核探測(cè)與核電子學(xué)

1、核探測(cè)與核電子學(xué)摘要：核輻射探測(cè)器是核物理、粒子物理研究及輻射應(yīng)用中不可缺少的工具和手段。核輻射探測(cè)器的工作過程大致分為二階段：一是與輻射反應(yīng)，生成某種信息，該過程屬于核測(cè)控內(nèi)容；二是該信息的記錄、收集、處理，該過程屬于核電子學(xué)內(nèi)容。關(guān)鍵字：核輻射、核電子學(xué)、核輻射探測(cè)器。1 前言核輻射探測(cè)器，簡(jiǎn)稱為核探測(cè)器，也稱為核探測(cè)設(shè)備。是一種輻射射線檢測(cè)裝置。核輻射是原子核從某種能量狀態(tài)或某種結(jié)構(gòu)向另一種結(jié)構(gòu)或狀態(tài)發(fā)生轉(zhuǎn)變時(shí)，在轉(zhuǎn)變過程中釋放出來的微觀粒子流，這是一個(gè)涉及原子或原子核的過程，從原子核中釋放出的輻射。輻射、中子輻射、和輻射等這些輻射都稱為核輻射1。X，射線都是屬于電磁輻射范疇，X-ray

2、是由核外電子在躍遷過程中產(chǎn)生的，射線是在核躍遷或粒子湮滅過程的中發(fā)出來的電磁輻射2。核輻射探測(cè)器可以說是粒子物理研究以及核物理研究中最為基礎(chǔ)，也是極其重要的一項(xiàng)技術(shù)和工具，核輻射探測(cè)器的基本工作原理如圖。當(dāng)輻射射線（或粒子）輻照到探測(cè)器的電荷靈敏區(qū)，而電荷靈敏區(qū)內(nèi)的物質(zhì)在輻射的激發(fā)下會(huì)產(chǎn)生出大量電子-空穴對(duì)，在外加電場(chǎng)的作用下分別向正負(fù)電極移動(dòng)而產(chǎn)生電學(xué)信號(hào)，對(duì)電學(xué)信號(hào)的分析整理，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)輻射射線或粒子的探測(cè)。高能物理事業(yè)、核技術(shù)及現(xiàn)代電子學(xué)的發(fā)展, 帶動(dòng)各種探測(cè)器技術(shù)不斷發(fā)展。輻射探測(cè)器是通過粒子與適當(dāng)?shù)奶綔y(cè)介質(zhì)相互作用而產(chǎn)生某種信息，經(jīng)放大后被記錄、分析，以轉(zhuǎn)變?yōu)楦鞣N形式的直接或間接可為

3、人們感官所能接受的信息，從而確定粒子的數(shù)目、位置能量、動(dòng)量、飛行時(shí)間、速度質(zhì)量等物理量。按照產(chǎn)生信息的方式，探測(cè)器大體上可分為計(jì)數(shù)器和徑跡室兩大類。本文以探測(cè)器原理依據(jù)，分別介紹不同探測(cè)器原理，以及核電子技術(shù)在不同探測(cè)器的應(yīng)用原理2.計(jì)數(shù)器類探測(cè)器計(jì)數(shù)探測(cè)器是應(yīng)用最廣泛的輻射探測(cè)器。它以電脈沖的形式記錄、分析輻射產(chǎn)生有關(guān)信息。這種類型探測(cè)器的問世，導(dǎo)致了核電子學(xué)這一新的分支學(xué)科的出現(xiàn)和發(fā)展。最常用的計(jì)數(shù)器類探測(cè)器主要有氣體探測(cè)器、半導(dǎo)體探測(cè)器和閃爍探測(cè)器三大類。2.1氣體探測(cè)器氣體探測(cè)器的主要特點(diǎn)是以氣體為探測(cè)介質(zhì)。在核物理發(fā)展的早期，它們?cè)?jīng)是應(yīng)用最廣泛的探測(cè)器，50年代以后，才逐步被取代然

4、而氣體探測(cè)器所特有的優(yōu)點(diǎn)，例如，制備簡(jiǎn)單、性能可靠、使用方便等,上世紀(jì)70年代以后，在高能物理和重離子物理的實(shí)驗(yàn)中又獲得了新的應(yīng)用。氣體探測(cè)器主要有電離室、正比計(jì)數(shù)器和蓋革計(jì)數(shù)器三種。它們的結(jié)構(gòu)相似，一般都是有兩個(gè)電極的小室，充有某種氣體。它們的結(jié)構(gòu)相似，一般都是有兩個(gè)電極的小室，充有某種氣體。2.1.1工作原理圖1離子對(duì)收集數(shù)與電壓關(guān)系當(dāng)帶電粒子進(jìn)入室內(nèi)時(shí)，和室內(nèi)氣體相互作用，使氣體電離形成電子和正離子，離子對(duì)的數(shù)目不僅與入射帶電粒子的能量有關(guān)，同時(shí)也與氣體探測(cè)器所加的偏壓有關(guān)。如下圖1，根據(jù)所加偏壓大小，可以使得氣體探測(cè)器工作在不同區(qū)間，其主要區(qū)別是離子對(duì)數(shù)的收集。探測(cè)器處于復(fù)合區(qū)間時(shí)，收

5、集到的離子對(duì)數(shù)小于初始電離產(chǎn)生的離子對(duì)數(shù)；處于飽和區(qū)時(shí)，收集到的離子對(duì)數(shù)等于；處于正比區(qū)時(shí)，收集到的離子對(duì)數(shù)大于，且有N=M，M為氣體放大倍數(shù)；處于G-M工作區(qū)與連續(xù)放電區(qū)，收集到的離子對(duì)數(shù)完全與入射粒子能量無關(guān)。因此可以看出，氣體探測(cè)器信號(hào)載流子的收集由探測(cè)器靈敏體積所加偏壓決定。如果加上電壓，這些離子和電子將會(huì)在電場(chǎng)作用下，分別向兩極運(yùn)動(dòng),在陽極產(chǎn)生電信號(hào)，離子對(duì)收集后產(chǎn)生電流信號(hào)，對(duì)于該電流信號(hào)的處理，主要進(jìn)行于探測(cè)器的輸出回路。輸出電路通常包括探測(cè)器本身的輸出部分電路以及和探測(cè)器相連的放大器輸入電路。輸出電壓大小與入射粒子位置有關(guān)，具體探測(cè)結(jié)果由電子學(xué)測(cè)量設(shè)備記錄。這時(shí)不能作能量測(cè)量，

6、只能用作計(jì)數(shù)，但計(jì)數(shù)率可較高。電離室工作電壓較低, 沒有放大作用，其輸出脈沖幅度較小；正比計(jì)數(shù)器的工作電壓較高，有放大作用，輸出脈沖幅度較大，脈沖幅度正比于入射粒子損失的能量；蓋革計(jì)數(shù)器的工作電壓更高，已不再正比于原始電離的離子對(duì)數(shù)，可以不經(jīng)放大直接被記錄。2.1.2主要應(yīng)用電離室有各種類型，如用于測(cè)量放射源標(biāo)準(zhǔn)的2電離室；有用于測(cè)量中子強(qiáng)度的補(bǔ)償電離室;有用于測(cè)量相當(dāng)稀少粒子事件的大體積慢脈沖電離室;有用于源強(qiáng)度絕對(duì)測(cè)量的2脈沖電離室和用于測(cè)量粒子能量的屏柵電離室等。正比計(jì)數(shù)管不僅可以用于測(cè)量帶電重粒子，而且還對(duì)低能、低能、和x射線譜的測(cè)量都顯示出有很大的優(yōu)越性。蓋革計(jì)數(shù)器在測(cè)量放射性的相對(duì)

7、強(qiáng)度、測(cè)定粒子的方向等方面有著廣泛的用途。2.1.3發(fā)展趨勢(shì) 氣體探測(cè)器研制出了正比閃爍室、自碎滅流光計(jì)數(shù)器、液氮電離室、液氫電離室，新的微條氣體正比室、微間隙氣體探測(cè)器、微網(wǎng)結(jié)構(gòu)的氣體探測(cè)器、氣體電子倍增器、高阻板探測(cè)器等【3】。液氫電離室可以作為電磁量能器的計(jì)數(shù)器。隨著理論研究的進(jìn)一步深入以及對(duì)新材料的不斷探索和制造技術(shù)的進(jìn)步，氣體探測(cè)器將會(huì)得到進(jìn)一步的發(fā)展。2.2 閃爍體探測(cè)器閃爍體探測(cè)器(Scintillation Detector)是利用電離輻射在某些物質(zhì)中產(chǎn)生的閃光來進(jìn)行探測(cè)的，也是目前應(yīng)用最多、最廣泛的電離輻射探測(cè)器之一。輻射引起物質(zhì)發(fā)光的現(xiàn)象很早就被人們所關(guān)注和利用:早在190

8、3年，威廉·克魯克斯就發(fā)明了由硫化鋅熒光材料制成的閃爍鏡并用其觀察鐳衰變放出的輻射;盧瑟福在其著名的盧瑟福散射實(shí)驗(yàn)中也曾使用硫化鋅熒光屏觀測(cè)粒子。不過，由于傳統(tǒng)熒光材料在使用上很不方便，閃爍探測(cè)器一直沒有大的進(jìn)展。1947年Coltman和Marshall成功利用光電倍增管測(cè)量了輻射在閃爍體內(nèi)產(chǎn)生的微弱熒光光子，這標(biāo)志著現(xiàn)代閃爍體探測(cè)器的發(fā)端。之后隨著光電倍增管等微光探測(cè)器件的應(yīng)用和相關(guān)技術(shù)的進(jìn)步，閃爍體探測(cè)器得到了非常迅速的發(fā)展，各種新型閃爍體材料層出不窮。由于具有探測(cè)效率高、分辨時(shí)間短、使用方便、適用性廣等特點(diǎn)，閃爍體探測(cè)器在某些方面的應(yīng)用已超過氣體探測(cè)器，并為射線譜學(xué)的形成和發(fā)

9、展提供了可能。2.2.1閃爍體探測(cè)器組成1) 閃爍體閃爍體是閃爍體探測(cè)器的重要能量轉(zhuǎn)換介質(zhì)，它是指能吸收粒子或射線而發(fā)出光子的材料。閃爍體可分為三類：a) 無機(jī)閃爍體 常見的有NaI（Ti）和CsI（Ti）晶體, 它們對(duì)電子、下輻射靈敏，發(fā)光效率高，有較好的能量分辨率，但光衰減時(shí)間較長(zhǎng)；BGO晶體密度大，發(fā)光效率高，因而對(duì)高能電子、輻射探測(cè)十分有效。其他如用銀（Ag）激活的硫化鋅ZnS（Ag）主要用來探測(cè)粒子；玻璃閃爍體可以測(cè)量粒子，加入載體后可測(cè)量中子；氟化鋇（BaF）密度大，有熒光成分，既適合于能量測(cè)量，又適合于時(shí)間測(cè)量。b) 有機(jī)閃爍體包括塑料、液體和晶體，前兩種使用普遍。由于它們的光衰

10、減時(shí)間短（23ns，快塑料閃爍體可小于1n），常用在時(shí)間測(cè)量中。它們對(duì)帶電粒子的探測(cè)效率將近百分之百。c) 氣體閃爍體,包括氮、氦、氫等惰性氣體，發(fā)光效率不高，但光衰減時(shí)間較短（<10ns），常作為記錄裂變產(chǎn)物和重粒子的探測(cè)器。2) 光電倍增管它是閃爍探測(cè)器的最重要部件之一，由光陰極和倍增電極組成。光陰極的作用是將閃爍體的光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，倍增電極則充當(dāng)一個(gè)放大倍數(shù)大于􀀂護(hù)的放大器，光陰極上產(chǎn)生的電子經(jīng)加速到倍增電極上，每個(gè)倍增電極上均發(fā)生電子的倍增現(xiàn)象，倍增極的培增系數(shù)與所加電壓成正比。光電倍增管可分為“聚焦型”和“ 非聚焦型” 兩類。2.2.2 工作原理閃爍探測(cè)器

11、由閃爍體, 光電倍增管, 電源和放大器、分析器、定標(biāo)器系統(tǒng)組成, 現(xiàn)代閃爍探測(cè)器往往配備有計(jì)算機(jī)系統(tǒng)來處理測(cè)量結(jié)果。 當(dāng)射線通過閃爍體時(shí), 閃爍體被射線電離、激發(fā), 并發(fā)出一定波長(zhǎng)的光, 這些光子射到光電倍增管的光陰極上發(fā)生光電效應(yīng)而釋放出電子, 電子流經(jīng)電倍增管多級(jí)陰極線路逐級(jí)放大后或?yàn)殡娒}沖, 輸入電子線路部分, 而后由定標(biāo)器記錄下來。 光陰極產(chǎn)生的電子數(shù)量與照射到它上面的光子數(shù)量成正比例, 即放射性同位素的量越多, 在閃爍體上引起閃光次數(shù)就越多, 從而儀器記錄的脈沖次數(shù)就越多。 測(cè)量的結(jié)果可用計(jì)數(shù)率, 即射線每分鐘的計(jì)數(shù)次數(shù)( 簡(jiǎn)寫為 cpm ) 表示, 現(xiàn)代計(jì)數(shù)裝置。2.2.3主要應(yīng)用

12、 閃爍探測(cè)器的粒子適用范圍很廣，對(duì)能量在leV-10GeV范圍內(nèi)的輻射粒子都適用s探測(cè)效率高，分辨時(shí)間短，己成為當(dāng)今應(yīng)用最多的探測(cè)器之一。在高能物理及核物理、地球物理學(xué)、放射化學(xué)、醫(yī)學(xué)輻射、安全稽查等眾多領(lǐng)域都得到了應(yīng)用。其中又以無機(jī)閃爍探測(cè)器的應(yīng)用最為廣泛。其應(yīng)用可以歸結(jié)為四類:能譜測(cè)量;強(qiáng)度測(cè)量;時(shí)間測(cè)量;劑量測(cè)量。其中，劑量測(cè)量是強(qiáng)度和能量測(cè)量的結(jié)合。2.2.4發(fā)展趨勢(shì)CsI、BGO等閃爍體的性能不斷得到改進(jìn)提高。最新處于研究熱點(diǎn)的Ce3+離子摻雜的新型閃爍晶體由于具有高光輸出快衰減的特性，已成為核醫(yī)學(xué)、高能物理等領(lǐng)域關(guān)注的焦點(diǎn)【4】;一些新型閃爍探測(cè)器材料如LSO, GSO等不斷的被開

13、發(fā)利用。隨著新型閃爍體材料的開發(fā)和制作工藝不斷進(jìn)步，閃爍探測(cè)器的性能將會(huì)進(jìn)一步完善與提高。2.3 半導(dǎo)體探側(cè)器在核輻射探測(cè)器領(lǐng)域中，一個(gè)最重要的發(fā)展，就是半導(dǎo)體探測(cè)器的制成和使用。半導(dǎo)體探測(cè)器具有其他各種類型探測(cè)器所無可比擬的好的能量分辨率，因而自從60年代有商品生產(chǎn)的半導(dǎo)體探測(cè)器以后，這種探測(cè)器就得到了迅速的發(fā)展。2.3.1工作原理使用時(shí)電極K和A上加工作電壓, 在固體介質(zhì)內(nèi)部形成強(qiáng)電場(chǎng)區(qū)。當(dāng)帶電粒子進(jìn)入介質(zhì)后，由于電離作用而產(chǎn)生電子一空穴對(duì)，在強(qiáng)電場(chǎng)作用下，電子和空穴各自向相反的電極方向移動(dòng)，并在電極上感應(yīng)產(chǎn)生電荷，在負(fù)載RL上形成信號(hào)脈沖輸出。產(chǎn)生的電信號(hào)與入射粒子的能量損失成正比。這樣

14、我們就可以由所測(cè)的電信號(hào)來確定入射粒子的能量及射線的其他性質(zhì)。2.3.2 主要應(yīng)用半導(dǎo)體探測(cè)器有很多優(yōu)點(diǎn)：1）非常好的位置分辨率2）很高的能量分辨率；3）很寬的線性范圍；4）非?？斓捻憫?yīng)時(shí)間：可達(dá)到5ns左右；5）體積可做得很?。喊雽?dǎo)體探測(cè)器可以做得很薄, 典型厚為300m。因此廣泛地應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域的射線能譜測(cè)量。擴(kuò)散型和面壘型探測(cè)器，可獲得很好的帶電粒子能譜；鋰漂移鍺半導(dǎo)體探測(cè)器, 可獲得能譜；鋰漂移硅半導(dǎo)體探測(cè)器，可獲得很好射X線能譜；高純鍺探測(cè)器，主要用于測(cè)量中、高能的帶電粒子和能量在300KeV至400KeV的X射線和低能射線；半導(dǎo)體位置靈敏探測(cè)器，可同時(shí)測(cè)量帶電粒子的能量和位置；另外

15、還有砷化鎵、碲化鎘、碘化汞等化合物半導(dǎo)體探測(cè)器，可在室溫或高于室溫下工作， 有很強(qiáng)的抗輻照能力。在核醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的CT和其他數(shù)字化圖像方面的應(yīng)用研究，也有很多新的進(jìn)展。2.3.3 發(fā)展趨勢(shì)半導(dǎo)體探測(cè)器是當(dāng)前國(guó)際上研究的熱點(diǎn)。硅微條探測(cè)器，被認(rèn)為是80年代核探測(cè)器技術(shù)方面的重要進(jìn)展之一。它是采用先進(jìn)的半導(dǎo)體電子器件平面技術(shù)工藝制作的，故有時(shí)也稱其為平面工藝硅探測(cè)器（PPSD），位置分辨率目前能做到好于1.4m；像素探測(cè)器，能夠非常快的提供二維信息；還有采用微電子工藝技術(shù)研制的硅多條探測(cè)器、電荷藕合器件探測(cè)器CCD、硅片探測(cè)器、硅漂移室等【5】。半導(dǎo)體探測(cè)器的主要缺點(diǎn)是：1)對(duì)輻射損傷較靈敏，受強(qiáng)輻照

16、后性能變差；2）常用的鍺探測(cè)器，需要在低溫（液氮）條件下工作，甚至要求在低溫下保存,使用不便。目前在國(guó)外，對(duì)室溫、低溫半導(dǎo)體探測(cè)器的研究取得了不少進(jìn)展，微量熱器和超導(dǎo)探測(cè)器己有較快發(fā)展；對(duì)非液氮制冷技術(shù)進(jìn)行了探索。國(guó)內(nèi)電制冷的探測(cè)器己經(jīng)出現(xiàn)，但效果不理想。這方面的發(fā)展值得關(guān)注。3. 徑跡室類探測(cè)器徑跡室類探測(cè)器是直接記錄粒子走過徑跡圖像的探測(cè)器。根據(jù)徑跡的粗細(xì)、疏密、長(zhǎng)度、徑跡彎曲程度和徑跡的數(shù)量分布等，獲得粒子的各種信息。這類探測(cè)器大多用于高能物理實(shí)驗(yàn)。3.1 核乳膠能記錄帶電粒子單個(gè)徑跡的照相乳膠。入射粒子在乳膠中形成潛影中心，經(jīng)過化學(xué)處理后記錄下粒子徑跡，可在顯微鏡下觀察。它有極佳的位置

17、分辨本領(lǐng)（1m）。3.2 云室和泡室使入射粒子產(chǎn)生的離子集團(tuán)在過飽和蒸氣中形成冷凝中心而結(jié)成液滴（云室），在過熱液體中形成氣化中心而變成氣泡（泡室），用照相方法記錄，使帶電粒子的徑跡可見。泡室有較好的位置分辨率（好的可達(dá)10m），本身又是靶，目前常以泡室為頂點(diǎn)探測(cè)器配合計(jì)數(shù)器一起使用。3.3 火花室和流光室這些裝置都需要較高的電壓，當(dāng)粒子進(jìn)入裝置產(chǎn)生電離時(shí)，離子在強(qiáng)電場(chǎng)下運(yùn)動(dòng)，形成多次電離，多次電離過程中先產(chǎn)生流光，后產(chǎn)生火花，使帶電粒子的徑跡成為可見。流光室具有較好的時(shí)間特性。它們都具有較好的空間分辨率（約200m）。固體徑跡探側(cè)器。重帶電粒子打在諸如云母、塑料、類材料上，沿路徑產(chǎn)生損傷，經(jīng)

18、過化學(xué)處理（蝕刻）后，將損傷擴(kuò)大成可在顯微鏡下觀察的空洞，適于探測(cè)重核。固體徑跡探測(cè)器的材料，按現(xiàn)有情況可分三類：一類是非結(jié)晶物質(zhì)，如各種玻璃、金屬和陶瓷等； 另一類是結(jié)晶物質(zhì)，如云母、石英、氯化銀及氟化鋰等；還有一類是聚合物，如聚碳酸醋、硝化纖維、醋酸纖維等。3. 結(jié)束語探測(cè)器技術(shù)的飛速發(fā)展和應(yīng)用不僅促進(jìn)了基礎(chǔ)學(xué)科一物質(zhì)結(jié)構(gòu)的究， 而且還推動(dòng)了高能物理、天體物理、宇宙線物理、核醫(yī)學(xué)數(shù)字影像技術(shù)等領(lǐng)域的發(fā)展。未來不僅在高能物理和天體物理實(shí)驗(yàn)中，而且在工業(yè)探傷、海關(guān)集裝箱檢測(cè)、石油探井、無接觸測(cè)量（核子秤,測(cè)厚議等）、用于診斷和治療癌癥的、X射線斷層照相（CT）和正電子斷層照相PET等很多領(lǐng)域一定還會(huì)有更美好的應(yīng)用前景。參考文獻(xiàn)1付凱,于國(guó)浩，陸敏. GaN基PIN結(jié)構(gòu)X射線探測(cè)器的研制，發(fā)光學(xué)報(bào)，2011, Vol. 32: 720 2袁愿林