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1、核电子学与核仪器,上次课关键点,时域分析与频域分析,t,f(t),0,时域,0,F(),傅立叶变换,傅立叶逆变换,频域,本堂课主要内容：,一、气体探测器 （Gasfilled Detector）二、闪烁体探测器 （Scintillation Detector）三、半导体探测器 （Semiconductor Detector）,为什么需要辐射探测器？,对于辐射是不能感知的，因此人们必须借助于核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。核辐射探测器的定义：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
2、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； 闪烁体探测器； 半导体探测器。,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。,辐射探测器学习要点（研究问题）：,探测器的工作机制； 探测器的输出回路与输出信号； 探测器的主要性能指标； 探测器的典型应用。,一、气体探测器,1.1气体中离子与电子的运动规律气体的电离与激发 入射带电粒子与靶原子的核外电子通过库仑作用，使电子获得能量而引起原子的电离或激发。 入射粒子直接产生的离子对称为原电离。初电离产生的高速电子足以使气体产生
3、的电离称为次电离。 总电离 =原电离+ 次电离 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。,一、气体探测器,1.1气体中离子与电子的运动规律电子与离子在气体中的运动 当存在外加电场的作用情况时，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。 离子的飘移： 在存在电场的情况下，两次碰撞之间离子从电场获得的能量又会在碰撞中损失，离子的能量积累不起来。 电子的漂移： 电子与气体分子发生弹性碰撞时，每次损失的能量很小，因此，电子在两次碰撞中由外电场加速的能量可积累起来。,一
4、、气体探测器,1.1气体中离子与电子的运动规律,一、气体探测器,1.2电离室的工作机制电离室的工作方式 (1) 脉冲型工作状态 记录单个入射粒子的电离效应，处于这种工作状态的电离室称为：脉冲电离室。 (2) 累计型工作状态 记录大量入射粒子平均电离效应，处于这种工作状态的电离室称为：累计电离室。,一、气体探测器,1.2电离室的工作机制电离室的基本机构 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。 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。
5、,一、气体探测器,平板型电离室,一、气体探测器,圆柱型电离室,一、气体探测器,1.3脉冲电离室 电离室处于脉冲工作状态，电离室的输出信号仅反映单个入射粒子的电离效应。可以测量每个入射粒子的能量、时间、强度等。 脉冲电离室的输出信号：电荷信号，电流信号，电压信号。,电离室是一个理想的电荷源（其外回路对输出量无影响）。,一、气体探测器,1.3脉冲电离室 电离室可以用电流源I0(t)和C1并联等效。并可得到其输出回路的等效电路。,一、气体探测器,1.4正比计数器（Proportional Counters） 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
6、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。,正比计数器结构上必须满足实现碰撞电离的需要，而在强电场下才能实现碰撞电离。,一、气体探测器,1.4正比计数器（Proportional Counters） 正比计数器中发生的物理作用：碰撞电离与气体放大 碰撞电离只有电子才能实现。当电子到达距丝极一定距离 r0 之后，通过碰撞电离过程，电子的数目不断增殖，这个过程称为气体放大过程，又称电子雪崩。光子反馈 在电子与气体分子的碰撞中，不仅能产生碰撞电离，同时也能产生碰撞激发。气体分子在退激时会
7、发出紫外光子，其能量一般大于阴极材料的表面逸出功，而在阴极打出次电子。,一、气体探测器,气体放大过程中正离子的作用离子漂移速度慢，在电子漂移、碰撞电离等过程中，可以认为正离子基本没动，形成空间电荷，处于阳极丝附近，会影响附近区域的电场，使电场强度变弱，影响电子雪崩过程的进行。正离子漂移到达阴极，与阴极表面的感应电荷中和时有一定概率产生次电子，发生新的电子雪崩过程，称为离子反馈；也可以通过加入少量多原子分子气体阻断离子反馈。,一、气体探测器,1.4正比计数器（Proportional Counters）正比计数器的应用流气式4正比计数器 特点：4立体角，探测效率高；流气工作方式，换样品方便，结构
8、密封简单；阳极丝为环状。低能X射线正比计数器鼓形正比计数器 特点：有入射窗，常用Be(铍)窗。多丝正比室和漂移室 多丝正比室的阴极为平板，阳极由平行的细丝组成多路正比计数器。位置灵敏度达到mm量级，为粒子物理等作出巨大贡献，于1992年获诺贝尔物理奖。,一、气体探测器,1.5 G-M计数管 G-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。,一、气体探测器,1.5 G-M计数管G-M管的工作机制 (1)正离子鞘的形成及自持放
9、电过程 初始电离及碰撞电离过程（电子加速发生碰撞电离形成电子潮雪崩过程） 放电传播（气体放出的紫外光子打到阴极上并打出次电子） 正离子鞘向阴极漂移过程（形成“离子电流”，是形成输出脉冲的主要贡献） 正离子在阴极表面的电荷中和过程。 (2)有机和卤素自熄G-M计数管 在工作气体中加入少量有机气体或卤素气体，构成的G-M管，具有自熄能力。,一、气体探测器,1.5 G-M计数管G-M计数管的典型结构及性能 G-M管主要有圆柱型和钟罩型两种。 圆柱型主要用于射线测量，而钟罩型由于有入射窗，主要用于，射线的测量。,二、闪烁体探测器,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。,二、
10、闪烁体探测器,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)光电子在光电倍增管里运动并倍增，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。,二、闪烁体探测器,2.1闪烁体闪烁体的分类 无机闪烁体： 无机晶体(掺杂) 玻璃体 纯晶体 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。,二、闪烁体探测器,2.1闪烁体闪烁体的发光机制 无机闪烁体的发光机制 晶体中电子的能态不再用原子能级表示，而用“能带”来描述，晶体的发光机制取
11、决于整个晶体的电子能态。,对于离子晶体，辐射射入闪烁体使晶体原子电离和激发。,二、闪烁体探测器,2.1闪烁体闪烁体的发光机制 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。,二、闪烁体探测器,2.1闪烁体光的收集 1) 反射层 在非光子出射面打毛，致使光子漫反射，并再衬以或涂敷氧化镁或氧化钛白色粉末。 2) 光学耦合 为防止光由光密介质到光疏介质发生的全反射，用折射系数 n=1.41.8 的硅脂(或硅油)。 3) 光导 常用于闪烁体与光电倍
12、增管的尺寸不符或其它特殊需要。,二、闪烁体探测器,2.2光电倍增管光电倍增管的结构,二、闪烁体探测器,2.2光电倍增管光电倍增管的主要性能 光阴极的光谱响应 光阴极受到光照后，发射光电子的概率是入射光波长的函数，称作“光谱响应”。 光照灵敏度 阴极灵敏度；阳极灵敏度。 光电倍增管的暗电流与噪声 当工作状态下的光电倍增管完全与光辐射隔绝时，其阳极仍能输出电流(暗电流)及脉冲信号(噪声)。 光电倍增管的时间特性与稳定性。,二、闪烁体探测器,2.3单晶闪烁谱仪闪烁谱仪的组成与工作原理 闪烁体、PMT以及配套的电子学仪器组成。 X或射线不带电，它与闪烁体的相互作用是通过三种次级效应实现的，它产生的次级
13、电子的能谱是相当复杂的，因而由次级电子产生的输出脉冲幅度谱也是相当复杂的。 以NaI(Tl)闪烁晶体的单晶闪烁谱仪为例。,二、闪烁体探测器,2.3单晶闪烁谱仪单能射线的输出脉冲幅度谱 射线与物质的相互作用：,二、闪烁体探测器,2.3单晶闪烁谱仪单能射线的输出脉冲幅度谱 常见单能射线谱,二、闪烁体探测器,2.3单晶闪烁谱仪单能射线的输出脉冲幅度谱 常见单能射线谱,三、半导体探测器,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
14、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,半导体探测器的特点： (1) 能量分辨率最佳； (2) 射线探测效率较高，可与闪烁探测器相比。常用半导体探测器有： (1) P-N结型半导体探测器； (2) 锂漂移型半导体探测器； (3) 高纯锗半导体探测器。,三、半导体探测器,3.1半导体的基本性质 常用半导体材料为硅(Si)和锗(Ge)，均为IV族元素。本征半导体和杂质半导体 1) 本征半导体： 理想、无杂质的半导体。由于热运动而产生的载流子浓度称为本征载流子浓度，且导带中的电子数和
15、价带中的空穴数严格相等。固体物理理论已证明半导体内的载流子平衡浓度为：,三、半导体探测器,3.1半导体的基本性质本征半导体和杂质半导体 2) 杂质半导体 替位型：III族元素，如B，Al，Ga等； V族元素，如P，As，Sb等 间隙型：Li，可在晶格间运动。 施主杂质（施主杂质为V族元素，其电离电位ED很低。在室温下，这些杂质原子几乎全部电离。掺有施主杂质的半导体称为N 型半导体。） 受主杂质（受主杂质为III族元素，其电离电位EA也很低。掺有受主杂质的半导体称为P 型半导体。）,三、半导体探测器,3.1半导体的基本性质半导体作为探测介质的物理性能 1)平均电离能 入射粒子在半导体介质中平均产
16、生一对电子空穴需要的能量。 2)载流子的漂移 由于电子迁移率n 和 空穴迁移率p 相近，与气体探测器不同，不存在电子型或空穴型半导体探测器。,三、半导体探测器,3.1半导体的基本性质半导体作为探测介质的物理性能 3) 电阻率与载流子寿命 掺杂将大大降低半导体的电阻率，对硅来说掺杂对电阻率的影响比锗显著得多。当半导体材料被冷却到液氮温度时将大大提高电阻率。 载流子寿命-载流子在俘获以前，可在晶体中自由运动的时间。只有当漂移长度大于灵敏体积的长度才能保证载流子的有效收集。对高纯度的Si和Ge 10-3s，决定了Si和Ge为最实用的半导体材料。,半导体电阻率：,三、半导体探测器,3.2 P-N结半导
17、体探测器P-N结半导体探测器的工作原理 1) P-N结区(势垒区)的形成,多数载流子扩散，空间电荷形成内电场并形成结区。结区内存在着势垒，结区又称为势垒区。势垒区内为耗尽层，无载流子存在，实现高电阻率。,三、半导体探测器,3.2 P-N结半导体探测器P-N结半导体探测器的工作原理 1) P-N结区(势垒区)的形成 在P-N结上加反向电压，由于结区电阻率很高，电位差几乎都降在结区。反向电压形成的电场与内电场方向一致。外加电场使结区宽度增大。反向电压越高，结区越宽。 在外加反向电压时的反向电流： 少子的扩散电流，结区面积不变，IS 不变； 结区体积加大，热运动产生电子空穴多，IG 增大； 反向电压
18、产生漏电流 IL ，主要是表面漏电流。 即在使结区变宽的同时，IG 增加, IS不变，并出现IL，此时表现的宏观电流称为暗电流。,三、半导体探测器,3.2 P-N结半导体探测器P-N结半导体探测器的工作原理 2) P-N结半导体探测器的特点 结区的空间电荷分布，电场分布,P-N结内N区和P区的电荷密度分别为：,式中ND和NA分别代表施主杂质和受主杂质浓度；a,b则代表空间电荷的厚度。一般a,b不一定相等，取决于两边的杂质浓度，耗尽状态下结区总电荷为零，即NDaNAb。,三、半导体探测器,3.2 P-N结半导体探测器P-N结半导体探测器的工作原理 2) P-N结半导体探测器的特点 结区的空间电荷
19、分布，电场分布,电场为非均匀电场：,三、半导体探测器,3.2 P-N结半导体探测器P-N结半导体探测器的工作原理 2) P-N结半导体探测器的特点 结区宽度与外加电压的关系 结区宽度的限制因素及结电容随工作电压的变化 受材料的击穿电压的限制；受暗电流的限制。 结区电容随外加电压变化而变化，外加电压的不稳定可以影响探测器输出电压幅度的不稳定。,Ni为掺杂少的一边的杂质浓度。,三、半导体探测器,3.2 P-N结半导体探测器P-N结半导体探测器的类型 1) 扩散结(Diffused Junction)型探测器 采用扩散工艺高温扩散或离子注入；材料一般选用P型高阻硅，电阻率为1000；在电极引出时一定
20、要保证为欧姆接触，以防止形成另外的结。 2) 金硅面垒(Surface Barrier)探测器 一般用N型高阻硅，表面蒸金50100g/cm2 氧化形成P型硅，而形成P-N结。工艺成熟、简单、价廉。,三、半导体探测器,3.2 P-N结半导体探测器P-N结半导体探测器的输出电路,三、半导体探测器,3.3锂漂移半导体探测器锂的漂移特性及P-I-N结 1)间隙型杂质Li Li为施主杂质，电离能很小 0.033eV,Li漂移速度,2)P-I-N结的形成,三、半导体探测器,3.3锂漂移半导体探测器锂的漂移探测器工作原理 空间电荷、电场及电位分布,I区为完全补偿区，呈电中性为均匀电场；I区为耗尽层，电阻率
21、可达1010cm；I区厚度可达1020mm，为灵敏体积。,杂质,电位,电场,电荷,三、半导体探测器,3.4高纯锗半导体探测器 由耗尽层厚度的公式： 降低杂质的浓度Ni可提高耗尽层的厚度。高纯锗半导体探测器是由极高纯度的Ge单晶制成的 P-N结 半导体探测器。杂质浓度为1010原子/cm3。 一般半导体材料杂质浓度为1015原子/cm3。,三、半导体探测器,3.4高纯锗半导体探测器 采用高纯度的P型Ge单晶，一端表面通过蒸发扩散或加速器离子注入施主杂质(如磷或锂)形成N区 和 N+，并形成P-N结。另一端蒸金属形成P+，并作为入射窗。两端引出电极。,HPGe半导体探测器可在常温下保存，低温下工作
22、。,QVE,三、半导体探测器,3.5锂漂移和HPGe半导体探测器的应用 HPGe和Ge(Li)用于组成谱仪：锗具有较高的密度和较高的原子序数(Z=32)。 谱仪的应用：活化分析；X射线荧光分析；核物理研究等。 Si(Li)探测器： 由于Si的Z14，对一般能量的射线，其光电截面仅为锗的1/50，因此，其主要应用为： 低能量的射线和X射线测量， 在可得到较高的光电截面的同时，Si的X射线逃逸将明显低于锗的X射线逃逸；粒子或其他外部入射的电子的探测，由于其原子序数较低，可减少反散射。,总结,一、气体探测器 （原理、工作机制、脉冲电离室、正比计数器、G-M计数管）二、闪烁体探测器 （原理、闪烁体、光电倍增管、单晶闪烁谱仪）三、半导体探测器 （原理、半导体性质、P-N结半导体探测器、锂漂移半导体探测器、高纯锗半导体探测器）,
