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第三章第三章 辐射探测器辐射探测器 辐射探测器辐射探测器是指在射是指在射线作用下能产生次级效应线作用下能产生次级效应的器件，而且这种次级效的器件，而且这种次级效应能被电子仪器所检测。应能被电子仪器所检测。 多数探测器是根据射线与物质相互作用使物质的原子多数探测器是根据射线与物质相互作用使物质的原子或分子电离或激发效应制成的，它可以把射线的辐射能量或分子电离或激发效应制成的，它可以把射线的辐射能量转变为电流、电压信号以供电子仪表记录和分析，或转变转变为电流、电压信号以供电子仪表记录和分析，或转变成辐射粒子的径迹以供分析。因此辐射探测器是一种能量成辐射粒子的径迹以供分析。因此辐射探测器是一种能量转换元件，是辐射测量装置的基础组成部分。转换元件，是辐射测量装置的基础组成部分。 图图3-1 气体电离探测器原理图气体电离探测器原理图 3.1.1 3.1.1 电场下的气体电离电场下的气体电离 电离所产生的电子和正离子在电场作用下的运动形式电离所产生的电子和正离子在电场作用下的运动形式是多样和复杂的，除了热运动外，还包括是多样和复杂的，除了热运动外，还包括扩散扩散、漂移漂移和和复复合合等。等。 电子和正离子从密度较大的电子和正离子从密度较大的空间向密度较小的空间运动的过空间向密度较小的空间运动的过程称为程称为扩散扩散。扩散能力与气体的。扩散能力与气体的性质、温度和压强等有关。对于性质、温度和压强等有关。对于不同气体，离子的扩散系数一般不同气体，离子的扩散系数一般在在200500 cm2s-1，而电子的，而电子的扩散系数比离子大得多。扩散系数比离子大得多。扩散过程将影响气体电离探测器电脉冲的时间特性扩散过程将影响气体电离探测器电脉冲的时间特性 在电场作用下，电子和正离子分别向正负电极作定向在电场作用下，电子和正离子分别向正负电极作定向运动的过程称为运动的过程称为漂移漂移。气体成分确定时，离子的漂移速度。气体成分确定时，离子的漂移速度与电场强度与电场强度E成正比，与气体压力成正比，与气体压力 P 成反比。成反比。电子的漂移电子的漂移速度不服从此规律，其值比离子大速度不服从此规律，其值比离子大1000倍，而且对气体倍，而且对气体的成分非常敏感。的成分非常敏感。电子和离子的漂移速度直接影响气体电电子和离子的漂移速度直接影响气体电离探测器输出脉冲的上升时间和宽度。离探测器输出脉冲的上升时间和宽度。 电子和正离子、或正离子和负离子在运动过程中发生电子和正离子、或正离子和负离子在运动过程中发生碰撞重新成为中性原子或分子的过程称为碰撞重新成为中性原子或分子的过程称为复合复合。单位时间。单位时间内，电子和正离子、或正离子和负离子复合成中性原子或内，电子和正离子、或正离子和负离子复合成中性原子或分子的数目叫做分子的数目叫做复合率复合率，其正比于电子和离子的密度，其，其正比于电子和离子的密度，其中的比例系数称为中的比例系数称为复合系数复合系数，与气体的性质、温度、压强，与气体的性质、温度、压强等有关。等有关。 复合率的大小直接影响复合率的大小直接影响气体电离探测器的工作电压气体电离探测器的工作电压和线性范围。和线性范围。由于气体在射线作用下存在复杂物理过程，所以，气体由于气体在射线作用下存在复杂物理过程，所以，气体电离探测器的工作电压和电离电流之间有着复杂的关系。电离探测器的工作电压和电离电流之间有着复杂的关系。 图图3-2 典型的气体电离探测器的伏安特性曲线典型的气体电离探测器的伏安特性曲线图图3-2 典型的气体电离探测器的伏安特性曲线典型的气体电离探测器的伏安特性曲线区（复合区）：区（复合区）：电离电流随工作电压的增加急剧上升，反映出电离电离电流随工作电压的增加急剧上升，反映出电离过程中，电离的复合损失随着电压升高急剧减小。过程中，电离的复合损失随着电压升高急剧减小。 图图3-2 典型的气体电离探测器的伏安特性曲线典型的气体电离探测器的伏安特性曲线区（饱和区）：区（饱和区）：电离电流已不随两极电压的升高而改变，电离电流电离电流已不随两极电压的升高而改变，电离电流趋向饱和，它反映正负离子和电子已被全部收集。趋向饱和，它反映正负离子和电子已被全部收集。图图3-2 典型的气体电离探测器典型的气体电离探测器的伏安特性曲线的伏安特性曲线区（正比区）：区（正比区）：随着电压的增随着电压的增加，初电离产生的电子在电场中加，初电离产生的电子在电场中得到能量后使气体进一步电离，得到能量后使气体进一步电离，电离电流随电压的增加而又增加，电离电流随电压的增加而又增加，离子对数目可增加到初电离离子离子对数目可增加到初电离离子对数的对数的 l0000倍，这时倍，这时工作气体本工作气体本身已具有放大作用身已具有放大作用。在这一工作。在这一工作区，区，电离电流不仅正比于工作电电离电流不仅正比于工作电压，而且正比于初电离的离子对压，而且正比于初电离的离子对数，亦即正比于射线在探测器中数，亦即正比于射线在探测器中消耗的能量。消耗的能量。图图3-2 典型的气体电离探测器典型的气体电离探测器的伏安特性曲线的伏安特性曲线区（有限正比区）：区（有限正比区）：由于电压由于电压过高，空间离子密度很大，在空过高，空间离子密度很大，在空间电荷效应的影响下，使气体放间电荷效应的影响下，使气体放大倍数不仅和工作电压有关，而大倍数不仅和工作电压有关，而且和初电离大小有关，初电离增且和初电离大小有关，初电离增大，气体放大倍数减小。不同能大，气体放大倍数减小。不同能量粒子产生的两条伏安特性曲线量粒子产生的两条伏安特性曲线1、2，在该区中随着工作电压，在该区中随着工作电压的增加，电离电流最后趋于相等。的增加，电离电流最后趋于相等。图图3-2 典型的气体电离探测器的伏安特性曲线典型的气体电离探测器的伏安特性曲线区（自激放电区或称盖革区）：区（自激放电区或称盖革区）：在这一工作区，气体放大倍数急剧在这一工作区，气体放大倍数急剧增大，形成自激放电。此时，不管初电离的大小和位置如何，电离电增大，形成自激放电。此时，不管初电离的大小和位置如何，电离电流的变化不大，工作于该区的探测器称盖革一缪勒计数器。流的变化不大，工作于该区的探测器称盖革一缪勒计数器。 电离室电离室特点特点 电离室是最早使用的气体电离探测器之一。由于它电离室是最早使用的气体电离探测器之一。由于它结构简单、牢靠，几何形状可做成各种各样，工作性能结构简单、牢靠，几何形状可做成各种各样，工作性能稳定，适合于测量各种射线，并能在较宽范围内测量照稳定，适合于测量各种射线，并能在较宽范围内测量照射量、射线强度等，因此电离室至今仍被广泛应用于射射量、射线强度等，因此电离室至今仍被广泛应用于射线测量中。线测量中。3.1.2 3.1.2 电离室电离室美国联合系统公司生产的美国联合系统公司生产的900型多型多功能数字核辐射仪功能数字核辐射仪 FHT192加压电离室加压电离室 电离室工作电离室工作原理原理 电离室相当于一个充气的密封电电离室相当于一个充气的密封电容器。容器。电离室原则上可以做成任意形电离室原则上可以做成任意形状的两个电极，中间充以空气或其他状的两个电极，中间充以空气或其他工作气体。当射线与工作气体作用时，工作气体。当射线与工作气体作用时，气体分子电离，产生电子和正离子。气体分子电离，产生电子和正离子。如果在电离室的两极上加上工作电压，如果在电离室的两极上加上工作电压，则电子和正离子便分别向正负电极做则电子和正离子便分别向正负电极做定向漂移。最终在电极上形成电荷积定向漂移。最终在电极上形成电荷积累，产生输出信号。累，产生输出信号。HPIC-300HPIC-300高压电离室高压电离室井型电离室井型电离室 电离室电离室结构结构（a）平行板电离室）平行板电离室 （b）圆桶形电离室）圆桶形电离室图图3-3 电离室结构原理图电离室结构原理图 电离室的分类及电离室的分类及用途用途 脉冲电离室：脉冲电离室：测量单个脉冲的电离室，适合于测量射测量单个脉冲的电离室，适合于测量射线强度。线强度。 电流电离室：电流电离室：测量入射粒子产生的测量入射粒子产生的饱和电离电流饱和电离电流的电的电离室，又称为离室，又称为累计电离室累计电离室。电流电离室具有测量范围宽、能。电流电离室具有测量范围宽、能量响应好和工作稳定可靠等优点，广泛应用于量响应好和工作稳定可靠等优点，广泛应用于X X射线和射线和射线射线的剂量测量。电流电离室也是测量放射性气体的重要探测器。的剂量测量。电流电离室也是测量放射性气体的重要探测器。电离室没有气体放大作用，其输出的电离电流很弱，因此要电离室没有气体放大作用，其输出的电离电流很弱，因此要特别考虑弱电流测量的要求。特别考虑弱电流测量的要求。 正比计数管工作正比计数管工作原理原理 如果在两个电极间施加的电如果在两个电极间施加的电压超过饱和电压时，由于电场强压超过饱和电压时，由于电场强度增加，造成由电离产生的电子度增加，造成由电离产生的电子有足够能量在气体中进一步产生有足够能量在气体中进一步产生次级电离，甚至次级电离的电子次级电离，甚至次级电离的电子还能够引起进一步的电离。这样还能够引起进一步的电离。这样由电极收集到的电荷将远大于初由电极收集到的电荷将远大于初电离数，而且与电极间的电压有电离数，而且与电极间的电压有关，这就是气体放大作用，也就关，这就是气体放大作用，也就是正比计数管的工作原理。是正比计数管的工作原理。 图图3-2 典型的气体电离探测器典型的气体电离探测器的伏安特性曲线的伏安特性曲线3.1.3 3.1.3 正比计数管正比计数管 正比计数管正比计数管结构结构 类似于电离室，正比计数管也是由阴极、阳极和工作气类似于电离室，正比计数管也是由阴极、阳极和工作气体等组成。体等组成。根据不同的用途，正比计数管的阴极一般制成圆根据不同的用途，正比计数管的阴极一般制成圆柱形或盒形，其中圆柱形又有管形、鼓形两种形式。柱形或盒形，其中圆柱形又有管形、鼓形两种形式。图图3-4 圆柱形正比计数管结构圆柱形正比计数管结构 依据射线入射位置（窗口）不同，圆柱形正比计数管还依据射线入射位置（窗口）不同，圆柱形正比计数管还可分为前开窗和侧开窗两种。可分为前开窗和侧开窗两种。图图3-5 正比计数管正比计数管（b） 侧开窗式侧开窗式（a） 前开窗式前开窗式 盒形正比计数管由两个对称的部分组合而成，主要用于盒形正比计数管由两个对称的部分组合而成，主要用于对射线进行对射线进行4几何测量。常见的盒形正比计数管有：圆柱形几何测量。常见的盒形正比计数管有：圆柱形4正比计数管、球形正比计数管、球形4正比计数管、方盒形正比计数管、方盒形4正比计数管。正比计数管。图图3-7 球形球形4正比计数管正比计数管图图3-6 圆柱形圆柱形4正比计数管（流气式）正比计数管（流气式） BFBF3 3正比计数管正比计数管MicroCont 表面污染测量仪表面污染测量仪（流气式氙探测器）（流气式氙探测器） 3 3HeHe正比计数管正比计数管 正比计数管正比计数管的电极的电极 正比计数管的阳极采用直径很小的钨丝或不锈钢丝。阳正比计数管的阳极采用直径很小的钨丝或不锈钢丝。阳极表面要镀金，以提高阳极导电性。阴极的直径相比阳极要极表面要镀金，以提高阳极导电性。阴极的直径相比阳极要大的多，之所以如此，一方面是测量样品的需要，另一方面大的多，之所以如此，一方面是测量样品的需要，另一方面是为了提高在阳极附近的电场强度，以便获得较大的电压脉是为了提高在阳极附近的电场强度，以便获得较大的电压脉冲输出。冲输出。 正比计数管正比计数管的工作气体的工作气体 工作气体的选择要满足三个要求：电离时不产生负离子、工作气体的选择要满足三个要求：电离时不产生负离子、没有长寿命的原子激发态、致使的工作电压不能太高。没有长寿命的原子激发态、致使的工作电压不能太高。 根据这些要求，根据这些要求，工作气体一般采用单原子的惰性气体工作气体一般采用单原子的惰性气体（Ar、He等）和多原子气体（等）和多原子气体（CH4等）组成的混合气体。等）组成的混合气体。 依据提供工作气体的方式，正比计数管又可分为依据提供工作气体的方式，正比计数管又可分为密封式密封式和和流气式流气式两种，前者使用方便，但寿命有限，后者操作不方两种，前者使用方便，但寿命有限，后者操作不方便，但寿命长。在进行核素活度的测量中，流气式的盒形正便，但寿命长。在进行核素活度的测量中，流气式的盒形正比计数管应用很广泛。比计数管应用很广泛。 正比计数管的正比计数管的特点特点 输出脉冲幅度与粒子所消耗的能量有正比关系，因此常输出脉冲幅度与粒子所消耗的能量有正比关系，因此常用来测量低能用来测量低能射线。射线。 分辨时间短，可以进行快计数，适合较高强度的测量。分辨时间短，可以进行快计数，适合较高强度的测量。 虽然输出脉冲幅度较大，但仍须放大后才能被记录或分虽然输出脉冲幅度较大，但仍须放大后才能被记录或分析，只是放大器的增益不像电离室那样高。析，只是放大器的增益不像电离室那样高。 由于气体放大倍数与外加电压、气体性质有关，因此正由于气体放大倍数与外加电压、气体性质有关，因此正比计数管不仅对高压电源稳定性的要求较高（比计数管不仅对高压电源稳定性的要求较高（1%），而且），而且对工作气体也有特殊要求。对工作气体也有特殊要求。 坪曲线：坪曲线：计数率与外加电压之间的工作特性曲线计数率与外加电压之间的工作特性曲线 图图3-8 3-8 正比计数管的坪曲线正比计数管的坪曲线 （Ra-D-E-FRa-D-E-F源）源） 3.1.4 3.1.4 多丝正比室多丝正比室核乳胶片上的粒子径迹核乳胶片上的粒子径迹气泡室中的粒子径迹气泡室中的粒子径迹流光室中的粒子径迹流光室中的粒子径迹云雾室中的粒子径迹云雾室中的粒子径迹 为了解决传统照相法面临的工为了解决传统照相法面临的工作量大、空间分辨率低等困难，法作量大、空间分辨率低等困难，法国物理学家夏帕克于国物理学家夏帕克于19681968年在火花年在火花室和正比计数器基础上成功研制出室和正比计数器基础上成功研制出一种用于探测高能粒子位置的具有一种用于探测高能粒子位置的具有多丝结构的气体探测器，称为多丝结构的气体探测器，称为多丝多丝正比室正比室。多丝正比室是目前高能物。多丝正比室是目前高能物理实验的主要探测器之一。因为这理实验的主要探测器之一。因为这一重大发现，夏帕克获得了一重大发现，夏帕克获得了19921992年年的诺贝尔物理学奖。的诺贝尔物理学奖。 图图3-9 3-9 夏帕克和他夏帕克和他的多丝正比室的多丝正比室图图3-10 3-10 多丝正比室的结构原理多丝正比室的结构原理 多丝正比室由大量平行细丝组成，细线的直径约为多丝正比室由大量平行细丝组成，细线的直径约为0.1 0.1 mmmm。所有这些细丝都处于两块相距几厘米的阴极平面之间。所有这些细丝都处于两块相距几厘米的阴极平面之间的一个平面内，相互间隔约为一到几毫米。的一个平面内，相互间隔约为一到几毫米。 CERNCERN（欧洲核子研究组织）于（欧洲核子研究组织）于19831983年发现中间玻色子年发现中间玻色子 多丝正比室的优点：多丝正比室的优点： 空间测量精度高；空间测量精度高； 探测效率高；探测效率高； 适用性好；适用性好； 可与计算机协同工作。可与计算机协同工作。 丁肇中于丁肇中于19741974年发现粲夸年发现粲夸克粒子克粒子 3.1.5 G-M3.1.5 G-M计数管计数管 在在区（自激放电区或区（自激放电区或称盖革区），称盖革区），气体放大倍数气体放大倍数急剧增大急剧增大，形成自激放电。，形成自激放电。此时，不管初电离的大小和此时，不管初电离的大小和位置如何，电离电流的大小位置如何，电离电流的大小变化很小，工作于该区的探变化很小，工作于该区的探测器称测器称G-M计数管。计数管。图图3-2 典型的气体电离探测器典型的气体电离探测器的伏安特性曲线的伏安特性曲线 GM计数管原理计数管原理 G GM M计数管特点计数管特点 G-MG-M计数管灵敏度高，输出脉冲幅度大，可以不经放计数管灵敏度高，输出脉冲幅度大，可以不经放大直接被记录，具有使用方便、制作容易、价格低廉的特大直接被记录，具有使用方便、制作容易、价格低廉的特点，因此广泛用于测量各种核辐射。点，因此广泛用于测量各种核辐射。 G-MG-M计数管对带电粒子的探测效率几乎达到计数管对带电粒子的探测效率几乎达到100100，但，但它对它对射线的探测效率较低，只有射线的探测效率较低，只有l l左右。此外，它的左右。此外，它的输出脉冲幅度在一定电压下对不同能量、不同种类射线都输出脉冲幅度在一定电压下对不同能量、不同种类射线都相同，因此不能直接用来鉴别射线种类和测量能量大小。相同，因此不能直接用来鉴别射线种类和测量能量大小。 GM计数管结构计数管结构 根据外观有钟罩形和圆柱根据外观有钟罩形和圆柱形两种。与正比计数管类似，形两种。与正比计数管类似，G-MG-M计数管也多采用圆筒状阴极，计数管也多采用圆筒状阴极，中央有一根细金属丝作为阳极，中央有一根细金属丝作为阳极，气体放大也局限在阳极附近很气体放大也局限在阳极附近很小区域内。由于它内部电场强小区域内。由于它内部电场强度比正比计数管的还要高，离度比正比计数管的还要高，离子倍增剧烈，气体放大倍数也子倍增剧烈，气体放大倍数也比正比计数管的更大。比正比计数管的更大。 图图3-11 G-M计数管结构示意图计数管结构示意图 根据根据G-MG-M管所充气体，管所充气体，计数管又可分为计数管又可分为有机管有机管和和卤卤素管素管。有机管所充气体主要。有机管所充气体主要成分是惰性气体，如氩，占成分是惰性气体，如氩，占9090，称为工作气体，除此，称为工作气体，除此尚充有尚充有1010有机猝灭气体，有机猝灭气体，常见的如酒精、石油醚等。常见的如酒精、石油醚等。卤素管工作气体也是惰性气卤素管工作气体也是惰性气体，如氖，微量的猝灭气体体，如氖，微量的猝灭气体为卤素气体，如溴、氯等。为卤素气体，如溴、氯等。各种形式的各种形式的G-M计数管计数管猝灭气体的作用猝灭气体的作用抑制二次放电抑制二次放电Ar原子射线原子射线ArAr正离子电子正离子电子ArAr正离子酒精分子正离子酒精分子ArAr原子酒精正离子光子原子酒精正离子光子酒精正离子阴极电子酒精正离子阴极电子激发态酒精分子激发态酒精分子激发态酒精分子解离激发态酒精分子解离吸收吸收 GM计数管性能计数管性能（1 1）工作电压）工作电压图图3-12 GM计数管坪特性曲线计数管坪特性曲线 确定确定G GM M计数管的工作电计数管的工作电压，必须依据计数管的坪特性压，必须依据计数管的坪特性曲线。曲线。 坪长越大、坪斜越小，则坪长越大、坪斜越小，则性能越好。性能越好。 G GM M计数管的工作电压计数管的工作电压通常选取在坪长的通常选取在坪长的1/31/31/21/2处。处。（2 2）分辨时间）分辨时间（3 3）计数寿命）计数寿命 GM计数管中每次放电都有一部分猝灭气体分子解离，计数管中每次放电都有一部分猝灭气体分子解离，因此工作一定时间后，由于管内猝灭气体含量减小会失去因此工作一定时间后，由于管内猝灭气体含量减小会失去猝灭能力，从而使计数管坪长缩短，坪斜增大。猝灭能力，从而使计数管坪长缩短，坪斜增大。 计数管在失去猝灭能力之前所能计数的次数称为计数管在失去猝灭能力之前所能计数的次数称为计数计数管的计数寿命管的计数寿命。 有机管计数寿命约为有机管计数寿命约为108，卤素管的计数寿命约为，卤素管的计数寿命约为109。可部分恢复可部分恢复不可恢复不可恢复 闪烁探测器闪烁探测器是利用某些荧是利用某些荧光物质在带电粒子作用下被激光物质在带电粒子作用下被激发或电离后能发射荧光（称为发或电离后能发射荧光（称为闪烁）的现象来测量射线粒子闪烁）的现象来测量射线粒子数目和能量的。这种荧光物质数目和能量的。这种荧光物质常称为常称为闪烁体闪烁体。闪烁探测器具闪烁探测器具有分辨时间短、有分辨时间短、射线的探测射线的探测效率高和能测量射线的能量效率高和能测量射线的能量等等优点，是目前应用最广的核辐优点，是目前应用最广的核辐射探测器。射探测器。图图3-13 FD-3013B伽玛辐射仪伽玛辐射仪 3.2.1 3.2.1 闪烁体闪烁体闪闪烁烁体体无机晶体闪烁体无机晶体闪烁体有机闪烁体有机闪烁体有机晶体闪烁体有机晶体闪烁体有机液体闪烁体有机液体闪烁体有机塑料闪烁体有机塑料闪烁体锗酸铋闪烁体锗酸铋闪烁体各种塑料和液体闪烁体各种塑料和液体闪烁体碘化钠闪烁体碘化钠闪烁体碘化铯闪烁体碘化铯闪烁体闪烁体的发光机制闪烁体的发光机制铊激活的碘化钠单晶闪烁体铊激活的碘化钠单晶闪烁体NaI(TlNaI(Tl) )的发光过程的发光过程激发态激发态激发态激发态NaINaI晶体晶体激发态激发态基态基态NaINaI晶体晶体基态基态NaINaI晶体晶体基态基态光子光子射线射线NaINaI晶体晶体激发态激发态基态基态NaINaI晶体晶体激发态激发态基态基态光子光子射线射线杂质能级杂质能级3.2.2 NaI(Tl3.2.2 NaI(Tl) )闪烁探测器的构成闪烁探测器的构成多样的多样的NaI(TlNaI(Tl) )闪烁探测器闪烁探测器图图3-14 NaI（Tl）闪烁探测器结构示意图）闪烁探测器结构示意图 光电倍增管是一种高灵敏度光电倍增管是一种高灵敏度真空光电器件，在现代科学领域真空光电器件，在现代科学领域中发挥着重要的作用。光电倍增中发挥着重要的作用。光电倍增管可用作弱光探测器，用来探测管可用作弱光探测器，用来探测核物理和粒子物理中的核物理和粒子物理中的射线或射线或高能粒子，此外在光谱学、光度高能粒子，此外在光谱学、光度学、照度学、色度学、光子计数、学、照度学、色度学、光子计数、激光探测、污染监测和热释光计激光探测、污染监测和热释光计量等方面都有广泛应用。量等方面都有广泛应用。 （1 1）光电倍增管）光电倍增管图图3-15 光电倍增管工作原理图光电倍增管工作原理图 图图3-16 常见的光电倍增管结构常见的光电倍增管结构ANTEK 硫光电倍增管，用于硫光电倍增管，用于ANTEK9000硫氮硫氮分析仪上的硫检测器中，是检测荧光信号的关分析仪上的硫检测器中，是检测荧光信号的关键部件。键部件。法国法国Photonis光电倍增管光电倍增管相对论效应实验仪与闪烁探测器相对论效应实验仪与闪烁探测器（2 2）单道与多道脉冲幅度分析器）单道与多道脉冲幅度分析器 闪烁探测器可将入射粒子的能量转换为电压脉冲信闪烁探测器可将入射粒子的能量转换为电压脉冲信号，而信号幅度大小与入射粒子能量成正比，因此，只号，而信号幅度大小与入射粒子能量成正比，因此，只要测到不同幅度的脉冲数目，也就得到了不同能量的粒要测到不同幅度的脉冲数目，也就得到了不同能量的粒子数目。由于射线与物质相互作用机制的差异，从探测子数目。由于射线与物质相互作用机制的差异，从探测器出来的脉冲幅度有大有小，单道脉冲幅度分析器就起器出来的脉冲幅度有大有小，单道脉冲幅度分析器就起从中从中“数出数出”某一幅度脉冲数目的作用。某一幅度脉冲数目的作用。 多道脉冲幅度分析器可以看作是很多单道脉冲幅度多道脉冲幅度分析器可以看作是很多单道脉冲幅度分析器的组合。分析器的组合。图图3-19 单道脉冲幅度分析原理单道脉冲幅度分析原理能谱的测量装置能谱的测量装置 相对论效应验实验仪相对论效应验实验仪3.2.3 NaI(Tl3.2.3 NaI(Tl) )闪烁能谱仪的主要指标闪烁能谱仪的主要指标（1）能量分辨率）能量分辨率 %100EE%100CHCH（2 2）能量的线性与能量刻度：）能量的线性与能量刻度：输出的脉冲幅度与带电粒子的能输出的脉冲幅度与带电粒子的能量是否有线性关系，以及线性范围的大小。量是否有线性关系，以及线性范围的大小。0.990.99 （3）坪曲线与本底计数率）坪曲线与本底计数率（4）稳定性）稳定性10%10%3.2.4 3.2.4 射线的能谱射线的能谱图图3-21 137Cs的的能谱能谱 A A：光电峰：光电峰B B：康普顿峰：康普顿峰C C：反散射峰：反散射峰D D：X X射线峰射线峰不同放射性核素的不同放射性核素的射线能谱射线能谱 半导体探测器是近半导体探测器是近3030多年逐步发展起来的一种新型辐多年逐步发展起来的一种新型辐射探测元件。射探测元件。半导体探测器的优点：半导体探测器的优点： 能量分辨能力高、线性范围能量分辨能力高、线性范围宽、输出脉冲上升时间短、结构宽、输出脉冲上升时间短、结构简单、体积小等。简单、体积小等。半导体探测器的缺点：半导体探测器的缺点： 性能随温度变化较大，输出性能随温度变化较大，输出脉冲幅度较小，而且受到强辐射脉冲幅度较小，而且受到强辐射照射器件容易损坏。照射器件容易损坏。RAM-II x 辐射辐射剂量率仪剂量率仪 半导体探测器的分类半导体探测器的分类按材料分类按材料分类硅半导体探测器硅半导体探测器锗半导体探测器锗半导体探测器化合物半导体探测器化合物半导体探测器按按灵敏体积灵敏体积的获得工艺分类的获得工艺分类均匀体导电型半导体探测器均匀体导电型半导体探测器P PN N结型半导体探测器结型半导体探测器锂漂移型半导体探测器锂漂移型半导体探测器特殊类型半导体探测器特殊类型半导体探测器扩散结半导扩散结半导体探测器体探测器面垒型半导面垒型半导体探测器体探测器3.3.1 P-N3.3.1 P-N结型半导体探测器结型半导体探测器P-N结的形成结的形成P-NP-N结型半导体探测器的工作原理结型半导体探测器的工作原理图图3-22 P-N结型半导体探测器结型半导体探测器1信号输出；信号输出；2入射粒子；入射粒子；30.1m N型硅；型硅；4,5电子及空穴运电子及空穴运动方向；动方向；6耗尽层；耗尽层；7P型硅型硅 （1）扩散结半导体探测器）扩散结半导体探测器 在电阻率较高的在电阻率较高的P P型硅片上型硅片上扩散进一层施主杂质，例如磷，扩散进一层施主杂质，例如磷，从而在表面形成很高浓度的从而在表面形成很高浓度的N N层，层，在在P P型硅与型硅与N N型硅交界处形成型硅交界处形成P-NP-N结，然后在硅片上加上两个适结，然后在硅片上加上两个适当的连接电极，即制成扩散结当的连接电极，即制成扩散结半导体探测器。半导体探测器。图图3-23 扩散结半导体探测器扩散结半导体探测器 比较典型的扩散结半导体探测器为比较典型的扩散结半导体探测器为砷化镓探测器砷化镓探测器，主要，主要用于低能用于低能和和X X射线测量，可以在室温下保存和使用。射线测量，可以在室温下保存和使用。（2 2）面垒型半导体探测器）面垒型半导体探测器 应用较多的是应用较多的是金硅面垒型探测器金硅面垒型探测器。在经过适当处理。在经过适当处理的的N N型单晶片表面蒸发上一层薄金，接近金层的那一层硅型单晶片表面蒸发上一层薄金，接近金层的那一层硅就具有就具有P P型硅的特性，因而在硅片表面附近形成一个型硅的特性，因而在硅片表面附近形成一个P PN N 结，即耗尽层，又叫势垒区。将金膜接电源负极，结，即耗尽层，又叫势垒区。将金膜接电源负极，N N型硅型硅基片的另一面被蒸发上一薄层铝或镍作为电极接触引线基片的另一面被蒸发上一薄层铝或镍作为电极接触引线与电源正极相连。与电源正极相连。图图3-24 面垒型半导体探测器面垒型半导体探测器 金硅面垒型半导体探测器广泛用于金硅面垒型半导体探测器广泛用于、射线的计数射线的计数测量和能谱测量，具有较高的能量分辩率，而且结构简单、测量和能谱测量，具有较高的能量分辩率，而且结构简单、应用方便，其缺点是它的金层很薄容易损坏，使用时必须应用方便，其缺点是它的金层很薄容易损坏，使用时必须特别细心。特别细心。FJ-2603GFJ-2603G弱放射性测量仪弱放射性测量仪（金硅面垒，西安核仪器厂）（金硅面垒，西安核仪器厂）ASM-IASM-I型土壤氡测量仪型土壤氡测量仪 （金硅面垒）（金硅面垒） 锂的电离能很小，而且它的离子半径较硅、锗晶格常锂的电离能很小，而且它的离子半径较硅、锗晶格常数小很多，所以在数小很多，所以在P型硅的表面涂一层锂时，在一定温度型硅的表面涂一层锂时，在一定温度下下(350-450 )，锂离子很容易扩散到硅晶体内部去。硅，锂离子很容易扩散到硅晶体内部去。硅片表面附近，由于片表面附近，由于Li+浓度高，使浓度高，使P型硅转化为型硅转化为N型硅，而型硅，而在深处仍为在深处仍为P型硅，从而在界面处形成型硅，从而在界面处形成PN结。在几百伏结。在几百伏反向偏压作用下，并控制温度在反向偏压作用下，并控制温度在100-200 ，则，则 Li+继续向继续向 P型硅深处漂移。漂移过程中，由于静电作用，型硅深处漂移。漂移过程中，由于静电作用，Li+可能与可能与受主离子结合成中性离子对，该过程叫做受主离子结合成中性离子对，该过程叫做“补偿效应补偿效应”。在锂离子漂移到的区域，通过补偿效应就形成了较大的、在锂离子漂移到的区域，通过补偿效应就形成了较大的、电阻率很高的本征区，此本征区即对应探测器灵敏体积。电阻率很高的本征区，此本征区即对应探测器灵敏体积。3.3.2 3.3.2 锂漂移半导体探测器锂漂移半导体探测器图图3-25 平行板锂漂移半导体探测器平行板锂漂移半导体探测器 锂漂移探测器可以用硅也可以用锗制成。锂漂移探测器可以用硅也可以用锗制成。 用硅制成的叫做用硅制成的叫做硅锂探测器硅锂探测器，简称，简称Si(LiSi(Li) )探测器，常探测器，常用于用于、X X射线和低能射线和低能射线计数测量和能谱测量；射线计数测量和能谱测量； 用锂漂移锗制成的叫做用锂漂移锗制成的叫做锗锂探测器锗锂探测器，简记，简记Ge(LiGe(Li) )探测探测器，特别适合测量器，特别适合测量射线，在无损活化分析和环境样品监射线，在无损活化分析和环境样品监测中广泛应用。测中广泛应用。 锂漂移锂漂移探测器必须在低温下保存和工作。探测器必须在低温下保存和工作。图图3-26 Ge(Li)半导体半导体谱仪结构原理谱仪结构原理1一恒低温容器；一恒低温容器；2一液氮；一液氮；3一铜冷却棒；一铜冷却棒；4Ge(Li)探测器探测器Ge(Li)半导体半导体谱仪实物谱仪实物 3.3.3 3.3.3 半导体探测器的性能参数半导体探测器的性能参数（1）工作偏压）工作偏压 半导体探测器的工作偏压与电荷载流子的收集及表面半导体探测器的工作偏压与电荷载流子的收集及表面漏电流有密切关系，漏电流有密切关系，直接影响着探测器的能量分辨率直接影响着探测器的能量分辨率。半。半导体探测器工作偏压是根据最佳分辨率的要求来确定的。导体探测器工作偏压是根据最佳分辨率的要求来确定的。（2 2）工作温度）工作温度 P PN N结型半导体探测器可在室温下保存和工作，如果结型半导体探测器可在室温下保存和工作，如果工作温度升高，探测器的反向漏电流将增加，使得能量分工作温度升高，探测器的反向漏电流将增加，使得能量分辨率下降。锂漂移探测器必须在低温下工作和保存，尽管辨率下降。锂漂移探测器必须在低温下工作和保存，尽管其能量分辨率很高，但使用起来非常不方便。其能量分辨率很高，但使用起来非常不方便。 （3）线性线性 半导体探测器的平均电离损耗与射线类型及能量无关，半导体探测器的平均电离损耗与射线类型及能量无关，所以，无论是所以，无论是P PN N结型还是锂漂移探测器，它们的输出电结型还是锂漂移探测器，它们的输出电压脉冲幅度和入射粒子能量的线性关系都非常好。压脉冲幅度和入射粒子能量的线性关系都非常好。（4）能量分辨率）能量分辨率 能量分辨率是探测器重要指标之一，能量分辨率是探测器重要指标之一，良好的能量分辨良好的能量分辨率是半导体探测器主要优点率是半导体探测器主要优点。决定探测器分辨率的主要因。决定探测器分辨率的主要因素有三个：电荷载流子的统计涨落、不完全电荷收集、探素有三个：电荷载流子的统计涨落、不完全电荷收集、探测器和电子学系统的噪声。测器和电子学系统的噪声。 常用的热释光探测器是根据晶体的能带理论，由搀入常用的热释光探测器是根据晶体的能带理论，由搀入杂质的无机晶体制成的。当其被电离辐射照射时，引起电杂质的无机晶体制成的。当其被电离辐射照射时，引起电离，部分获得足够能量的电子由价带跃迁到导带，并在价离，部分获得足够能量的电子由价带跃迁到导带，并在价带中形成空穴。被加热时电子与空穴获得足够能量而迅速带中形成空穴。被加热时电子与空穴获得足够能量而迅速复合，复合过程以光子的形式将复合能量释放出来，此过复合，复合过程以光子的形式将复合能量释放出来，此过程为程为热释光辐射热释光辐射，发光物质本身叫，发光物质本身叫磷光体磷光体。 当按照一定的升温规律加热磷光体时，所测得的发光当按照一定的升温规律加热磷光体时，所测得的发光强度与加热温度有一定的相关规律，形成发光曲线。发光强度与加热温度有一定的相关规律，形成发光曲线。发光峰与磷光体的特性有关，同一磷光体可能有一个或多个不峰与磷光体的特性有关，同一磷光体可能有一个或多个不同的发光峰，这些峰各自对应着磷光体的陷阱能级，同的发光峰，这些峰各自对应着磷光体的陷阱能级，每个每个发光峰下的面积正比于俘获电子的数目，因而正比于辐射发光峰下的面积正比于俘获电子的数目，因而正比于辐射剂量；对恒定的升温率，峰高也正比于剂量。剂量；对恒定的升温率，峰高也正比于剂量。图图3-27 BGD3B型热释光剂量仪及配件型热释光剂量仪及配件