[專業(yè)文獻(xiàn)]03核地球物理儀器

1、3.1核輻射的基本知識(shí)3.1.1 放射性現(xiàn)象放射性現(xiàn)象對(duì)于我們?cè)缫巡荒吧瑤r石里、食物內(nèi)、空氣中，到處都存在放射性。放射性現(xiàn)象就是不穩(wěn)定的核素自發(fā)地放出粒子或射線，或在軌道電子俘獲后放出X射線，或產(chǎn)生自發(fā)裂變的過程。我們知道，原子由原子核和其外圍繞的電子組成，原子核由質(zhì)子及中子組成，質(zhì)子與電子的數(shù)目相等，使原子呈中性。通常用AZX表示核素，X為元素的化學(xué)符號(hào)；A為質(zhì)量數(shù)，等于質(zhì)子和中子質(zhì)量的總和，Z為原子序數(shù)，等于質(zhì)子的數(shù)目。例如氫有三個(gè)核素：氫、氖、氖，分別記作11H，21H，31H，它們是同位素。同位素是質(zhì)子數(shù)相同，而中子數(shù)不相同的核素。從構(gòu)成萬物的一百多種元素來看，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了2000多種

2、核素，其中280多種核素是穩(wěn)定的。在不穩(wěn)定的核素中有60多種是天然放射性核素，其中主要在 Z 83的元素里，而余下的為人工放射性核素。天然放射性核素發(fā)生核衰變時(shí)，會(huì)放出、射線，人工放射性核素還可以輻射出質(zhì)子或中子等。天然放射性核素自發(fā)地衰變，一般不受溫度、壓力的影響，并且按指數(shù)規(guī)律變化，若某時(shí)刻t時(shí)的放射性原子核數(shù)目為N（t）,則其與初始N0時(shí)具有的放射性原子核數(shù)目N。之間有下面的關(guān)系： N（t）= N0e-t （1-1）稱為衰變常數(shù)，和原子核的性質(zhì)有關(guān)，不同的原子核有不同的，衰變常數(shù)的物理意義是單位時(shí)間內(nèi)一個(gè)原子核發(fā)生衰變的概率。它反映的是衰變的速度，愈大，則衰變率愈大，衰變速度愈快。通常用

3、半衰期T1/2來表示衰變的速度或元素的壽命。半衰期就是放射性元素原有的原子衰變一半所需要的時(shí)間。例如238U的半衰期T1/2= 451*109a,從若原有 1000萬個(gè)原子，則經(jīng)過451*109a后將剩下一半，約 500萬個(gè)，再經(jīng)過451*109a又剩下一半約為 250萬個(gè)；而不是經(jīng)過一個(gè)半衰期剩下了一半，再經(jīng)過一個(gè)半衰期的時(shí)間另一半就衰變完了。實(shí)際上，歷時(shí)10個(gè)半衰期，原有的原子還剩下于分之一左右。半衰期和衰變常數(shù)有下面的簡(jiǎn)單關(guān)系：T1/2=ln2/ （1-2）各種放射性核素的半衰期差別很大，例如氡的三個(gè)放射性同位素：222Rn（氡）、220Rn（釷射氣）、 219Rn（錒射氣） 雖然同為惰

4、性氣體，但半衰期差別很大，分別為 38 2 5 d，5 56 s和 39 6s，利用半衰期的差別就可以把它們區(qū)分開來。雖然不同放射性核素的半衰期或衰變常數(shù)為一確定數(shù)值，基本上不隨化學(xué)或物理狀態(tài)而改變。但是在放射性測(cè)量時(shí)我們將會(huì)發(fā)現(xiàn)，測(cè)量條件雖未變化，而所得結(jié)果并不完全一樣，即放射源每單位時(shí)間內(nèi)發(fā)生衰變的原子數(shù)目是不相同的，時(shí)多時(shí)少，有起有伏。例如第一次讀數(shù)為每分鐘100次衰變，條件完全相同，第二次讀數(shù)可能為每分鐘97次衰變，第三次讀數(shù)卻為每分鐘108次衰變，前后讀數(shù)相差不少，這是其他許多測(cè)量（長(zhǎng)度測(cè)量、重量測(cè)量等）中未見到過的，這種現(xiàn)象稱為放射性衰變的統(tǒng)計(jì)漲落。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因在于放射性原子

5、核的衰變是自動(dòng)發(fā)生的，哪一個(gè)原子核發(fā)生衰變是帶有偶然性的，誰(shuí)先衰變，誰(shuí)后衰變無法確定。因此，對(duì)一具有大量原子的放射源，在某一時(shí)刻會(huì)有較多的原子核衰變，而另一時(shí)刻則有較少的原子核衰變，這樣便使觀測(cè)結(jié)果有了起伏漲落。實(shí)驗(yàn)及理論均已證明，放射性測(cè)量的數(shù)據(jù)雖有漲落，但比較集中地在某一個(gè)范圍內(nèi)波動(dòng)。例如進(jìn)行了1000次觀測(cè)，平均值N=400，數(shù)據(jù)出現(xiàn)在 N士N范圍內(nèi)的數(shù)占 683，即有 683次數(shù)據(jù)出現(xiàn)在 4 0 0 士20范圍內(nèi)（3804 2 0之間），而超過N士N 這個(gè)范圍的數(shù)據(jù)占317，即約有317次的結(jié)果不在380420這個(gè)范圍內(nèi)。出現(xiàn)在N士2N范圍內(nèi)的概率是955；出現(xiàn)在N士3N范圍內(nèi)的概率是

6、 997。人工放射性探測(cè)與天然放射性測(cè)量一樣，都具有放射性統(tǒng)計(jì)漲落現(xiàn)象，并符合上述規(guī)律。3.1.2射線與物質(zhì)的相互作用一、射線和物質(zhì)的相互作用為了便于掌握放射性測(cè)量?jī)x器的工作原理，下面按照不同類型的射線介紹射線和物質(zhì)相互作用的有關(guān)知識(shí)。射線是由粒子組成的。粒子就是快速運(yùn)動(dòng)的氦核，它是一個(gè)穩(wěn)定的原子核，粒子是在不穩(wěn)定原子核發(fā)生衰變時(shí)放射出來的。天然放射性核素衰變時(shí)放射出的粒子的動(dòng)能約在410MeV之間。粒子質(zhì)量較大，所以它的速度比光速低很多，能量為10 MeV的粒子，其運(yùn)動(dòng)速度約為光速的 1/10。由一定的放射性核素輻射出來的粒子能量是一定的，如：214Po(RaC)輻射出的粒子能量為 768

7、MeV，212Po(ThC) 放出的粒子能量為1054 MeV。在同時(shí)還輻射出射線時(shí)，一般輻射出不止一種能量的粒子，226Ra衰變時(shí)伴有輻射，它的粒子有兩種能量，一種是478 MeV（占 943），另一種是459 MeV。不同核素放出的粒子在能量（或稱能譜）方面的這種差異可以用來區(qū)分不同的放射性核素。粒子通過物質(zhì)時(shí)主要是與介質(zhì)中原子的軌道（束縛）電子相互作用。帶電的粒子與束縛電子作彈性碰撞，兩者之間的電磁相互作用使束縛電子得到加速而離開軌道變成自由電子，引起電離。如果束縛電子獲得的能量還不夠大，未能變成自由電子，而只是激發(fā)到更高能級(jí)上去，便是激發(fā)作用。粒子通過物質(zhì)時(shí)，能量主要消耗在使物質(zhì)電離和

8、激發(fā)上。我們正是根據(jù)粒子電離或激發(fā)介質(zhì)的原子產(chǎn)生的效應(yīng)來探測(cè)粒子有關(guān)特性的。因?yàn)榱Ｗ幽芰亢艽?，而在每一次碰撞中損失的能量相對(duì)是很小的，所以原子對(duì)粒子的散射作用很小，a粒子在空氣中的軌跡近似直線，僅在其末端，因粒子速度變小，運(yùn)動(dòng)軌跡才稍有彎曲。粒子能量不斷消耗于電離和激發(fā)上，最終耗盡動(dòng)能，粒子就停下來，在捕獲了兩個(gè)電子后，變成通常的氮原子。粒子在物質(zhì)中穿透的距離稱為射程，它隨粒子能量及介質(zhì)不同而異。粒子能量在47MeV范圍內(nèi)時(shí)，粒子在空氣中的射程R?？捎孟率角蟪觯篟空=0.309E3/2 （1-3）式中R空為粒子在空氣中的射程，單位：cm；E為粒于的能量，單位：MeV。粒子的射程很短，而且與粒子

9、的能量有關(guān)，在空氣中一般約為幾厘米。天然放射性核素輻射出的能量最大的粒子（E。= 1054 MeV）在空氣中的射程也不過是11 5cm粒子通過其他介質(zhì)時(shí)射程就更短了，用一張紙就足以擋住粒子。在塑料中粒子的射程約為l mm。 二、射線及其與物質(zhì)的相互作用射線是由粒子束組成的。粒子為帶一個(gè)負(fù)電荷（或正電荷）的高速運(yùn)動(dòng)（可以接近光速）的電子。帶正電的壽命很短，其他性質(zhì)均與帶負(fù)電荷的p粒子相同，僅所帶電荷符號(hào)相反而已。放射性核素衰變時(shí)放出的粒子能量一般低于15 MeV，并且粒子的能量都是連續(xù)的，可在很大的范圍內(nèi)變化，這是和粒子很不相同的一點(diǎn)。粒子質(zhì)量輕，體積小，所以它和物質(zhì)相互作用的特點(diǎn)與粒子有所不同

10、。粒子通過物質(zhì)時(shí)除有電離、激發(fā)作用外，還有彈性散射和韌致輻射等現(xiàn)象。帶電粒子通過物質(zhì)時(shí)，因受原子核庫(kù)侖電場(chǎng)的相互作用而改變運(yùn)動(dòng)方向的現(xiàn)象稱為散射。粒子很輕，散射作用很明顯，而且會(huì)發(fā)生多次散射，粒子散射后運(yùn)動(dòng)方向發(fā)生改變，甚至可能發(fā)生與原來前進(jìn)方向相反的稱為反散射的運(yùn)動(dòng)。因此粒子的實(shí)際路徑比它能穿透的射程一般要大14倍。當(dāng)粒子被物質(zhì)所阻止突然降低速度時(shí)，有一部分動(dòng)能將轉(zhuǎn)變?yōu)槟芰窟B續(xù)的電磁輻射，稱為軔致輻射。這種軔致輻射損耗隨電子能量增加而增加。例如動(dòng)能為 10 MeV的粒子，在鉛（Z為 82）中，電離損耗與軔致輻射損耗基本相等。能量越大，軔致輻射的損耗也越大。因?yàn)榱Ｗ拥馁|(zhì)量與電子質(zhì)量相等，粒子在

11、電離碰撞過程中每次傳遞給軌道電子的能量漲落很大，再加上軔致輻射損耗，所以即使粒子的能量是單一的，它在同一物質(zhì)中的路徑差別也很大，又因散射現(xiàn)象，粒子的路徑就更不會(huì)相等，射程的漲落一般達(dá)到1015。就214Bi（RaC）放出的射線而言，它的粒子最大能量為317MeV，在空氣中的最大射程約為12m，在鋁中的射程約為06cm。和粒子相比粒子的穿透能力還是強(qiáng)得多，因此，探測(cè)射線和探測(cè)射線有許多不同的地方,應(yīng)予注意。三、 射線及其與物質(zhì)的相互作用 射線和X射線都是一種電磁波，是一種光子，它們的差別僅在于產(chǎn)生的方式不同。射線通常是伴隨射線和射線一起產(chǎn)生的，是原子核從激發(fā)態(tài)躍遷至基態(tài)時(shí)放出的電磁輻射。X射線是

12、原子內(nèi)層軌道電子退激過程或高能電子的韌致輻射所發(fā)出的電磁輻射。因?yàn)樗鼈兪请姶挪?，所以和光有相同的傳播速度，不過射線和X射線波長(zhǎng)較短，頻率較高。就光子而言，它沒有靜止質(zhì)量。光子的能量E=hV,全部是動(dòng)能,h是普朗克常數(shù)，V為頻率，光子的能量較可見光的光子能量大得多，波長(zhǎng)比可見光短得多，天然放射性核素發(fā)生衰變時(shí)輻射出的射線的能量約在幾十keV到幾MeV之間。一定的核素放出的射線能量是一定的。如137Cs放出的射線能量為 06 61 MeV，60Co放出的 射線能量為117MeV和 13 3MeV。以后要討論的能譜測(cè)量正是根據(jù)射線能量的差異來區(qū)分不同放射性核素的。射線是不帶電的輻射，它通過介質(zhì)時(shí)能量

13、的損失方式不同于前述粒子或粒子。后二者主要是通過與原子的軌道電子的庫(kù)侖場(chǎng)作用，使原子電離或激發(fā)，逐漸損耗其能量的。y射線是與原子或電子作用，產(chǎn)生出電子來，并將能量交給這些電子，稱為次級(jí)電子，再由次級(jí)電子引起物質(zhì)的電離或激發(fā)，這樣射線可以通過間接的關(guān)系加以探測(cè)。射線通過物質(zhì)時(shí)，主要有三種相互作用。 （一）光電效應(yīng)光子與原子相碰撞時(shí)，把全部能量交給一個(gè)軌道電子，使它脫離原子運(yùn)動(dòng)，光子本身整個(gè)被吸收，這種作用放出的電子稱為光電子，這一效應(yīng)稱為光電效應(yīng)。圖11(a）示意地表示了光電效應(yīng)的過程。射線本身雖不能引起介質(zhì)的電離或激發(fā)，但產(chǎn)生的光電子將引起物質(zhì)的電離和激發(fā)，借此可對(duì)射線加以探測(cè)。圖11 射線通

14、過物質(zhì)時(shí)的三種效應(yīng)示意圖（a）光電效應(yīng)；(b）康普頓效應(yīng)；(c）形成電子對(duì)效應(yīng)。能量為h( EbhmC2,Eb為軌道電子的結(jié)合能，mC2=0.51MeV) 的光子通過介質(zhì)發(fā)生光電效應(yīng)的概率可用下面經(jīng)驗(yàn)公式表示：NZ5(h)-3.5 (1-4)式中，N為單位體積中的原子數(shù)；Z為原子序數(shù)。從式（1-41）中可以看出光電效應(yīng)和原子序數(shù)有密切的關(guān)系，原子序數(shù)愈大愈明顯，探測(cè)射線用的閃爍計(jì)數(shù)器等選用原子序數(shù)大的材料做閃爍體，就是充分利用這一特性。從式（1-4）還可以看出，當(dāng)能量增加時(shí)，光電效應(yīng)將明顯降低。例如，能量為05MeV的射線通過鉛時(shí)，光電效應(yīng)十分明顯，而當(dāng)能量增至2MeV時(shí)，光電效應(yīng)就不十分明顯

15、。產(chǎn)生光電效應(yīng)后的原子會(huì)處于激發(fā)態(tài)，多余的能量可使外層電子從原子中逃出，發(fā)射出的這個(gè)電子稱為俄歇電子；也可以使外層電子躍遷到內(nèi)層，充填電子空缺，多余的能量以X射線釋出。由于每種元素輻射出的X射線能量是一定的，故名特征X射線，也叫X熒光。 （二）康普頓效應(yīng)當(dāng)光子能量增加后，光電效應(yīng)逐漸減弱，康普頓散射成為光子能量損失的主要方式。在這一過程中，光子和原子中的一個(gè)電子發(fā)生非彈性碰撞。碰撞之后光子將一部分能量傳給電子，使電子從原子空間中以一定的方向射出，稱為康普頓電子；光子能量減少，并以一定的方向散射出去。若碰撞前光子能量為h，碰撞后光子能量為h，則hh。圖l1（B）示意地繪出了這一過程?？灯疹D電子又

16、稱反沖電子，它將引起物質(zhì)電離或激發(fā)，為我們所探測(cè)。射線通過介質(zhì)發(fā)生康普頓散射的概率也與光子能量h及介質(zhì)原子序數(shù)Z有關(guān)，當(dāng)hmC2，則（NZ/h）ln(2h/mC2+1/2) (1-5)可見光子能量減弱時(shí)，康普頓散射效應(yīng)上升；介質(zhì)原子序數(shù)及密度大時(shí)，康普頓效應(yīng)增加。 （三）形成電子對(duì)效應(yīng)當(dāng) 光子能量大于 102 MeV時(shí)，它和物質(zhì)作用有另一新的現(xiàn)象。光子在原子核庫(kù)侖場(chǎng)作用下轉(zhuǎn)化成一個(gè)電子和一個(gè)正電子，即形成一個(gè)正負(fù)電子對(duì)，而原來的光子整個(gè)不見了。圖13(C）示意地表示這一過程的情形。光子通過介質(zhì)發(fā)生形成電子對(duì)效應(yīng)的概率有下面的關(guān)系:NZ2(h-2mC2) (1-6)可見，發(fā)生形成電子對(duì)效應(yīng)的概率

17、也與人射射線的能量及介質(zhì)原子序數(shù)有關(guān)。h大,Z大則產(chǎn)生形成電子對(duì)效應(yīng)的概率增加。正電子和粒子性質(zhì)相似，會(huì)引起物質(zhì)的電離和激發(fā)，因其帶有正電荷，當(dāng)其損失能量之后將和電子結(jié)合轉(zhuǎn)化成光子，發(fā)生電子對(duì)的“湮沒”，稱為光化輻射，它的特征能量是 051MeV。圖 13(C）的下方是電子對(duì)湮沒的示意圖。因此當(dāng)能量大于10 2 2 MeV的射線穿過原子序數(shù)高的介質(zhì)時(shí)，可以容易地測(cè)到這個(gè)能量的次級(jí)射線。 射線也能與原子核作用發(fā)生核反應(yīng)，稱光核反應(yīng)，例如(,n)反應(yīng)，能產(chǎn)生中子。綜上所述射線通過物質(zhì)時(shí)，將發(fā)生三種不同的效應(yīng)，這些效應(yīng)除與射線能量有關(guān)外，還與介質(zhì)的原子序數(shù)Z有關(guān)，其中： (光電效應(yīng)）Z5 (康普頓效

18、應(yīng)）Z （形成電子對(duì)效應(yīng)）Z 2 為了更好地讓光子被介質(zhì)吸收掉，使其轉(zhuǎn)化為我們能方便探測(cè)到的帶電粒子，用作探測(cè)射線的探測(cè)器常常選用原子序數(shù)高的材料做成。射線穿過物質(zhì)的本領(lǐng)比射線要大得多，它在空氣中可以穿透數(shù)百米的距離，在巖石中也有1m左右的射程。許多放射性核素雖都能輻射出射線，但其能量是不相同的，測(cè)定其能譜可以區(qū)分它們。值得指出的是射線通過物質(zhì)時(shí)會(huì)發(fā)生光電效應(yīng)、康普頓效應(yīng)等過程，使得實(shí)測(cè)的能譜曲線與原始情況有較大差異，如圖14所示，并在無放射性核素存在的100 keV附近出現(xiàn)峰值，但能量低于50 keV的射線比例很小。這些特點(diǎn)在調(diào)整儀器時(shí)?？杉右岳?。圖14 巖石上實(shí)測(cè)的一條射線能譜曲線 四、

19、 中子及其與物質(zhì)的相互作用中子不帶電荷，質(zhì)量數(shù)為1。用帶電粒子粒子或光子轟擊原子核，當(dāng)其發(fā)生核反應(yīng)時(shí)，可以產(chǎn)生中子。自由中子的半衰期約為12 min。衰變后形成質(zhì)子、電子和中微子，即np+e-+ 根據(jù)中子的能量不同，可以粗略地分成熱中子、慢中子、快中子等等?？熘凶幽芰孔畲螅话愦笥?00keV；慢中子的能量一般小于1keV。熱中子能量很小，通常與介質(zhì)的分子或原子熱運(yùn)動(dòng)的動(dòng)能為同一個(gè)數(shù)量級(jí)，在 15C時(shí)，熱中子的平均能量約為 0025eV。中子不帶電，通過物質(zhì)時(shí)不受電場(chǎng)的作用，所以即使在熱中子那樣低的能量時(shí)仍可與原子核發(fā)生作用，與其發(fā)生核反應(yīng)，這便決定了中子與物質(zhì)相互作用的許多特殊之處。中子通過

20、物質(zhì)時(shí)主要發(fā)生散射和俘獲反應(yīng)。中子的散射可分為彈性散射和非彈性散射。當(dāng)發(fā)生彈性散射時(shí)，中子的一部分能量交給原子核，形成所謂反沖核，根據(jù)動(dòng)量守恒原理，原子核的質(zhì)量愈接近中子質(zhì)量，中子交出的能量愈多，反沖核的動(dòng)量將愈大。這個(gè)具有一定動(dòng)量并帶有電荷的反沖核，在性質(zhì)上與粒子頗相似，能引起原子或分子的激發(fā)和電離，從而可以間接地顯示中子的一些情況。當(dāng)發(fā)生非彈性碰撞時(shí)，中子將損失很大一部分能量（例如快中子通?？梢虼藫p耗全部能量的90左右）.使原子核處于激發(fā)狀態(tài)，它將在很短的時(shí)間內(nèi)回復(fù)到基 態(tài)，并放出中子和光子。散射現(xiàn)象是快中子與原子核作用的最主要形式，快中子通過散射作用，能量逐漸減弱，中子速度減低，逐漸慢化

21、而成為慢中子。中子發(fā)生被俘獲的現(xiàn)象，是中子與原子核相互作用的另一種形式。原子核俘獲中子后可形成受激復(fù)合核，受激復(fù)合核可以通過輻射粒子、光子或發(fā)生裂變而回到基態(tài)。這些不同的核反應(yīng)便是通常稱做的（n,p）(n,)(n,)或(n,f)反應(yīng)。俘獲是慢中子與介質(zhì)的原子核相互作用的主要形式，快中子被原子核俘獲的概率是較小的。中子雖然不能直接引起物質(zhì)的電離和激發(fā)，但借助上述各種反應(yīng)產(chǎn)生的一些帶電產(chǎn)物的次級(jí)作用，中子通過物質(zhì)時(shí)仍能間接地引起原子或分子的電離和激發(fā)，從而易于被探測(cè)。中子通過物質(zhì)后，它的減弱規(guī)律可用下述關(guān)系式表示： N=N0 e-nd （1-6）式中N為透過吸收介質(zhì)后的中子數(shù)目，N0為入射中子的數(shù)

22、目，n為吸收介質(zhì)單位體積內(nèi)原子核的數(shù)目,d為介質(zhì)的厚度，為介質(zhì)的有效截面。有效截面表示中子被介質(zhì)散射和俘獲的概率。我們可以把它想象為一個(gè)以原子核為中心的圓形靶子，其面積為,因此每當(dāng)中子進(jìn)入靶區(qū)時(shí)，就會(huì)發(fā)生給定的相互作用，靶愈大，則發(fā)生反應(yīng)的概率就愈大。有效截面曾用單位是“靶恩”，符號(hào)為b， B=10-24CM2它并不表示面積，而是反映一種過程的概率。3.1.3放射性測(cè)量中的一些常用單位 放射性測(cè)量工作中應(yīng)用的單位很多，由于多種原因，單位的定義變化較大。以下僅就放射性測(cè)量工作中常用的單位做一簡(jiǎn)要介紹。 一、法定計(jì)量單位 貝可（勒爾）它是放射性活度的單位。放射性核素每秒鐘衰變一次為1貝可勒爾，簡(jiǎn)稱

23、貝可，符號(hào)是Bq。 庫(kù)侖每千克 ：它是射線或X射線的照射量單位。照射量X定義是 X=dQ/dm式中dQ為當(dāng)光子在質(zhì)量為dm的空氣中釋放出來的全部電子被完全阻止于空氣中時(shí)，在空氣中所形成的任一種符號(hào)的離子總電荷的絕對(duì)值。符號(hào)為C/kg。戈（瑞）它是吸收劑量的單位。吸收劑量D是對(duì)介質(zhì)在輻射場(chǎng)中吸收輻射能量的度量，即 D=dE/dm式中dE為輻射授予物質(zhì)的平均能量,dm 為物質(zhì)的質(zhì)量。戈瑞簡(jiǎn)稱戈，符號(hào)為 Gy。顯然，若平均能量為 1焦耳,入該物質(zhì)質(zhì)量為1干克（kg），則 1G y= 1J /kg式中J為焦耳。希（沃特）它是劑量當(dāng)量的單位。劑量當(dāng)量H是輻射防護(hù)上采取的物理量，用以衡量輻射對(duì)人體產(chǎn)生效應(yīng)

24、的情況， H=DQN式中：D是吸收劑量力是品質(zhì)因數(shù)，N是修正因子。劑量當(dāng)量的單位稱為希，符號(hào)為Sv 1Sv=1J/kg3.2核輻射傳感器3.2.1 概述一臺(tái)完整的核輻射儀器，可分為兩部分，一是將入射射線的能量轉(zhuǎn)換成電信號(hào)或其它易測(cè)信號(hào)的轉(zhuǎn)換器，即傳感器或稱為換能器；另一是測(cè)量電路或稱為儀器，它把核輻射傳感器給出的信號(hào)予以放大、處理和記錄，給人們提供入射線的某些特征，如強(qiáng)度、能量、位置、種類等。用于測(cè)定核輻射射線的種類、能量及強(qiáng)度的傳感器，稱為核輻射探測(cè)器。 人們根據(jù)不同的要求和探測(cè)的對(duì)象，制成了多種不同類型的探測(cè)器，常見的核輻射探測(cè)器按其工作原理可分為以下幾種：氣體探測(cè)器 它是根據(jù)帶電粒子通過

25、氣體時(shí)，引起氣體的電離來探測(cè)輻射粒子的。早期該種探測(cè)器曾廣泛應(yīng)用，它的優(yōu)點(diǎn)是制備簡(jiǎn)單，性能可靠，成本低廉，使用方便，因而至今仍在應(yīng)用。隨著探測(cè)器技術(shù)不斷發(fā)展，在高能物理和重粒子物理實(shí)驗(yàn)中它已獲得新的應(yīng)用。閃爍探測(cè)器它是根據(jù)射線與物質(zhì)相互作用產(chǎn)生熒光現(xiàn)象，來探測(cè)射線粒子的。它比氣體探測(cè)器高多的探測(cè)效率而被廣泛使用，在不少儀器中已取代了氣體探測(cè)器。半導(dǎo)體探測(cè)器這是六十年代以來迅速發(fā)展起來的一種新型探測(cè)器。主要優(yōu)點(diǎn)是：能量分辨率高。線型范圍廣，體積小。是今年來發(fā)展極為迅速的一種核輻射探測(cè)器件。用于核輻射測(cè)量的還有原子乳膠，固體徑跡探測(cè)器；威爾遜（wilson）云室和氣泡室火花放電室；多能正比室切倫科

26、夫（uepeHKOB）計(jì)數(shù)器；熱釋光探測(cè)器等。探測(cè)器的工作原理可歸納為：利用射線與物質(zhì)作用時(shí)產(chǎn)生的熒光現(xiàn)象；利用射線通過物質(zhì)時(shí)產(chǎn)生的電離作用；利用射線對(duì)某些物質(zhì)的核反應(yīng)；利用射線與物質(zhì)作用時(shí)產(chǎn)生輻射損傷；利用射線與物質(zhì)作用時(shí)產(chǎn)生的化學(xué)反應(yīng)或熱效應(yīng)。運(yùn)用上述某種效應(yīng)，直接或間接對(duì)射線進(jìn)行探測(cè)和解釋。本節(jié)將討論前面三種類型的探測(cè)器。3.2.2氣體探測(cè)器氣體探測(cè)器包括電離室，正比計(jì)數(shù)器和GM計(jì)數(shù)器等。圖2.1氣體探測(cè)器的結(jié)構(gòu)示意圖研究氣體探測(cè)器的工作原理首先要了解氣體探測(cè)器中的電離現(xiàn)象。一、 氣體探測(cè)器中的電離現(xiàn)象在氣體探測(cè)器中帶電粒子通過氣體時(shí)與氣體分子發(fā)生電離碰撞，使氣體分子電離或激發(fā)。并在粒子

27、通過的途徑上生成大量的離子對(duì)，或者這些入射的粒子所帶電荷與氣體分子中核外電子之間產(chǎn)生庫(kù)侖作用力，使氣體分子的核外電子被拉出來，離開原來的分子而獨(dú)立運(yùn)動(dòng)，從而使原來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)帶正電的正離子）。以上統(tǒng)稱為氣體的電離現(xiàn)象。因?yàn)檩椛淞Ｗ由淙霘怏w后將前進(jìn)一段路程，在它經(jīng)過的途徑上由于電離效應(yīng)將產(chǎn)生大量的電子正離子對(duì)，直到輻射粒子能量逐漸消耗到低于氣體分子的電離電位時(shí)。電離才告結(jié)束，收集這些電離電荷，就可以了解輻射射線的情況。因此，氣體探測(cè)器也就是離子的收集器，它通常是由高壓電極和收集電極組成，常見的是兩個(gè)同軸的圓柱形電極，兩個(gè)電極由絕緣體隔開并密封于容器內(nèi)。電極間充

28、入一定氣體并加一定電壓，使氣體中有一定的電場(chǎng)存在，輻射使兩電極間的氣體電離時(shí)，生成的電子和正離子在電場(chǎng)作用下漂移，最后收集到電極上，電子和正離子生成后，由于靜電感應(yīng)，電極上將感生電荷，并且隨它們的漂移而變化。從而在輸出回路中形成電離電流。電子電流的強(qiáng)度取決于單位時(shí)間被收集的離子對(duì)數(shù)，與輻射強(qiáng)度一般是成正比關(guān)系，還與外加電壓形成氣體中電場(chǎng)強(qiáng)度呈現(xiàn)如圖2.2所示的比較復(fù)雜的關(guān)系，該曲線是在輻射強(qiáng)度固定不變的情況下，改變電圖2.2氣體探測(cè)器電極到的離子數(shù)與外加直流電壓的關(guān)系極上所加的電壓，即改變氣體中的電場(chǎng)強(qiáng)度與測(cè)得的電離電流的關(guān)系曲線，曲線明顯地分為五個(gè)區(qū)段，區(qū)稱為復(fù)合區(qū)，在第區(qū)中，電離電流隨電壓

29、的增大而增加，這是因?yàn)殡x子對(duì)復(fù)合損失隨電壓的升高而減小。繼續(xù)增加電壓時(shí)復(fù)合逐漸消失，電流趨向飽和。曲線的第區(qū)稱飽和區(qū)或稱電離室區(qū)。該區(qū)內(nèi)的離子對(duì)可全部被收集，電流強(qiáng)度等于單位時(shí)間產(chǎn)生的原電離電荷數(shù)。圖中曲線的標(biāo)記對(duì)應(yīng)于和射線，電壓超過V以后電流又開始上升而進(jìn)入第區(qū)，第區(qū)稱為正比區(qū)。這時(shí)的電場(chǎng)強(qiáng)度使電子加速，進(jìn)一步引起電離。離子對(duì)數(shù)將倍增至電離的10104倍。此種現(xiàn)象稱氣體放大。倍增的系數(shù)稱氣體放大系數(shù)，它隨電壓的增高而增大，但電壓固定時(shí)氣體放大系數(shù)恒定。因?yàn)殡娏髡扔谠婋x的電荷數(shù)。電壓繼續(xù)增大時(shí)由于氣體放大系數(shù)過大，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)地減小，這稱為空間電荷效應(yīng)。顯

30、然，原電離越大這種影響也越大，這時(shí)氣體放大系數(shù)不是恒定的，而是與原電離有關(guān)，所以第區(qū)稱為有限正比區(qū)。進(jìn)入第區(qū)后倍增更加劇烈，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)，圖中的和兩根曲線重合。而原電離放電只起“點(diǎn)火”作用，在這種情況下每次放電后還必須使其“猝滅”，猝滅作用由猝滅氣體或猝滅電路來完成，工作在該區(qū)的射線探測(cè)器稱為蓋革彌勒（GeigerMiiller）計(jì)數(shù)器，或稱GM計(jì)數(shù)器，故該區(qū)稱GM區(qū)或蓋革區(qū)。 二、氣體電離室氣體電離室是最早出現(xiàn)的氣體探測(cè)器。它的工作特點(diǎn)是：收集入射粒子也電離室中形成的全部離子對(duì)，外加電場(chǎng)使其既不產(chǎn)生復(fù)合也不發(fā)生氣體放大。它的工作方式可以分為兩類。

31、一類是記錄單個(gè)入射粒子引起的電脈沖信號(hào)，稱為脈沖工作方式此種電離室為脈沖電離室。只一類是記錄大量入射粒子在單位時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的平均電離電流，稱為電流工作方式，這種電離室稱為電流電離室。還有一種是記錄一定時(shí)間內(nèi)大量入射粒子產(chǎn)生的總累積電荷量，這應(yīng)該屬于電流工作方式，但是通常稱這種電離室為累計(jì)電離室。電離室的結(jié)構(gòu)如圖23所示。圖2.3電離室的結(jié)構(gòu)略圖設(shè)射線在探測(cè)器中消耗掉的能量為E，得到的電子電荷的平均數(shù)為N，則N/E稱為探測(cè)器的能量-電荷轉(zhuǎn)換系數(shù)，即 =N/E；由于能量-電荷轉(zhuǎn)換的統(tǒng)計(jì)性，一般為平均值。氣體電離室中的能量電荷轉(zhuǎn)換用氣體電離室探測(cè)帶電粒子時(shí)，如果所充氣體的平均電離能為W，則能量-電荷轉(zhuǎn)

32、換系數(shù)就是W的倒數(shù)。W是帶電粒子在氣體中產(chǎn)生一對(duì)電子-離子對(duì)平均消耗掉的能量，其數(shù)值主要決定于氣體的種類，與入射帶電粒子的種類和能量關(guān)系不大。如果入射粒子將它的能量E全部消耗在電離室內(nèi)，則平均產(chǎn)生的離子對(duì)數(shù)為：N=E=E/W各種電離室所充氣體的平均電離能W大致為2040eV。如果入射粒子的能量為1M eV，取W=33 eV，則產(chǎn)生的離子對(duì)數(shù)為N=E/W=30000，如果這30000對(duì)離子對(duì)分別收集在20PF的電容器的兩個(gè)極板上，所得的電壓為V=Ne/C=0.25mV，E為電子電荷。實(shí)際上，這些離子不一定收集得到。即使這樣，上面的例子也可以使我們對(duì)氣體電子室探測(cè)帶電粒子時(shí)的電荷轉(zhuǎn)換系數(shù)有一個(gè)量級(jí)

33、的概念，它大概是每MeV約30000對(duì)離子對(duì)，全收集在20PF的電容器上約0.25mV。三、 GM計(jì)數(shù)器 （一）、GM計(jì)數(shù)器的工作原理GM計(jì)數(shù)器在核輻射探測(cè)中一直得到廣泛的使用。雖然出現(xiàn)了閃爍探測(cè)器、半導(dǎo)體探測(cè)器等部分性能比GM計(jì)數(shù)器優(yōu)越的器件，但在一些器件中仍使用GM計(jì)數(shù)器。這主要是因?yàn)樗哂幸韵聝?yōu)點(diǎn)：輕便可靠，使用方便。制造容易，價(jià)格便宜，輸出信號(hào)大，附屬設(shè)備簡(jiǎn)單等。它能記錄不同類型、不同能量的粒子，只要入射的離子在靈敏區(qū)內(nèi)電離產(chǎn)生一對(duì)離子對(duì)，就能引起計(jì)數(shù)器發(fā)生放電現(xiàn)象，這個(gè)離子就被記錄下來。因此，GM計(jì)數(shù)器對(duì)帶電粒子的探測(cè)效應(yīng)可達(dá)100%。 蓋革計(jì)數(shù)管結(jié)構(gòu)蓋革計(jì)數(shù)管一般做成圓柱狀，中間用

34、一根金屬絲做成陽(yáng)極，其外殼有一金屬廄叫做陰極，通常陽(yáng)極和陰極封裝在玻璃管內(nèi)，也有陰極本身兼做外殼的，管內(nèi)充以一定比例的惰性氣體和多原子氣體。GM計(jì)數(shù)器的缺點(diǎn)是：不能鑒別粒子的類型和能量；分辨時(shí)間長(zhǎng)，約102s，故不能進(jìn)行快速計(jì)數(shù)；正常工作的溫度范圍??；有亂真記數(shù)。GM計(jì)數(shù)器按不同情況可分為以下幾類：1按用途可分為計(jì)數(shù)器，計(jì)數(shù)器，射線計(jì)數(shù)器。2按所充催滅氣體可分為有機(jī)計(jì)數(shù)器和鹵素計(jì)數(shù)器。3按形狀可分為圓柱形、鐘罩形和4形計(jì)數(shù)器。G-M計(jì)數(shù)器所加工作電壓均在蓋革區(qū)，有氣體放大作用，所以輸出信號(hào)幅度較大，約為幾伏到幾十伏。當(dāng)工作電壓一定時(shí)，輸出信號(hào)幅度一定且與入射粒子的能量無關(guān)，這也是G-M計(jì)數(shù)器的

35、主要特點(diǎn)。一般G-M計(jì)數(shù)器多充填惰性氣體，常用的氣體有氖、氬等。其原因是它們不易形成負(fù)離子。為了能使放電自行猝滅，還充填猝滅氣體，如果所充氣體是酒精、石油醚等有機(jī)氣體，則稱為有機(jī)計(jì)數(shù)器。當(dāng)充填溴這一類鹵素氣體時(shí)，則稱為鹵素計(jì)數(shù)器。在G-M計(jì)數(shù)器中，氣體放大系數(shù)將隨電壓急劇上升而高達(dá)107以上，并失去與原電離的正比例關(guān)系。管內(nèi)產(chǎn)生雪崩放電，增殖的粒子對(duì)總數(shù)與原電離無關(guān)。因而，不論原電離情況如何，計(jì)數(shù)器均輸出幅度相同的訊號(hào)。其輸出訊號(hào)幅度僅隨外加電壓的變化而改變。為保證G-M計(jì)數(shù)器正常工作，必須對(duì)計(jì)數(shù)器加以猝滅，方法有外猝滅和內(nèi)猝滅兩種。外猝滅是在計(jì)數(shù)器的陽(yáng)極輸出端加一猝滅電路，而另一種常用的內(nèi)猝

36、滅法是在單原子或雙原子分子氣體中加入少量的猝滅氣體，如酒精、石油醚、甲酸、乙脂等有機(jī)氣體，或充有少量的Br2、Cl2等鹵素氣體，這些猝滅氣體在第一次氣體電離后能將正離子在能量轉(zhuǎn)換過程中放出的光子吸收掉，多余的能量則引起多原子氣體超前分解，而不發(fā)射光子，使計(jì)數(shù)器在第一次放電輸出一個(gè)訊號(hào)脈沖后立即停止，從而消除了連續(xù)放電，完成了猝滅作用。為了猝滅連續(xù)放電，必須消除離子增殖的兩個(gè)因素：激發(fā)分子退激時(shí)放出的光子，能在陽(yáng)極上擊出光電子；正離子鞘從陰極上拉出電子與自己中和，此時(shí)多余的能量以光子形式放出，也會(huì)放出光電子。為此，可在計(jì)數(shù)管內(nèi)除充以惰性氣體外，還應(yīng)加入少量的多原子氣體。多原子氣體具有猝滅連續(xù)放電

37、的特性。首先，多原子氣體（如酒精分子）其電離電位比惰性氣體低，例如充以氬和少量酒精的計(jì)數(shù)管，氬的電離電位是15。8，而酒精的電離電位為。，由于這個(gè)原因，多原子氣體（如酒精分子或其它）極易分裂，因而當(dāng)氬離子（r）移向陰極，與酒精氣體分子發(fā)生電荷交換時(shí)，便會(huì)使酒精分子變成正離子（），而氬離子則變成了氬原子（r）,即：。，同時(shí)，在陰極附近拉出電子表和自己中和，即：e，這樣，多余的能量就用在原子氣體超前分解上，而不會(huì)放出光子。其次，酒精氣體具有吸光能力，雖然當(dāng)時(shí)要將多余能量以光形式放出，但這些光子，在還沒有來得及從陰極再次擊出電子前，即被酒精分子所吸收。因此，引起連續(xù)放電的兩個(gè)因素均被阻止。 表1.2

38、.1 為有機(jī)計(jì)數(shù)管和鹵素計(jì)數(shù)管的主要參數(shù) 數(shù)計(jì)數(shù)器所充氣體猝滅氣體壽命（次）閥壓坪斜 坪長(zhǎng)鹵素計(jì)數(shù)器氖（Ne）溴（Br）1091010300V10%/100V80V有機(jī)計(jì)數(shù)器氬（Ar）酒精108700V1000V5%/100V200V（二）G-M計(jì)數(shù)管的特征參數(shù)（1）坪曲線在輻射強(qiáng)度不變的情況下，測(cè)量計(jì)數(shù)率（單位時(shí)間記錄的粒子個(gè)數(shù)）隨工作電壓的變化，所得的曲線稱計(jì)數(shù)管坪曲線，如圖122所示。曲線的特點(diǎn)是當(dāng)工作電壓超過起始電壓Va時(shí)，計(jì)數(shù)率由零迅速增大。工作電壓繼續(xù)升高，當(dāng)超過Vp時(shí)，計(jì)數(shù)率隨工作電壓增大僅略有增加，即有一段明顯的坪區(qū)出現(xiàn)。工作電壓再繼續(xù)升高，計(jì)數(shù)器又急劇增大，此時(shí)計(jì)數(shù)管失去了猝

39、滅作用，形成連續(xù)放電。坪曲線是衡量G-M計(jì)數(shù)管性能的重要標(biāo)志。其主要參數(shù)如下：計(jì)數(shù)管坪開始電壓Vp：相當(dāng)于計(jì)數(shù)管的閥電壓，當(dāng)工作電壓超過Vp后，輸出脈沖幅度不再與原電離有關(guān)。起始電壓與氣體的成分，氣壓和電極的直徑以及溫度有關(guān)，一般的說，管內(nèi)氣壓越高，管徑越大或溫度越低，起始電壓越高。有機(jī)體的起始電壓約為1000V，鹵素管充Cl2約600V，充Br2時(shí)約為300V。坪斜：在坪區(qū)，計(jì)數(shù)率仍隨電壓升高而略有增加，通常以工作電壓字Vp處開始，每增加100V時(shí)計(jì)數(shù)率增長(zhǎng)的百分率稱為坪斜，如有機(jī)管坪斜小于5%/100V，鹵素管坪斜小于10%/100V。造成坪斜的主要原因是亂真放大隨電壓升高而增多，此外，計(jì)

40、數(shù)管結(jié)構(gòu)的缺陷，尖端放電以及靈敏區(qū)隨電壓升高而擴(kuò)大等也可造成坪斜。坪長(zhǎng)：坪區(qū)的長(zhǎng)度與猝滅氣體的性質(zhì)含量有關(guān)。坪長(zhǎng)的單位是伏特。有機(jī)計(jì)數(shù)管的坪長(zhǎng)約100V300V，鹵素管的坪長(zhǎng)約80V100V。（2）G-M計(jì)數(shù)管的死時(shí)間，恢復(fù)時(shí)間和分辨時(shí)間入射粒子進(jìn)入計(jì)數(shù)管引起放電后，在陽(yáng)極周圍形成正離子鞘，使陽(yáng)極周圍的電場(chǎng)下降到閾值以下，此時(shí)若有新的入射粒子進(jìn)入計(jì)數(shù)管內(nèi)，也不能引起放電，即使產(chǎn)生離子對(duì)，因失去放大作用，訊號(hào)幅度過小，也無法記錄下來，而出現(xiàn)漏記現(xiàn)象。這段時(shí)間稱計(jì)數(shù)管的死時(shí)間。用D表示。在時(shí)間D以后電場(chǎng)逐漸恢復(fù)到原來數(shù)值。此時(shí)雖然記錄輻射粒子，但幅度尚小于原始脈沖，要經(jīng)一段時(shí)間，正離子全部到達(dá)陽(yáng)極

41、后，輸出脈沖幅度才能恢復(fù)到原有的大小，這段時(shí)間稱計(jì)數(shù)管的恢復(fù)時(shí)間。用r表示。所謂分辨時(shí)間，是指探測(cè)器能記下的兩個(gè)相鄰訊號(hào)的最短時(shí)間間隔，分辨時(shí)間用表示。從圖123可看出，從第一個(gè)脈沖開始到第二個(gè)脈沖的幅度恢復(fù)到Vx的時(shí)間內(nèi)，進(jìn)入計(jì)數(shù)管的粒子記錄不下來。顯然，D （D+r）。在儀器靈敏高，小脈沖亦可記錄下時(shí)，可近似看做= D。 （3）計(jì)數(shù)管的探測(cè)效率對(duì)帶電粒子來說G-M計(jì)數(shù)管的探測(cè)效應(yīng)很高，如計(jì)數(shù)管的探測(cè)效率可達(dá)90%100%。而探測(cè)射線的計(jì)數(shù)管其探測(cè)效率1 2%，但對(duì)宇宙射線的探測(cè)效率很高，可達(dá)100%。對(duì)周圍的輻射粒子也能使計(jì)數(shù)管記錄，故計(jì)數(shù)器有本底存在。（4）G-M計(jì)數(shù)管的壽命計(jì)數(shù)管的壽命

42、決定猝滅氣體的損耗。猝滅能力的減弱，使坪長(zhǎng)縮短，坪斜增長(zhǎng)，最終完全失去猝滅作用之前所能記數(shù)的次數(shù)定義為它的壽命。（5）計(jì)數(shù)管的溫度效應(yīng)計(jì)數(shù)管必須在一定溫度范圍內(nèi)，才能保持正常工作，溫度太低時(shí)，部分猝滅蒸氣會(huì)凝聚，使猝滅作用減弱，有機(jī)氣體問題凝聚較嚴(yán)重，鹵素氣體蒸氣壓較高，故低溫性能較好。如果溫度太高，由于陰極表面熱電子發(fā)射等原因，會(huì)使坪長(zhǎng)縮短，坪斜增長(zhǎng)。我們選擇工作點(diǎn)時(shí)必須對(duì)溫度的影響加以注意。三、G-M計(jì)數(shù)管的注意事項(xiàng)為保證計(jì)數(shù)管能有最大的使用期限和良好的工作性能，工作中應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：工作前大致了解該型號(hào)計(jì)數(shù)管的性能，通常所加工作電壓在坪開始電壓上增加50V100V即可，必要時(shí)測(cè)出坪曲線前

43、一端區(qū)的變化情況將工作電壓定在坪區(qū)前1/3處即可。每隔一定時(shí)間應(yīng)檢查坪曲線情況，以便及時(shí)調(diào)整工作電壓。嚴(yán)禁計(jì)數(shù)管發(fā)生連續(xù)放電現(xiàn)象，一旦發(fā)生應(yīng)立即斷掉高壓。輻射強(qiáng)度不能太強(qiáng)，計(jì)數(shù)率不能過高。鹵素管一般在5萬次/分以下；有機(jī)計(jì)數(shù)管在2.5萬次/分以下。應(yīng)避光使用。可包以黑紙或涂上黑墨，也可采取其它避光裝置。應(yīng)輕拿輕放，保持清潔，以免漏電。要求連接電路的輸入阻抗要高一些，鹵素管尤其如此。其它還有一些注意事項(xiàng)可根據(jù)計(jì)數(shù)管使用說明書及具體情況加以注意。3.2.3 閃爍探測(cè)器閃爍探測(cè)器具有分辨時(shí)間短，探測(cè)效率高等優(yōu)點(diǎn)。因此，它在很多領(lǐng)域已代替了氣體探測(cè)器，是當(dāng)前使用最多的核輻射探測(cè)器。一、 閃爍探測(cè)器的工

44、作原理閃爍探測(cè)器主要由閃爍體和光電倍增（有稱光電倍加管）組成，如圖131所示。其工作過程可分為五個(gè)相互聯(lián)系的環(huán)節(jié)。射線進(jìn)入閃爍體，使閃爍體的原子或分子電離或激發(fā)。被電離或激發(fā)的原子或分子退激時(shí)產(chǎn)生光子。利用反射物和光導(dǎo)將光子盡可能收集到光電倍增管的光陰極上，由于光電效應(yīng)，光子在光陰極上打出光電子。光電子在光電倍增管中各倍增極上逐漸倍增，電子數(shù)目增加幾個(gè)數(shù)量級(jí)，經(jīng)過倍增的電子流在陽(yáng)極負(fù)載上產(chǎn)生電脈沖訊號(hào)。此訊號(hào)有電路記錄，閃爍探測(cè)器的主要特點(diǎn)有：探測(cè)效率高：由于高靈敏度的光電倍增管的試制成功和電子元件的迅速發(fā)展，使快速記錄微弱閃爍現(xiàn)象成為可能。分辨時(shí)間短：輻射射線強(qiáng)時(shí)，單位時(shí)間產(chǎn)生的脈沖數(shù)就多些

45、，由于閃爍探測(cè)器的分辨時(shí)間短，漏記的脈沖比較少。故可用它來探測(cè)強(qiáng)輻射。可探測(cè)射線的能量，射線射入閃爍體將損耗能量，所消耗的能量將轉(zhuǎn)化成光子放出，放出光子數(shù)目的多少有其入射射線的能量決定，放出的光子數(shù)多，在光陰極上轟擊出的光子就多。而輸出脈沖的輻度取決于陽(yáng)極收集到的電子數(shù)目多少。故測(cè)量脈沖的幅度，即可了解入射線的能量。二、閃爍體 受到射線照射時(shí)能發(fā)光的物質(zhì)統(tǒng)稱為“閃爍體”，或稱做“熒光體”。這是由于輻射粒子通過物質(zhì)時(shí)將使原子或分子激發(fā)，被激發(fā)的原子或分子由受激態(tài)回到基態(tài)時(shí)，將放出光子，這便是可見的閃爍光。在我們?nèi)粘Ｉ钪幸步?jīng)常用到閃爍體，例如電視機(jī)的顯像管之所以能發(fā)光就是由于高速電子打在熒光屏上

46、產(chǎn)生的，夜光表之所以夜間能自行發(fā)光，就是因?yàn)樵阽姳淼闹羔樅涂潭缺P上涂有熒光粉，而在熒光粉內(nèi)又摻有能輻射出射線的物質(zhì)（放射性同位素）的緣故。閃爍體的種類很多，按其化學(xué)性質(zhì)可分為兩大類：一類是無機(jī)晶體：閃爍體。它是指含少量雜質(zhì)（稱為激活劑）的無機(jī)鹽晶體。常用的有碘化鈉（鉈激活）單晶體NaI（Cl）；碘化銫（鉈激活）晶體CsI（Tl）；硫化鋅（銀激活）多晶體ZnS（Ag）。另一類是有機(jī)閃爍體，它們都是苯環(huán)碳?xì)浠衔?，該類又可分為三種：有機(jī)晶體閃爍體。常用的有蒽、芪，對(duì)聯(lián)三苯等有機(jī)結(jié)晶體。有機(jī)液體閃爍體。在有機(jī)液體溶劑（如甲苯、二甲苯）中容入少量發(fā)光物質(zhì)（如對(duì)聯(lián)三苯等），稱為第一發(fā)光物質(zhì)，或第一發(fā)光劑

47、。另外再溶入一些光譜波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換劑（如popop化合物），稱為第二發(fā)光物質(zhì)，或第二發(fā)光劑。 popop是2（5苯氧氮茂基）一類的縮寫。塑料閃爍體。 它是在有機(jī)液體苯乙烯中加入第一發(fā)光物質(zhì)對(duì)聯(lián)三苯和第二發(fā)光物質(zhì)（popop）后，聚合而成的塑料。 除以上兩大類外，還有利用氙等惰性氣體的氣體閃爍體，用以制備記錄裂變產(chǎn)物和重粒子的探測(cè)器。 閃爍體的發(fā)光機(jī)制比較復(fù)雜，我們僅對(duì)常見的一些閃爍體作定性介紹。1、無機(jī)閃爍體發(fā)光機(jī)制無機(jī)閃爍體均屬離子型晶體，原子（離子）之間結(jié)合比較緊密，相互之間影響比較大，晶格中核外電子能級(jí)加寬成為一系列連續(xù)的能帶，如圖1-3-2所示。其中，最低能量狀態(tài)已為電子所填滿，稱為滿帶。價(jià)

48、電子均處于稍高的能量狀態(tài)，這種能量狀態(tài)成為“價(jià)帶”。若價(jià)帶未填滿，則在外電場(chǎng)作用下，將有凈電流產(chǎn)生，若價(jià)帶已填滿，則必須有電子激發(fā)到高的能帶導(dǎo)帶上去，才能產(chǎn)生電流。這時(shí)，價(jià)帶中有一空穴，導(dǎo)帶中有一電子，即產(chǎn)生一個(gè)自由電子空穴對(duì)。價(jià)帶到導(dǎo)帶之間的空隙中，因不能存在電子能級(jí)，故稱禁帶。禁帶寬度Eg是決定晶體導(dǎo)電性能的一個(gè)重要量度。當(dāng)Eg=1ev時(shí)，價(jià)電子就可能由熱運(yùn)動(dòng)的能量激發(fā)到導(dǎo)帶，稱為導(dǎo)體。Eg足夠大，則為絕緣體，無機(jī)閃爍體均為絕緣體，他們Eg比半導(dǎo)體大得多。 Eg的含義是電子從價(jià)帶跳到導(dǎo)帶所必須獲得的最小激發(fā)動(dòng)能。 也存在著另一種情況。在閃爍體中，由射線激發(fā)的電子空穴對(duì)仍可能被束縛著，稱為“

49、激子”。它們?cè)诰Ц裰幸黄疬\(yùn)動(dòng)，而不是獨(dú)立運(yùn)動(dòng)。因此，在外電場(chǎng)作用下，也無靜電流產(chǎn)生。其能帶在導(dǎo)帶之下稱為“激帶”，如圖132所示。自由的導(dǎo)帶電子和價(jià)帶空穴可以復(fù)合成“激子”；相反，“激子”也可以受熱運(yùn)動(dòng)變成自由電子空穴時(shí)。 圖133 晶體能級(jí)中的雜質(zhì)能級(jí)當(dāng)有足夠能量的核輻射進(jìn)入閃爍體時(shí)，可能產(chǎn)生下列兩種情況：一種是電子將從價(jià)帶激發(fā)到導(dǎo)帶，產(chǎn)生自由電子空穴對(duì)，即電離過程。另一種是能量?jī)H夠?qū)r(jià)帶電子激發(fā)到激帶，激子互相束縛著，只可在晶格中運(yùn)動(dòng)，而且必須成對(duì)地一起運(yùn)動(dòng)。當(dāng)然這種情況會(huì)由于熱運(yùn)動(dòng)而互相轉(zhuǎn)化。電子從導(dǎo)帶或激帶到價(jià)帶躍遷退激的過程中將發(fā)出光子。其中也有可能通過熱形式，轉(zhuǎn)變?yōu)榫Ц竦恼駝?dòng)而退激

50、。純凈的NaI或ZnS晶體在輻射照射下，雖然發(fā)出光子，但卻不能起到閃爍體的作用。因?yàn)橥思ぐl(fā)出的光子尚未逸出晶體就會(huì)被晶體中其它原子所吸收，又產(chǎn)生電子從價(jià)帶激發(fā)到導(dǎo)帶，于是發(fā)光、激發(fā)、放熱的交替過程將使晶體放出的光子被晶體本身吸收掉。怎樣才能使晶體出的光子不被本身吸收掉呢？假如晶體發(fā)出的光子的能量小于禁帶的密度Eg，那么它就不可能再使帶上的電子激發(fā)到導(dǎo)帶上去。辦法是我們?cè)诰w中摻入少量的雜質(zhì)原子（如鉈Tl、銀Ag等），就會(huì)使晶體能級(jí)的禁帶中出現(xiàn)一點(diǎn)雜質(zhì)能級(jí)，當(dāng)然只有在雜質(zhì)原子附近才存在這樣的能級(jí)。自由電子或激子在晶格中運(yùn)動(dòng)時(shí)，當(dāng)遇到雜質(zhì)原子時(shí)將被激活的離子形成的發(fā)光中心所俘獲。到達(dá)孤立的雜質(zhì)能級(jí)

51、上，多余的能量以熱運(yùn)動(dòng)形成形式放出。這些處于雜質(zhì)能級(jí)的電子有幾種可能的退激方式，或者以發(fā)光的形式躍遷到價(jià)帶，這時(shí)發(fā)出光子的能量是小于禁帶寬度的。故晶體發(fā)光不會(huì)本自身所吸收，這就是閃爍過程所發(fā)出的光，或者將能量轉(zhuǎn)換成晶格振動(dòng)（即熱運(yùn)動(dòng)）而達(dá)到價(jià)帶，這稱為“猝滅過程”。此處也有可能吸收能量激發(fā)到導(dǎo)帶上去，再退激躍遷到價(jià)帶。顯然在某些晶體（如NaI、CsI、LiI等）中摻入少量的激活物質(zhì)鉈（Tl），將使閃爍體有效地發(fā)光，該光子到達(dá)光電倍增管的光陰極被記錄。必須注意激活物質(zhì)鉈是一種劇毒物質(zhì)，損壞晶體由鋁殼中取出后，應(yīng)妥善保存在干燥缸內(nèi)，以防迅速潮解損壞，更需注意防止誤將鉈弄入人體口內(nèi)，常用的碘化鈉晶體

52、寫為NaI（Tl），硫化鋅晶體為ZnS（Ag），激活物鉈和銀用元素符號(hào)加括號(hào)放在晶體符號(hào)后面。2、有機(jī)閃爍體發(fā)光機(jī)制有機(jī)閃爍體均為苯環(huán)化合物，分子較大，因此分子與分子之間的作用比無機(jī)晶體中離子之間的束縛作用弱得多，一般認(rèn)為其激發(fā)發(fā)光是由于分子自身的激發(fā)和躍遷。圖134是分子的勢(shì)能與分子形成共振的曲線，下面的曲線表示電子處于基態(tài)的勢(shì)能曲線，上面的曲線為電子處于激發(fā)的勢(shì)能曲線，每條曲線的勢(shì)阱中，都存在著許多分立的分子振動(dòng)能級(jí)。當(dāng)核輻射粒子進(jìn)入有機(jī)閃爍體中時(shí)，使分子由基態(tài)平衡位置A處垂直激發(fā)到A處，此時(shí)電子處于激發(fā)態(tài)。能垂直激發(fā)，是因?yàn)殡娮蛹ぐl(fā)所需的時(shí)間比分子作形變運(yùn)動(dòng)所需的時(shí)間要短得多。接著分子由

53、狀態(tài)A通過振動(dòng)能級(jí)躍遷到分子激發(fā)態(tài)的平衡位置B，躍遷能量以熱能形式放出，然后，電子由激發(fā)態(tài)躍遷基態(tài)，分子由B到B，發(fā)出熒光輻射，光子能量為 h=EBEB這一過程非?？欤骄p時(shí)間約為310-9S。最后，電子處于基態(tài)的分子由狀態(tài)B通過分子振動(dòng)能級(jí)之間躍遷通過放熱到達(dá)平衡位置A。 有機(jī)閃爍體的熒光過程可歸納如下： AA電子由基態(tài)到激發(fā)態(tài)，分子處于振動(dòng)激發(fā)態(tài)； AB電子仍處于激發(fā)態(tài)，分子在振動(dòng)能級(jí)之間躍遷通過放熱到達(dá)平衡位置B； BB電子退激到基態(tài)，發(fā)出熒光光子，但分子處于振動(dòng)激發(fā)態(tài)； BA電子仍處于基態(tài)，分子在振動(dòng)能級(jí)之間躍遷通過放熱達(dá)到振動(dòng)平衡位置。由于熒光光子的能量h=EBEBEAEA，因此

54、發(fā)出的熒光光子不可能使閃爍分子從狀態(tài)A到狀態(tài)A，也就是說閃爍體不吸收自身所放出的熒光光子。除了上述熒光過程外，還存在著從A退激到A的非輻射過程，即猝滅過程。由圖134也可看出，當(dāng)分子激發(fā)態(tài)A在上面曲線的勢(shì)阱，沿振動(dòng)能級(jí)向下退激時(shí)（即放熱過程），有可能達(dá)到振動(dòng)能級(jí)某個(gè)中間狀態(tài)Q處，由于它和下面曲線非常靠近，有很大可能躍遷到Q狀態(tài)。此時(shí)，放出的能量為EQEQ，可以被其它分子吸收而使其激發(fā)到振動(dòng)能級(jí)，最后通過Q到A的振動(dòng)能級(jí)之間的躍遷到達(dá)基態(tài)平衡態(tài)，這一過程沒有光子發(fā)射，也稱猝滅過程。3、閃爍體的物理特性閃爍體的發(fā)光光譜必須和光陰極的光譜響應(yīng)相配合：閃爍體受輻射激發(fā)后所發(fā)射的光并不是單色的，而是一個(gè)

55、連續(xù)的如圖135所示為碘化鈉（Tl）和蒽兩種典型閃爍體的發(fā)射光譜曲線。Ps（）d表示光在波長(zhǎng)+d之間的發(fā)射幾率。顯然。 對(duì)于每種閃爍體總可以找到一、二種波長(zhǎng)的光，它的發(fā)射幾率最大，整個(gè)光譜是以該波長(zhǎng)為中心的一個(gè)或數(shù)個(gè)發(fā)射帶。閃爍體的技術(shù)說明書上往往給出這個(gè)峰位的波長(zhǎng)，稱為“發(fā)射光譜最強(qiáng)的波長(zhǎng)”。從圖上亦可看出，NaI（Tl）的發(fā)射光譜最強(qiáng)的波長(zhǎng)是4150；而蒽的發(fā)射光譜最強(qiáng)的波長(zhǎng)為4470。 不同波長(zhǎng)的入射光線，在光電倍增管光陰極上打出電子的本領(lǐng)是不同的。光陰極發(fā)射電子的效率隨入射光線波長(zhǎng)變化的關(guān)系稱為光電倍增管的光譜響應(yīng)。每種光電倍增管都有一個(gè)對(duì)入射光比較敏感的發(fā)射帶。多數(shù)光電倍增管對(duì)于40

56、00左右的光線比較敏感。若閃爍體發(fā)射出的光譜與光電倍增管光陰極的敏感光譜不一致，雖然閃爍體有大量光子放出，但光陰極對(duì)其不敏感，就很少產(chǎn)生光電子，也就得不到較大的輸出信號(hào)。 發(fā)光效率：或稱轉(zhuǎn)換效率，它是閃爍能量與入射粒子損耗能量之比。入射粒子在閃爍體中損耗的能量雖不能全部轉(zhuǎn)換為光能，但我們總希望轉(zhuǎn)換為光能的部分越多越好，這樣才能獲得較大幅度的輸出信號(hào)，以便記錄。例如ZnS（Ag）閃爍體發(fā)光效率很高。光輸出大，亮度強(qiáng)，用放大鏡就可看見其閃光，而塑料閃爍體發(fā)光效率較低，光輸出很小，亮度很弱。值得提出的是：NaI（Tl）閃爍體閃爍時(shí)所發(fā)出的光子數(shù)與入射射線能量有良好的線性關(guān)系，所以根據(jù)閃爍體發(fā)光的光子

57、數(shù)，即根據(jù)光線的強(qiáng)弱就可以判斷入射射線能量的大小，因此，NaI（Tl）閃爍體很廣泛地用來探測(cè)射線的能量。發(fā)光時(shí)間：閃爍體發(fā)光時(shí)間包括閃爍脈沖的上升時(shí)間和衰減時(shí)間兩部分。上升時(shí)間主要由閃爍體電子激發(fā)時(shí)間及帶電粒子在閃爍體中耗盡能量所需的時(shí)間決定，這個(gè)時(shí)間極短，?？珊雎圆挥?jì)，因此閃爍體發(fā)光時(shí)間主要指的是發(fā)光衰減時(shí)間。因?yàn)槭芗る娮佑杉ぐl(fā)態(tài)回到基態(tài)時(shí)發(fā)射出光子并不是立刻完成的，過渡到正常態(tài)有先有后。電子退激發(fā)光一般服從指數(shù)衰減規(guī)律。一般有機(jī)物制成的閃爍體發(fā)光時(shí)間較無機(jī)閃爍體要短。對(duì)用于高強(qiáng)度輻射測(cè)量或時(shí)間測(cè)量的閃爍體，應(yīng)要求有盡可能短的光衰減時(shí)間，一般發(fā)光時(shí)間的確定，是按退激光子達(dá)到63%時(shí)所需的時(shí)間

58、而定的。常用的閃爍體的發(fā)光時(shí)間約為0.25S；ZnS（Ag）閃爍體的發(fā)光時(shí)間約為10S，塑料閃爍體的發(fā)光時(shí)間約為0.0045S。探測(cè)效率：即射到閃爍體上的粒子數(shù)與儀器輸出的脈沖數(shù)之比為探測(cè)效率=N/Nin。它和兩個(gè)因素有密切關(guān)系。一是閃爍體的幾何形狀；二是和組成閃爍體的物質(zhì)的密度以及平均原子系數(shù)。NaI（Tl）閃爍體其射線探測(cè)效率可達(dá)20%以上，而過去使用的GM計(jì)數(shù)器對(duì)射線的探測(cè)效率僅為12%。阻止本領(lǐng)：即晶體本身吸收射線的本領(lǐng)。射線射入閃爍體損失的能量越多其阻止本領(lǐng)越大。從組成閃爍體的物質(zhì)上來看，則要求密度越大越好，原子序數(shù)越高越好。例如NaI（Tl）其中含碘（I）約85%，因碘的原子序數(shù)為

59、53，因而NaI（Tl）閃爍體的阻止本領(lǐng)較大。透明度高：閃爍體的透明度越高，產(chǎn)生的光子被吸收越少。因而可以把閃爍體做得較厚較大，提高探測(cè)效率。因此，要求閃爍體盡可能無缺陷，光學(xué)均勻度好。當(dāng)溫度發(fā)生變化時(shí)，閃爍體的發(fā)光效率，分辨率和時(shí)間特性也都會(huì)改變。例如NaI（Tl）晶體在25時(shí)的發(fā)光效率最大，溫度越低效率越低，在-500C約為25的一半。分辨率也相應(yīng)變壞，是25的一半。各種閃爍體隨溫度的變化規(guī)律并不相同，因此閃爍體的溫度效應(yīng)是實(shí)際應(yīng)用中必須注意的問題之一。能量分辨率要好：所謂能量分辨率是指探測(cè)器能測(cè)定兩個(gè)能量不同的輻射粒子的最小能量間隔。其間隔越小越好。這一點(diǎn)對(duì)能譜測(cè)量來說非常重要。前面提到

60、當(dāng)入射射線與閃爍體相互作用產(chǎn)生閃爍現(xiàn)象時(shí)，發(fā)出的光子數(shù)與入射射線的能量成正比，且輸出的脈沖幅度取決于光子數(shù)的多少，那么既然入射射線的能量有相當(dāng)差別，為什么會(huì)造成閃爍體給出的信號(hào)幅度卻不能明確的將它們區(qū)分開來呢？這首先是因?yàn)榉派湫源嬖谥y(tǒng)計(jì)漲落現(xiàn)象，雖然入射線能量大時(shí)產(chǎn)生的光子數(shù)就多，能量小產(chǎn)生的光子數(shù)就少，但在產(chǎn)生光子的過程中也是服從統(tǒng)計(jì)規(guī)律的。同一能量的射線產(chǎn)生的光子數(shù)不會(huì)完全相同。因而表現(xiàn)在輸出脈沖幅度上就有大有小，不會(huì)是同一幅度。圖136為脈沖振幅的的微分分布曲線。該曲線的入射粒子能量固定為E。但輸出訊號(hào)的幅度并不是同一數(shù)值V。其幅度時(shí)大時(shí)小存在漲落。但卻是圍繞V。出現(xiàn)最多，比V。過大或