核輻射探測器碩張資料

1、核輻射探測器碩張資料閃爍體探測器第1頁/共67頁閃爍探測器( (Scintillation detectorScintillation detector) ) 閃爍探測器是利用某些物質(zhì)在核輻射作用下會發(fā)光的特性探測核輻射的,這些物質(zhì)稱為熒光物質(zhì)或閃爍體。 光電器件（常用光電器件為光電倍增管，射線強時用光電管）將微弱的閃爍光轉(zhuǎn)變?yōu)楣怆娮樱怆娮咏?jīng)多次倍增放大后，輸出一個電脈沖。 這種主要由閃爍體和光電器件組成的裝置叫做閃爍探測器。第2頁/共67頁組成示意圖閃爍體閃爍體光電倍增管光電倍增管( (打拿極打拿極) )反射層反射層管座管座分壓器分壓器高壓高壓多道或單道多道或單道光陰極光陰極陽極陽極熒光熒

2、光光子光子光電子光電子暗盒暗盒窗窗前置放大器前置放大器第3頁/共67頁工作原理 核輻射進入閃爍體，損失能量使閃爍體的原子電離和激發(fā)，激發(fā)態(tài)原子退激時發(fā)射熒光（又稱閃爍光）。一個帶電粒子在閃爍體中產(chǎn)生的光子數(shù)為： E0為帶電粒子的能量；E0K1為帶電粒子在閃爍體中損失的能量；C發(fā)光為閃爍體發(fā)光效率；為熒光光子的平均能量hvCKEn發(fā)光光子10hv第4頁/共67頁工作原理 光子從產(chǎn)生地點穿過閃爍體和光導到達光電倍增管的光陰極，發(fā)生光電效應(yīng)，在光陰極上發(fā)射光電子數(shù)為： n光子為到達光陰極的光子數(shù)；n光子為閃爍體中產(chǎn)生的光子數(shù)目。T透明為閃爍體的透明度（即閃爍體對光不吸收的概率；G為光陰極的收集效率）

3、；C光電為光陰極的光電轉(zhuǎn)換效率光電透明光子光電光子光電子GCTnCnn第5頁/共67頁工作原理 光電子首先到達第一倍增管，從光陰極到第一個倍增極的傳輸系數(shù)即第一個倍增極收集效率為K2。由于光電倍增管各電極的電位必須使后一級相對于前一級為正電位，所以光電子從第一倍增極飛向其后各倍增極經(jīng)過倍增（飛行時間幾十ns），最后在陽極上收集的電子電荷為： M為光電倍增管的倍增系數(shù)也稱為放大倍數(shù)；e為基本電荷，其他符號同前。這些電荷在輸出電路中會產(chǎn)生一個電壓脈沖。vhMeKGCTCKEQ/2100光電透明發(fā)光第6頁/共67頁特性參量-發(fā)光效率 發(fā)光效率表示閃爍體將所吸收的核輻射能量轉(zhuǎn)變?yōu)樗l(fā)射光子的總能量的性

4、能，故有時稱為能量轉(zhuǎn)換效率： 發(fā)光效率常用輸出S表示： 顯然1/S表示產(chǎn)生一個光子核輻射所損失的能量，相當于氣體探測器和半導體探測器中的平均電離能。常用無機閃爍體NaI(Tl)的1/S300eV，它比半導體和氣體的平均電離能都大，因此閃爍探測器的能量分辨率較差10KEvhnC光子發(fā)光10KEnS光子第7頁/共67頁特性參量-發(fā)光光譜 閃爍體受核輻射照射時所發(fā)射的熒光不是單色的，且不同波長的光子數(shù)目也不一樣。 光子數(shù)隨波長的分布曲線稱為閃爍體的發(fā)光光譜。 選用的閃爍體的發(fā)光光譜要與所用光電倍增管的光譜響應(yīng)相匹配，才能在光陰極上產(chǎn)生較多的光電子第8頁/共67頁特性參量-發(fā)光衰減時間 帶電粒子進入閃

5、爍體后大約在10-11S時間內(nèi)就損失其能量并使閃爍體的原子（或分子）激發(fā)（可以認為是同時激發(fā)的）。但受激原子（或分子）退激（發(fā)光）時間卻不在同一時間，一般認為被核輻射照射后閃爍體單位時間發(fā)射的光子數(shù)（稱為發(fā)光強度）為 N0為t=0時受激發(fā)光的原子（分子）數(shù)（即一個帶電粒子使閃爍體能發(fā)出的總光子數(shù)）；為閃爍體的發(fā)光衰減時間，也稱為發(fā)光衰減時間常數(shù) /0teNtI第9頁/共67頁特性參量-發(fā)光衰減時間 第10頁/共67頁特性參量-光衰減長度 閃爍體發(fā)射的熒光光子在從產(chǎn)生地點向閃爍體與光導交界面?zhèn)鬏斶^程中，由于吸收、散射而發(fā)生衰減。 光子數(shù)衰減到原來的1/e時光子在閃爍體中通過的路程長度稱為光衰減長

6、度。 光衰減長度標志著閃爍體所能使用的最大尺度。 第11頁/共67頁常用閃爍體 第12頁/共67頁閃爍體的選擇 所選閃爍體的種類和尺寸應(yīng)適應(yīng)于所探測射線的種類、強度及能量 閃爍體的發(fā)射光譜應(yīng)盡可能好地和所用光電倍增管的光譜響應(yīng)配合，以獲得高的光電子產(chǎn)額 閃爍體對所測的粒子有較大的阻止本領(lǐng)，使入射粒子在閃爍體中損耗較多的能量 閃爍體的發(fā)光效率足夠高，有較好的透明度和較小折射率以使閃爍體發(fā)射的光子盡量被收集到光電倍增管的光陰極上 在作時間分辨計數(shù)或壽命放射性活度測量中，應(yīng)選取發(fā)光衰減時間短及能量轉(zhuǎn)換效率高的閃爍體第13頁/共67頁光的收集第14頁/共67頁光電倍增管(Photomultiplier

7、，PMT) 光電倍增管主要由光陰極、倍增管和陽極組成。 光陰極是接受入射光并放出光電子的電極。 倍增極用來做光電子的倍增。 陽極用來收集從最后一個倍增極發(fā)射的二次電子，在陽極負載上形成電脈沖信號真空殼真空殼光電子軌跡光電子軌跡入射光入射光聚焦電極聚焦電極半透明半透明第15頁/共67頁光電倍增管 光陰極：接收光子發(fā)射光電子的電極，由以堿金屬為主要成分的半導體化合物材料構(gòu)成，其光電效應(yīng)幾率大，光電子脫出功較小。光陰極有反射式和透射式兩種 電子光學輸入系統(tǒng)：由光陰極和第一倍增極之間的聚焦極構(gòu)成，作用是把光陰極各個方向上發(fā)射的光電子聚焦到第一倍增極。要求有良好的聚焦性能和高的光電子收集效率及小的渡越時

8、間第16頁/共67頁光電倍增管 二次發(fā)射倍增系統(tǒng)：由813個倍增極組成，工作時各電極依次加上遞增的電位。每個倍增極的電子倍增系數(shù)為， 36，則PMT的放大倍數(shù)M n，n：倍增極個數(shù)。 二次電子是指倍增極上由入射電子激發(fā)出來的電子，入射電子為一次電子，二次電子和一次電子數(shù)目之比為二次發(fā)射系數(shù)。要求二次發(fā)射系數(shù)大，熱電子發(fā)射少，大電流工作穩(wěn)定性好 陽極：最后收集電子并輸出信號的電極，采用電子脫出功較大且二次發(fā)射系數(shù)小能耐高溫的材料，如鎳、鉬、鎢等第17頁/共67頁光電倍增管的類型 外觀的不同 光陰極形式第18頁/共67頁 電子倍增系統(tǒng)的不同 聚焦型：具有較快的響應(yīng)時間，用于時間測量或需要響應(yīng)時間快

9、的場合 非聚焦型：電子倍增系數(shù)較大，多用于能譜測量系統(tǒng)第19頁/共67頁主要性能 光陰極靈敏度和光譜響應(yīng) 光陰極靈敏度可用多種方法表示，常用的有陰極光照靈敏度、量子效率等。 陰極光照靈敏度：標準白光照射光陰極時，光陰極產(chǎn)生的光電子流與照射光通量之比。 量子效率：一定波長的光照射光陰極，光陰極發(fā)射的光電子數(shù)與入射光子數(shù)之比。 光陰極的光譜響應(yīng)：量子效率隨波長效率變化的關(guān)系曲線。第20頁/共67頁主要性能 倍增系數(shù)：在一定工作電壓下，陽極輸出電流和陰極光電子流之比。 陽極光照靈敏度：在一定工作電壓下，用標準白光照射光陰極時，陽極電流與照射光通量之比 暗電流：在完全沒有光照射情況下，在一定工作電壓時

10、測得的陽極電流。 產(chǎn)生原因：光陰極熱電子發(fā)射，光電倍增管內(nèi)殘余氣體電離及激發(fā)、窗材料含有的少量放射性核素、高壓尖端放電等。第21頁/共67頁主要性能 陽極脈沖上升時間和渡越時間 陽極脈沖上升時間：陽極輸出脈沖前沿部分，從峰值的10%上升到峰值的90%所需時間。 渡越時間：光子到達光陰極的瞬間到陽極輸出脈沖達到某一指定值之間的時間間隔。 能量分辨率和探測效率 能量分辨率取決于熒光光子數(shù)和倍增系數(shù)的統(tǒng)計漲落、光電轉(zhuǎn)換效率的誤差等。 對于、等帶電粒子，探測器對它們有100%的計數(shù)效率。對于射線和中子，探測效率小于100%。 第22頁/共67頁單晶閃爍譜儀閃爍譜儀的組成與工作原理 閃爍體、PMT以及配

11、套的電子學儀器組成。 X X或射線不帶電，它與閃爍體的相互作用是通過三種實現(xiàn)的，它產(chǎn)生的是相當復雜的，因而由的也是相當復雜的 以NaI(Tl)閃爍晶體的單晶閃爍譜儀為例第23頁/共67頁單能射線的輸出脈沖幅度譜單能 射線在閃爍體內(nèi)產(chǎn)生的次電子譜 射線與物質(zhì)的相互作用：光子消失，產(chǎn)生：散射光子，：光子消失，產(chǎn)生產(chǎn)生兩個0.511MeV的湮滅光子。第24頁/共67頁閃爍體足夠小的情況，尺寸小于1cm 可認為由入射 光子產(chǎn)生的或電子對效應(yīng)中產(chǎn)生的這些次級輻射離開閃爍體，不再與閃爍體發(fā)生相互作用第25頁/共67頁(hv1.022MeV)第26頁/共67頁閃爍體特別大的情況 次級光子帶走的能量也最終轉(zhuǎn)化

12、為次級電子的能量，因此單能 光子入射后所產(chǎn)生的總的次級電子能量就等于入射 光子的能量EdEdNhv全能峰全能峰這種多次作用累加沉積能量的過程稱為累計效應(yīng)第27頁/共67頁閃爍體中等大小的情況 初級效應(yīng)中產(chǎn)生的光子逃出閃爍體第28頁/共67頁(hv1.022MeV)第29頁/共67頁單能 射線輸出脈沖幅度譜閃爍體的一次閃爍及周圍介質(zhì)對脈沖幅度譜的影響示意圖第30頁/共67頁半導體探測器第31頁/共67頁半導體探測器(semiconductor detector) 20世紀60年代以后迅速發(fā)展起來的一種新型核輻射探測器，以半導體材料為探測介質(zhì)。 半導體探測器的工作原理和氣體電離室的十分相似，故又稱

13、固體電離室 半導體：常溫下導電性能介于導體與絕緣體之間的材料。按化學成分可分為元素半導體和化合物半導體兩大類，鍺和硅是最常用的元素半導體第32頁/共67頁半導體 半導體通過電子傳導或空穴(electron hole)傳導的方式傳輸電流。 電子傳導的方式與銅線中電流的流動類似，即在電場作用下高度離子化（ionization）的原子將多余的電子向著負離子化程度比較低的方向傳遞。 空穴導電則是指在正離子化的材料中，原子核外由于電子缺失形成的“空穴”，在電場作用下，空穴被少數(shù)的電子補入而造成空穴移動所形成的電流（一般稱為正電流）。第33頁/共67頁半導體 材料中載子的數(shù)量對半導體的導電特性極為重要。這

14、可以通過在半導體中有選擇的加入其他“雜質(zhì)”（三、五族元素）來控制。 如果我們在純硅中摻雜少許的砷或磷（最外層有五個電子），就會多出一個自由電子，這樣就形成N型半導體 如果我們在純硅中摻入少許的硼（最外層有三個電子），就反而少了一個電子，而形成一個空穴，這樣就形成P型半導體（少了一個帶負電荷的電子，可視為多了一個正電荷）。第34頁/共67頁PN結(jié)(PN junction) P型半導體與N型半導體相互接觸時，其交界區(qū)域稱為PN結(jié)。P區(qū)中的自由空穴和N區(qū)中的自由電子要向?qū)Ψ絽^(qū)域擴散，造成正負電荷在 PN 結(jié)兩側(cè)的積累，形成電偶極層。電偶極層中的電場方向正好阻止擴散的進行。 由于P 區(qū)中的空穴向N區(qū)擴

15、散后與N區(qū)中的電子復合，而N區(qū)中的電子向P區(qū)擴散后與P 區(qū)中的空穴復合，這使電偶極層中自由載流子數(shù)減少而形成高阻層，故電偶極層也叫阻擋層。第35頁/共67頁半導體第36頁/共67頁工作原理 帶電粒子進入半導體探測器靈敏區(qū)后與半導體相互作用，使半導體的原子電離而產(chǎn)生電子和空穴對（初電離）。靈敏區(qū)的電子和空穴在電場作用下分別向兩電極漂移，從而在半導體探測器輸出電路上形成電壓脈沖。第37頁/共67頁半導體探測器類型PN結(jié)型半導體探測器 將摻均勻雜質(zhì)濃度的P型和N型半導體直接接觸而組成的探測元件叫做PN結(jié)型半導體探測器鋰漂移型半導體探測器； 用P型硅或鍺作基體，在基體的一面蒸鍍一層金屬鋰，鋰鍍層為N區(qū)

16、的半導體探測器高純鍺半導體探測器 采用高純度鍺晶體作為探測元件的半導體探測器第38頁/共67頁PN結(jié)型半導體探測器 在P型半導體上摻雜，通過補償效應(yīng)，轉(zhuǎn)化為N型半導體，形成P-N結(jié)。 由于密度的差異，電子和空穴朝著密度小的方向擴散。 擴散的結(jié)果形成空間電荷區(qū)，建立起自建電場。 在自建電場的作用下， 擴散與漂移達到平衡。形成P-N結(jié)區(qū)，也叫勢壘區(qū)、耗盡區(qū)。EPN第39頁/共67頁PN結(jié)型半導體探測器 少數(shù)能量較高的電子空穴會穿過勢壘區(qū)擴散到對方區(qū)域，形成正向電流 If 由于熱運動在勢壘區(qū)產(chǎn)生電子空穴，在自建電場作用下形成反向電流 IG 擴散到勢壘區(qū)的少數(shù)載流子在電場作用下也會形成反向電流 IS

17、達到平衡時，fI,GSIIEPNfGSIII第40頁/共67頁PN結(jié)型半導體探測器 外加電場下的P-N結(jié) 在P-N結(jié)上加反向電壓，由于結(jié)區(qū)電阻率很高，電位差幾乎都降在結(jié)區(qū) 反向電壓形成的電場與自建電場方向一致 外加電場使結(jié)區(qū)寬度增大。反向電壓越高，結(jié)區(qū)越寬EPN在外加反向電壓時的反向電流：少數(shù)載流子的擴散電流，結(jié)區(qū)面積不變，IS 不變；結(jié)區(qū)體積加大，熱運動產(chǎn)生電子空穴多，IG 增大；反向電壓產(chǎn)生漏電流 IL ，主要是表面漏電流。第41頁/共67頁PN結(jié)型半導體探測器 擴散結(jié)型探測器 把施主雜質(zhì)(例如磷)擴散到P型Si材料中，形成P-N結(jié)。 用高溫擴散和離子注入的方法，通過控制擴散溫度和擴散時間

18、，得到1m以下的薄入射窗。 性能穩(wěn)定，高溫使載流子壽命減小，窗損失能量。 面壘型探測器 在N型Si上蒸薄Au（金），透過Au層的氧化作用，形成P型氧化層。叫做金硅面壘探測器，Si(Au)。 入射窗薄，噪聲小。光敏，耐高溫特性不好。第42頁/共67頁金硅面壘半導體探測器 主要用于測量短射程的帶電粒子的能譜 。它的時間響應(yīng)速度與閃爍探測器差不多，所以可用來作定時探測器。它的本底很低，適于作低本底測量 優(yōu)點：能量分辨率高、設(shè)備簡單、使用方便 缺點：靈敏體積不能做得很大，因而限制了大面積放射源的使用第43頁/共67頁鋰漂移型半導體探測器 PN結(jié)型半導體探測器的一個缺點是靈敏區(qū)厚度很難達到2mm以上。它

19、在探測中帶電粒子方面有著廣泛的應(yīng)用，但對于穿透力很強的射線就不適用了 鋰漂移型半導體探測器可以很好的解決這個問題，它的靈敏區(qū)厚度可以達到10mm以上 鋰漂移型半導體探測器按其基制材料可以分成兩類：鋰漂移鍺探測器Ge(Li)和鋰漂移硅探測器Si(Li)，習慣上稱為鍺鋰和硅鋰探測器第44頁/共67頁鋰漂移型半導體探測器 用P型硅或鍺作基體，在基體的一面蒸鍍一層金屬鋰，鋰在硅和鍺中的電離電位很低，在室溫下鋰是離化的 通過鋰離子擴散進入基體。在合適的外加電場作用下，鋰離子向半導體內(nèi)部漂移，最后在半導體內(nèi)部的一段區(qū)域形成了電阻率很高的本征層 在鋰離子未漂移到的區(qū)域內(nèi)，仍為P型材料，鋰鍍層為N區(qū)，這樣就構(gòu)

20、成了一個P-N結(jié)構(gòu)的鋰漂移型半導體探測器，所以也叫PIN型半導體探測器第45頁/共67頁鋰漂移型半導體探測器平面型同軸型第46頁/共67頁高純鍺探測器 高純鍺探測器是在20世紀70年代研制出來的一種新型半導體探測器 本質(zhì)上也是PN結(jié)型半導體探測器 高純鍺的雜質(zhì)濃度可以降低到（1091010）原子/cm3，相應(yīng)的電阻率很高，使偏壓不到1000V時耗盡深度就可以達到10mm，所以可獲得較大的靈敏體積 按結(jié)構(gòu)特點可分為：平面型和同軸型第47頁/共67頁高純鍺探測器（1）一般平面型 （2）溝槽式平面型（3）P型同軸型（4）N型同軸型第48頁/共67頁高純鍺探測器 平面型高純鍺探測器靈敏區(qū)厚度一般在51

21、0mm，可以用于測量E220MeV的粒子，E60MeV的質(zhì)子，E10MeV的電子和能量E300keV的低能X和射線。 同軸型HPGe探測器靈敏區(qū)體積可達約400cm3，用于E10MeV的射線能量測量。第49頁/共67頁其他半導體探測器 化合物半導體探測器 如碘化汞（HgI2）、銻化鎘（CdTe）、砷化稼（GaAs）等 特殊類型半導體探測器 全耗盡探測器 位置靈敏探測器 內(nèi)放大探測器第50頁/共67頁半導體探測器與電離室比較 半導體探測器的工作原理類似于電離室，但它比電離室有一些明顯的優(yōu)點 半導體的密度比氣體密度大許多（三個數(shù)量級），半導體探測器和電離室輸出同樣大小脈沖時，半導體探測器體積可小許

22、多 半導體的平均電離能（約3eV）比氣體的平均電離能（約30eV）小一個數(shù)量級，帶電粒子在半導體探測器內(nèi)損失同樣的能量產(chǎn)生的電子-空穴對要多得多，電子-空穴對的統(tǒng)計漲落小得多，半導體探測器的能量分辨率要好得多第51頁/共67頁 主要缺點： 對輻射損傷較靈敏，受強輻照后性能變差 常用的鍺探測器，需要在低溫（液氮/電）條件下工作，甚至要求在低溫下保存，使用不便 半導體探測器廣泛地應(yīng)用于各個領(lǐng)域的射線能譜測量 。近年來又受到高能物理工作者的重視，在高位置分辨的粒子徑跡探測器方面有了突破性的發(fā)展第52頁/共67頁其他探測器 切倫科夫探測器 利用帶電粒子，通過折射率大于1的光學透明介質(zhì)時，在一定條件下能

23、發(fā)出一種微弱的可見光-切倫科夫光，用光電倍增管把切倫科夫光轉(zhuǎn)變成為電信號的探測器 熱釋光探測器 熱釋光探測器具有體積小、靈敏度高、量程寬，對象可以是、n、p等，衰退小、可重復使用等優(yōu)點，常用熱釋光材料LiF 徑跡探測器 徑跡探測器是直接記錄粒子走過的徑跡圖像的探測器，如核乳膠、固體徑跡探測器、云室、氣泡室、火花室、閃光室等第53頁/共67頁習題 1.活度為4000Bq的Po-210源，若放射的粒子徑跡全部落在充Ar電離室的靈敏區(qū)內(nèi)，試估算其飽和電流。 2.試述負電性氣體雜質(zhì)對三種氣體探測器性能的影響。 3.試解釋由NaI(Tl)單晶譜儀測到的24Na-2.76MeV 能譜圖上的單光子逃逸峰，雙

24、光子逃逸峰，康普頓邊緣，康普頓平臺等出現(xiàn)的原因。第54頁/共67頁習題 4.閃爍晶體和光電倍增管之間的光學耦合劑為什么不宜用水？第55頁/共67頁謝 謝！第56頁/共67頁探測器參數(shù) 能量分辨率是指對單能光子的能量測量峰的半寬度 探測效率由在一定探測條件下測到的粒子數(shù)，與在同一時間間隔內(nèi)由輻射源發(fā)射出的該種粒子總數(shù)的比值表示 絕對總效率 絕對峰效率stnN探測器記錄到的全譜計數(shù)放射源發(fā)出的粒子數(shù)pspnN探測器記錄到的全能峰計數(shù)放射源發(fā)出的粒子數(shù)第57頁/共67頁 本征總效率 本征峰效率 峰總比 峰康比intDnN探測器記錄到的全譜計數(shù)進入探測器的粒子數(shù)pinpDnN探測器記錄到的全能峰計數(shù)進

25、入探測器的粒子數(shù)全能峰面積峰總比全譜面積全能峰高度峰康比康普頓坪平均高度第58頁/共67頁閃爍體探測器第59頁/共67頁工作原理 光電子首先到達第一倍增管，從光陰極到第一個倍增極的傳輸系數(shù)即第一個倍增極收集效率為K2。由于光電倍增管各電極的電位必須使后一級相對于前一級為正電位，所以光電子從第一倍增極飛向其后各倍增極經(jīng)過倍增（飛行時間幾十ns），最后在陽極上收集的電子電荷為： M為光電倍增管的倍增系數(shù)也稱為放大倍數(shù)；e為基本電荷，其他符號同前。這些電荷在輸出電路中會產(chǎn)生一個電壓脈沖。vhMeKGCTCKEQ/2100光電透明發(fā)光第60頁/共67頁特性參量-發(fā)光效率 發(fā)光效率表示閃爍體將所吸收的核輻射能量轉(zhuǎn)變?yōu)樗l(fā)射光子的總能量的性能，故有時稱為能量轉(zhuǎn)換效率： 發(fā)光效率常用輸出S表示： 顯然1/S表示產(chǎn)生一個光子核輻射所損失的能量，相當于氣體探測器和半導體探測器中的平均電離能。常用無機閃爍體NaI(Tl)的1/S300eV，它比半導體和氣體的平均電離能都大，因此閃爍探測器的能量分辨率較差10KEvhnC光子發(fā)光10KEnS光子第61頁/共6