量。对单能带电粒子，若其全部能量都损耗在灵敏体积内，则脉冲电离室输出电压脉冲的幅度反映了单个入射带电粒子能量的大小。能量分辨率：FWHMh半宽度多道测量的脉冲幅度谱：dndEEhdndhFWHMhdndhEEEEEEE能量分辨率反映了谱仪对不同入射粒子能量的分辨能力。(1)能量分辨率反映了谱仪对不同入射粒子能量的分辨能力。能量分辨率越小，则可区分更小的能量差别。这是谱仪的最主要的指标。关于能量分辨率的小结：(2)能量分辨率的公式是谱仪所达到的分辨率的极限和理论值。并可检验谱仪的性能。(3)能量分辨率的数值是对某一能量而言的，它与入射粒子能量的关系为01E2)电离室的饱和特性曲线----脉冲幅度h与电离室工作电压V0的关系影响因素：离子和电子的复合或扩散效应。饱和特性曲线形成的物理过程：饱和区斜率的原因：随工作电压的升高而使灵敏体积增加及负离子的释放。V0hV1饱和电压3)电离室的坪特性曲线当输出脉冲幅度饱和后，计数率不再随工作电压而变化，称坪特性曲线。在入射粒子束流不变的情况下：V0n甄别阈h1h2h3h1h2h3入射粒子是单能的V1----电离室的计数率与工作电压的关系4)探测效率粒子数射入电离室灵敏体积的记录下来的脉冲数定义：原因：A带电粒子可能只在灵敏体积内损失一部分能量；B电离过程是涨落的。这样必将有一部分幅度低于甄别阈的信号脉冲未被记录下来。100%γ粒子等中性粒子则取决于与介质作用产生次级带电粒子的相互作用截面，以及次级带电粒子能否进入灵敏体积。对带电粒子5)时间特性――常用三种指标A：分辨时间——能分辨开两个相继入射粒子间的最小时间间隔。主要取决于输出回路参数的选择和放大器的时间常数的大小。B：时滞d——入射粒子的入射时刻与输出脉冲产生的时间差。C：时间分辨本领——即由探测器输出脉冲来确定入射粒子入射时刻的精度。当电离室的输出信号是反映大量入射粒子的平均电离效应时，称作电流工作状态或累计工作状态。此时电离室称作“累计电离室”或“电流电离室”。恒定状态下，输出直流电流信号是：设入射粒子在电离室灵敏体积内各处单位时间、单位体积内恒定地产生对离子对。则在灵敏体积内单位时间的总离子对数为zyxn,,0dAzyxnA,,000,,AIenxyzdA累计电离室电流电离室的应用累计电离室的应用比脉冲电离室更为广泛，特别是充入高压工作气体的累计电离室，灵敏度高、性能稳定可靠、工作寿命长。由于其具有十分良好的承受恶劣工作环境影响的能力，所以，在工业上可应用于核辐射密度计、厚度计、料位计、水分计、核子秤等。累计电离室还可应用于剂量测量、反应堆监测等方面。正比计数器（ProportionalCounters）在正比计数器中，利用碰撞电离将入射粒子直接产生的电离效应放大了，使得正比计数器的输出信号幅度比脉冲电离室显著增大。对直接电离效应放大的倍数称为“气体放大倍数”，以A表示，在一定的工作条件下，A保持为常数。正比计数器属于非自持放电的气体电离探测器。正比计数器的特点•脉冲幅度大，比电离室大100-10000倍；•灵敏度高，原则上只要有一对离子就可分辨，而电离室必须大于2000对左右；•脉冲宽度窄，可用于快速计数；•与G-M计数器相比寿命长；•可用低水平测量；•缺点是脉冲幅度随电压变化大，容易受外电磁场干扰。•正比计数器：脉冲幅度正比于入射粒子能量。电场强度：脉冲电压：多丝正比计数器：具有很高的空间分辨和时间分辨本领acrrrUrln)(0CNeA/-U02rarcRG-M计数管是由盖革(Geiger)和弥勒(Mueller)发明的一种利用自持放电的气体电离探测器。G-M计数管G-M管的特点是：制造简单、价格便宜、使用方便。灵敏度高、输出电荷量大。G-M管的缺点是：死时间长，仅能用于计数。•G-M计数管：记录粒子个数工作区域输出信号用途电离室饱和区计数及测量入射粒子能量正比计数器正比区计数及测量入射粒子能量G-M计数管G-M工作区形成正离子鞘，与入射粒子能量无关。仅用作计数0CWEehACWEeh0工作原理•闪烁探测器闪烁探测器是利用辐射在某些物质中产生的闪光来探测电离辐射的探测器。闪烁体光电倍增管(打拿极)反射层管座分压器高压多道或单道光阴极阳极荧光光子光电子暗盒窗前置放大器闪烁探测器的工作过程：(1)辐射射入闪烁体使闪烁体原子电离或激发，受激原子退激而发出波长在可见光波段的荧光。(2)荧光光子被收集到光电倍增管(PMT)的光阴极，通过光电效应打出光电子。(3)电子运动并倍增，并在阳极输出回路输出信号。闪烁探测器可用来测量入射粒子的能量。•光电倍增管1、闪烁体的分类1)无机闪烁体：玻璃体纯晶体无机晶体(掺杂)AgZnSTlCsITlNaI,,CeSiOLiO222(锂玻璃)1234OGeBiBGO2)有机闪烁体：有机晶体——蒽晶体等；有机液体闪烁体及塑料闪烁体.3)气体闪烁体：Ar、Xe等。2、闪烁体的发光机制1)无机闪烁体的发光机制重点分析掺杂的无机晶体，以NaI(Tl)，CsI(Tl),CsI(Na)属于离子晶体等为最典型，又称卤素碱金属晶体。禁带导带价带激带晶体的发光机制取决于整个晶体的电子能态。晶体中电子的能态不再用原子能级表示，而用“能带”来描述。激活剂导带上的自由电子和价带空穴可以复合成激子，相反，激子也可以受热运动而变成自由电子－空穴对。对于离子晶体，辐射射入闪烁体使晶体原子电离和激发。结果使得价带中的一些电子由原来位置跃迁过禁带而进入导带，成为自由电子，同时在价带中形成空穴。（电离）电子也可能跃迁到较低的激带，这时产生的电子－空穴对称之为激子。激子只能在晶格中束缚在一起运动。（激发）B）由于离子晶体禁带宽度大，退激发出的光子能量为紫外范围，一般光电倍增管的光阴极不能响应，这些发射的光子不能被有效利用。退激过程将可能发出光子，也可能变成晶格振动能而不发光。A）对纯离子晶体，退激发出的光子容易被晶体自吸收，传输到晶体外的光子很少；出现的问题：选择合适的杂质，使它的激发能级比晶体的导带、激带低，而基态比价态高。杂质能级成为发光中心。解决办法：在晶体中掺入少量杂质。称为“激活剂”的杂质在晶格形成特殊的晶格点，并在禁带中形成一些局部能级。由于杂质的电离能小于典型晶格点的电离能，原子受激产生的电子、空穴将迅速迁移到杂质能级的激发态和基态，即使杂质原子处于激发状态。激发态的杂质原子有三种可能的退激方式：①电子从激发态立即跳回基态，发射出光子，发光的衰减时间通常在10-7s以内，称为“荧光”。荧光光子为可见光的范围，且有效地克服了发光的自吸收，使晶体的发射光谱和吸收光谱有效的分离。②电子把激发能转换为晶格的振动(热运动)而到达价带，并不发射光子，这种过程称为“淬灭过程”。2)有机闪烁体的发光机制有机闪烁体的发射光谱和吸收光谱的峰值是分开的，所以，有机闪烁体对其所发射的荧光是透明的。但发射谱的短波部分与吸收谱的长波部分有重叠，为此在有的有机闪烁体中加入移波剂，以减少自吸收。③激发态是亚稳态，电子可以在此状态保持一段较长的时间，像掉入陷阱一样。这些电子可以从晶格振动中获得能量，重新跃迁到导带，然后再通过发射光子而退激，因而发光的衰减时间较长，称之为“磷光”。3、闪烁体的物理特性1)发射光谱特点：发射光谱为连续谱。各种闪烁体都存在一个最强波长；要注意发射光谱与光电倍增管光阴极的光谱响应是否匹配。以NaI(Tl)为例：对β粒子；对α粒子%13npC%6.2npC2)发光效率与光能产额指闪烁体将所吸收的射线能量转化为光的比例。发光效率：%100EECphnpEph闪烁体发射光子的总能量；E入射粒子损耗在闪烁体中的能量。以NaI(Tl)为例对1MeV的β粒子，发射光子平均能量eVh3MeVeVYph光子数4103.4313.0光能产额：EnYphphnph为产生的闪烁光子总数。MeV光子数发光效率与光能产额的关系：vhCEvhEEnYnpphphph14、常用闪烁体发光效率高，Z,高，适宜于g射线探测。易潮解，须仔细封装。TlNaI