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1、核技术应用与辐射防护,第三章 辐射探测器,引言,辐射探测器是指在射线作用下能产生次级效应的器件，而且这种次级效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。,3.1 气体电离探测器,图3-1 气体电离探测器原理图,3.1.1 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是多样和复杂的，除了热运动外，还包括扩散、漂移和复合等。,电子和正离子从密度较大的空间向密度较小
2、的空间运动的过程称为扩散。扩散能力与气体的性质、温度和压强等有关。对于不同气体，离子的扩散系数一般在200500 cm2s-1，而电子的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,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漂移。气体成分确定时，离子的漂移速度与电场强度E成正比，与气体压力 P 成反比。电子的漂移速度不服从此规律，其值比离子大1000倍，而且对气体的成分非常敏感。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。,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复合。单位时间内，电子和
3、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复合率，其正比于电子和离子的密度，其中的比例系数称为复合系数，与气体的性质、温度、压强等有关。,复合率的大小直接影响气体电离探测器的工作电压和线性范围。,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3-2 典型的气体电离探测器的伏安特性曲线,图3-2 典型的气体电离探测器的伏安特性曲线,区（复合区）：电离电流随工作电压的增加急剧上升，反映出电离过程中，电离的复合损失随着电压升高急剧减小。,图3-2 典型的气体电离探测器的伏安特性曲线,区（饱和区）：电离电流已不随两极电压的升高而改变，
4、电离电流趋向饱和，它反映正负离子和电子已被全部收集。,图3-2 典型的气体电离探测器的伏安特性曲线,区（正比区）：随着电压的增加，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，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对数的 l0000倍，这时工作气体本身已具有放大作用。在这一工作区，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数，亦即正比于射线在探测器中消耗的能量。,图3-2 典型的气体电离探测器的伏安特性曲线,区（有限正比区）：由于电压过高，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，初电离增大，气体放大倍
5、数减小。不同能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的增加，电离电流最后趋于相等。,图3-2 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）：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。, 电离室特点 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线测量中。,3.1.2 电离室,美国联合系统公司生产的900型多功能数字核辐射
6、仪,FHT192加压电离室, 电离室工作原理 电离室相当于一个充气的密封电容器。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。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定向漂移。最终在电极上形成电荷积累，产生输出信号。,HPIC-300高压电离室,井型电离室, 电离室结构,（a）平行板电离室 （b）圆桶形电离室图3-3 电离室结构原理图, 电离室的分类及用途 脉冲电离室：测量单个脉冲的电离室，适合于测量射线强度。 电流电离室：测量入射粒子产生的饱和电离电流的电离室，又称为累计电离室。电流电离室
7、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X射线和射线的剂量测量。电流电离室也是测量放射性气体的重要探测器。,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。, 正比计数管工作原理,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关，这就是气体放大作用，也就是正比计数管的工作原理。,图3-2 典型的气体电离探测器的伏安特性曲线,3.1.3 正比计数管, 正比计数管结构 类似于电离
8、室，正比计数管也是由阴极、阳极和工作气体等组成。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。,图3-4 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可分为前开窗和侧开窗两种。,图3-5 正比计数管,（b） 侧开窗式,（a） 前开窗式,盒形正比计数管由两个对称的部分组合而成，主要用于对射线进行4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4正比计数管、方盒形4正比计数管。,图3-7 球形4正比计数管,图3-6 圆柱形4正比计数管（流气式）,BF3正比计数管,MicroCont 表面污染测量仪（流气式氙探测器）,3
9、He正比计数管, 正比计数管的电极 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。, 正比计数管的工作气体 工作气体的选择要满足三个要求：电离时不产生负离子、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，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（CH4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密封式和流气式两种，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
10、素活度的测量中，流气式的盒形正比计数管应用很广泛。, 正比计数管的特点 输出脉冲幅度与粒子所消耗的能量有正比关系，因此常用来测量低能射线。 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，因此正比计数管不仅对高压电源稳定性的要求较高（1%），而且对工作气体也有特殊要求。,坪曲线：计数率与外加电压之间的工作特性曲线,图3-8 正比计数管的坪曲线 （Ra-D-E-F源）,3.1.4 多丝正比室,核乳胶片上的粒子径迹,气泡室中的粒子径迹,流光室中的粒子径迹,云雾室中的粒
11、子径迹,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，法国物理学家夏帕克于1968年在火花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多丝结构的气体探测器，称为多丝正比室。多丝正比室是目前高能物理实验的主要探测器之一。因为这一重大发现，夏帕克获得了1992年的诺贝尔物理学奖。,图3-9 夏帕克和他的多丝正比室,图3-10 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0.1 mm。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。,CERN（欧洲核子研究组织）于1983年发现中间玻色子,多丝正比室的优点： 空间测量精
12、度高； 探测效率高； 适用性好； 可与计算机协同工作。,丁肇中于1974年发现粲夸克粒子,3.1.5 G-M计数管,在区（自激放电区或称盖革区），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，电离电流的大小变化很小，工作于该区的探测器称G-M计数管。,图3-2 典型的气体电离探测器的伏安特性曲线, GM计数管原理, GM计数管特点 G-M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、价格低廉的特点，因此广泛用于测量各种核辐射。 G-M计数管对带电粒子的探测效率几乎达到100，但它对射线的探测效率较低，只有l左右。此外，它的输出脉冲幅度在
13、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。, GM计数管结构,根据外观有钟罩形和圆柱形两种。与正比计数管类似，G-M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，气体放大也局限在阳极附近很小区域内。由于它内部电场强度比正比计数管的还要高，离子倍增剧烈，气体放大倍数也比正比计数管的更大。,图3-11 G-M计数管结构示意图,根据G-M管所充气体，计数管又可分为有机管和卤素管。有机管所充气体主要成分是惰性气体，如氩，占90，称为工作气体，除此尚充有10有机猝灭气体，常见的如酒精、石油醚等。卤素管工作气体也是惰性气体，如氖，微量的猝灭气体为卤素气体
14、，如溴、氯等。,各种形式的G-M计数管,猝灭气体的作用抑制二次放电,Ar原子射线,Ar正离子电子,Ar正离子酒精分子,Ar原子酒精正离子光子,酒精正离子阴极电子,激发态酒精分子,激发态酒精分子解离,吸收, GM计数管性能（1）工作电压,图3-12 GM计数管坪特性曲线,确定GM计数管的工作电压，必须依据计数管的坪特性曲线。 坪长越大、坪斜越小，则性能越好。 GM计数管的工作电压通常选取在坪长的1/31/2处。,（2）分辨时间,（3）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，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。 计数管在失去
15、猝灭能力之前所能计数的次数称为计数管的计数寿命。 有机管计数寿命约为108，卤素管的计数寿命约为109。,可部分恢复,不可恢复,3.2 闪烁探测器,闪烁探测器是利用某些荧光物质在带电粒子作用下被激发或电离后能发射荧光（称为闪烁）的现象来测量射线粒子数目和能量的。这种荧光物质常称为闪烁体。闪烁探测器具有分辨时间短、射线的探测效率高和能测量射线的能量等优点，是目前应用最广的核辐射探测器。,图3-13 FD-3013B伽玛辐射仪,3.2.1 闪烁体,闪烁体,无机晶体闪烁体,有机闪烁体,有机晶体闪烁体,有机液体闪烁体,有机塑料闪烁体,锗酸铋闪烁体,各种塑料和液体闪烁体,碘化钠闪烁体,碘化铯闪烁体,闪烁
16、体的发光机制,铊激活的碘化钠单晶闪烁体NaI(Tl)的发光过程,激发态,激发态,3.2.2 NaI(Tl)闪烁探测器的构成,多样的NaI(Tl)闪烁探测器,图3-14 NaI（Tl）闪烁探测器结构示意图,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，用来探测核物理和粒子物理中的射线或高能粒子，此外在光谱学、光度学、照度学、色度学、光子计数、激光探测、污染监测和热释光计量等方面都有广泛应用。,（1）光电倍增管,图3-15 光电倍增管工作原理图,图3-16 常见的光电倍增管结构,ANTEK 硫光电倍增管，用于ANTEK9000硫氮分析仪上的硫检
17、测器中，是检测荧光信号的关键部件。,法国Photonis光电倍增管,相对论效应实验仪与闪烁探测器,（2）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从中“数出”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分析器的组合。,图3-19 单道脉冲幅度分析原理,能谱的测量装置,相对论效应验实验仪,3.2.3 NaI(Tl)闪烁能谱仪的主要指标,（1）能量分辨率,
18、（2）能量的线性与能量刻度：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。0.99,（3）坪曲线与本底计数率,（4）稳定性,10%,3.2.4 射线的能谱,图3-21 137Cs的能谱,A：光电峰B：康普顿峰C：反散射峰D：X射线峰,不同放射性核素的射线能谱,3.3 半导体探测器,半导体探测器是近30多年逐步发展起来的一种新型辐射探测元件。,半导体探测器的优点： 能量分辨能力高、线性范围宽、输出脉冲上升时间短、结构简单、体积小等。半导体探测器的缺点： 性能随温度变化较大，输出脉冲幅度较小，而且受到强辐射照射器件容易损坏。,RAM-II x 辐射剂量率仪,半导体探测器的分类,
19、按材料分类,硅半导体探测器锗半导体探测器化合物半导体探测器,按灵敏体积的获得工艺分类,均匀体导电型半导体探测器PN结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,扩散结半导体探测器,面垒型半导体探测器,3.3.1 P-N结型半导体探测器,P-N结的形成,P-N结型半导体探测器的工作原理,图3-22 P-N结型半导体探测器1信号输出；2入射粒子；30.1m N型硅；4,5电子及空穴运动方向；6耗尽层；7P型硅,（1）扩散结半导体探测器,在电阻率较高的P型硅片上扩散进一层施主杂质，例如磷，从而在表面形成很高浓度的N层，在P型硅与N型硅交界处形成P-N结，然后在硅片上加上两个适当的连接电极
20、，即制成扩散结半导体探测器。,图3-23 扩散结半导体探测器,比较典型的扩散结半导体探测器为砷化镓探测器，主要用于低能和X射线测量，可以在室温下保存和使用。,（2）面垒型半导体探测器,应用较多的是金硅面垒型探测器。在经过适当处理的N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P型硅的特性，因而在硅片表面附近形成一个PN 结，即耗尽层，又叫势垒区。将金膜接电源负极，N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与电源正极相连。,图3-24 面垒型半导体探测器,金硅面垒型半导体探测器广泛用于、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、应用方便，其缺点是它的金层很
21、薄容易损坏，使用时必须特别细心。,FJ-2603G弱放射性测量仪（金硅面垒，西安核仪器厂）,ASM-I型土壤氡测量仪 （金硅面垒）,锂的电离能很小，而且它的离子半径较硅、锗晶格常数小很多，所以在P型硅的表面涂一层锂时，在一定温度下(350-450 )，锂离子很容易扩散到硅晶体内部去。硅片表面附近，由于Li+浓度高，使P型硅转化为N型硅，而在深处仍为P型硅，从而在界面处形成PN结。在几百伏反向偏压作用下，并控制温度在100-200 ，则 Li+继续向 P型硅深处漂移。漂移过程中，由于静电作用，Li+可能与受主离子结合成中性离子对，该过程叫做“补偿效应”。在锂离子漂移到的区域，通过补偿效应就形成了
22、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。,3.3.2 锂漂移半导体探测器,图3-25 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。 用硅制成的叫做硅锂探测器，简称Si(Li)探测器，常用于、X射线和低能射线计数测量和能谱测量； 用锂漂移锗制成的叫做锗锂探测器，简记Ge(Li)探测器，特别适合测量射线，在无损活化分析和环境样品监测中广泛应用。 锂漂移探测器必须在低温下保存和工作。,图3-26 Ge(Li)半导体谱仪结构原理1一恒低温容器；2一液氮；3一铜冷却棒；4Ge(Li)探测器,Ge(Li)半导体谱仪实物,3.3.3 半导体探测器的性能参数,（1）工作偏压
23、 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，直接影响着探测器的能量分辨率。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。,（2）工作温度 PN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。,（3）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，所以，无论是PN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。,（4）能量分辨率 能量分辨率是探测器重要指标之一，良好的能量分辨率是半导体探测器主要优点。
24、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、探测器和电子学系统的噪声。,3.4 热释光探测器,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，此过程为热释光辐射，发光物质本身叫磷光体。,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同的发光峰，这些峰各自对应着磷光体的陷阱能级，每个发光峰下的面积正比于俘获电子的数目，因而正比于辐射剂量；对恒定的升温率，峰高也正比于剂量。,图3-27 BGD3B型热释光剂量仪及配件,
