核輻射探測(cè)器碩張資料

核輻射探測(cè)器閃爍體探測(cè)器閃爍探測(cè)器(Scintillationdetector)閃爍探測(cè)器是利用某些物質(zhì)在核輻射作用下會(huì)發(fā)光的特性探測(cè)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(qiáng)時(shí)用光電管）將微弱的閃爍光轉(zhuǎn)變?yōu)楣怆娮?，光電子?jīng)多次倍增放大后，輸出一個(gè)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(cè)器。組成示意圖閃爍體光電倍增管(打拿極)反射層管座分壓器高壓多道或單道光陰極陽(yáng)極熒光光子光電子暗盒窗前置放大器工作原理核輻射進(jìn)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(shí)發(fā)射熒光（又稱閃爍光）。一個(gè)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工作原理光子從產(chǎn)生地點(diǎn)穿過(guò)閃爍體和光導(dǎo)到達(dá)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(dá)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(duì)光不吸收的概率；G為光陰極的收集效率）；C光電為光陰極的光電轉(zhuǎn)換效率工作原理光電子首先到達(dá)第一倍增管，從光陰極到第一個(gè)倍增極的傳輸系數(shù)即第一個(gè)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(jí)相對(duì)于前一級(jí)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(guò)倍增（飛行時(shí)間幾十ns），最后在陽(yáng)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(hào)同前。這些電荷在輸出電路中會(huì)產(chǎn)生一個(gè)電壓脈沖。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(shí)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(gè)光子核輻射所損失的能量，相當(dāng)于氣體探測(cè)器和半導(dǎo)體探測(cè)器中的平均電離能。常用無(wú)機(jī)閃爍體NaI(Tl)的1/S≈300eV，它比半導(dǎo)體和氣體的平均電離能都大，因此閃爍探測(cè)器的能量分辨率較差特性參量-發(fā)光光譜閃爍體受核輻射照射時(shí)所發(fā)射的熒光不是單色的，且不同波長(zhǎng)的光子數(shù)目也不一樣。光子數(shù)隨波長(zhǎng)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)生較多的光電子特性參量-發(fā)光衰減時(shí)間τ帶電粒子進(jìn)入閃爍體后大約在10-11S時(shí)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(rèn)為是同時(shí)激發(fā)的）。但受激原子（或分子）退激（發(fā)光）時(shí)間卻不在同一時(shí)間，一般認(rèn)為被核輻射照射后閃爍體單位時(shí)間發(fā)射的光子數(shù)（稱為發(fā)光強(qiáng)度）為N0為t=0時(shí)受激發(fā)光的原子（分子）數(shù)（即一個(gè)帶電粒子使閃爍體能發(fā)出的總光子數(shù)）；τ為閃爍體的發(fā)光衰減時(shí)間，也稱為發(fā)光衰減時(shí)間常數(shù)特性參量-發(fā)光衰減時(shí)間τ特性參量-光衰減長(zhǎng)度閃爍體發(fā)射的熒光光子在從產(chǎn)生地點(diǎn)向閃爍體與光導(dǎo)交界面?zhèn)鬏斶^(guò)程中，由于吸收、散射而發(fā)生衰減。光子數(shù)衰減到原來(lái)的1/e時(shí)光子在閃爍體中通過(guò)的路程長(zhǎng)度稱為光衰減長(zhǎng)度。光衰減長(zhǎng)度標(biāo)志著閃爍體所能使用的最大尺度。常用閃爍體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(cè)射線的種類、強(qiáng)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(duì)所測(cè)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(shí)間分辨計(jì)數(shù)或壽命放射性活度測(cè)量中，應(yīng)選取發(fā)光衰減時(shí)間短及能量轉(zhuǎn)換效率高的閃爍體光的收集光電倍增管(Photomultiplier，PMT)光電倍增管主要由光陰極、倍增管和陽(yáng)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(lái)做光電子的倍增。陽(yáng)極用來(lái)收集從最后一個(gè)倍增極發(fā)射的二次電子，在陽(yáng)極負(fù)載上形成電脈沖信號(hào)真空殼打拿極陽(yáng)極光電子軌跡入射光聚焦電極半透明光陰極光電倍增管光陰極：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(dǎo)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(xué)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(gè)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(shí)間光電倍增管二次發(fā)射倍增系統(tǒng)：由8－13個(gè)倍增極組成，工作時(shí)各電極依次加上遞增的電位。每個(gè)倍增極的電子倍增系數(shù)為，＝3－6，則PMT的放大倍數(shù)M＝n，n：倍增極個(gè)數(shù)。二次電子是指倍增極上由入射電子激發(fā)出來(lái)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(yáng)極：最后收集電子并輸出信號(hào)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、鎢等光電倍增管的類型外觀的不同光陰極形式電子倍增系統(tǒng)的不同聚焦型：具有較快的響應(yīng)時(shí)間，用于時(shí)間測(cè)量或需要響應(yīng)時(shí)間快的場(chǎng)合非聚焦型：電子倍增系數(shù)較大，多用于能譜測(cè)量系統(tǒng)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(biāo)準(zhǔn)白光照射光陰極時(shí)，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(zhǎng)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(zhǎng)效率變化的關(guān)系曲線。主要性能倍增系數(shù)：在一定工作電壓下，陽(yáng)極輸出電流和陰極光電子流之比。陽(yáng)極光照靈敏度：在一定工作電壓下，用標(biāo)準(zhǔn)白光照射光陰極時(shí)，陽(yáng)極電流與照射光通量之比暗電流：在完全沒(méi)有光照射情況下，在一定工作電壓時(shí)測(cè)得的陽(yáng)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。主要性能陽(yáng)極脈沖上升時(shí)間和渡越時(shí)間

陽(yáng)極脈沖上升時(shí)間：陽(yáng)極輸出脈沖前沿部分，從峰值的10%上升到峰值的90%所需時(shí)間。

渡越時(shí)間：光子到達(dá)光陰極的瞬間到陽(yáng)極輸出脈沖達(dá)到某一指定值之間的時(shí)間間隔。能量分辨率和探測(cè)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(jì)漲落、光電轉(zhuǎn)換效率的誤差等。對(duì)于α、β等帶電粒子，探測(cè)器對(duì)它們有100%的計(jì)數(shù)效率。對(duì)于γ射線和中子，探測(cè)效率小于100%。單晶閃爍譜儀γ閃爍譜儀的組成與工作原理閃爍體、PMT以及配套的電子學(xué)儀器組成。X或γ射線不帶電，它與閃爍體的相互作用是通過(guò)三種初級(jí)效應(yīng)實(shí)現(xiàn)的，它產(chǎn)生的次級(jí)電子的能譜是相當(dāng)復(fù)雜的，因而由次級(jí)電子產(chǎn)生的輸出脈沖幅度譜也是相當(dāng)復(fù)雜的以NaI(Tl)閃爍晶體的單晶γ閃爍譜儀為例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)的相互作用光電效應(yīng)：光子消失，產(chǎn)生光電子康普頓散射：散射光子，反沖電子電子對(duì)效應(yīng)：光子消失，產(chǎn)生正負(fù)電子對(duì)，正電子湮滅產(chǎn)生兩個(gè)0.511MeV的湮滅光子。閃爍體足夠小的情況，尺寸小于1cm可認(rèn)為由入射光子產(chǎn)生的次級(jí)Compton光子或電子對(duì)效應(yīng)中產(chǎn)生的正電子湮沒(méi)光子這些次級(jí)輻射離開閃爍體，不再與閃爍體發(fā)生相互作用(hv<1.022MeV)(hv>1.022MeV)閃爍體特別大的情況次級(jí)光子帶走的能量也最終轉(zhuǎn)化為次級(jí)電子的能量，因此單能光子入射后所產(chǎn)生的總的次級(jí)電子能量就等于入射光子的能量全能峰這種多次作用累加沉積能量的過(guò)程稱為累計(jì)效應(yīng)閃爍體中等大小的情況初級(jí)效應(yīng)中產(chǎn)生的光子部分逃出閃爍體(hv<1.022MeV)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(duì)脈沖幅度譜的影響示意圖半導(dǎo)體探測(cè)器半導(dǎo)體探測(cè)器(semiconductordetector)20世紀(jì)60年代以后迅速發(fā)展起來(lái)的一種新型核輻射探測(cè)器，以半導(dǎo)體材料為探測(cè)介質(zhì)。半導(dǎo)體探測(cè)器的工作原理和氣體電離室的十分相似，故又稱固體電離室半導(dǎo)體：常溫下導(dǎo)電性能介于導(dǎo)體與絕緣體之間的材料。按化學(xué)成分可分為元素半導(dǎo)體和化合物半導(dǎo)體兩大類，鍺和硅是最常用的元素半導(dǎo)體半導(dǎo)體半導(dǎo)體通過(guò)電子傳導(dǎo)或空穴(electronhole)傳導(dǎo)的方式傳輸電流。電子傳導(dǎo)的方式與銅線中電流的流動(dòng)類似，即在電場(chǎng)作用下高度離子化（ionization）的原子將多余的電子向著負(fù)離子化程度比較低的方向傳遞?？昭▽?dǎo)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(chǎng)作用下，空穴被少數(shù)的電子補(bǔ)入而造成空穴移動(dòng)所形成的電流（一般稱為正電流）。半導(dǎo)體材料中載子的數(shù)量對(duì)半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性極為重要。這可以通過(guò)在半導(dǎo)體中有選擇的加入其他“雜質(zhì)”（三、五族元素）來(lái)控制。如果我們?cè)诩児柚袚诫s少許的砷或磷（最外層有五個(gè)電子），就會(huì)多出一個(gè)自由電子，這樣就形成N型半導(dǎo)體如果我們?cè)诩児柚袚饺肷僭S的硼（最外層有三個(gè)電子），就反而少了一個(gè)電子，而形成一個(gè)空穴，這樣就形成P型半導(dǎo)體（少了一個(gè)帶負(fù)電荷的電子，可視為多了一個(gè)正電荷）。PN結(jié)(PNjunction)P型半導(dǎo)體與N型半導(dǎo)體相互接觸時(shí)，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(kuò)散，造成正負(fù)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(chǎng)方向正好阻止擴(kuò)散的進(jìn)行。由于P區(qū)中的空穴向N區(qū)擴(kuò)散后與N區(qū)中的電子復(fù)合，而N區(qū)中的電子向P區(qū)擴(kuò)散后與P區(qū)中的空穴復(fù)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。半導(dǎo)體工作原理帶電粒子進(jìn)入半導(dǎo)體探測(cè)器靈敏區(qū)后與半導(dǎo)體相互作用，使半導(dǎo)體的原子電離而產(chǎn)生電子和空穴對(duì)（初電離）。靈敏區(qū)的電子和空穴在電場(chǎng)作用下分別向兩電極漂移，從而在半導(dǎo)體探測(cè)器輸出電路上形成電壓脈沖。半導(dǎo)體探測(cè)器類型PN結(jié)型半導(dǎo)體探測(cè)器將摻均勻雜質(zhì)濃度的P型和N型半導(dǎo)體直接接觸而組成的探測(cè)元件叫做PN結(jié)型半導(dǎo)體探測(cè)器鋰漂移型半導(dǎo)體探測(cè)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)的半導(dǎo)體探測(cè)器高純鍺半導(dǎo)體探測(cè)器采用高純度鍺晶體作為探測(cè)元件的半導(dǎo)體探測(cè)器PN結(jié)型半導(dǎo)體探測(cè)器在P型半導(dǎo)體上摻雜，通過(guò)補(bǔ)償效應(yīng)，轉(zhuǎn)化為N型半導(dǎo)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(kuò)散。擴(kuò)散的結(jié)果形成空間電荷區(qū)，建立起自建電場(chǎng)。在自建電場(chǎng)的作用下，擴(kuò)散與漂移達(dá)到平衡。形成P-N結(jié)區(qū)，也叫勢(shì)壘區(qū)、耗盡區(qū)。PN結(jié)型半導(dǎo)體探測(cè)器少數(shù)能量較高的電子空穴會(huì)穿過(guò)勢(shì)壘區(qū)擴(kuò)散到對(duì)方區(qū)域，形成正向電流If由于熱運(yùn)動(dòng)在勢(shì)壘區(qū)產(chǎn)生電子空穴，在自建電場(chǎng)作用下形成反向電流IG擴(kuò)散到勢(shì)壘區(qū)的少數(shù)載流子在電場(chǎng)作用下也會(huì)形成反向電流IS

達(dá)到平衡時(shí)，PN結(jié)型半導(dǎo)體探測(cè)器外加電場(chǎng)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(chǎng)與自建電場(chǎng)方向一致外加電場(chǎng)使結(jié)區(qū)寬度增大。反向電壓越高，結(jié)區(qū)越寬在外加反向電壓時(shí)的反向電流：少數(shù)載流子的擴(kuò)散電流，結(jié)區(qū)面積不變，IS不變；結(jié)區(qū)體積加大，熱運(yùn)動(dòng)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。PN結(jié)型半導(dǎo)體探測(cè)器擴(kuò)散結(jié)型探測(cè)器把施主雜質(zhì)(例如磷)擴(kuò)散到P型Si材料中，形成P-N結(jié)。用高溫?cái)U(kuò)散和離子注入的方法，通過(guò)控制擴(kuò)散溫度和擴(kuò)散時(shí)間，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(cè)器在N型Si上蒸薄Au（金），透過(guò)Au層的氧化作用，形成P型氧化層。叫做金硅面壘探測(cè)器，Si(Au)。入射窗薄，噪聲小。光敏，耐高溫特性不好。金硅面壘半導(dǎo)體探測(cè)器主要用于測(cè)量短射程的帶電粒子的能譜。它的時(shí)間響應(yīng)速度與閃爍探測(cè)器差不多，所以可用來(lái)作定時(shí)探測(cè)器。它的本底很低，適于作低本底測(cè)量?jī)?yōu)點(diǎn)：能量分辨率高、設(shè)備簡(jiǎn)單、使用方便缺點(diǎn)：靈敏體積不能做得很大，因而限制了大面積放射源的使用鋰漂移型半導(dǎo)體探測(cè)器PN結(jié)型半導(dǎo)體探測(cè)器的一個(gè)缺點(diǎn)是靈敏區(qū)厚度很難達(dá)到2mm以上。它在探測(cè)中帶電粒子方面有著廣泛的應(yīng)用，但對(duì)于穿透力很強(qiáng)的射線就不適用了鋰漂移型半導(dǎo)體探測(cè)器可以很好的解決這個(gè)問(wèn)題，它的靈敏區(qū)厚度可以達(dá)到10mm以上鋰漂移型半導(dǎo)體探測(cè)器按其基制材料可以分成兩類：鋰漂移鍺探測(cè)器Ge(Li)和鋰漂移硅探測(cè)器Si(Li)，習(xí)慣上稱為鍺鋰和硅鋰探測(cè)器鋰漂移型半導(dǎo)體探測(cè)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(guò)鋰離子擴(kuò)散進(jìn)入基體。在合適的外加電場(chǎng)作用下，鋰離子向半導(dǎo)體內(nèi)部漂移，最后在半導(dǎo)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)成了一個(gè)P-N結(jié)構(gòu)的鋰漂移型半導(dǎo)體探測(cè)器，所以也叫PIN型半導(dǎo)體探測(cè)器鋰漂移型半導(dǎo)體探測(cè)器平面型同軸型高純鍺探測(cè)器高純鍺探測(cè)器是在20世紀(jì)70年代研制出來(lái)的一種新型半導(dǎo)體探測(cè)器本質(zhì)上也是PN結(jié)型半導(dǎo)體探測(cè)器高純鍺的雜質(zhì)濃度可以降低到（109~1010）原子/cm3，相應(yīng)的電阻率很高，使偏壓不到1000V時(shí)耗盡深度就可以達(dá)到10mm，所以可獲得較大的靈敏體積按結(jié)構(gòu)特點(diǎn)可分為：平面型和同軸型高純鍺探測(cè)器（1）一般平面型 （2）溝槽式平面型（3）P型同軸型 （4）N型同軸型高純鍺探測(cè)器平面型高純鍺探測(cè)器靈敏區(qū)厚度一般在5～10mm，可以用于測(cè)量E<220MeV的α粒子，E<60MeV的質(zhì)子，E<10MeV的電子和能量E<300keV的低能X和γ射線。同軸型HPGe探測(cè)器靈敏區(qū)體積可達(dá)約400cm3，用于Eα<10MeV的γ射線能量測(cè)量。其他半導(dǎo)體探測(cè)器化合物半導(dǎo)體探測(cè)器如碘化汞（HgI2）、銻化鎘（CdTe）、砷化稼（GaAs）等特殊類型半導(dǎo)體探測(cè)器全耗盡探測(cè)器位置靈敏探測(cè)器內(nèi)放大探測(cè)器半導(dǎo)體探測(cè)器與電離室比較半導(dǎo)體探測(cè)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(diǎn)半導(dǎo)體的密度比氣體密度大許多（三個(gè)數(shù)量級(jí)），半導(dǎo)體探測(cè)器和電離室輸出同樣大小脈沖時(shí)，半導(dǎo)體探測(cè)器體積可小許多半導(dǎo)體的平均電離能（約3eV）比氣體的平均電離能（約30eV）小一個(gè)數(shù)量級(jí)，帶電粒子在半導(dǎo)體探測(cè)器內(nèi)損失同樣的能量產(chǎn)生的電子-空穴對(duì)要多得多，電子-空