核輻射物理及探測(cè)學(xué)期末總結(jié)

1、射線與物質(zhì)相互作用的射線與物質(zhì)相互作用的分類分類：帶電粒子輻射帶電粒子輻射非帶電粒子輻射非帶電粒子輻射快電子快電子 e 重帶電粒子重帶電粒子 TdP, 中子中子電磁輻射電磁輻射 射線射線X射線射線1、特點(diǎn)、特點(diǎn)重帶電粒子均為重帶電粒子均為帶正電荷帶正電荷的的離子離子；重帶電粒子重帶電粒子主要主要通過(guò)通過(guò)電離損失電離損失而損失能量；而損失能量； 重帶電粒子在介質(zhì)中的重帶電粒子在介質(zhì)中的運(yùn)動(dòng)徑跡運(yùn)動(dòng)徑跡近似為近似為直線直線。 2、重帶電粒子在物質(zhì)中的能量損失規(guī)律、重帶電粒子在物質(zhì)中的能量損失規(guī)律1) 能量損失率能量損失率(Specific Energy Loss)對(duì)對(duì)重帶電粒子重帶電粒子，輻射能量

2、損失率輻射能量損失率相比相比小的小的多多，因此，因此重帶電粒子的能量損失率重帶電粒子的能量損失率就就約等約等于于其其電離能量損失率電離能量損失率。2) Bethe 公式公式的討論的討論NBvmezdxdESionion20424 (2)(2)、 與與帶電粒子帶電粒子的的電荷電荷z的關(guān)系；的關(guān)系；2zSion (1)(1)、 與帶電粒子的與帶電粒子的質(zhì)量質(zhì)量M無(wú)關(guān)無(wú)關(guān)，而僅與其，而僅與其速度速度v和和電荷數(shù)電荷數(shù)z有關(guān)有關(guān)。ionS(3)(3)、 與與帶電粒子帶電粒子的的速度速度v的關(guān)系：的關(guān)系：ionS非相對(duì)論非相對(duì)論情況下，情況下，B隨隨v變化緩慢，近似與變化緩慢，近似與v無(wú)關(guān)，則：無(wú)關(guān)，則

3、：21vSion E1 (4)(4)、 ，吸收材料吸收材料密度大密度大，原子序數(shù)原子序數(shù)高高的，其阻止本領(lǐng)大。的，其阻止本領(lǐng)大。 NZSion 特點(diǎn)：特點(diǎn)：快電子的快電子的速度大；速度大；快電子快電子除除電離損失電離損失外，外，輻射損失輻射損失不可忽略；不可忽略； 快電子快電子散射嚴(yán)重散射嚴(yán)重。 1、快電子的能量損失率、快電子的能量損失率必須考慮相對(duì)論效應(yīng)時(shí)的必須考慮相對(duì)論效應(yīng)時(shí)的電離能量損失電離能量損失和和輻射輻射能量損失能量損失。radiondxdEdxdEdxdE 222NZmEzdxdESradrad 討論：討論：(1) (1) ：輻射損失率輻射損失率與與帶電粒子帶電粒子靜止質(zhì)量靜止質(zhì)

4、量m的的平方成反比平方成反比。所以僅對(duì)電子才重點(diǎn)考慮。所以僅對(duì)電子才重點(diǎn)考慮。21mSrad 當(dāng)要吸收、屏蔽當(dāng)要吸收、屏蔽射線時(shí)，不宜選用重材料射線時(shí)，不宜選用重材料。當(dāng)要獲得強(qiáng)的當(dāng)要獲得強(qiáng)的X X射線時(shí)，則應(yīng)選用重材料作靶。射線時(shí)，則應(yīng)選用重材料作靶。(2) (2) ：輻射損失率輻射損失率與與帶電粒子帶電粒子的的能量能量E成成正比正比。即。即輻射損失率輻射損失率隨隨粒子粒子動(dòng)能動(dòng)能的的增加而增加增加而增加。ESrad (3) (3) ：輻射損失率輻射損失率與與吸收物質(zhì)吸收物質(zhì)的的NZ2 2成成正正比比。所以當(dāng)。所以當(dāng)吸收材料吸收材料原子序數(shù)大原子序數(shù)大、密度大密度大時(shí)，時(shí)，輻輻射損失大射損失

5、大。2NZSrad 電子與靶物質(zhì)原子核庫(kù)侖場(chǎng)作用時(shí)，只改變運(yùn)動(dòng)方向，電子與靶物質(zhì)原子核庫(kù)侖場(chǎng)作用時(shí)，只改變運(yùn)動(dòng)方向，而不輻射能量的過(guò)程稱為而不輻射能量的過(guò)程稱為彈性散射彈性散射。由于電子質(zhì)量小，。由于電子質(zhì)量小，因而因而散射的角度可以很大散射的角度可以很大，而且會(huì)發(fā)生，而且會(huì)發(fā)生多次散射多次散射。電子。電子沿其入射方向發(fā)生沿其入射方向發(fā)生大角度偏轉(zhuǎn)大角度偏轉(zhuǎn)，稱為，稱為反散射反散射。對(duì)對(duì)同種材料同種材料，電子，電子能量越低能量越低，反散射反散射越嚴(yán)重越嚴(yán)重；對(duì)對(duì)同樣能量同樣能量的電子，的電子，原子序數(shù)越高原子序數(shù)越高的材料，的材料，反反散射散射越嚴(yán)重越嚴(yán)重。反散射反散射的的利用利用與與避免避免

6、A) A) 對(duì)對(duì)放射源放射源而言，而言，利用利用反散射反散射可以可以提高提高源的產(chǎn)額源的產(chǎn)額。B) B) 對(duì)對(duì)探測(cè)器探測(cè)器而言，要而言，要避免避免反散射反散射造成的造成的測(cè)量偏差測(cè)量偏差。3、正電子的湮沒(méi)、正電子的湮沒(méi)正電子正電子與物質(zhì)發(fā)生相互作用的與物質(zhì)發(fā)生相互作用的能量損失機(jī)制能量損失機(jī)制和電子相同和電子相同。高速正電子被高速正電子被慢化慢化，在正電子徑跡的，在正電子徑跡的末端末端與介與介質(zhì)中的電子發(fā)生質(zhì)中的電子發(fā)生湮沒(méi)湮沒(méi)，放出兩個(gè)放出兩個(gè) 光子光子。正電子的特點(diǎn)是：正電子的特點(diǎn)是：兩個(gè)兩個(gè)湮沒(méi)光子湮沒(méi)光子的的，各等于，各等于511keV兩個(gè)兩個(gè)湮沒(méi)光子湮沒(méi)光子的的，且發(fā)射是，且發(fā)射是各

7、向各向同性同性的。的。特點(diǎn)：特點(diǎn)： 光子光子通過(guò)通過(guò)次級(jí)效應(yīng)次級(jí)效應(yīng)與物質(zhì)的原子或核外電子與物質(zhì)的原子或核外電子作用，光子與物質(zhì)發(fā)生作用后，作用，光子與物質(zhì)發(fā)生作用后，光子或者消失光子或者消失或者受到散射而損失能量或者受到散射而損失能量，同時(shí)產(chǎn)生同時(shí)產(chǎn)生次電子次電子； 次級(jí)效應(yīng)次級(jí)效應(yīng)主要的方式有主要的方式有三種三種，即，即光電效應(yīng)光電效應(yīng)、康康普頓效應(yīng)普頓效應(yīng)和和電子對(duì)效應(yīng)。電子對(duì)效應(yīng)。 射線射線與物質(zhì)發(fā)生不同的相互作用都具有一定的與物質(zhì)發(fā)生不同的相互作用都具有一定的概率概率，用，用截面截面來(lái)表示作用概率的大小。來(lái)表示作用概率的大小。總截面總截面等于等于各作用截面之和各作用截面之和，即：，即

8、：pcph 作用截面與吸收物質(zhì)原子序數(shù)的關(guān)系作用截面與吸收物質(zhì)原子序數(shù)的關(guān)系5Zph Zc 2Zp 總體來(lái)說(shuō)，總體來(lái)說(shuō)，吸收物質(zhì)原子序數(shù)越大吸收物質(zhì)原子序數(shù)越大，各，各相互作用相互作用截面越大截面越大，其中，其中光電效應(yīng)隨吸光電效應(yīng)隨吸收物質(zhì)原子序數(shù)變化最大收物質(zhì)原子序數(shù)變化最大，康普頓散射康普頓散射變化最小。變化最小。光電效應(yīng)光電效應(yīng)康普頓散射康普頓散射電子對(duì)效應(yīng)電子對(duì)效應(yīng)作用截面與入射光子能量的關(guān)系作用截面與入射光子能量的關(guān)系2/7)/1(hvph 光電效應(yīng)截面光電效應(yīng)截面隨隨入射光子能入射光子能量增加而減小量增加而減小，開(kāi)始時(shí)變化劇開(kāi)始時(shí)變化劇烈，后基本成烈，后基本成反比反比。)(Khv

9、 )/1(hvph )(20cmhv hvp )52(2020cmhvcm hvpln )505(2020cmhvcm 電子對(duì)效應(yīng)截電子對(duì)效應(yīng)截面面隨入射光子隨入射光子能量增加而增能量增加而增加，只有光子加，只有光子能量大于能量大于1.022MeV1.022MeV才能才能發(fā)生。發(fā)生。thhvc 0hvhvcln )(20cmhv 康普頓散射截面康普頓散射截面開(kāi)始基本為常數(shù)，開(kāi)始基本為常數(shù)，隨入射光子能量隨入射光子能量增加而減小，減增加而減小，減小比光電效應(yīng)緩小比光電效應(yīng)緩慢。慢。)(20cmhv 次電子能量次電子能量光電效應(yīng)：光電效應(yīng)： 光電子光電子康普頓散射：康普頓散射：反沖電子反沖電子電子

10、對(duì)效應(yīng)：電子對(duì)效應(yīng)：正負(fù)電子對(duì)正負(fù)電子對(duì)iehvE )cos1()cos1(202 EcmEEe202cmhvEEee XCECXE XDCCXD2 (A)(A)(B)(B)相互獨(dú)立相互獨(dú)立的隨機(jī)變量的的隨機(jī)變量的“和和”、“差差”與與“積積”的的數(shù)學(xué)期望數(shù)學(xué)期望，是各隨機(jī)變量，是各隨機(jī)變量數(shù)學(xué)數(shù)學(xué)期望期望的的“和和”、“差差”與與“積積”，即：，即： 2121XEXEXXE 2121EXEXXE (C)(C)相互獨(dú)立相互獨(dú)立的隨機(jī)變量的的隨機(jī)變量的“和和”與與“差差”的的方差方差，是各隨機(jī)變量，是各隨機(jī)變量方差方差的的“和和” ” ，即：，即： 2121XDXDXXD (D)(D)相互獨(dú)立相

11、互獨(dú)立的的遵守泊松分布的隨機(jī)變遵守泊松分布的隨機(jī)變量量之之“和和”仍服從泊松分布。仍服從泊松分布。但是相互獨(dú)立的遵守泊松分布的隨但是相互獨(dú)立的遵守泊松分布的隨機(jī)變量之機(jī)變量之“差差”，不服從不服從泊松分布。泊松分布。(A) (A) 期望值：期望值： 21 EEE (B) (B) 方差：方差： 21122 DEDED (C) (C) 相對(duì)方差：相對(duì)方差： 21222211 EED 假如假如第一級(jí)第一級(jí)隨機(jī)變量的隨機(jī)變量的數(shù)學(xué)期望數(shù)學(xué)期望很大很大，那么，那么就可以就可以忽略忽略第二級(jí)第二級(jí)隨機(jī)變量的隨機(jī)變量的相對(duì)方差相對(duì)方差對(duì)對(duì)串級(jí)隨串級(jí)隨機(jī)變量機(jī)變量的的相對(duì)方差相對(duì)方差的的貢獻(xiàn)貢獻(xiàn)。 (D) (

12、D) 由由兩個(gè)兩個(gè)伯努利型隨機(jī)變量伯努利型隨機(jī)變量 1 1和和 2 2串級(jí)而串級(jí)而成的隨機(jī)變量成的隨機(jī)變量 仍是仍是伯努利型隨機(jī)變量伯努利型隨機(jī)變量。若若 1 1 和和 2 2 的正結(jié)果發(fā)生概率分別為的正結(jié)果發(fā)生概率分別為p1 1和和p2 2，則，則 正結(jié)果發(fā)生概率為：正結(jié)果發(fā)生概率為：21ppp (E) (E) 由由泊松分布泊松分布的隨機(jī)變量的隨機(jī)變量 1 1與與伯努利型隨伯努利型隨機(jī)變量機(jī)變量 2 2串級(jí)而成的隨機(jī)變量串級(jí)而成的隨機(jī)變量 仍仍遵守泊松遵守泊松分布分布。設(shè)設(shè) 1 1的的平均值平均值為為m1 1, ,而而 2 2的正結(jié)果發(fā)生概的正結(jié)果發(fā)生概率為率為p2 2，則，則 的的平均值平

13、均值為：為：21pmm 對(duì)于一個(gè)具有對(duì)于一個(gè)具有N0個(gè)個(gè)放射性核放射性核的放射源，在的放射源，在t 時(shí)時(shí)間內(nèi)發(fā)生間內(nèi)發(fā)生核衰變數(shù)核衰變數(shù)N遵守遵守二項(xiàng)式分布二項(xiàng)式分布。長(zhǎng)壽命長(zhǎng)壽命核素，其核素，其衰變概率衰變概率tep 1很小很小 tNeNt 001為為有限量有限量在在t 時(shí)間內(nèi)時(shí)間內(nèi)總衰變數(shù)總衰變數(shù)N遵守遵守期望值期望值 tNeNmt 001方差方差 tNeeNtt 0021(1).(1). 探測(cè)器探測(cè)器輸出計(jì)數(shù)輸出計(jì)數(shù)的的統(tǒng)計(jì)分布統(tǒng)計(jì)分布脈沖計(jì)數(shù)器脈沖計(jì)數(shù)器的的測(cè)量過(guò)程測(cè)量過(guò)程可以概括為可以概括為三個(gè)三個(gè)基本過(guò)基本過(guò)程程，其，其計(jì)數(shù)值計(jì)數(shù)值為一個(gè)為一個(gè)三級(jí)三級(jí)串級(jí)型隨機(jī)變量串級(jí)型隨機(jī)變量。

14、 源源發(fā)射粒子數(shù)發(fā)射粒子數(shù)n1射入射入探測(cè)器探測(cè)器粒子數(shù)粒子數(shù)n2探測(cè)器探測(cè)器輸輸出脈沖數(shù)出脈沖數(shù)n3(2). (2). 探測(cè)計(jì)數(shù)的統(tǒng)計(jì)誤差探測(cè)計(jì)數(shù)的統(tǒng)計(jì)誤差粒子計(jì)數(shù)粒子計(jì)數(shù)探測(cè)器探測(cè)器輸出脈沖數(shù)輸出脈沖數(shù)服從服從統(tǒng)計(jì)分布統(tǒng)計(jì)分布規(guī)律，當(dāng)規(guī)律，當(dāng)計(jì)數(shù)計(jì)數(shù)的的數(shù)學(xué)期望值數(shù)學(xué)期望值m較較小小時(shí)，服從時(shí)，服從泊松分布泊松分布。 m較較大大時(shí)，服從時(shí)，服從高斯分布高斯分布。而且，而且，m 2 m較大時(shí)，較大時(shí)，m與與有限次測(cè)量有限次測(cè)量的的平均值平均值 和和任一次任一次測(cè)量值測(cè)量值 N 相差不大。相差不大。 NNNm N為為單次單次測(cè)量值測(cè)量值標(biāo)準(zhǔn)偏差標(biāo)準(zhǔn)偏差 隨隨計(jì)數(shù)計(jì)數(shù)N增大而增大，因此用增大而增

15、大，因此用相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差來(lái)表示來(lái)表示測(cè)量值測(cè)量值的的離散程度離散程度：NNNNNN1 計(jì)數(shù)測(cè)量結(jié)果的表示計(jì)數(shù)測(cè)量結(jié)果的表示：NN NN 表示一個(gè)表示一個(gè)置信區(qū)間置信區(qū)間，該區(qū)間包含，該區(qū)間包含真平均值真平均值的的概率為概率為68.368.3（置信度）。（置信度）。與與由于各次碰撞由于各次碰撞電離過(guò)程電離過(guò)程是非獨(dú)立是非獨(dú)立的，產(chǎn)生的，產(chǎn)生的的離子對(duì)數(shù)離子對(duì)數(shù)不能簡(jiǎn)單不能簡(jiǎn)單用用泊松分布泊松分布來(lái)描述，來(lái)描述，而要對(duì)泊松分布進(jìn)行修正，引入而要對(duì)泊松分布進(jìn)行修正，引入 法諾因子法諾因子FnnF2 泊松統(tǒng)計(jì)預(yù)測(cè)的方差泊松統(tǒng)計(jì)預(yù)測(cè)的方差的方差的方差觀測(cè)的觀測(cè)的nF 2 nF nF F一般取一

16、般取 ( (氣體氣體) )或或 0.10.15( (半導(dǎo)體半導(dǎo)體) ) 2131不同材料不同材料法諾因子不同法諾因子不同， F由實(shí)驗(yàn)測(cè)定。由實(shí)驗(yàn)測(cè)定。把這種分布稱為把這種分布稱為。n1代表一個(gè)代表一個(gè)入射粒子束脈沖入射粒子束脈沖中包含的中包含的粒子數(shù)粒子數(shù)，是一個(gè)服從是一個(gè)服從泊松分布泊松分布的的隨機(jī)變量隨機(jī)變量。每個(gè)每個(gè)入射帶電粒子入射帶電粒子在在探測(cè)器內(nèi)探測(cè)器內(nèi)產(chǎn)生產(chǎn)生n2個(gè)個(gè)離子對(duì)離子對(duì)，也是一個(gè)也是一個(gè)隨機(jī)變量隨機(jī)變量，且服從，且服從法諾分布法諾分布。輸出信號(hào)輸出信號(hào) N是是n1和和n2 的的串級(jí)型隨機(jī)變量串級(jí)型隨機(jī)變量 2111nFn21111nFnn 由于由于n1服從服從泊松分布泊

17、松分布，n2服從服從法諾分布法諾分布2122211nnNn 相鄰兩個(gè)脈沖時(shí)間間隔相鄰兩個(gè)脈沖時(shí)間間隔T服從服從指數(shù)分布指數(shù)分布。mtmetf )(表明：在短時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)第二個(gè)脈沖的概率較大。表明：在短時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)第二個(gè)脈沖的概率較大。一些常見(jiàn)情況：一些常見(jiàn)情況：21xxy (1)(2221xxy )/()(212/12221xxvxxy 計(jì)數(shù)統(tǒng)計(jì)誤差的傳遞計(jì)數(shù)統(tǒng)計(jì)誤差的傳遞例如：存在本底時(shí)例如：存在本底時(shí)凈計(jì)數(shù)凈計(jì)數(shù)誤差的計(jì)算：誤差的計(jì)算：輻射測(cè)量中，輻射測(cè)量中，本底總是存在的本底總是存在的。本底包括宇宙射。本底包括宇宙射線、環(huán)境中的天然放射性及儀器噪聲等。這時(shí)，線、環(huán)境中的天然放射性及儀器噪聲等

18、。這時(shí)，為求得凈計(jì)數(shù)需要進(jìn)行兩次測(cè)量：為求得凈計(jì)數(shù)需要進(jìn)行兩次測(cè)量：第一次第一次，沒(méi)有樣品，在時(shí)間，沒(méi)有樣品，在時(shí)間t內(nèi)測(cè)得本底內(nèi)測(cè)得本底的計(jì)數(shù)為的計(jì)數(shù)為Nb；第二次第二次，放上樣品，在，放上樣品，在相同相同時(shí)間內(nèi)測(cè)得樣時(shí)間內(nèi)測(cè)得樣品和本底的總計(jì)數(shù)為品和本底的總計(jì)數(shù)為Ns。樣品的凈計(jì)數(shù)為：樣品的凈計(jì)數(shù)為：bsNNN 0其標(biāo)準(zhǔn)偏差為：其標(biāo)準(zhǔn)偏差為：sbNNNNNsb )(220 Axy (2)Bxy/ xyA Bxy/ xyvxyy/ 或或例如：計(jì)數(shù)率的誤差：例如：計(jì)數(shù)率的誤差：設(shè)在設(shè)在 t 時(shí)間內(nèi)記錄了時(shí)間內(nèi)記錄了N個(gè)計(jì)數(shù)，則計(jì)數(shù)個(gè)計(jì)數(shù)，則計(jì)數(shù)率為率為n=N/t，計(jì)數(shù)率的標(biāo)準(zhǔn)偏差計(jì)數(shù)率的標(biāo)準(zhǔn)偏

19、差為：為：tNn tntNtN 2其其相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差為：為：NvNn/ N/1 21xxy (3)21/ xxy 2221221 xxyxxy 22221xxyvvv 2/122212121 xxxxxxy 2/122212121 xxxxxxy 或或(4) 平均計(jì)數(shù)的統(tǒng)計(jì)誤差平均計(jì)數(shù)的統(tǒng)計(jì)誤差對(duì)某樣品重復(fù)測(cè)量對(duì)某樣品重復(fù)測(cè)量k次，每次測(cè)量時(shí)間次，每次測(cè)量時(shí)間t相相同同(等精度測(cè)量等精度測(cè)量)，得到，得到k個(gè)計(jì)數(shù)個(gè)計(jì)數(shù) 則在時(shí)間則在時(shí)間t內(nèi)的內(nèi)的平均計(jì)數(shù)值平均計(jì)數(shù)值為：為：kNNN,21 kiiNkN11由誤差傳遞公式，平均計(jì)數(shù)值的由誤差傳遞公式，平均計(jì)數(shù)值的方差方差為：為：kNNk

20、kkiikiNNi 12122211 多次重復(fù)測(cè)量多次重復(fù)測(cè)量結(jié)果表達(dá)結(jié)果表達(dá)：NN kNN/ 平均計(jì)數(shù)的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差平均計(jì)數(shù)的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差： iiNNNNkNv11 (5) 存在本底時(shí)凈計(jì)數(shù)率誤差的計(jì)算：存在本底時(shí)凈計(jì)數(shù)率誤差的計(jì)算：第一次，在時(shí)間第一次，在時(shí)間tb內(nèi)測(cè)得本底的計(jì)數(shù)為內(nèi)測(cè)得本底的計(jì)數(shù)為Nb；第二次，在時(shí)間第二次，在時(shí)間ts內(nèi)測(cè)得樣品和本底的總計(jì)內(nèi)測(cè)得樣品和本底的總計(jì)數(shù)為數(shù)為Ns。樣品的樣品的凈計(jì)數(shù)率凈計(jì)數(shù)率為：為：bsbbssnntNtNn 0標(biāo)準(zhǔn)偏差標(biāo)準(zhǔn)偏差為：為：bbssbbssntntntNtN 220 相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差為：為：bbssbsntntnnnv 10

21、(6) 不等精度獨(dú)立測(cè)量值的平均不等精度獨(dú)立測(cè)量值的平均 如果對(duì)同一量進(jìn)行了如果對(duì)同一量進(jìn)行了k次獨(dú)立測(cè)量，各次獨(dú)立測(cè)量，各次測(cè)量的時(shí)間為次測(cè)量的時(shí)間為ti，計(jì)數(shù)為，計(jì)數(shù)為Ni。這是。這是不等精不等精度測(cè)量度測(cè)量。這時(shí)，簡(jiǎn)單的求平均不再是求單。這時(shí)，簡(jiǎn)單的求平均不再是求單次次“最佳值最佳值”的適宜方法。需要進(jìn)行的適宜方法。需要進(jìn)行加權(quán)加權(quán)平均平均，使測(cè)量，使測(cè)量精度高精度高的數(shù)據(jù)在求平均值時(shí)的數(shù)據(jù)在求平均值時(shí)的的貢獻(xiàn)大貢獻(xiàn)大，精度低精度低的的貢獻(xiàn)小貢獻(xiàn)小。iiiinittnnWi /22 結(jié)果表示為：結(jié)果表示為： iintnnn 如果如果k次測(cè)量的次測(cè)量的時(shí)間均相等時(shí)間均相等，則測(cè)量為等精，則

22、測(cè)量為等精度測(cè)量：度測(cè)量：ktnnnn 從統(tǒng)計(jì)誤差而言，無(wú)論是一次測(cè)量還是從統(tǒng)計(jì)誤差而言，無(wú)論是一次測(cè)量還是多次測(cè)量，只要多次測(cè)量，只要總的計(jì)數(shù)總的計(jì)數(shù)相同，多次測(cè)量的相同，多次測(cè)量的平均計(jì)數(shù)率平均計(jì)數(shù)率相對(duì)誤差相對(duì)誤差和一次測(cè)量的計(jì)數(shù)率的和一次測(cè)量的計(jì)數(shù)率的相對(duì)誤差相對(duì)誤差是是一致一致的。的。(7) 測(cè)量時(shí)間的選擇測(cè)量時(shí)間的選擇(B) 有本底存在時(shí)，需要合理分配樣品測(cè)有本底存在時(shí)，需要合理分配樣品測(cè)量時(shí)間量時(shí)間ts和本底測(cè)量時(shí)間和本底測(cè)量時(shí)間tb。(A) 不考慮本底的影響；不考慮本底的影響；根據(jù)：根據(jù)：ntvn/1 nvtn21 min/1/sbssbnntTnn min11/bsbtTnn

23、 在在相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差給定給定的情況下，所需的情況下，所需最小測(cè)量時(shí)間最小測(cè)量時(shí)間為：為：22min)(10bsnnnvT 輻射探測(cè)器輻射探測(cè)器學(xué)習(xí)要點(diǎn)學(xué)習(xí)要點(diǎn)：探測(cè)器探測(cè)器的的工作機(jī)制；工作機(jī)制；探測(cè)器探測(cè)器的的輸出回路輸出回路與與輸出信號(hào)；輸出信號(hào)；探測(cè)器探測(cè)器的的主要性能指標(biāo)；主要性能指標(biāo)；探測(cè)器探測(cè)器的的典型應(yīng)用。典型應(yīng)用。Gasfilled DetectorMeV2MeV1SaturationIonRegionionRecombinatRegionalProportionRegionalProportionLimitedRegionMueller-GeigerPulse am

24、plitude (log scale)Voltage Applied 電離室電離室工作機(jī)制工作機(jī)制：入射帶電粒子入射帶電粒子(或非帶電粒子的次或非帶電粒子的次級(jí)效應(yīng)產(chǎn)生的帶電粒子級(jí)效應(yīng)產(chǎn)生的帶電粒子)使氣體使氣體電離電離產(chǎn)成產(chǎn)成電子電子離子對(duì)離子對(duì)，電子離子對(duì)電子離子對(duì)在外加在外加電場(chǎng)電場(chǎng)中中漂移漂移，從而，從而。輸出信號(hào)輸出信號(hào)：、。 是是。 是是（條件：（條件：V(t) tc ( tc為載流子收集時(shí)間為載流子收集時(shí)間 )時(shí)，時(shí)，為為：adCCeNh 輻射在靈敏體積內(nèi)產(chǎn)輻射在靈敏體積內(nèi)產(chǎn)生的電子空穴對(duì)數(shù)生的電子空穴對(duì)數(shù) 由于由于h與與Cd有關(guān)，而有關(guān)，而結(jié)電容結(jié)電容隨隨偏壓偏壓而變化，因而變

25、化，因此當(dāng)所加偏壓不穩(wěn)定時(shí)，將會(huì)使此當(dāng)所加偏壓不穩(wěn)定時(shí)，將會(huì)使 h 發(fā)生附加的漲發(fā)生附加的漲落；為解決該矛盾，落；為解決該矛盾，PN結(jié)半導(dǎo)體探測(cè)器通常采用結(jié)半導(dǎo)體探測(cè)器通常采用。則輸出脈沖幅度為：。則輸出脈沖幅度為：fCQh 輸出回路的輸出回路的時(shí)間常數(shù)時(shí)間常數(shù)為：為：ffCR 0 主要性能主要性能1) 1) 能量分辨率（線寬表示）能量分辨率（線寬表示）(1) 輸出脈沖幅度的輸出脈沖幅度的統(tǒng)計(jì)漲落統(tǒng)計(jì)漲落 E1.232221 EEEEFWHMEwFE 36. 21(2) 噪聲引起的展寬噪聲引起的展寬 E2電子學(xué)噪聲電子學(xué)噪聲主要由第一級(jí)主要由第一級(jí)FET構(gòu)成，包括：構(gòu)成，包括：零電容噪聲零電容

26、噪聲和和噪聲斜率噪聲斜率。探測(cè)器電容探測(cè)器電容零電容噪聲噪聲斜率零電容噪聲噪聲斜率 2E(3) 窗厚度的影響窗厚度的影響 E3)()(033ddFWHME (4) 電子與空穴陷落的影響電子與空穴陷落的影響 E42） 分辨時(shí)間分辨時(shí)間與與時(shí)間分辨本領(lǐng)時(shí)間分辨本領(lǐng)：s891010 3） 能量線性很好，能量線性很好，與入射與入射粒子類型粒子類型和和能量能量基本無(wú)關(guān)基本無(wú)關(guān)4） 輻照壽命輻照壽命輻照壽命是半導(dǎo)體探測(cè)器的一個(gè)致命的輻照壽命是半導(dǎo)體探測(cè)器的一個(gè)致命的弱點(diǎn)弱點(diǎn)。隨使用時(shí)間的增加，隨使用時(shí)間的增加，載流子壽命變短載流子壽命變短。 耗盡層厚度耗盡層厚度為為12mm。 對(duì)強(qiáng)穿透能力對(duì)強(qiáng)穿透能力的輻

27、射而言，的輻射而言，探測(cè)效率探測(cè)效率受很大的局限。受很大的局限。P-N結(jié)半導(dǎo)體探測(cè)器存在的矛盾結(jié)半導(dǎo)體探測(cè)器存在的矛盾：鋰漂移探測(cè)器鋰漂移探測(cè)器1) 空間電荷分布、電場(chǎng)分布及電位分布空間電荷分布、電場(chǎng)分布及電位分布I區(qū)區(qū)為為完全補(bǔ)償區(qū)完全補(bǔ)償區(qū)，呈電中性為均勻電場(chǎng)；，呈電中性為均勻電場(chǎng)；I區(qū)區(qū)為為耗盡層耗盡層，電阻率可達(dá)，電阻率可達(dá)1010 cm；I區(qū)區(qū)厚度可達(dá)厚度可達(dá)1020mm，為，為靈敏體積靈敏體積。2) 工作條件工作條件 為了為了降低降低探測(cè)器和探測(cè)器和FET的的噪聲噪聲，同時(shí)為降低，同時(shí)為降低探測(cè)器的表面漏電流，探測(cè)器和探測(cè)器的表面漏電流，探測(cè)器和FET都置于都置于真真空低溫空低溫的

28、容器內(nèi)，的容器內(nèi)，工作于液氮溫度工作于液氮溫度(77K)。 對(duì)對(duì)Ge(Li)探測(cè)器，須探測(cè)器，須保持在低溫下保持在低溫下； 對(duì)對(duì)Si(Li)探測(cè)器，可在探測(cè)器，可在常溫下保存常溫下保存。高純鍺探測(cè)器高純鍺探測(cè)器1) P區(qū)區(qū)存在空間電荷，存在空間電荷，HPGe半導(dǎo)體探測(cè)半導(dǎo)體探測(cè)器是器是PN結(jié)結(jié)型探測(cè)器。型探測(cè)器。2) P區(qū)區(qū)為為非均勻電場(chǎng)非均勻電場(chǎng)。3) P區(qū)區(qū)為為靈敏體積靈敏體積，其厚度與外加電壓，其厚度與外加電壓有關(guān)，一般工作于有關(guān)，一般工作于全耗盡狀態(tài)全耗盡狀態(tài)。4) HPGe半導(dǎo)體探測(cè)器可在半導(dǎo)體探測(cè)器可在，。5) 注意其注意其空間電荷分布空間電荷分布、電場(chǎng)分布電場(chǎng)分布及及電電位分布位

29、分布性能性能其中：其中：Si(Li)和和Ge(Li)平面型探測(cè)器平面型探測(cè)器用于用于低能低能 (X)射線射線的的探測(cè)，其能量分辨率常以探測(cè)，其能量分辨率常以55Fe的衰變產(chǎn)物的衰變產(chǎn)物55Mn的的KX能量能量5.95KeV為標(biāo)準(zhǔn)，一般指標(biāo)約：為標(biāo)準(zhǔn)，一般指標(biāo)約：1) 能量分辨率能量分辨率：232221EEEE 為為載流子數(shù)的漲落載流子數(shù)的漲落。EFE 36. 21)(36. 22ENCE 為為漏電流和噪聲漏電流和噪聲； 3E 為為載流子由于陷阱效應(yīng)帶來(lái)的漲載流子由于陷阱效應(yīng)帶來(lái)的漲落落，通過(guò)適當(dāng)，通過(guò)適當(dāng)提高偏置電壓減小提高偏置電壓減小。 eVE200160 HPGe，Ge(Li)同軸型探測(cè)器

30、同軸型探測(cè)器用于用于 射線探測(cè)射線探測(cè)，常，常以以60Co能量為能量為1.332MeV的的 射線為標(biāo)準(zhǔn)，一般指射線為標(biāo)準(zhǔn)，一般指標(biāo)約：標(biāo)約：KeVE0 . 25 . 1 2) 探測(cè)效率探測(cè)效率一般以一般以 3英寸英寸3英寸英寸的的NaI(Tl)晶體為晶體為100，用用相對(duì)效率相對(duì)效率來(lái)表示。來(lái)表示。以以85cm3的的HPGe為例，探測(cè)效率為為例，探測(cè)效率為19。3) 峰康比峰康比P = 全能峰峰值全能峰峰值/康普頓平臺(tái)的峰值康普頓平臺(tái)的峰值與與FWHM以及體積有關(guān)，可達(dá)以及體積有關(guān)，可達(dá)6008004) 能量線性能量線性：非常好非常好5) 時(shí)間特性時(shí)間特性：電流脈沖寬度電流脈沖寬度約約10-9

31、10-8s.1) HPGe和和Ge(Li)用于組成用于組成 譜儀譜儀：鍺具有：鍺具有較高的密度和較高的原子序數(shù)較高的密度和較高的原子序數(shù)(Z=32) 應(yīng)用應(yīng)用2) Si(Li)探測(cè)器探測(cè)器 由于由于Si的的Z14，對(duì)一般能量的，對(duì)一般能量的 射線，其光射線，其光電截面僅為電截面僅為鍺鍺的的1/50，因此，其主要應(yīng)用為：，因此，其主要應(yīng)用為： 低能量的低能量的 射線和射線和X射線測(cè)量射線測(cè)量， 在可得到在可得到較高的光電截面的同時(shí)，較高的光電截面的同時(shí)，Si的的X射線逃逸將明射線逃逸將明顯低于鍺的顯低于鍺的X射線逃逸射線逃逸； 粒子或其他外部入射的電子的探測(cè)粒子或其他外部入射的電子的探測(cè)，由，由

32、于其原子序數(shù)較低，可于其原子序數(shù)較低，可減少反散射減少反散射。中的中的中被中被 中的中的產(chǎn)生每個(gè)信息載流子的平均能量分別為產(chǎn)生每個(gè)信息載流子的平均能量分別為()()()探測(cè)器的探測(cè)器的信息載流子信息載流子電離室電離室：電子：電子- -正離子對(duì)的生成；離子正離子對(duì)的生成；離子對(duì)在電場(chǎng)中的漂移；感應(yīng)電荷的流動(dòng)；對(duì)在電場(chǎng)中的漂移；感應(yīng)電荷的流動(dòng)；輸出電流信號(hào)和電壓信號(hào)。輸出電流信號(hào)和電壓信號(hào)。 正比計(jì)數(shù)器正比計(jì)數(shù)器：非自持放電：非自持放電-碰撞電離與碰撞電離與雪崩過(guò)程；光子反饋與離子反饋及多原雪崩過(guò)程；光子反饋與離子反饋及多原子分子氣體；氣體放大系數(shù)。子分子氣體；氣體放大系數(shù)。GMGM管管：自持放電

33、：自持放電-電子雪崩的傳播及正電子雪崩的傳播及正離子鞘的形成；自熄過(guò)程；有機(jī)管與鹵離子鞘的形成；自熄過(guò)程；有機(jī)管與鹵素管的工作機(jī)制的特點(diǎn)。素管的工作機(jī)制的特點(diǎn)。 閃爍探測(cè)器閃爍探測(cè)器：發(fā)光機(jī)制；閃爍體的發(fā)光：發(fā)光機(jī)制；閃爍體的發(fā)光衰減時(shí)間常數(shù)衰減時(shí)間常數(shù) ；光子的收集；光子的收集-光電轉(zhuǎn)換光電轉(zhuǎn)換-光電子被光電子被D1D1收集收集-電子倍增電子倍增-電子在電子在最后打拿極與陽(yáng)極間運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生信號(hào)。最后打拿極與陽(yáng)極間運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生信號(hào)。 半導(dǎo)體探測(cè)器半導(dǎo)體探測(cè)器：空間電荷形成的電場(chǎng)；：空間電荷形成的電場(chǎng)；電子電子- -空穴對(duì)的形成；空穴對(duì)的形成；PNPN結(jié)及結(jié)及PINPIN結(jié)的形結(jié)的形成及工作原理。成及工

34、作原理。 1 1）電荷量：）電荷量： （電離室、半導(dǎo)體探測(cè)器）（電離室、半導(dǎo)體探測(cè)器） eN0eAN0（正比計(jì)數(shù)器）（正比計(jì)數(shù)器） l eMn（閃爍探測(cè)器）（閃爍探測(cè)器） （GMGM管）管） 2 2）電流信號(hào)）電流信號(hào)氣體和半導(dǎo)體探測(cè)器的電流信號(hào)的一般表達(dá)式：氣體和半導(dǎo)體探測(cè)器的電流信號(hào)的一般表達(dá)式： tNkkkjtNjjtrutrEtrutrEVetI1100正比計(jì)數(shù)器：正比計(jì)數(shù)器： tabANetI1ln20閃爍探測(cè)器：閃爍探測(cè)器： teeMentI 03 3）電壓信號(hào)：）電壓信號(hào)： 等效電路與輸出回路時(shí)間常數(shù)等效電路與輸出回路時(shí)間常數(shù) 00CR一般表達(dá)式一般表達(dá)式 dttIeCetVtC

35、RtCRt 0000000（1 1）電流工作狀態(tài)電流工作狀態(tài)-反映粒子束流的平均電反映粒子束流的平均電離效應(yīng)，條件：離效應(yīng)，條件： nCR100 輸出直流電流輸出直流電流 eNnI 0電壓電壓 00RIV （2 2）脈沖工作狀態(tài)脈沖工作狀態(tài)-反映單個(gè)入射粒子的電反映單個(gè)入射粒子的電離效應(yīng)，條件：離效應(yīng)，條件： nCR100 電流脈沖工作狀態(tài)電流脈沖工作狀態(tài)： ctCR 00tc為載流子收集時(shí)間，電壓脈沖形狀與電流脈沖相似為載流子收集時(shí)間，電壓脈沖形狀與電流脈沖相似電壓脈沖工作狀態(tài)電壓脈沖工作狀態(tài)： ctCR 00電壓脈沖為電流脈沖在電容上的積分，且有電壓脈沖為電流脈沖在電容上的積分，且有 0C

36、Qh （3 3）脈沖束工作狀態(tài)脈沖束工作狀態(tài)-反映粒子束脈沖的總反映粒子束脈沖的總電離效應(yīng)，輻射源為脈沖束源。條件電離效應(yīng)，輻射源為脈沖束源。條件TCR 00 電離室電離室00036. 236. 2EFWNF 正比計(jì)數(shù)器正比計(jì)數(shù)器068. 036. 2NF 111136. 21 en半導(dǎo)體探測(cè)器半導(dǎo)體探測(cè)器00036. 236. 2EFWNF 能量分辨率的表示能量分辨率的表示 百分?jǐn)?shù)表示百分?jǐn)?shù)表示 線寬表示線寬表示(單位為單位為KeV)%10036. 236. 200 EFWvhhEEh 036. 2)(FwEEFWHMEE 考慮影響能量分辨率的各種因素時(shí)，考慮影響能量分辨率的各種因素時(shí)，譜儀

37、的總分辨率：譜儀的總分辨率： iiEFWHME2 簡(jiǎn)便簡(jiǎn)便，但，但條件苛刻條件苛刻：必須有：必須有一個(gè)一個(gè)與被測(cè)樣品相同與被測(cè)樣品相同的的已知活度已知活度的標(biāo)準(zhǔn)的標(biāo)準(zhǔn)源，且源，且測(cè)量條件必須相同測(cè)量條件必須相同。復(fù)雜復(fù)雜，需要考慮很多影響測(cè)，需要考慮很多影響測(cè)量的因素，但絕對(duì)測(cè)量法是活度測(cè)量的量的因素，但絕對(duì)測(cè)量法是活度測(cè)量的基本方法基本方法。1) 1) 小立體角法小立體角法2) 2) 4 4 計(jì)數(shù)法計(jì)數(shù)法單能單能 能譜的分析能譜的分析1) 單晶單晶 譜儀譜儀主過(guò)程主過(guò)程：全能峰全能峰光電效應(yīng)所有的累計(jì)效光電效應(yīng)所有的累計(jì)效應(yīng)；應(yīng)；康普頓平臺(tái)康普頓平臺(tái)、邊沿邊沿及及多次康普頓散射多次康普頓散射

38、；單、單、雙逃逸峰雙逃逸峰。2) 單能單能 射線的能譜射線的能譜其他過(guò)程其他過(guò)程：和峰效應(yīng)和峰效應(yīng)；I(或或Ge)逃逸峰逃逸峰；邊緣邊緣效應(yīng)效應(yīng)(次電子能量未完全損失在靈敏體積內(nèi)次電子能量未完全損失在靈敏體積內(nèi))。屏蔽和結(jié)構(gòu)材料對(duì)屏蔽和結(jié)構(gòu)材料對(duì) 譜的影響譜的影響：散射散射及及反散反散射峰射峰；湮沒(méi)峰湮沒(méi)峰；特征特征X射線射線。24Na的的衰衰變變綱綱圖圖AB24Na的的NaI能譜能譜ABA+B SEBDEB58Co的的衰衰變變綱綱圖圖ABC58Co的的NaI能譜能譜ABC800+511Ann. Rad.各種各種 譜儀裝置譜儀裝置1) 單晶單晶 譜儀。譜儀。探測(cè)器探測(cè)器放大器放大器多道分析器多

39、道分析器計(jì)算機(jī)計(jì)算機(jī)2) 全吸收反康普頓譜儀。全吸收反康普頓譜儀。主探測(cè)器主探測(cè)器符合環(huán)符合環(huán)前置放大前置放大反反符符合合帶帶門(mén)門(mén)控控的的多多道道前置放大前置放大控控制制信信號(hào)號(hào)測(cè)量信號(hào)測(cè)量信號(hào)3) 康普頓譜儀康普頓譜儀(雙晶譜儀雙晶譜儀)。放大器放大器放大器放大器符合符合電路電路帶帶門(mén)門(mén)控控的的多多道道主探測(cè)器主探測(cè)器輔探測(cè)器輔探測(cè)器 h h)cos1(120 cmhhh hhEc測(cè)量信號(hào)測(cè)量信號(hào)門(mén)門(mén)控控信信號(hào)號(hào)4) 電子對(duì)譜儀電子對(duì)譜儀(三晶譜儀三晶譜儀)輔輔I輔輔II放大器放大器放大器放大器放大器放大器符符合合帶帶門(mén)門(mén)控控的的多多道道 e e測(cè)量信號(hào)測(cè)量信號(hào)門(mén)門(mén)控控信信號(hào)號(hào)1. 1. 中子的散射中子的散射 1) 彈性散射彈性散射 (n,n) 中子與物質(zhì)的相互作用實(shí)質(zhì)上是中子與中子與物質(zhì)的相互作用實(shí)質(zhì)上是中子與物質(zhì)的靶核的相互作用。物質(zhì)的靶核的相互作用。出射粒子仍為出射粒子仍為中子中子、剩余核仍為、剩余核仍為靶核靶核。反沖核的動(dòng)能：反沖核的動(dòng)能： 22cos)(4nMTmMmMT 2) 非彈性散射非彈性散射 (n,n )2. 2. 中子的俘獲中子的俘獲1) 中子的中子的輻射俘獲輻射俘獲 (n, )復(fù)合核的形成。復(fù)合核的形成。2) 發(fā)射帶電粒子的中子