核辐射探测器(监测)描述.ppt

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1、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学习目标了解探测器探测器的的输出回路输出回路输出回路输出回路与与输出信号输出信号输出信号输出信号；掌握探测器探测器的的工作机制工作机制工作机制工作机制；掌握探测器探测器的的主要性能指标主要性能指标主要性能指标主要性能指标；熟悉探测器探测器的的典型应用典型应用典型应用典型应用。对于辐射是对于辐射是不能不能感知感知感知感知的，因此的，因此人们必须借助于人们必须借助于辐射辐射辐射辐射探测器探测器探测器探测器探测各种辐射，给出辐射的探测各种辐射，给出辐射的类型类型类型类型、强度强度强度强度(数量数量数量数量)、能量能量能量能量及及时间时间时

2、间时间等特性。等特性。即对辐射进行即对辐射进行测量。测量。辐射探测器辐射探测器的定义：利用的定义：利用辐射辐射在在气体气体、液体液体或或固体固体中引起的中引起的电离电离电离电离、激发激发激发激发效应或效应或其它物理其它物理、化学变化化学变化进行进行辐辐射探测射探测的的器件器件称为称为辐射探测器辐射探测器辐射探测器辐射探测器。为什么需要辐射探测器？为什么需要辐射探测器？探测器探测器按按探测介质类型探测介质类型及及作用机制作用机制主要分为：主要分为：u 气体探测器气体探测器气体探测器气体探测器；u 闪烁探测器闪烁探测器闪烁探测器闪烁探测器；u 半导体探测器；半导体探测器；半导体探测器；半导体探测器

3、；u 径迹探测器；径迹探测器；径迹探测器；径迹探测器；u 中子探测器。中子探测器。中子探测器。中子探测器。辐射探测的基本过程：辐射探测的基本过程：辐射粒子辐射粒子射入射入探测器探测器的的灵敏体积灵敏体积灵敏体积灵敏体积；入射粒子入射粒子通过通过电离电离电离电离、激发激发激发激发等效应而在等效应而在探测器中探测器中沉积沉积沉积沉积能量能量能量能量；探测器探测器通过通过各种机制各种机制将将沉积能量沉积能量沉积能量沉积能量转换成转换成某种形式的某种形式的输出信号输出信号输出信号输出信号。气体探测器均以气体探测器均以气体气体作为探测介质。作为探测介质。具有具有制备简单、性能可靠、成本低廉、使用制备简单

4、、性能可靠、成本低廉、使用方便方便等优点，有广泛的应用。等优点，有广泛的应用。2020世纪世纪7070年代以来，气体探测器有很大发展，年代以来，气体探测器有很大发展，在在高能物理和重离子物理实验高能物理和重离子物理实验中获得新的应中获得新的应用，并广泛用，并广泛应用于核医学、生物学、天体物应用于核医学、生物学、天体物理、凝聚态物理和等离子体物理理、凝聚态物理和等离子体物理等领域。等领域。气体探测器气体探测器核辐射引起的气体电离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；碰撞而导致的气体电离；次级电离：直接电离所产生的次级

5、电离：直接电离所产生的电子电子或或紫外光紫外光及及X X射线射线而导致的气体电离。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复合过程：正离子和电子或负离子复合成中性粒子的过程。性粒子的过程。气体探测器的特点：气体探测器的特点：D 探测器的灵敏体积大小和形状几乎不受限制；D 没有辐射损伤或极易恢复；D 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电离离室室、正正比比计计数数器器、G-MG-M计计数数器器等类型。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：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

6、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：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：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

7、气(Ar)加少量多原子分子气体CH4。气体压力：从0.110大气压。气体探测器的圆柱型电离室结构高压极高压极负载电阻负载电阻灵敏体积灵敏体积输出信号：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:复合区复合区II:饱和区饱和区III:正比区正比区IV:有限正比区有限正比区V:G-M工作区工作区VI:连续放电区连续放电区u电离室D脉冲电

8、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。D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+-阳极阳极 阴极阴极 -U0z脉冲电离室输出信号的测量脉冲电离室输出信号的测量脉冲电离室脉冲电离室的的输出信号输出信号所包含的所包含的信息信息：1 1）入射带电粒子入射带电粒子的的数量数量；2 2）入射带电粒子入射带电粒子的的能量能量；3 3）确定）确定入射粒子间入射粒子间的的时间关系时间关系。通过对输出脉冲数进行测量。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幅度进行测量。通过对输出电压信号的时间

9、进行测量。通过对输出电压信号的时间进行测量。脉冲电离室的性能脉冲电离室的性能1)1)脉冲幅度谱脉冲幅度谱与与能量分辨率能量分辨率脉冲电离室脉冲电离室常用来测量常用来测量带电粒子带电粒子的的能量能量。对单能对单能带电粒子带电粒子，若其，若其全部全部能量能量都损都损耗在耗在灵敏体积灵敏体积内，则内，则脉冲电离室脉冲电离室输出输出电压电压脉冲脉冲的的幅度幅度反映了反映了单个入射单个入射带电粒子带电粒子能量能量的大小。的大小。能量分辨率：能量分辨率：半宽度半宽度多道多道测量的测量的脉冲幅度谱脉冲幅度谱：能量分辨率能量分辨率反映了反映了谱仪谱仪对不同对不同入射粒子入射粒子能量能量的的分辨能力分辨能力。(

10、1)(1)能量分辨率能量分辨率反映了反映了谱仪谱仪对不同对不同入射粒入射粒子子能量能量的的分辨能力分辨能力。能量分辨率能量分辨率越小越小，则则可区分可区分更小的能量差别更小的能量差别。这是。这是谱仪谱仪的的最最主要的指标主要的指标。关于能量分辨率的小结关于能量分辨率的小结：(2)(2)能量分辨率能量分辨率的公式是的公式是谱仪谱仪所达到的所达到的分分辨率辨率的的极限和理论值极限和理论值。并可检验谱仪的。并可检验谱仪的性能。性能。(3)(3)能能量量分分辨辨率率的的数数值值是是对对某某一一能能量量而而言言的，它与的，它与入射粒子入射粒子能量能量的关系为的关系为2)2)电离室的电离室的饱和特性饱和特

11、性曲线曲线-脉冲幅度脉冲幅度h与电离室与电离室工作电压工作电压V0 0的关系的关系影响因素影响因素：离子离子和和电子电子的的复合复合或或扩散扩散效应效应。饱和特性曲线形成的物理过程：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饱和区斜率的原因：随工作电压的升高而使使灵敏体积增加灵敏体积增加及及负离子的释放负离子的释放。V0hV1饱和电压饱和电压3)3)电离室电离室的的坪特性坪特性曲线曲线 当当输出脉冲幅度输出脉冲幅度饱和后，饱和后，计数率计数率不再不再随随工作电压工作电压而变化，称而变化，称坪特性曲线坪特性曲线。在在入射粒子束流入射粒子束流不变不变的情况下：的情况下：V0n

12、甄别阈甄别阈h1h2h3h1h2h3入射粒子入射粒子是是单能单能的的V1-电离室的电离室的计数率计数率与与工作电压工作电压的关系的关系4)4)探测效率探测效率定义定义：原因：原因：A 带电粒子带电粒子可能只在可能只在灵敏体积灵敏体积内损失内损失一部分一部分能量能量；B 电离过程电离过程是是涨落涨落的。的。这样这样必将有必将有一部分一部分幅度幅度低于低于甄别阈甄别阈的的信信号脉冲号脉冲未被记录未被记录下来。下来。粒子粒子等等中性粒子中性粒子则取决于与介质作用产则取决于与介质作用产生生次级带电粒子次级带电粒子的的相互作用截面相互作用截面，以及次，以及次级带电粒子级带电粒子能否能否进入进入灵敏体积灵

13、敏体积。对对带电粒子带电粒子5)5)时间特性时间特性常用常用三种指标三种指标A：分辨时间分辨时间 能分辨开能分辨开两个相继两个相继入射粒子入射粒子间的间的最小时间间隔最小时间间隔。主要取决于主要取决于输出回路输出回路参数参数的的选选择择和和放大器放大器的的时间常数时间常数的的大小大小。B：时滞时滞 d 入射粒子入射粒子的的入射时刻入射时刻与与输出脉冲输出脉冲产生的产生的时间差时间差。C：时间分辨本领时间分辨本领即即由探测器输出由探测器输出脉冲来脉冲来确定确定入射粒子入射粒子入射时刻的入射时刻的精度精度。当当电电离离室室的的输输出出信信号号是是反反映映大大量量入入射射粒粒子子的的平平均均电电离离

14、效效应应时时，称称作作电电流流工工作作状状态态或或累累计计工作状态工作状态。此时电离室此时电离室称作称作“累计电离室累计电离室”或或“电流电离室电流电离室”。恒定恒定状态状态下，输出下，输出直直流电流流电流信号信号是：是：设设入射粒子入射粒子在在电离室灵敏体积电离室灵敏体积内各处内各处单位单位时间时间、单位体积单位体积内内恒定恒定地产生地产生 对对离子对离子对。则在。则在灵敏体积灵敏体积内内单位时间单位时间的的总离总离子对数子对数为为累计电离室累计电离室电流电离室的应用电流电离室的应用 累计电离室的应用比脉冲电离室更为累计电离室的应用比脉冲电离室更为广泛，特别是充入广泛，特别是充入高压工作气体

15、高压工作气体的累计的累计电离室，电离室，灵敏度高灵敏度高、性能稳定可靠性能稳定可靠、工工作寿命长作寿命长。由于其具有十分良好的由于其具有十分良好的承受承受恶劣工作恶劣工作环境影响环境影响的能力，所以，在工业上可应的能力，所以，在工业上可应用于核辐射用于核辐射密度计密度计、厚度计厚度计、料位计料位计、水分计水分计、核子秤核子秤等。等。累计电离室还可应用于剂量测量、反累计电离室还可应用于剂量测量、反应堆监测等方面。应堆监测等方面。正比计数器（正比计数器（Proportional Counters）在正比计数器在正比计数器中，利用中，利用碰撞电离碰撞电离将将入射粒子入射粒子直接直接产生的产生的电离效

16、应电离效应放大了放大了，使，使得正比计数器的得正比计数器的输出信号幅度输出信号幅度比比脉冲电离脉冲电离室室显著增大显著增大。对直接电离效应放大的倍数称为对直接电离效应放大的倍数称为“气体放大倍数气体放大倍数”，以，以A表示，在一定的表示，在一定的工作条件下，工作条件下，A保持为保持为常数常数。正比计数器属于正比计数器属于非自持放电非自持放电的气体的气体电离探测器。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

17、变化大，容易受外电磁场干扰。正比计数器：脉冲幅度正比于入正比计数器：脉冲幅度正比于入射粒子能量。射粒子能量。D电场强度：D脉冲电压：D多丝正比计数器：具有很高的空间分辨和时间分辨本领-U02rarcR G-M计数管计数管是由是由盖革盖革(Geiger)和和弥勒弥勒(Mueller)发明的一种利用发明的一种利用自持放电自持放电的的气体电离气体电离探测器探测器。G-M计数管计数管G-M管管的的特点特点是：是：制造简单制造简单、价格便宜价格便宜、使用方便使用方便。灵敏度高、输出电荷量大。灵敏度高、输出电荷量大。G-M管管的的缺点缺点是：是：死时间长，仅能用于计数。死时间长，仅能用于计数。G-M计数管

18、：记录粒子个数计数管：记录粒子个数工作区域工作区域输出信号输出信号用途用途电离室电离室饱和区饱和区计数及测量计数及测量入射粒子能入射粒子能量量正比计数器正比计数器正比区正比区计数及测量计数及测量入射粒子能入射粒子能量量G-M计数管计数管G-M工作工作区区形成正离子鞘，形成正离子鞘，与入射粒子能与入射粒子能量无关。量无关。仅用作计数仅用作计数u工作原理工作原理闪烁探测器闪烁探测器闪烁探测器闪烁探测器是利用是利用辐射辐射在某些物质中产生在某些物质中产生的的闪光闪光来探测来探测电离辐射电离辐射的探测器。的探测器。闪烁体闪烁体光电倍增管光电倍增管(打拿极打拿极)反射层反射层管座管座分压器分压器高压高压

19、多道或单道多道或单道光阴极光阴极阳极阳极荧光荧光光子光子光电子光电子暗盒暗盒窗窗前置放大器前置放大器闪烁探测器闪烁探测器的的工作过程工作过程：(1)辐射辐射射入闪烁体使射入闪烁体使闪烁体原子闪烁体原子电离电离或或激发激发，受激原子受激原子退激退激而发出波长在而发出波长在可见光可见光波段波段的的荧光荧光。(2)荧光光子荧光光子被收集到被收集到光电倍增管光电倍增管(PMT)的的光阴极光阴极，通过，通过光电效应光电效应打出打出光电子光电子。(3)电子运动并倍增电子运动并倍增，并在，并在阳极阳极输出回路输出回路输出输出信号信号。闪烁探测器闪烁探测器可用来测量可用来测量入射粒子入射粒子的的能量能量。光电

20、倍增管光电倍增管1、闪烁体闪烁体的的分类分类1)1)无机无机闪烁体闪烁体：玻璃体玻璃体纯晶体纯晶体无机晶体无机晶体(掺杂掺杂)(锂玻璃锂玻璃)2)2)有机有机闪烁体闪烁体：有机晶体有机晶体蒽晶体蒽晶体等；等；有机液体有机液体闪烁体闪烁体及及塑料塑料闪烁体闪烁体.3)3)气体气体闪烁体闪烁体：Ar、Xe等等。2、闪烁体闪烁体的的发光机制发光机制1)无机无机闪烁体闪烁体的的发光机制发光机制重点分析重点分析掺杂掺杂的的无机晶体无机晶体，以，以NaI(Tl)，CsI(Tl),CsI(Na)属于属于离子晶体离子晶体等为最典等为最典型，又称型，又称卤素碱金属卤素碱金属晶体晶体。禁带禁带导带导带价带价带激带

21、激带晶体晶体的的发光机制发光机制取决于取决于整个整个晶体晶体的的电子能态电子能态。晶体晶体中中电子电子的的能态能态不不再用再用原子能级原子能级表示，表示，而用而用“能带能带”来描述。来描述。激活剂激活剂导带导带上的上的自由电子自由电子和和价带价带空穴空穴可以可以复合成复合成激子激子，相反，相反，激子激子也可以受也可以受热运动热运动而变成而变成自由电子空穴对自由电子空穴对。对于对于离子晶体离子晶体，辐射辐射射入射入闪烁体闪烁体使使晶体晶体原子原子电离电离和和激发激发。结果使得结果使得价带价带中的一些中的一些电子电子由原来位置跃由原来位置跃迁过迁过禁带禁带而进入而进入导带导带，成为，成为自由电子自

22、由电子，同，同时在时在价带价带中形成中形成空穴空穴。（电离）。（电离）电子也可能跃迁到较低的激带，这时产电子也可能跃迁到较低的激带，这时产生的生的电子空穴对电子空穴对称之为称之为激子激子。激子激子只只能在能在晶格中晶格中束缚在一起运动。（激发）束缚在一起运动。（激发）B B）由于由于离子晶体离子晶体禁带宽度大禁带宽度大，退激退激发出的发出的光子能量光子能量为为紫外范围紫外范围，一般，一般光电倍增管光电倍增管的的光阴极光阴极不能响应不能响应，这些发射的，这些发射的光子光子不能不能被被有效利用有效利用。退激过程退激过程将可能发出将可能发出光子光子，也可能变成，也可能变成晶晶格格振动能振动能而而不发

23、光不发光。A A）对对纯纯离子晶体离子晶体，退激退激发出的发出的光子光子容易被容易被晶体晶体自吸收自吸收，传输到，传输到晶体晶体外的外的光子光子很少；很少；出现的出现的问题问题：选择合适的选择合适的杂质杂质，使它的，使它的激发能级激发能级比比晶体晶体的的导带导带、激带激带低低，而，而基态基态比比价态价态高高。杂质杂质能级能级成为发光中心。成为发光中心。解决办法解决办法：在：在晶体晶体中掺入中掺入少量杂质少量杂质。称为称为“激活剂激活剂”的的杂质杂质在在晶格晶格形成特殊的形成特殊的晶格点晶格点，并在，并在禁带禁带中形成一些中形成一些局部能级局部能级。由于由于杂质杂质的的电离能电离能小于小于典型晶

24、格点典型晶格点的的电离电离能能，原子原子受激产生的受激产生的电子、空穴电子、空穴将迅速迁将迅速迁移到移到杂质能级杂质能级的的激发态激发态和和基态基态，即使，即使杂质杂质原子原子处于处于激发状态激发状态。激发态的杂质原子激发态的杂质原子有有三种三种可能的可能的退激方式退激方式：电子电子从从激发态激发态立即跳回立即跳回基态基态，发射出，发射出光子光子，发光的发光的衰减时间衰减时间通常在通常在1010-7-7s以内，称为以内，称为“荧光荧光”。荧光光子荧光光子为为可见光可见光的范围，且有效地的范围，且有效地克服克服了了发发光光的的自吸收自吸收，使，使晶体晶体的的发射光谱发射光谱和和吸收光谱吸收光谱有

25、有效的分离效的分离。电子电子把把激发能激发能转换为转换为晶格晶格的的振动振动(热运动热运动)而而到达到达价带价带，并不发射，并不发射光子光子，这种过程称为，这种过程称为“淬淬灭过程灭过程”。2)2)有机闪烁体有机闪烁体的的发光机制发光机制有机闪烁体有机闪烁体的的发射光谱发射光谱和和吸收光谱吸收光谱的的峰值是分峰值是分开的开的，所以，所以，有机闪烁体有机闪烁体对其所发射的对其所发射的荧光荧光是是透明的透明的。但发射谱的短波部分与吸收谱的长波。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部分有重叠，为此在有的有机闪烁体中加入移移波剂波剂，以减少自吸收。，以减少自吸收。激发

26、态激发态是是亚稳态亚稳态，电子电子可以在此状态保持一可以在此状态保持一段段较长较长的时间，像掉入陷阱一样。的时间，像掉入陷阱一样。这些这些电子电子可以从可以从晶格振动晶格振动中中获得能量获得能量，重新跃迁，重新跃迁到到导带导带，然后再通过，然后再通过发射光子发射光子而而退激退激，因而发光，因而发光的的衰减时间衰减时间较长较长，称之为，称之为“磷光磷光”。3 3、闪烁体闪烁体的的物理特性物理特性1)1)发射光谱发射光谱特点特点：发射光谱发射光谱为为连续谱连续谱。各种闪烁体都存在。各种闪烁体都存在一个一个最强波长最强波长；要注意发射光谱与光电倍增管；要注意发射光谱与光电倍增管光阴极的光谱响应是否匹

27、配。光阴极的光谱响应是否匹配。以以NaI(Tl)为例：为例：对对粒子粒子；对对粒子粒子2)2)发光效率发光效率与与光能产额光能产额指指闪烁体将闪烁体将所吸收的所吸收的射线能量射线能量转化为转化为光光的的比例比例。发光效率发光效率：Eph闪烁体闪烁体发射光子发射光子的的总能量总能量；E入射粒子入射粒子损耗在损耗在闪烁体闪烁体中的中的能量能量。以以NaI(Tl)为例为例对对1 1MeV的的粒子粒子，发射光子发射光子平均能量平均能量光能产额光能产额：nph为产生的为产生的闪烁光子闪烁光子总数总数。发光效率发光效率与与光能产额光能产额的关系：的关系：4 4、常用闪烁体、常用闪烁体发光效率高发光效率高，

28、Z,高高，适宜于，适宜于 射线射线探测。探测。易易潮解潮解，须仔细封装。，须仔细封装。不不潮解潮解，价贵价贵。塑料闪烁体塑料闪烁体将将 粉末加粉末加1%1%有机玻璃粉末有机玻璃粉末溶于溶于有机溶剂有机溶剂涂于涂于有机玻璃有机玻璃板上，板上，透明度透明度差，差，薄层薄层，测，测,粒子。粒子。溶剂溶剂(二甲苯二甲苯)+)+发光物质发光物质(PPO)+)+移波剂移波剂(POPOP)。放于放于玻璃玻璃或或石英石英杯中杯中。有机液体闪烁体有机液体闪烁体苯乙烯苯乙烯(单体单体)+)+PPO+POPOP，聚合成聚合成塑料塑料。D闪烁体：u闪烁体的物理特性闪烁体的物理特性5)5)PMT 的稳定性的稳定性稳定性

29、稳定性是指在是指在恒定恒定辐射源辐射源照射下，照射下，光电倍增管光电倍增管的的阳极电流阳极电流随随时间时间的变化。的变化。包含两部分：包含两部分：短期稳定性短期稳定性，指，指建立稳定工作状态建立稳定工作状态所需的时间。所需的时间。一般在开机后一般在开机后预热预热半小时才开始正式工作。半小时才开始正式工作。长期稳定性长期稳定性：在工作达到稳定后，：在工作达到稳定后，略有下降的略有下降的慢变化慢变化，与管子的材料、工艺有关，同时与周，与管子的材料、工艺有关，同时与周围的环境温度有关。长期工作条件下，须采用围的环境温度有关。长期工作条件下，须采用“稳峰稳峰”措施。措施。3、PMT 使用中的几个问题使

30、用中的几个问题1)1)光屏蔽光屏蔽，严禁严禁加高压时曝光加高压时曝光。2)2)高压极性高压极性：正高压正高压和和负高压负高压供电方式。供电方式。正高压供电方式正高压供电方式，缺点是脉冲输出要用，缺点是脉冲输出要用耐高压耐高压的电容耦合的电容耦合，耐高压电容体积大，因而分布电，耐高压电容体积大，因而分布电容大。高压纹波也容易进入测量电路。容大。高压纹波也容易进入测量电路。负高压供电方式负高压供电方式，阳极是地电位，阳极是地电位，耦合方式简耦合方式简单单，尤其在电流工作方式。但其阴极处于很高，尤其在电流工作方式。但其阴极处于很高地负电位，需要注意阴极对处于地电位的光屏地负电位，需要注意阴极对处于地

31、电位的光屏蔽外壳之间的绝缘。蔽外壳之间的绝缘。光电倍增管的光谱响应光电倍增管的光谱响应 半导体探测器的基本原理是带电粒子在半导体探测器的灵敏体积内产生电子空穴对，电子空穴对在外电场的作用下漂移而输出信号。我们把气体探测器中的电子离子对、闪烁探测器中被 PMT第一打拿极收集的电子 及半导体探测器中的电子空穴对统称为探测器的信息载流子。产生每个信息载流子的平均能量分别为30eV(气体探测器)，300eV(闪烁探测器)和3eV(半导体探测器)。三.半导体探测器半导体探测器半导体探测器的特点：的特点：(1)能量分辨率最佳能量分辨率最佳；(2)射线探测效率较高射线探测效率较高，可与闪烁探测器，可与闪烁探

32、测器相比。相比。常用半导体探测器常用半导体探测器有：有：(1)P-N结型结型半导体探测器；半导体探测器；(2)锂漂移型锂漂移型半导体探测器；半导体探测器；(3)高纯锗高纯锗半导体探测器；半导体探测器；(一)半导体作为探测介质的物理性能平均电离能（w）SiGe300K3.62eV 77K3.76eV2.96eV 入射粒子在半导体介质中平均产生一对电子空穴需要的能量。半导体中的平均电离能与入射粒子能量无关。在半导体中消耗能量为E时，产生的载流子数目N为：半导体探测器工作原理工作原理金硅面垒探测器金硅面垒探测器高纯锗半导体探测器高纯锗半导体探测器 射线能谱的测定射线能谱的测定1.1.单能单能单能单能

33、 能谱的分析能谱的分析能谱的分析能谱的分析1)单晶单晶 谱仪谱仪常用常用NaI(Tl)，Cs(Tl)，Ge(Li)，HPGe等探测器等探测器 主主过过程程：全全能能峰峰光光电电效效应应所所有有的的累累计计效效应应；康康普普顿顿平平台台、边边沿沿及及多多次次康康普普顿顿散散射射；单、双逃逸峰单、双逃逸峰。2)单能单能 射线的能谱射线的能谱 其他过程其他过程：和峰效应和峰效应；I(或或Ge)逃逸峰逃逸峰；边缘边缘效应效应(次电子能量未完全损失在灵敏体积内次电子能量未完全损失在灵敏体积内)。屏蔽和结构材料对屏蔽和结构材料对 谱的影响谱的影响：散射散射及及反散射反散射峰峰；湮没峰湮没峰；特征特征X射线

34、射线；轫致辐射轫致辐射。3)能量特征峰能量特征峰 从单能从单能 射线能谱中可以看出，射线能谱中可以看出，全能峰全能峰、单逃单逃逸峰逸峰、双逃逸峰双逃逸峰的的峰位所对应的能量峰位所对应的能量与与 射线的射线的能量能量都有确定的对应关系，称为都有确定的对应关系，称为特征峰特征峰。即：。即：全能峰全能峰单逃逸峰单逃逸峰双逃逸峰双逃逸峰(1)峰位和能量刻度峰位和能量刻度峰位峰位即特征峰的中心位置，代表即特征峰的中心位置，代表 射线的能量。射线的能量。能量刻度能量刻度：选一组能量已知的：选一组能量已知的 射线标准源，射线标准源，用用 谱仪得到特征峰的峰位与谱仪得到特征峰的峰位与 射线能量的关系，射线能量

35、的关系，称为对该称为对该 谱仪的能量刻度。谱仪的能量刻度。(2)峰宽与能量分辨率峰宽与能量分辨率峰函数峰函数：用高斯函数表示。：用高斯函数表示。FWHM与与 的关系的关系：能量分辨率能量分辨率：(3)源峰探测效率源峰探测效率、峰面积峰面积、峰总比峰总比、峰康比峰康比源峰探测效率源峰探测效率(又称又称峰探测效率峰探测效率)sp峰面积峰面积或或峰总比：峰总比：峰康比：峰康比：闪烁探测器闪烁探测器半导体探测器半导体探测器探测效率探测效率一般以一般以 3英寸英寸3英寸英寸的的NaI(Tl)晶体为晶体为100，用用相对效率相对效率来表示。来表示。以以85cm3的的HPGe为例，探测效率为为例，探测效率为

36、19。3)峰康比峰康比P=全能峰峰值全能峰峰值/康普顿平台的峰值康普顿平台的峰值与与FWHM以及体积有关，可达以及体积有关，可达6008004)能量线性能量线性：非常好非常好5)时间特性时间特性：电流脉冲宽度电流脉冲宽度可达可达10-910-8s.1)HPGe和和Ge(Li)用于组成用于组成 谱仪谱仪：锗具有：锗具有较高的密度和较高的原子序数较高的密度和较高的原子序数(Z=32)探头探头(晶体前置放大器低温装置晶体前置放大器低温装置)；应用应用应用应用谱放大器谱放大器(稳定性，抗过载，极零调节，基线稳定性，抗过载，极零调节，基线恢复等恢复等);谱仪的组成谱仪的组成：多道脉冲幅度分析器多道脉冲幅

37、度分析器(一般大于一般大于4000道，现在道，现在一般都带有数字稳谱功能一般都带有数字稳谱功能)；计算机计算机(谱解析软件及定量分析软件谱解析软件及定量分析软件)。谱仪的应用谱仪的应用：活化分析；：活化分析；X射线荧光分析；射线荧光分析；核物理研究等。核物理研究等。径迹探测器原子核乳胶原子核乳胶Wilson云室云室气泡室气泡室固体径迹探测器固体径迹探测器中子探测器直接探测：直接探测：核反应转换：核反应转换：微通道板辐射强度：辐射强度：单位时间在某一方向上通过的粒子数带电粒子：带电粒子：电流单位通量：通量：单位时间通过单位面积上的粒子数探测器的本征效率：探测器的本征效率：核辐射量度核辐射量度能谱

38、：能谱：绝对分辨率：半峰宽（绝对分辨率：半峰宽（FWHM)相对分辨率：相对分辨率：辐射剂量：单位体积的物质所接受的辐射能量辐射剂量：单位体积的物质所接受的辐射能量剂量当量：描述辐射所产生的实际效应剂量当量：描述辐射所产生的实际效应 （1Sv=1J/kg,1rem=0.01Sv)剂量率：物质在单位时间内吸收的剂量剂量率：物质在单位时间内吸收的剂量核辐射量度核辐射量度GBZ130-2013：医用X射线诊断放射防护要求GBZ117-2006工业X射线探伤放射卫生防护标准环境地表环境地表辐射剂量率测定规范辐射剂量率测定规范 5 测量仪器与方法测量仪器与方法5.1 测量环境地表辐射利量率的仪表应具备以下

39、主要性能和条件：a量程范围；低量程：110-8Gyh-1110-5Gyh-1 高量程：110-5Gyh-1一l10-2Gyh-1 b相对固有误差：15；c能量响应：50KeV3MeV相对响应之差土30(相对137Cs参考辐射源)；d角响应：0180RR0.8（137Cs辐射源)；R：角响应平均值；R：刻度方向上的响应值；e温度：-1040(即时测量仪表)，-2550(连续测量仪表)；f相对湿度：95(35)。环境地表环境地表辐射剂量率测定规范辐射剂量率测定规范 5 测量仪器与方法测量仪器与方法5.2 环境地表辐射剂量的测定成采用高气压电离室型、闪烁探测点型和具有能量补偿的计数管型辐射剂量率仪等

40、仪表。具有能量补偿的热释光剂量计。可用于固定测点的常规测量，也为发生事故时提供数据。5.3 环境辐射剂量率连续监测系统，探测器采用高气压电离室或NaI(Tl)晶体，能量补偿型G-M计 数管，数据应自动采集、存储或摇控传输，量程必须兼顾止常与事故情况下的水平。环境地表环境地表辐射剂量率测定规范辐射剂量率测定规范 5 测量仪器与方法测量仪器与方法5.4 对核电厂等大型核设施可配备环境放射性监测车，该车具有测量地表剂量率测定以及某些气象参数等功能。核设施正常运行时，用于定期环境巡测。事故时配合固定式环境监测系统以及气象观测资料可快速确定环境地表辐射剂量率水平与分布状况。5.5 发生重大核反应堆事故时，可由装载在飞机上大体积Na(Tl)晶体探测器对污染地区进行辐射测量以提供测区地面污染水平及放射性核素污染物的浓度和空间分布。为事故的最初评价提供资料。