核輻射物理及探測學(xué)

核輻射物理及探測學(xué)

期末考前總結(jié)復(fù)習(xí)第六章

射線與物質(zhì)的相互作用射線與物質(zhì)相互作用的分類：帶電粒子輻射非帶電粒子輻射快電子－重帶電粒子－中子電磁輻射－射線射線重帶電粒子與物質(zhì)的相互作用1、特點(diǎn)重帶電粒子均為帶正電荷的離子；重帶電粒子主要通過電離損失而損失能量；

重帶電粒子在介質(zhì)中的運(yùn)動(dòng)徑跡近似為直線。

2、重帶電粒子在物質(zhì)中的能量損失規(guī)律1)能量損失率(SpecificEnergyLoss)對重帶電粒子，輻射能量損失率相比小的多，因此重帶電粒子的能量損失率就約等于其電離能量損失率。2)Bethe公式的探討(2)、與帶電粒子的電荷z的關(guān)系；(1)、與帶電粒子的質(zhì)量M無關(guān)，而僅與其速度v和電荷數(shù)z有關(guān)。(3)、與帶電粒子的速度v的關(guān)系：非相對論狀況下，B隨v變更緩慢，近似與v無關(guān)，則：(4)、，吸收材料密度大，原子序數(shù)高的，其阻止本領(lǐng)大?？祀娮优c物質(zhì)的相互作用特點(diǎn)：快電子的速度大；快電子除電離損失外，輻射損失不行忽視；快電子散射嚴(yán)峻。1、快電子的能量損失率必需考慮相對論效應(yīng)時(shí)的電離能量損失和輻射能量損失。探討：(1)：輻射損失率與帶電粒子靜止質(zhì)量m的平方成反比。所以僅對電子才重點(diǎn)考慮。當(dāng)要吸取、屏蔽β射線時(shí)，不宜選用重材料。當(dāng)要獲得強(qiáng)的X射線時(shí)，則應(yīng)選用重材料作靶。(2)：輻射損失率與帶電粒子的能量E成正比。即輻射損失率隨粒子動(dòng)能的增加而增加。(3)：輻射損失率與吸收物質(zhì)的NZ2成正比。所以當(dāng)吸收材料原子序數(shù)大、密度大時(shí)，輻射損失大。電子的散射與反散射電子與靶物質(zhì)原子核庫侖場作用時(shí)，只變更運(yùn)動(dòng)方向，而不輻射能量的過程稱為彈性散射。由于電子質(zhì)量小，因而散射的角度可以很大，而且會(huì)發(fā)生多次散射。電子沿其入射方向發(fā)生大角度偏轉(zhuǎn)，稱為反散射。對同種材料，電子能量越低，反散射越嚴(yán)峻；對同樣能量的電子，原子序數(shù)越高的材料，反散射越嚴(yán)峻。反散射的利用與避開A)對放射源而言，利用反散射可以提高β源的產(chǎn)額。B)對探測器而言，要避開反散射造成的測量偏差。3、正電子的湮沒正電子與物質(zhì)發(fā)生相互作用的能量損失機(jī)制和電子相同。高速正電子被慢化，在正電子徑跡的末端與介質(zhì)中的電子發(fā)生湮沒，放出兩個(gè)光子。正電子的特點(diǎn)是：兩個(gè)湮沒光子的能量相同，各等于511keV兩個(gè)湮沒光子的方向相反，且放射是各向同性的。射線與物質(zhì)的相互作用特點(diǎn)：光子通過次級效應(yīng)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，光子或者消逝或者受到散射而損失能量，同時(shí)產(chǎn)生次電子；次級效應(yīng)主要的方式有三種，即光電效應(yīng)、康普頓效應(yīng)和電子對效應(yīng)。

射線與物質(zhì)發(fā)生不同的相互作用都具有確定的概率，用截面來表示作用概率的大小。總截面等于各作用截面之和，即：作用截面與吸取物質(zhì)原子序數(shù)的關(guān)系總體來說，吸取物質(zhì)原子序數(shù)越大，各相互作用截面越大，其中光電效應(yīng)隨吸取物質(zhì)原子序數(shù)變更最大，康普頓散射變更最小。光電效應(yīng)康普頓散射電子對效應(yīng)作用截面與入射光子能量的關(guān)系光電效應(yīng)截面隨入射光子能量增加而減小，開始時(shí)變化劇烈，后基本成反比。電子對效應(yīng)截面隨入射光子能量增加而增加，只有光子能量大于1.022MeV才能發(fā)生?？灯疹D散射截面開始基本為常數(shù)，隨入射光子能量增加而減小，減小比光電效應(yīng)緩慢。次電子能量光電效應(yīng)：

光電子康普頓散射：反沖電子電子對效應(yīng)：正負(fù)電子對第七章

輻射探測中的

概率統(tǒng)計(jì)問題(1).探測計(jì)數(shù)的統(tǒng)計(jì)誤差粒子計(jì)數(shù)——探測器輸出脈沖數(shù)聽從統(tǒng)計(jì)分布規(guī)律，當(dāng)計(jì)數(shù)的數(shù)學(xué)期望值m較小時(shí)，聽從泊松分布。m較大時(shí)，聽從高斯分布。而且，m較大時(shí)，m與有限次測量的平均值

和任一次測量值N相差不大。

N為單次測量值標(biāo)準(zhǔn)偏差

隨計(jì)數(shù)N增大而增大，因此用相對標(biāo)準(zhǔn)偏差來表示測量值的離散程度：計(jì)數(shù)測量結(jié)果的表示：表示一個(gè)置信區(qū)間，該區(qū)間包含真平均值的概率為68.3％（置信度）。一些常見狀況：(1)計(jì)數(shù)統(tǒng)計(jì)誤差的傳遞例如：存在本底時(shí)凈計(jì)數(shù)誤差的計(jì)算：輻射測量中，本底總是存在的。本底包括宇宙射線、環(huán)境中的自然放射性及儀器噪聲等。這時(shí)，為求得凈計(jì)數(shù)須要進(jìn)行兩次測量：第一次，沒有樣品，在時(shí)間t內(nèi)測得本底的計(jì)數(shù)為Nb；其次次，放上樣品，在相同時(shí)間內(nèi)測得樣品和本底的總計(jì)數(shù)為Ns。樣品的凈計(jì)數(shù)為：其標(biāo)準(zhǔn)偏差為：(2)或例如：計(jì)數(shù)率的誤差：設(shè)在t時(shí)間內(nèi)記錄了N個(gè)計(jì)數(shù)，則計(jì)數(shù)率為n=N/t，計(jì)數(shù)率的標(biāo)準(zhǔn)偏差為：其相對標(biāo)準(zhǔn)偏差為：(3)或(4)平均計(jì)數(shù)的統(tǒng)計(jì)誤差對某樣品重復(fù)測量k次，每次測量時(shí)間t相同(等精度測量)，得到k個(gè)計(jì)數(shù)則在時(shí)間t內(nèi)的平均計(jì)數(shù)值為：由誤差傳遞公式，平均計(jì)數(shù)值的方差為：多次重復(fù)測量結(jié)果表達(dá)：平均計(jì)數(shù)的相對標(biāo)準(zhǔn)偏差：(5)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tb內(nèi)測得本底的計(jì)數(shù)為Nb；其次次，在時(shí)間ts內(nèi)測得樣品和本底的總計(jì)數(shù)為Ns。樣品的凈計(jì)數(shù)率為：標(biāo)準(zhǔn)偏差為：相對標(biāo)準(zhǔn)偏差為：(6)不等精度獨(dú)立測量值的平均假如對同一量進(jìn)行了k次獨(dú)立測量，各次測量的時(shí)間為ti，計(jì)數(shù)為Ni。這是不等精度測量。這時(shí)，簡潔的求平均不再是求單次“最佳值”的適宜方法。須要進(jìn)行加權(quán)平均，使測量精度高的數(shù)據(jù)在求平均值時(shí)的貢獻(xiàn)大，精度低的貢獻(xiàn)小。結(jié)果表示為：假如k次測量的時(shí)間均相等，則測量為等精度測量：從統(tǒng)計(jì)誤差而言，無論是一次測量還是多次測量，只要總的計(jì)數(shù)相同，多次測量的平均計(jì)數(shù)率相對誤差和一次測量的計(jì)數(shù)率的相對誤差是一樣的。(7)測量時(shí)間的選擇(B)有本底存在時(shí)，須要合理支配樣品測量時(shí)間ts和本底測量時(shí)間tb。(A)不考慮本底的影響；依據(jù)：在相對標(biāo)準(zhǔn)偏差給定的狀況下，所需最小測量時(shí)間為：輻射探測器學(xué)習(xí)要點(diǎn)：探測器的工作機(jī)制；探測器的輸出回路與輸出信號；探測器的主要性能指標(biāo)；探測器的典型應(yīng)用。第八章

氣體探測器Gas－filledDetectorPulseamplitude(logscale)電離室工作機(jī)制：入射帶電粒子(或非帶電粒子的次級效應(yīng)產(chǎn)生的帶電粒子)使氣體電離產(chǎn)成電子－離子對，電子－離子對在外加電場中漂移，感應(yīng)電荷在回路中流過，從而在輸出回路產(chǎn)生信號。輸出信號：電荷、電流、電壓。是志向的電荷源。是近似志向的電流源（條件：V(t)<<V0）電壓信號可通過對輸出回路分析得出。電離室的兩種工作狀態(tài)脈沖工作狀態(tài)離子脈沖（慢、幅度與能量成正比h=Ne/C0）電子脈沖（快、幅度與能量一般不成正比h=Q-/C0）圓柱形電子脈沖電離室與屏柵電離室累計(jì)工作狀態(tài)輸出電流信號輸出電壓信號及漲落脈沖電離室的主要性能能量辨別率飽和特性——脈沖幅度與工作電壓的關(guān)系坪特性——計(jì)數(shù)率與工作電壓的關(guān)系探測效率：登記脈沖數(shù)/入射到靈敏體積內(nèi)的粒子數(shù)時(shí)間特性：辨別時(shí)間：能辨別開兩個(gè)相繼入射粒子的最小時(shí)間間隔時(shí)滯：粒子入射與輸出信號的時(shí)間差時(shí)間辨別本事：確定入射粒子入射時(shí)刻的精度累計(jì)電離室的主要性能飽和特性——輸出電流信號與工作電壓的關(guān)系靈敏度線性范圍——確定工作電壓下，輸出信號幅度與入射粒子流強(qiáng)度的線性關(guān)系范圍。響應(yīng)時(shí)間——反映入射粒子流強(qiáng)度發(fā)生變更時(shí)，輸出信號的變更快慢。能量響應(yīng)——靈敏度隨入射粒子能量而變更的關(guān)系具有氣體放大功能的氣體探測器非自持放電：正比計(jì)數(shù)器

輸出信號幅度與沉積能量成正比。自持放電：GM管非自熄自熄有機(jī)鹵素輸出信號幅度與入射粒子的種類和能量無關(guān)。1)輸出脈沖幅度與能量辨別率輸出脈沖幅度的漲落是一個(gè)二級串級型隨機(jī)變量：輸出脈沖幅度：正比計(jì)數(shù)器的性能實(shí)驗(yàn)表明，所以，能量分辨率

自熄G-M計(jì)數(shù)管輸出脈沖與正比計(jì)數(shù)器一樣，輸出脈沖由兩部分組成：起初相應(yīng)于電子收集的快上升部分和以后相應(yīng)于正離子漂移的緩慢上升部分。與正比計(jì)數(shù)器比較，最基本的區(qū)分在于GM計(jì)數(shù)管的輸出脈沖幅度與入射粒子的類型和能量無關(guān)。只要有電子進(jìn)入計(jì)數(shù)管的靈敏體積，就會(huì)導(dǎo)致計(jì)數(shù)，入射粒子僅僅起到一個(gè)觸發(fā)的作用。GM計(jì)數(shù)管僅能用于計(jì)數(shù)。正比計(jì)數(shù)器漏計(jì)數(shù)校正真信號計(jì)數(shù)率m，辨別時(shí)間一信號與前一信號時(shí)間間隔小于的概率為：單位時(shí)間內(nèi)由于辨別時(shí)間影響而丟失的計(jì)數(shù)為：實(shí)際計(jì)數(shù)率：校正公式：條件：GM管漏計(jì)數(shù)校正真信號計(jì)數(shù)率m，死時(shí)間

，實(shí)際計(jì)數(shù)率n單位時(shí)間內(nèi)探測器死時(shí)間為：單位時(shí)間內(nèi)由于死時(shí)間影響而丟失的計(jì)數(shù)為：校正公式：

第九章

閃爍探測器閃爍探測器輻射射入閃爍體使閃爍體原子電離或激發(fā)，受激原子退激而發(fā)出波長在可見光的熒光。熒光光子被收集到光電倍增管(PMT)的光陰極，通過光電效應(yīng)打出光電子。電子倍增，并在陽極或打拿極輸出回路輸出信號。第一打拿極收集到的光電子數(shù)是其信息載流子數(shù)目。閃爍探測器輸出信號的物理過程、輸出回路及其等效電路IaIkIa輸出回路的等效電路閃爍探測器的輸出信號：1、閃爍探測器輸出電荷量閃爍體發(fā)出的閃爍光子數(shù)第一打拿極收集到的光電子數(shù)陽極收集到的電子數(shù)2、閃爍探測器輸出電流脈沖信號閃爍體發(fā)出的閃爍光子數(shù)的規(guī)律第一打拿極收集到的光電子數(shù)的規(guī)律單光電子所引起的電流脈沖信號3、閃爍探測器輸出電壓脈沖信號實(shí)際應(yīng)用中，為得到較大幅度和較小寬度，取且要盡量減小電壓脈沖型工作狀態(tài)

電流脈沖型工作狀態(tài)

條件

脈沖前沿

脈沖幅度

脈沖后沿

慢：缺點(diǎn)快：優(yōu)點(diǎn)大：優(yōu)點(diǎn)?。喝秉c(diǎn)4、閃爍探測器輸出信號的漲落多級串級隨機(jī)變量的相對均方漲落閃爍光子數(shù)的漲落(泊松)第一打拿極收集到的光電子數(shù)的漲落(泊松串伯努利=泊松)光電倍增管的倍增系數(shù)M

的漲落（多個(gè)泊松的串級）陽極收集到的電子數(shù)的漲落閃爍譜儀能量辨別率的極限：NaI(Tl)單晶γ射線譜儀的性能1)響應(yīng)函數(shù)--閃爍譜儀對某單能γ射線的脈沖幅度譜。2)能量辨別率用全能峰(光電峰)來確定閃爍譜儀的能量辨別率3)能量線性4)

射線探測效率高Z,ρ，大尺寸的閃爍體探測效率高。5)時(shí)間特性6)穩(wěn)定性——主要由PMT確定第十章

半導(dǎo)體探測器半導(dǎo)體探測器類似氣體探測器（信息載流子為：電子－空穴對），也稱為固體電離室。有三類勻整型PN結(jié)型擴(kuò)散結(jié)型、面壘型高純鍺(HPGe)P－I－N型鋰漂移（鍺鋰Ge(Li)、硅鋰Si(Li)）半導(dǎo)體探測器的特點(diǎn)：(1)能量辨別率最佳；(2)射線探測效率較高，可與閃爍探測器相比。高的電阻率和長的載流子壽命是組成半導(dǎo)體探測器的關(guān)鍵。P-N結(jié)半導(dǎo)體探測器1、P-N結(jié)半導(dǎo)體探測器的工作原理1)P-N結(jié)區(qū)(勢壘區(qū))的形成2)P-N結(jié)半導(dǎo)體探測器的特點(diǎn)

(1)結(jié)區(qū)的空間電荷分布，電場分布及電位分布(2)結(jié)區(qū)寬度與外加電壓的關(guān)系(3)結(jié)區(qū)寬度的限制因素受擊穿電壓和暗電流的限制(4)結(jié)電容隨工作電壓的變更運(yùn)用電荷靈敏前置放大器半導(dǎo)體探測器的輸出信號1)輸出回路須考慮結(jié)電阻Rd和結(jié)電容Cd，結(jié)區(qū)外材料的電阻和電容RS，CS。測量儀器2)輸出信號當(dāng)R0(Cd+Ca)>>tc(tc為載流子收集時(shí)間)時(shí)，為電壓脈沖型工作狀態(tài)：輻射在靈敏體積內(nèi)產(chǎn)生的電子－空穴對數(shù)由于h與Cd有關(guān)，而結(jié)電容隨偏壓而變更，因此當(dāng)所加偏壓不穩(wěn)定時(shí)，將會(huì)使h發(fā)生附加的漲落；為解決該沖突，PN結(jié)半導(dǎo)體探測器通常接受電荷靈敏前置放大器。則輸出脈沖幅度為：輸出回路的時(shí)間常數(shù)為：主要性能1)能量辨別率（線寬表示）(1)輸出脈沖幅度的統(tǒng)計(jì)漲落

E1(2)噪聲引起的展寬E2電子學(xué)噪聲主要由第一級FET構(gòu)成，包括：零電容噪聲和噪聲斜率。(3)窗厚度的影響E3(4)電子與空穴陷落的影響

E42）辨別時(shí)間與時(shí)間辨別本事：3）能量線性很好，與入射粒子類型和能量基本無關(guān)4）輻照壽命輻照壽命是半導(dǎo)體探測器的一個(gè)致命的弱點(diǎn)。隨運(yùn)用時(shí)間的增加，載流子壽命變短。耗盡層厚度為1～2mm。對強(qiáng)穿透實(shí)力的輻射而言，探測效率受很大的局限。P-N結(jié)半導(dǎo)體探測器存在的沖突：鋰漂移探測器1)空間電荷分布、電場分布及電位分布I區(qū)為完全補(bǔ)償區(qū)，呈電中性為勻整電場；I區(qū)為耗盡層，電阻率可達(dá)1010cm；I區(qū)厚度可達(dá)10～20mm，為靈敏體積。2)工作條件為了降低探測器和FET的噪聲，同時(shí)為降低探測器的表面漏電流，探測器和FET都置于真空低溫的容器內(nèi)，工作于液氮溫度(77K)。對Ge(Li)探測器，須保持在低溫下；對Si(Li)探測器，可在常溫下保存。高純鍺探測器1)P區(qū)存在空間電荷，HPGe半導(dǎo)體探測器是PN結(jié)型探測器。2)P區(qū)為非勻整電場。3)P區(qū)為靈敏體積，其厚度與外加電壓有關(guān)，一般工作于全耗盡狀態(tài)。4)HPGe半導(dǎo)體探測器可在常溫下保存，低溫下工作。5)留意其空間電荷分布、電場分布及電位分布性能其中：Si(Li)和Ge(Li)平面型探測器用于低能(X)射線的探測，其能量辨別率常以55Fe的衰變產(chǎn)物55Mn的KX能量5.95KeV為標(biāo)準(zhǔn)，一般指標(biāo)約：1)能量分辨率：為載流子數(shù)的漲落。為漏電流和噪聲；

為載流子由于陷阱效應(yīng)帶來的漲落，通過適當(dāng)提高偏置電壓減小。HPGe，Ge(Li)同軸型探測器用于射線探測，常以60Co能量為1.332MeV的射線為標(biāo)準(zhǔn)，一般指標(biāo)約：2)探測效率一般以3英寸×3英寸的NaI(Tl)晶體為100％，用相對效率來表示。以85cm3的HPGe為例，探測效率為19％。3)峰康比P=全能峰峰值/康普頓平臺的峰值與FWHM以及體積有關(guān)，可達(dá)600～8004)能量線性：特殊好5)時(shí)間特性：電流脈沖寬度約10-9~10-8s.1)HPGe和Ge(Li)用于組成譜儀：鍺具有較高的密度和較高的原子序數(shù)(Z=32)

應(yīng)用2)Si(Li)探測器由于Si的Z＝14，對一般能量的射線，其光電截面僅為鍺的1/50，因此，其主要應(yīng)用為：低能量的射線和X射線測量，在可得到較高的光電截面的同時(shí)，Si的X射線逃逸將明顯低于鍺的X射線逃逸；粒子或其他外部入射的電子的探測，由于其原子序數(shù)較低，可削減反散射。探測器的工作機(jī)制及輸出信號產(chǎn)生的物理過程氣體探測器中的電子－離子對閃爍探測器中被PMT的D1收集的電子半導(dǎo)體探測器中的電子－空穴對產(chǎn)生每個(gè)信息載流子的平均能量分別為 30eV(氣體探測器) 300eV(閃爍探測器) 3eV(半導(dǎo)體探測器)探測器的信息載流子電離室：電子-正離子對的生成；離子對在電場中的漂移；感應(yīng)電荷的流淌；輸出電流信號和電壓信號。正比計(jì)數(shù)器：非自持放電--碰撞電離與雪崩過程；光子反饋與離子反饋及多原子分子氣體；氣體放大系數(shù)。GM管：自持放電--電子雪崩的傳播及正離子鞘的形成；自熄過程；有機(jī)管與鹵素管的工作機(jī)制的特點(diǎn)。閃爍探測器：發(fā)光機(jī)制；閃爍體的發(fā)光衰減時(shí)間常數(shù)；光子的收集--光電轉(zhuǎn)換--光電子被D1收集--電子倍增--電子在最終打拿極與陽極間運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生信號。半導(dǎo)體探測器：空間電荷形成的電場；電子-空穴對的形成；PN結(jié)及PIN結(jié)的形成及工作原理。探測器的輸出信號1）電荷量：（電離室、半導(dǎo)體探測器）（正比計(jì)數(shù)器）（閃爍探測器）（GM管）2）電流信號氣體和半導(dǎo)體探測器的電流信號的一般表達(dá)式：

正比計(jì)數(shù)器：閃爍探測器：3）電壓信號：等效電路與輸出回路時(shí)間常數(shù)一般表達(dá)式探測器的工作狀態(tài)（1）電流工作狀態(tài)--反映粒子束流的平均電離效應(yīng)，條件：

輸出直流電流

電壓

（2）脈沖工作狀態(tài)--反映單個(gè)入射粒子的電離效應(yīng)，條件：

電流脈沖工作狀態(tài)：tc為載流子收集時(shí)間，電壓脈沖形態(tài)與電流脈沖相像電壓脈沖工作狀態(tài)：電壓脈沖為電流脈沖在電容上的積分，且有

（3）脈沖束工作狀態(tài)--反映粒子束脈沖的總電離效應(yīng)，輻射源為脈沖束源。條件各種探測器的能量辨別率電離室正比計(jì)數(shù)器閃爍探測器半導(dǎo)體探測器能量辨別率的表示百分?jǐn)?shù)表示線寬表示(單位為KeV)考慮影響能量辨別率的各種因素時(shí)，譜儀的總辨別率：第十二章

輻射測量方法放射性樣品的活度測量相對法測量簡便，但條件苛刻：必需有一個(gè)與被測樣品相同的已知活度的標(biāo)準(zhǔn)源，且測量條件必需相同。確定測量法困難，須要考慮很多影響測量的因素，但確定測量法是活度測量的基本方法。1)小立體角法2)4計(jì)數(shù)法射線能譜的測定單能能譜的分析1)單晶譜儀主過程：全能峰——光電效應(yīng)＋全部的累計(jì)效應(yīng)；康普頓平臺、邊沿及多次康普頓散射；單、雙逃逸峰。2)單能射線的能譜其他過程：和峰效應(yīng)；I(或Ge)逃逸峰；邊緣效應(yīng)(次電子能量未完全損失在靈敏體積內(nèi))。屏蔽和結(jié)構(gòu)材料對譜的影響：散射及反散射峰；湮沒峰；特征X射線。24Na

的

衰

變

綱

圖AB24Na的NaI能譜ABA+BSEBDEB58Co

的衰變綱圖ABC58Co的NaI能譜ABC800+511Ann.Rad.各種譜儀裝置1)單晶譜儀。探測器放大器多道分析器計(jì)算機(jī)2)全吸取反康普頓譜儀。主探測器符合環(huán)前置放大反符合帶門控的多道前置放大限制信號測量信號3)康普頓譜儀(雙晶譜儀)。放大器放大器符合電路帶門控的多道主探測器輔探測器測量信號門控信號4)電子對譜儀(三晶譜儀)輔I輔II放大器放大器放大器符合帶門控的多道測量信號門控信號第十三章

中子及中子探測中子與物質(zhì)的相互作用1.中子的散射1)彈性散射(n,n)中子與物質(zhì)的相互作用實(shí)質(zhì)上是中子與物質(zhì)的靶核的相互作用。出射粒子仍為中子、剩余核仍為靶核。反沖核的動(dòng)