半導(dǎo)體探測(cè)器與氣體探測(cè)器性能分析6

1、半導(dǎo)體探測(cè)器與氣體探測(cè)器性能分析作者姓名：孟慶彥專業(yè)名稱：核工程與核技術(shù)指導(dǎo)教師：李泰華教授摘要輻射粒子探測(cè)器是粒子物理、核物理、放射性測(cè)量等領(lǐng)域研究的重要儀器，可以有效地保證財(cái)產(chǎn)和人身安全，而且廣泛應(yīng)用于國(guó)民經(jīng)濟(jì)和國(guó)防等多種領(lǐng)域。氣體探測(cè)器、閃爍體探測(cè)器和半導(dǎo)體探測(cè)器是近幾十年來(lái)先后發(fā)展起來(lái)的三類主要探測(cè)器。文中詳細(xì)介紹了半導(dǎo)體探測(cè)器和氣體探測(cè)器的原理，并對(duì)相關(guān)的設(shè)備儀器和放射源做了簡(jiǎn)短的介紹。半導(dǎo)體探測(cè)器可以探測(cè)到衰變放射的X射線，氣體探測(cè)器里面含有放射源，繼續(xù)使用作為樣品，會(huì)影響探測(cè)器的性能，因此使用錳粉和淀粉配置的樣品代替，實(shí)驗(yàn)需要進(jìn)行樣品的研磨與壓片。分別使用探測(cè)器對(duì)X射線進(jìn)行測(cè)量并

2、用能譜儀分析能譜，主要研究?jī)煞N探測(cè)器的相關(guān)性能，了解它們各自的能量分辨率及其使用范圍，目的在于加強(qiáng)對(duì)兩種探測(cè)器的能量分辨率的認(rèn)識(shí)，給人們?cè)谝院蟮墓ぷ骱蛯W(xué)習(xí)中一個(gè)有益的指導(dǎo)。關(guān)鍵詞：半導(dǎo)體探測(cè)器 氣探測(cè)器 能量分辨率AbstractRadiation particle detector is an important instrument of the research in the field of particle physics, nuclear physics, radioactivity measurements, can effectively ensure the property

3、 and personal safety, and are widely used in a variety of areas of the national economy and national defense. Gas, scintillation and semiconductor detectors have been developed three main types of detectors in recent decades.The principle of semiconductor detectors and gas detectors is described in

4、this paper; a brief to the associated apparatus and radioactive sources is introduced. Si-PIN semiconductor detector can detect the X-ray radiation from 55Fe, gas detectors contain 238Pu sources, so use 55Fe as a sample can affect the performance of the detector and use manganese powder and starch s

5、amples instead of them, the experiment need to grinding and tabletting sample. The X-ray were measured and analyzed by detector separately and spectrometer was analyzed by energy spectrum, mainly studies two kinds of relative performance, understand their energy resolution and its use range, the pri

6、ncipal purpose is to enhance the understanding of the energy resolution of the two detectors, give people a useful guidance for future work and learning.Keywords: semiconductor detector, gas detectors, energy resolution目錄摘要IAbstractII目錄III前言11探測(cè)器概述31.1探測(cè)器簡(jiǎn)介31.2輻射探測(cè)器發(fā)展歷史31.3輻射探測(cè)器發(fā)展現(xiàn)狀42半導(dǎo)體探測(cè)器52.1半導(dǎo)體探測(cè)

7、器的基本原理52.2半導(dǎo)體探測(cè)器的儀器應(yīng)用53氣體探測(cè)器73.1氣體探測(cè)器的基本原理73.2氣體探測(cè)器的工作區(qū)間84實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)104.1實(shí)驗(yàn)材料和儀器104.1.1 Si-PIN半導(dǎo)體探測(cè)器10充Xe（或充Ar）薄Be窗窗柱型側(cè)窗正比計(jì)數(shù)管114.1.3 ADC4096多道能譜儀11多道分析儀114.1.5 238Pu114.2實(shí)驗(yàn)方法12實(shí)驗(yàn)原理13樣品的制備14測(cè)量145實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及處理165.1實(shí)驗(yàn)所得數(shù)據(jù)165.2數(shù)據(jù)處理及分析195.3結(jié)論21總結(jié)22致謝23參考文獻(xiàn)24前言核輻射，或通常稱之為放射性，存在于所有的物質(zhì)之中，這是億萬(wàn)年來(lái)存在的客觀事實(shí)，是正?，F(xiàn)象。核輻射是原子核從一種

8、結(jié)構(gòu)或一種能量狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N結(jié)構(gòu)或另一種能量狀態(tài)過(guò)程中所釋放出來(lái)的微觀粒子流，包括輻射、輻射和輻射、中子輻射等。核輻射可以使物質(zhì)引起電離或激發(fā)，故稱為電離輻射。少量的輻射照射不會(huì)危及人類的健康，過(guò)量的放射性射線照射對(duì)人體會(huì)產(chǎn)生傷害，使人致病、致死。劑量越大，危害越大。為了保證核電站的正常穩(wěn)定安全運(yùn)行以及工作人員和公眾人員的安全，核輻射測(cè)量是必須的。核輻射探測(cè)器的物理基礎(chǔ)是核輻射和物質(zhì)的相互作用，利用核輻射在氣體、液體、固體中的電離效應(yīng)、發(fā)光現(xiàn)象、物理或化學(xué)變化進(jìn)行核輻射探測(cè)與測(cè)量的元件稱為核輻射探測(cè)器。從核輻射能開(kāi)始被發(fā)現(xiàn)時(shí)起，就使用了氣體電離室、照相底片和晶體探測(cè)器，到現(xiàn)在已有一百多年的歷

9、史。自從鍺(鋰)、硅(鋰)半導(dǎo)體探測(cè)器在六十年代發(fā)展起來(lái)后，此類器件的制備工藝已臻完善，沒(méi)幾年就進(jìn)入商品生產(chǎn)階段，隨著高純鍺單晶制備成功，1970年國(guó)外制出了第一個(gè)高純鍺探測(cè)器。由于它比鍺(鋰)探測(cè)器制備工藝簡(jiǎn)單得多，可在室溫儲(chǔ)存，既可探測(cè)X、射線，又適用干帶電粒子的探測(cè)，因此近年來(lái)高純鍺探測(cè)器得到了迅速發(fā)展。在核物理實(shí)驗(yàn)以及國(guó)民經(jīng)濟(jì)各個(gè)領(lǐng)域中都得到了廣泛的應(yīng)用，發(fā)展很快特別是高純鍺材料的獲得并成功地制成核輻射探測(cè)器，就更開(kāi)拓了它的應(yīng)用領(lǐng)域。20世紀(jì)70年代末，歐洲核子研究中心(CERN)的夏帕克因發(fā)明了多絲正比室獲得了1992年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，促使氣體探測(cè)器得到了充分發(fā)展在高能物理等領(lǐng)域中起

10、到了重要作用。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展、核物理實(shí)驗(yàn)和核科學(xué)研究的深入、核技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)大，核輻射探測(cè)器和探測(cè)系統(tǒng)也發(fā)生著顯著的變化。目前常用的氣體探測(cè)器、閃爍體探測(cè)器和半導(dǎo)體探測(cè)器，它們是隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和核物理、粒子物理實(shí)驗(yàn)和其它應(yīng)用的需要，在不同的時(shí)期開(kāi)發(fā)研制并逐漸完善成目前所具有的探測(cè)器系列。它們之間由于各自有各自的優(yōu)缺點(diǎn)，所以在某一或某些應(yīng)用中起著主導(dǎo)作用，但它們之間并不存在誰(shuí)能完全代替誰(shuí)而將其淘汰，而是隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，相互共存并都在不斷的創(chuàng)新發(fā)展，促使核輻射探測(cè)器及探測(cè)系統(tǒng)跟著發(fā)生顯著的變化。當(dāng)今又是核技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大的時(shí)代，核技術(shù)在核物理、粒子物理、原子物理、天文學(xué)、天體物理

11、、宇宙空間等幾大交叉學(xué)科中的應(yīng)用，在核能利用、工業(yè)自動(dòng)化中的應(yīng)用，以及在國(guó)家安全檢測(cè)（包括反恐、防恐、反毒、緝毒，自動(dòng)行李包、自動(dòng)集裝箱的檢測(cè)，人體X射線的檢查）和核醫(yī)學(xué)成像等領(lǐng)域內(nèi)的廣泛應(yīng)用都需要不同類型的探測(cè)器和探測(cè)系統(tǒng)，這就促使氣體探測(cè)器、閃爍體探測(cè)器、半導(dǎo)體探測(cè)器、核輻射成像探測(cè)器在近十多年來(lái)有了長(zhǎng)足的進(jìn)步和飛速的發(fā)展。本文基于這兩種探測(cè)器的工作原理、應(yīng)用范圍、優(yōu)缺點(diǎn)等對(duì)放射性探測(cè)器進(jìn)行能量分辨率方面的性能分析。1探測(cè)器概述1.1探測(cè)器簡(jiǎn)介探測(cè)器(detector)是觀察、記錄粒子的裝置，核物理和粒子物理實(shí)驗(yàn)研究中不可缺少的設(shè)備?？煞譃閮深悾河?jì)數(shù)器和徑跡探測(cè)器。計(jì)數(shù)器有電離室、正比計(jì)數(shù)

12、器、蓋革-米勒計(jì)數(shù)器、閃爍計(jì)數(shù)器、切倫科夫計(jì)數(shù)器、半導(dǎo)體探測(cè)器等等。它的目的主要是用來(lái)記錄粒子的數(shù)目。一般要求計(jì)數(shù)器具有一定的時(shí)間分辨率，即先后兩個(gè)粒子射入計(jì)數(shù)器可分辨的時(shí)間。通常計(jì)數(shù)器常與定標(biāo)電路和符合電路聯(lián)合使用。定標(biāo)電路是一種將脈沖計(jì)數(shù)進(jìn)制的電路，通過(guò)計(jì)數(shù)器與定標(biāo)電路的聯(lián)用，可對(duì)粒子快速計(jì)數(shù)；符合電路是將兩個(gè)或兩個(gè)以上的計(jì)數(shù)管同電子線路配合而成，它可以專門只記錄那些使計(jì)數(shù)管協(xié)同動(dòng)作的粒子，而對(duì)于只使一個(gè)計(jì)數(shù)管動(dòng)作的粒子不作反應(yīng)，從而記錄所需尋找的粒子。徑跡探測(cè)器有云室、氣泡室、流光室、火花室、多絲正比室、核乳膠等。它可以顯示粒子穿行的徑跡。徑跡探測(cè)器配以適當(dāng)?shù)拇艌?chǎng)，可根據(jù)徑跡的長(zhǎng)短、粗細(xì)

13、、彎曲的方向和彎曲的曲率半徑推測(cè)出粒子的電荷、質(zhì)量和能量。1.2輻射探測(cè)器發(fā)展歷史早在1908年，氣體電離探測(cè)器就已問(wèn)世。但直到1931年脈沖計(jì)數(shù)器出現(xiàn)后才解決了快速計(jì)數(shù)問(wèn)題。1947年，閃爍計(jì)數(shù)器的出現(xiàn)，由于其密度遠(yuǎn)大于氣體而大大提高了對(duì)粒子的探測(cè)效率。最顯著的是碘化鈉(鉈)閃爍體，對(duì)射線還具有較高的能量分辨本領(lǐng)。60年代初，半導(dǎo)體探測(cè)器的研制成功，使能譜測(cè)量技術(shù)有了新的發(fā)展。現(xiàn)代用于高能物理、核物理和其他科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域的各種類型探測(cè)器件和裝置，都是基于上述三種類型探測(cè)器件經(jīng)過(guò)不斷改進(jìn)創(chuàng)新而發(fā)展起來(lái)的。1.3輻射探測(cè)器發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)入二十一世紀(jì)以來(lái)，隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，我國(guó)核輻射探測(cè)器行業(yè)

14、保持了多年高速增長(zhǎng)。隨著我國(guó)加入WTO，近年來(lái)，核輻射探測(cè)器行業(yè)的出口也形勢(shì)喜人。2008年，全球金融危機(jī)爆發(fā)，我國(guó)核輻射探頭、核輻射探測(cè)器行業(yè)發(fā)展也遇到了一些困難，如國(guó)內(nèi)需求下降，出口減少等，核輻射探測(cè)器行業(yè)普遍出現(xiàn)了經(jīng)營(yíng)不景氣和利潤(rùn)下降的局面。2009年，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)刺激計(jì)劃出臺(tái)和全球經(jīng)濟(jì)走出低谷，我國(guó)核輻射探測(cè)器行業(yè)也逐漸從金融危機(jī)的打擊中恢復(fù)，重新進(jìn)入良性發(fā)展軌道。每年都有探測(cè)器的改進(jìn)和新探測(cè)器的出現(xiàn)，但這些創(chuàng)新對(duì)物理研究的影響可能是有限的。許多年人力物力的巨額投資，以及今天大型實(shí)驗(yàn)對(duì)資金的需求，使得構(gòu)思新探測(cè)器的熱情有所冷卻。然而，正在制造或計(jì)劃制造的一些巨大的探測(cè)器，體現(xiàn)了那些曾被

15、認(rèn)為是革新的但無(wú)成功保證的構(gòu)想。近些年來(lái)半導(dǎo)體探測(cè)器的發(fā)展很快，如硅微條、硅漂移室等新型半導(dǎo)體探測(cè)器已經(jīng)研制成功，它們的位置分辨率非常高，這是任何氣體探測(cè)器和閃爍探測(cè)器很難做到的。因而在高能物理實(shí)驗(yàn)中作為頂點(diǎn)及徑跡探測(cè)器應(yīng)用很廣泛，另外在天體物理、宇宙線科學(xué)、核醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域的應(yīng)用也有了許多新的發(fā)展。氣體探測(cè)器方面研制出了正比閃爍室、自淬滅流光計(jì)數(shù)器、液氨電離室、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。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。

16、2半導(dǎo)體探測(cè)器2.1半導(dǎo)體探測(cè)器的基本原理半導(dǎo)體探測(cè)器是一種新型的探測(cè)元件。它具有極高的能量分辨率，短的脈沖上升時(shí)問(wèn)，好的線性響應(yīng)以及結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。工作偏壓低 (除鍺探測(cè)器外)，操作方便等優(yōu)點(diǎn)。半導(dǎo)體探測(cè)器的工作原理和電離室相類似，現(xiàn)以PN結(jié)型半導(dǎo)體探測(cè)器（P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體直接接觸所構(gòu)成的元件）為例加以說(shuō)明。因?yàn)镹的多數(shù)載流子是電子，P型的多數(shù)載流子是空穴。在兩者的接觸面附近，由于多數(shù)載流子擴(kuò)散到對(duì)方，并復(fù)合使這個(gè)區(qū)域的載流子很少（消耗盡了），所以在接觸面上形成一個(gè)耗盡層。由于耗盡層上形成的內(nèi)電場(chǎng)，對(duì)多數(shù)載流子起阻礙作用，所以此層又稱阻擋層。這個(gè)區(qū)域就是半導(dǎo)體探測(cè)器的靈敏區(qū)。靈敏區(qū)內(nèi)載流子很

17、少，電阻很高。所以當(dāng)加上反向電壓（P型處加負(fù)壓，N型處加正壓）時(shí)，電壓幾乎降落在結(jié)區(qū)上。在結(jié)區(qū)（靈敏區(qū)）形成一個(gè)相當(dāng)強(qiáng)的電場(chǎng)。幾乎沒(méi)有電流流過(guò)。反向電壓越高，耗盡層越厚。當(dāng)帶電離子射入結(jié)區(qū)后，在結(jié)區(qū)物質(zhì)電子的相互作用中很快損失掉能量。帶電離子所消耗的能量，以將使電子由滿帶跳到導(dǎo)帶上去，在滿帶中留下空穴，即形成了可以導(dǎo)電的電子-空穴對(duì)。在電場(chǎng)作用下，電子和空穴分別向兩邊飄移，于是在輸出回路中形成電流信號(hào)。當(dāng)電場(chǎng)足夠強(qiáng)的時(shí)候，電子和空穴在靈敏區(qū)復(fù)合和俘獲（又叫陷落）可以忽略。這時(shí)輸出信號(hào)的幅度與帶電粒子在結(jié)區(qū)耗盡的能量成正比。故通過(guò)測(cè)量信號(hào)脈沖的幅度就可以測(cè)定帶電粒子的能量 。2.2半導(dǎo)體探測(cè)器的

18、儀器應(yīng)用半導(dǎo)體探測(cè)器有兩個(gè)電極，加有一定的偏壓。當(dāng)入射粒子進(jìn)入半導(dǎo)體探測(cè)器的靈敏區(qū)時(shí)，即產(chǎn)生電子-空穴對(duì)。在兩極加上電壓后，電荷載流子就向兩極作漂移運(yùn)動(dòng)收集電極上會(huì)感應(yīng)出電荷，從而在外電路形成信號(hào)脈沖。半導(dǎo)體探測(cè)器的靈敏區(qū)應(yīng)是接近理想的半導(dǎo)體材料，而實(shí)際上一般的半導(dǎo)體材料都有較高的雜質(zhì)濃度，必須對(duì)雜質(zhì)進(jìn)行補(bǔ)償或提高半導(dǎo)體單晶的純度。通常使用的半導(dǎo)體探測(cè)器主要有結(jié)型、面壘型、鋰漂移型和高純鍺等幾種類型。金硅面壘型探測(cè)器1958年首次出現(xiàn)，鋰漂移型探測(cè)器60年代初研制成功，同軸型高純鍺(HPGe)探測(cè)器和高阻硅探測(cè)器等主要用于能量測(cè)量和時(shí)間的探測(cè)器陸續(xù)投入使用，半導(dǎo)體探測(cè)器得到迅速的發(fā)展和廣泛應(yīng)用

19、。結(jié)型探測(cè)器其結(jié)構(gòu)類似結(jié)型半導(dǎo)體二極管，但用于探測(cè)粒子時(shí)要加上足夠的反向偏壓。這時(shí)電子和空穴背著PN結(jié)移動(dòng)而形成靈敏區(qū)。結(jié)型探測(cè)器一般采用硅單晶。這是因硅具有較大的禁帶寬度，可用以保證在室溫下工作時(shí)有足夠小的漏電流。此外它的靈敏層厚度一般只有1毫米左右，故只適于探測(cè)穿透力較小的帶電粒子。3氣體探測(cè)器3.1氣體探測(cè)器的基本原理氣體檢測(cè)儀器是一種檢測(cè)氣體濃度的儀器，適用于存在可燃或有毒氣體的危險(xiǎn)場(chǎng)所，能長(zhǎng)期連續(xù)檢測(cè)空氣中被測(cè)氣體爆炸下限以內(nèi)的含量?？蓮V泛應(yīng)用于燃?xì)猓突?，冶金，鋼鐵，煉焦，電力等存在可燃或有毒氣體的各個(gè)行業(yè)，是保證財(cái)產(chǎn)和人身安全的理想監(jiān)測(cè)儀器。入射射線進(jìn)入氣體探測(cè)器，在探測(cè)器中

20、與氣體分子相互碰撞，使氣體分子電離和激發(fā)，并在粒子通過(guò)的途徑上生成大量電子-離子對(duì)。或者這些入射射線所帶的電荷與氣體分子中核外電子之間產(chǎn)生庫(kù)倫作用力，使氣體分子的核外電子被拉出來(lái)，離開(kāi)原來(lái)的分子而獨(dú)立運(yùn)動(dòng)，從而使原來(lái)的中性氣體分子形成離子對(duì)（一個(gè)帶負(fù)電的電子和一個(gè)帶正電的離子）。因?yàn)檩椛淞Ｗ由淙霘怏w后將前進(jìn)一段路程，在它經(jīng)過(guò)的途徑上由于電離效應(yīng)將產(chǎn)生大量的電子-離子對(duì)，直到輻射離子能量逐漸消耗到低于氣體分子的電離電位時(shí)，電離才結(jié)束，收集這些電荷，就可以了解輻射射線的情況。氣體探測(cè)器通常由高壓電極和收集電極組成，電極間充入一定氣體并加一定電壓，使氣體中有一定電場(chǎng)存在。在外加強(qiáng)電場(chǎng)的作用下，電子-

21、離子定向移動(dòng)形成電流，該電流的大小與單位時(shí)間入射射線的能量成正比關(guān)系，該電流在收集電阻上形成電壓脈沖，電壓脈沖的數(shù)目與入射射線的強(qiáng)度成正比。由此可實(shí)現(xiàn)對(duì)入射射線的能量和強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)量。電流的大小與外加電壓或氣體中電場(chǎng)強(qiáng)度的關(guān)系卻比較復(fù)雜，見(jiàn)圖3.1：圖3.1電離電流與外加電壓的關(guān)系3.2氣體探測(cè)器的工作區(qū)間圖3.1中的曲線是在輻射強(qiáng)度固定不變的情況下，改變電極上所加的電壓，即改變氣體中的電場(chǎng)強(qiáng)度得的電離電流的關(guān)系曲線。曲線明顯的分為五個(gè)區(qū)段。這五個(gè)區(qū)段就是氣體探測(cè)器的工作區(qū)間。下面對(duì)圖上的五個(gè)區(qū)域做一個(gè)簡(jiǎn)單的介紹。I區(qū)：復(fù)合區(qū)，入射射線在氣體中產(chǎn)生的電子-離子對(duì)，在電場(chǎng)不大時(shí)，容易產(chǎn)生負(fù)離子和離

22、子復(fù)合（電子復(fù)合，離子復(fù)合）II區(qū)：飽和電流區(qū)（電離室工作區(qū)）：增加電壓時(shí)復(fù)合逐漸消失，離子全部都收集，電流趨向飽和。該區(qū)內(nèi)的離子全部被收集，電流強(qiáng)度等于單位時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的原電離電荷數(shù)。 III區(qū)：正比區(qū)（正比技術(shù)管工作區(qū)）：外加電壓增大，氣體內(nèi)的電場(chǎng)強(qiáng)度增大，使原電離所產(chǎn)生的電子、離子再次引發(fā)次電離，最后電離的電荷是原電離的多倍（氣體放大），在一定電壓下，放大倍數(shù)一定。IV區(qū):有限正比區(qū):電壓繼續(xù)增大，氣體放大系數(shù)過(guò)大，空間離子密集，抵消部分場(chǎng)強(qiáng)，使氣體放大系數(shù)相對(duì)減少，稱為空間電荷效應(yīng)。V區(qū)：蓋革區(qū)：電離倍增更加劇烈，電流猛增，形成雪崩放電。此時(shí)電流強(qiáng)度不再與原電離強(qiáng)度有關(guān)，原電離對(duì)放電只起

23、“點(diǎn)火”作用，該區(qū)只能作強(qiáng)度測(cè)量，不能作定性（能量）測(cè)量。4實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)4.1實(shí)驗(yàn)材料和儀器本次畢業(yè)設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)主要使用的儀器設(shè)備：充（或充）薄窗窗柱型側(cè)窗正比技術(shù)管、半導(dǎo)體探測(cè)器、ADC4096多道 能譜儀、NIM低壓電源及機(jī)箱、裝有MCA軟件（與ADC配套）的電子計(jì)算機(jī)（含微機(jī)多道分析winmca軟件）、前置放大器（與正比技術(shù)管一起封裝在屏蔽盒中）、線性脈沖放大器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）、粉、。下面就半導(dǎo)體探測(cè)器、充（或充）薄窗窗柱型側(cè)窗正比技術(shù)管和ADC4096多道能譜儀進(jìn)行簡(jiǎn)單的介紹。4.1.1 Si-PIN半導(dǎo)體探測(cè)器PIN探測(cè)器是具有PIN結(jié)構(gòu)的（其中間層實(shí)際上是高阻的全耗盡層，其載流

24、子很少，與本征層和絕緣體層有類似之處）用于探測(cè)光和射線的探測(cè)器件。硅PIN探測(cè)器室溫下的漏電流在納安（nA）數(shù)量級(jí)，比其上一代的硅面壘探測(cè)器要小差不多3個(gè)數(shù)量級(jí)，是硅面壘探測(cè)器的換代產(chǎn)品。但是PIN探測(cè)器的電容仍然和面壘探測(cè)器一樣，隨探測(cè)器面積的增大而正比增大，這導(dǎo)致探測(cè)器噪聲還是偏大，同時(shí)成形時(shí)間常數(shù)不能太小因而計(jì)數(shù)率不能高。這就是PIN探測(cè)器不僅在技術(shù)上而且在性能上也要比硅漂移探測(cè)器差整整一代的原因。絕大多數(shù)PIN探測(cè)器是用硅做的，所以如果不特別指出，PIN探測(cè)器指的就是Si-PIN或者硅PIN探測(cè)器。硅PIN探測(cè)器實(shí)際上就是硅PN（結(jié)）探測(cè)器，這里只是強(qiáng)調(diào)其耗盡層很厚，以便與耗盡層很薄的

25、一般電子器件的PN結(jié)區(qū)別開(kāi)。4.1.2充Xe（或充Ar）薄Be窗窗柱型側(cè)窗正比計(jì)數(shù)管正比計(jì)數(shù)管是測(cè)量核輻射的一種基本探測(cè)元件，在測(cè)量X射線能譜方面具有較好的能量分辨率，探測(cè)效率高，壽命長(zhǎng)，廣泛應(yīng)用于化工、建工和合金等材料與石油、薄膜和涂層等制品以及礦山開(kāi)采和環(huán)境監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域的成份分析中。絕大多數(shù)的正比技術(shù)管具有較薄的入射窗口，以獲得較低的低能端探測(cè)下限，較大的觀測(cè)面積，以及良好的氣密性，常用的是鈹窗正比技術(shù)管。在密封的管體中充以惰性氣體和少量負(fù)電性氣體的混合物。 ADC4096多道能譜儀 YD-4096型環(huán)境譜儀，由NaI探頭，ADC多道卡，計(jì)算機(jī)，鉛室等設(shè)備組成，可以進(jìn)行發(fā)射體核素的放射性能譜

26、分析及活度測(cè)量，主要用于電離輻射測(cè)量中的未知樣品元素類型鑒別及相關(guān)的活度測(cè)量?？蓮V泛用于對(duì)花崗巖、大理石、水泥、煤渣、食品、沉積物和地質(zhì)樣品等物質(zhì)中所含放射性核素進(jìn)行定性和定量分析，測(cè)量核素種類及其放射性活度或比活度值；亦可采用活性炭盒法對(duì)室內(nèi)或環(huán)境進(jìn)行放射性氡含量分析。多道分析儀多道分析儀（MCA）應(yīng)用領(lǐng)域包括電子信號(hào)分析，脈沖信號(hào)分析，核物理信號(hào)分析以及光譜分析是用于脈沖計(jì)數(shù)分析的關(guān)鍵測(cè)試儀器。其主要工作原理是：輸入信號(hào)經(jīng) ADC、DSP 處理后，由 RS232、USB 通訊接口與計(jì)算機(jī)聯(lián)機(jī)，由計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析處理（運(yùn)算，分析，顯示，儲(chǔ)存，打印，控制等）。 238Pu放射源是用天然或人工

27、放射性核素制成的、以發(fā)射某種輻射為特征的制品。按所釋放射線的類型可分為放射源、放射源、放射源和中子源，放射性是一種具有統(tǒng)計(jì)特征的隨機(jī)現(xiàn)象，放射性現(xiàn)象和由此產(chǎn)生的射線或粒子無(wú)法用肉眼觀察，必須使用某種探測(cè)器來(lái)記錄。是一種常用的放射性源，它可以用來(lái)測(cè)試半導(dǎo)體探測(cè)器和氣體探測(cè)器的探測(cè)效率。下面將一些放射源的相關(guān)參數(shù)列表如下：表4.1常見(jiàn)放射源放射性源主要參數(shù)元素半衰期衰變類型能量范圍/keV產(chǎn)額激發(fā)范圍K系L系2.6a（X）5.895;6.49(MnK)0.2517 2340 5887.7a（X）13.6;16.4;17.2;20.2(UL);43.5;99.9()0.1300.00124 3570

28、 92433a（X,）11.89-20.7(NpL);26.35();33.2;43.5();59.54()0.180.0250.35824 3835 6970 92表4.2 元素的特征X射線原子序號(hào)符號(hào)元素（keV）(keV)25錳5.8956.494.2實(shí)驗(yàn)方法本次實(shí)驗(yàn)的完成主要分為幾個(gè)大的步驟：前期準(zhǔn)備，樣品的制備，測(cè)量。前期準(zhǔn)備是很重要的一環(huán)，樣品的制備主要是進(jìn)行壓片，壓片質(zhì)量的好壞對(duì)實(shí)驗(yàn)有很大的影響。4.2.1實(shí)驗(yàn)原理半導(dǎo)體探測(cè)器和其他半導(dǎo)體探測(cè)器從原理上講是一個(gè)電壓反接的半導(dǎo)體二極管。體積小、重量輕、在常溫下用電制冷方式工作。在其PN結(jié)之間有一定厚度的本征區(qū)I，對(duì)低能電磁輻射有較高

29、探測(cè)效率的特性。用探測(cè)器測(cè)量放射源激試樣，可以記錄到相關(guān)的特征X射線。在儀器狀態(tài)調(diào)整得當(dāng)?shù)那闆r下，根據(jù)能譜圖，可以得知半高寬所對(duì)應(yīng)的道址的道數(shù)，用相對(duì)半高寬來(lái)表示儀器的能量分辨率。正比技術(shù)管是工作在正比區(qū)的脈沖氣體電離探測(cè)器，它由圓筒狀金屬陰極和絲狀陽(yáng)極組成，陰極（或加外殼）組成密封的靈敏區(qū)。在密封的管體中充以惰性氣體和淬滅氣體。測(cè)量X射線的正比技術(shù)管都裝有很薄的窗，由于在空氣中穩(wěn)定而原子序數(shù)?。╖=4）,低能X射線能夠進(jìn)入靈敏區(qū)而被記錄下來(lái)。在射線通過(guò)電極間的氣體時(shí)，電力產(chǎn)生的電子和正離子在電場(chǎng)作用下，分別向陽(yáng)極和陰極漂移。正離子質(zhì)量大，且沿漂移方向電場(chǎng)由強(qiáng)到弱，因此電場(chǎng)的加速不足以使它發(fā)生

30、電離碰撞。而電子不然，越接近陽(yáng)極，電場(chǎng)越強(qiáng)。到達(dá)某一距離后，電子在平均自由程上獲得的能量足以與氣體分子發(fā)生電離碰撞。漂移電子愈接近陽(yáng)極，電離碰撞的概率也愈大。不斷增殖的結(jié)果便形成了氣體放大。這里的氣體放大系數(shù)決定于氣體的性質(zhì)、壓強(qiáng)、工作電壓和電極半徑；輸出脈沖幅度與初電離成正比。所以正比技術(shù)管可以用于計(jì)數(shù)測(cè)量也可以用于能譜測(cè)量。本次實(shí)驗(yàn)主要是對(duì)比兩種探測(cè)器的重要性能能量分辨率。能量分辨率表示能譜儀能否分開(kāi)不同能量粒子的本領(lǐng)。能量分辨率有兩種表示方法，一種是以半寬度能量表示，另一種是以相對(duì)半高寬表示。通常把分布曲線極大值一半處的全寬度稱為半高寬度，即FWHM。所以能量分辨率可以表示為： 式中，半

31、高寬度所對(duì)應(yīng)的道址的個(gè)數(shù) 入射射線所對(duì)應(yīng)的峰位將全能峰最大值的一半對(duì)應(yīng)的道數(shù)，按能量刻度曲線折合成能量值表示，單位為能量單位，keV或MeV，所以能量分辨率也可以表示為：式中，半高寬度所對(duì)應(yīng)的能量間隔 峰位所對(duì)應(yīng)的能量4.2.2樣品的制備樣品的制備必須有相關(guān)的含量標(biāo)準(zhǔn)，配制10g的樣品需要的試樣及里面所含的試樣的量如下表4.3配置的樣品中成分的含量淀粉9g錳粉1g幾種試樣的含量可以用托盤天平來(lái)進(jìn)行稱量，使用天平前要注意調(diào)零。稱量好實(shí)驗(yàn)所需的試劑后，先把錳粉放到清洗干凈的研缽中。樣品的制備必須用瑪瑙研缽研磨半小時(shí)至淀粉和錳粉完全混合均勻，然后再進(jìn)行壓制樣品。使用模具前一定要用酒精清洗干凈，將配置

32、好的標(biāo)樣置于制樣模具中在小型油壓機(jī)加壓到5Mpa壓強(qiáng)制成樣品，待兩分鐘左右再取出來(lái)。整個(gè)制樣過(guò)程中要保持操作的規(guī)范，保證所制取樣品的純凈，以免摻入雜質(zhì)影響能譜分析。制好的樣品在不使用的時(shí)候必須放置于干燥缸中，防止過(guò)潮。4.2.3測(cè)量由于實(shí)驗(yàn)要求很高，實(shí)驗(yàn)室的溫度濕度都必須要保持恒定。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中使用空調(diào)保持室內(nèi)溫度20，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中探測(cè)器、放射源等是不能移動(dòng)的。探測(cè)器、放射源以及樣品的幾何位置也必須固定下來(lái)。圖4.1設(shè)備連接框圖按照?qǐng)D4.1的實(shí)驗(yàn)連接框圖正確連接好儀器之后，打開(kāi)電源開(kāi)關(guān)，就可以進(jìn)行射線的收集和測(cè)量了。半導(dǎo)體探測(cè)器由室溫經(jīng)電制冷裝置逐漸下降到工作溫度，約經(jīng)0.5分鐘后，正常工作。

33、探測(cè)器探測(cè)到釋放出的X射線，輸出脈沖信號(hào)經(jīng)前置放大器送到主放大器，放大成形的模擬脈沖信號(hào)經(jīng)ADC轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)之后，由MCA處理，進(jìn)行相應(yīng)的計(jì)算和顯示。調(diào)節(jié)放射源到探測(cè)器的距離，可以改變計(jì)數(shù)率。氣體探測(cè)器和半導(dǎo)體探測(cè)器測(cè)量能量分辨率的原理一樣，只是裝置的幾何布置有些不同。將壓制好的樣品放入帶有放射源的氣體探測(cè)器中，用激發(fā)錳粉，放出X射線，氣體探測(cè)器輸出脈沖信號(hào)，經(jīng)過(guò)一系列的處理之后，在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行相應(yīng)的計(jì)算和顯示。每個(gè)樣品測(cè)量完之后將譜線保存下來(lái)，待后面的數(shù)據(jù)分析使用。5實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及處理5.1實(shí)驗(yàn)所得數(shù)據(jù)根據(jù)測(cè)量結(jié)果，半導(dǎo)體探測(cè)器測(cè)得的能譜有兩個(gè)峰位，使用的放射源是，氣體探測(cè)器測(cè)得的有一個(gè)峰位，

34、使用的放射源是。兩種探測(cè)器測(cè)得的峰位、能量、計(jì)數(shù)詳見(jiàn)圖5.1圖5.8 ：圖5.1半導(dǎo)體探測(cè)器測(cè)得錳粉的射線能譜圖圖5.2半導(dǎo)體探測(cè)器測(cè)得錳粉的射線能譜圖圖5.3半導(dǎo)體探測(cè)器測(cè)得錳粉的射線能譜圖圖5.4半導(dǎo)體探測(cè)器測(cè)得錳粉的射線能譜圖圖5.5氣體探測(cè)器測(cè)得錳粉的射線能譜圖圖5.6氣體探測(cè)器測(cè)得錳粉的射線能譜圖圖5.7氣體探測(cè)器測(cè)得錳粉的射線能譜圖圖5.8氣體探測(cè)器測(cè)得錳粉的射線能譜圖從能譜圖中能夠得知儀器的半高寬和峰位，列表如下：表5.1半導(dǎo)體探測(cè)器測(cè)得的數(shù)據(jù)能量峰位（道數(shù)）半高寬（道數(shù)）5.895Kev200.2712.63200.3612.81200.2912.69200.2812.74表5

35、.2氣體探測(cè)器測(cè)得的數(shù)據(jù)能量峰位（道數(shù)）半高寬（道數(shù)）5.895Kev372.54105.72373.65105.61373.04104.56373.97105.695.2數(shù)據(jù)處理及分析查表4.2得知錳有兩條特征X射線：，能量分別是5.895Kev和6.49Kev。因?yàn)樗鶞y(cè)的元素是錳，在能譜圖上可以根據(jù)它們的譜線區(qū)分，射線，在前，射線在后。所以第一個(gè)峰位對(duì)應(yīng)的能量石5.895Kev，第二個(gè)峰位對(duì)應(yīng)的能量是6.49Kev。用氣體探測(cè)器測(cè)量時(shí)，因能量低在前面，并且它的計(jì)數(shù)率最高，湮沒(méi)了射線，根據(jù)它的分支比可以看出。結(jié)果能譜圖上只能得到錳的一個(gè)峰位，對(duì)應(yīng)的能量是5.895Kev。儀器的能量分辨率是針

36、對(duì)同一元素的特定能量來(lái)說(shuō)的，根據(jù)公式可知，對(duì)于某一特定的能量，儀器的分辨率就等于半高寬所對(duì)應(yīng)的道址數(shù)比上入射射線所對(duì)應(yīng)的道址數(shù)，對(duì)同一樣品，多次測(cè)量，求其平均值，可以減少因外界環(huán)境帶來(lái)的誤差。根據(jù)表5.1，表5.2儀器的峰位和半高寬可以求得兩種探測(cè)器的能量分辨率，見(jiàn)表5.3，5.4：表5.3半導(dǎo)體探測(cè)器的能量分辨率能量峰位（道數(shù)）半高寬（道數(shù)）分辨率5.895Kev200.2712.636.31%200.3612.816.39%200.2912.696.33%200.2812.746.36%（5.895Kev）=（6.31%+6.39%+6.33%+6.36%）/4=6.35%表5.4氣體探測(cè)

37、器的能量分辨率能量峰位（道數(shù)）半高寬（道數(shù)）分辨率5.895Kev372.54105.7228.38%373.65105.6128.26%373.04104.5628.03%373.97105.6928.26%（5.895Kev）=（28.38%+28.26%+28.03%+28.26%）/4=28.23%上面兩個(gè)表格已經(jīng)分別列出了半導(dǎo)體探測(cè)器和氣體探測(cè)器在某一特定能量的能量分辨率，由此表格也可以清楚的看到半導(dǎo)體探測(cè)器可以探測(cè)出錳的一條特征X射線，并且分辨率低于10%，而氣體探測(cè)器也能探測(cè)出錳的一種特征X射線，但是分辨率高于28%。5.3結(jié)論本實(shí)驗(yàn)對(duì)實(shí)驗(yàn)條件要求很嚴(yán)格，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中要保持所有儀

38、器設(shè)備的幾何位置始終不變，樣品的純度要很高，不能受到其他物質(zhì)的污染。通過(guò)實(shí)驗(yàn)，可以清楚的由能譜圖看到半導(dǎo)體探測(cè)器能譜圖的半高寬很小，氣體探測(cè)器的能譜圖的半高寬比較大，通過(guò)計(jì)算可以一目了然的看到在測(cè)量錳粉的時(shí)候，半導(dǎo)體探測(cè)器比氣體探測(cè)器的能量分辨率要好的多。實(shí)際生活中，人們不會(huì)因?yàn)榘雽?dǎo)體探測(cè)器的能量分辨率高，氣體探測(cè)器的能量分辨率低，就選用半導(dǎo)體探測(cè)器，不用氣體探測(cè)器，而會(huì)根據(jù)具體情況來(lái)選用合適的輻射探測(cè)器。當(dāng)對(duì)探測(cè)器的能量分辨率要求不太高時(shí)，就可以選擇氣體探測(cè)器，此外，探測(cè)器的價(jià)格和其他性能優(yōu)劣也可以影響人們的選擇?？偨Y(jié)論文首先簡(jiǎn)述了探測(cè)器，分析了輻射探測(cè)器的發(fā)展歷史和發(fā)展現(xiàn)狀，包括半導(dǎo)體探測(cè)器、氣體探測(cè)器、閃爍體探測(cè)器。然后論文以PN結(jié)型半導(dǎo)體探測(cè)器為例簡(jiǎn)要介紹了半導(dǎo)體探測(cè)器的基本原理和應(yīng)用，緊接著介紹了氣體探測(cè)器的基本原理。在論述了相關(guān)探測(cè)器的基礎(chǔ)上，需要做實(shí)驗(yàn)對(duì)探測(cè)器的性能進(jìn)行分析和研究，探測(cè)器的性能很多，包括能量分辨率、探測(cè)效率、線性響應(yīng)。根據(jù)實(shí)驗(yàn)室的條件和人們對(duì)探測(cè)器性能需求的分析，作者選用了相關(guān)的一些實(shí)驗(yàn)設(shè)備