清華大學(xué)輻射安全與防護(hù)培訓(xùn)輻射探測(cè)器演示文稿

清華大學(xué)輻射安全與防護(hù)培訓(xùn)輻射探測(cè)器演示文稿現(xiàn)在是1頁(yè)\一共有41頁(yè)\編輯于星期六（優(yōu)選）清華大學(xué)輻射安全與防護(hù)培訓(xùn)輻射探測(cè)器現(xiàn)在是2頁(yè)\一共有41頁(yè)\編輯于星期六射線與物質(zhì)相互作用的分類ChargedParticulateRadiationsUnchargedRadiationsHeavychargedparticlesNeutronsFastelectronsX-raysandrays現(xiàn)在是3頁(yè)\一共有41頁(yè)\編輯于星期六輻射探測(cè)的基本過(guò)程：

輻射粒子射入探測(cè)器的靈敏體積；入射粒子通過(guò)電離、激發(fā)等效應(yīng)而在探測(cè)器中沉積能量；

探測(cè)器通過(guò)各種機(jī)制將沉積能量轉(zhuǎn)換成某種形式的輸出信號(hào)。對(duì)非帶電粒子通過(guò)次級(jí)效應(yīng)產(chǎn)生次電子或重帶電粒子,實(shí)現(xiàn)能量的沉積。常用的輻射探測(cè)器按探測(cè)介質(zhì)類型及作用機(jī)制主要分為：氣體探測(cè)器；

閃爍探測(cè)器；

半導(dǎo)體探測(cè)器。現(xiàn)在是4頁(yè)\一共有41頁(yè)\編輯于星期六

氣體探測(cè)器是以氣體為工作介質(zhì)，由入射粒子在其中產(chǎn)生的電離效應(yīng)引起輸出電信號(hào)的探測(cè)器。由于產(chǎn)生信號(hào)的工作機(jī)制不同，氣體電離探測(cè)器主要有電離室、正比計(jì)數(shù)器、G-M計(jì)數(shù)器等類型。它們均有各自的特點(diǎn)以及相應(yīng)的適用領(lǐng)域。核輻射引起氣體的電離：入射帶電粒子通過(guò)氣體介質(zhì)時(shí)，使氣體分子、原子電離和激發(fā)，并在通過(guò)的路徑周圍生成大量離子對(duì)。

一.氣體探測(cè)器現(xiàn)在是5頁(yè)\一共有41頁(yè)\編輯于星期六各種氣體探測(cè)器現(xiàn)在是6頁(yè)\一共有41頁(yè)\編輯于星期六

電離能W：帶電粒子在氣體中產(chǎn)生一電子離子對(duì)所需的平均能量。

對(duì)不同的氣體，W大約為30eV。

若入射粒子的能量為E0，當(dāng)其能量全部損失在氣體介質(zhì)中時(shí)，產(chǎn)生的平均離子對(duì)數(shù)為：現(xiàn)在是7頁(yè)\一共有41頁(yè)\編輯于星期六

離子和電子在外加電場(chǎng)中的漂移

離子和電子除了與作熱運(yùn)動(dòng)的氣體分子碰撞而雜亂運(yùn)動(dòng)和因空間分布不均勻造成的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)外，還有由于外加電場(chǎng)的作用沿電場(chǎng)方向定向漂移。

這種運(yùn)動(dòng)稱為“漂移運(yùn)動(dòng)”，定向運(yùn)動(dòng)的速度為“漂移速度”。它是形成輸出信號(hào)的基本過(guò)程?，F(xiàn)在是8頁(yè)\一共有41頁(yè)\編輯于星期六

工作氣體：

氣體探測(cè)器的工作介質(zhì)為氣體，工作氣體充滿電離室內(nèi)部空間；

工作氣體有確定的組成，一般為氬氣(Ar

)

加少量多原子分子氣體CH4。

氣體壓力：從10-1~10大氣壓。

需要保證氣體的成分和壓力，所以一般電離室均需要一個(gè)密封外殼將電極系統(tǒng)包起來(lái)?，F(xiàn)在是9頁(yè)\一共有41頁(yè)\編輯于星期六氣體探測(cè)器的圓柱型電離室結(jié)構(gòu)高壓極負(fù)載電阻靈敏體積輸出信號(hào)：分別為極板電容、分布電容和放大器輸入電容?，F(xiàn)在是10頁(yè)\一共有41頁(yè)\編輯于星期六氣體電離探測(cè)器主要有電離室、正比計(jì)數(shù)器、G-M計(jì)數(shù)器等類型。當(dāng)在兩電極上所加電壓不同時(shí)，就造成氣體探測(cè)器的不同工作狀態(tài)。

隨著工作電壓的升高，在中央陽(yáng)極附近很小的區(qū)域內(nèi)，電場(chǎng)強(qiáng)度足夠強(qiáng)，以至電子在外電場(chǎng)的加速作用下，能發(fā)生新的碰撞電離，我們稱之為氣體放大或雪崩過(guò)程。現(xiàn)在是11頁(yè)\一共有41頁(yè)\編輯于星期六I:復(fù)合區(qū)II:飽和區(qū)III:正比區(qū)IV:有限正比區(qū)V:G-M工作區(qū)VI:連續(xù)放電區(qū)現(xiàn)在是12頁(yè)\一共有41頁(yè)\編輯于星期六工作區(qū)域輸出信號(hào)用途電離室飽和區(qū)計(jì)數(shù)及測(cè)量入射粒子能量正比計(jì)數(shù)器正比區(qū)計(jì)數(shù)及測(cè)量入射粒子能量G-M計(jì)數(shù)管G-M工作區(qū)形成正離子鞘，與入射粒子能量無(wú)關(guān)。僅用作計(jì)數(shù)現(xiàn)在是13頁(yè)\一共有41頁(yè)\編輯于星期六二.閃爍探測(cè)器

利用輻射在某些物質(zhì)中產(chǎn)生的閃光，產(chǎn)生熒光光子來(lái)探測(cè)電離輻射的探測(cè)器。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現(xiàn)在是14頁(yè)\一共有41頁(yè)\編輯于星期六閃爍探測(cè)器的工作過(guò)程：(1)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(zhǎng)在可見(jiàn)光波段的熒光。(2)熒光光子被收集到光電倍增管(PMT)的光陰極，通過(guò)光電效應(yīng)打出光電子。(3)電子運(yùn)動(dòng)并倍增，并在陽(yáng)極輸出回路輸出信號(hào)。閃爍探測(cè)器可用來(lái)測(cè)量入射粒子的能量。

現(xiàn)在是15頁(yè)\一共有41頁(yè)\編輯于星期六(一).閃爍體1、閃爍體的分類1)無(wú)機(jī)閃爍體：玻璃體純晶體無(wú)機(jī)晶體(摻雜)(鋰玻璃)2)有機(jī)閃爍體：有機(jī)晶體——蒽晶體等；有機(jī)液體閃爍體及塑料閃爍體.3)

氣體閃爍體：Ar、Xe等?，F(xiàn)在是16頁(yè)\一共有41頁(yè)\編輯于星期六2.閃爍體的物理特性1)發(fā)射光譜特點(diǎn)：發(fā)射光譜為連續(xù)譜。各種閃爍體都存在一個(gè)最強(qiáng)波長(zhǎng)；要注意發(fā)射光譜與光電倍增管光陰極的光譜響應(yīng)是否匹配?，F(xiàn)在是17頁(yè)\一共有41頁(yè)\編輯于星期六以NaI(Tl)為例：對(duì)β粒子；對(duì)α粒子2)發(fā)光效率與光能產(chǎn)額指閃爍體將所吸收的射線能量轉(zhuǎn)化為光的比例。發(fā)光效率：Eph閃爍體發(fā)射光子的總能量；E入射粒子損耗在閃爍體中的能量?，F(xiàn)在是18頁(yè)\一共有41頁(yè)\編輯于星期六以NaI(Tl)為例對(duì)1MeV的β粒子，發(fā)射光子平均能量光能產(chǎn)額：nph為產(chǎn)生的閃爍光子總數(shù)。發(fā)光效率與光能產(chǎn)額的關(guān)系：現(xiàn)在是19頁(yè)\一共有41頁(yè)\編輯于星期六3)發(fā)光衰減時(shí)間受激過(guò)程大約退激過(guò)程及閃爍體發(fā)光過(guò)程按指數(shù)規(guī)律對(duì)于大多數(shù)無(wú)機(jī)晶體，t時(shí)刻單位時(shí)間發(fā)射光子數(shù)：τ為發(fā)光衰減時(shí)間，即發(fā)光強(qiáng)度降為1/e所需時(shí)間?，F(xiàn)在是20頁(yè)\一共有41頁(yè)\編輯于星期六現(xiàn)在是21頁(yè)\一共有41頁(yè)\編輯于星期六

（二）.光電倍增管1.PMT的結(jié)構(gòu)——光電倍增管為電真空器件。1)PMT的主要部件和工作原理

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現(xiàn)在是22頁(yè)\一共有41頁(yè)\編輯于星期六2)PMT的類型

(1)外觀的不同(2)根據(jù)光陰極形式現(xiàn)在是23頁(yè)\一共有41頁(yè)\編輯于星期六聚焦型非聚焦型(3)根據(jù)電子倍增系統(tǒng)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。電子倍增系數(shù)較大，多用于能譜測(cè)量系統(tǒng)。直線結(jié)構(gòu)環(huán)狀結(jié)構(gòu)百葉窗結(jié)構(gòu)盒柵型結(jié)構(gòu)現(xiàn)在是24頁(yè)\一共有41頁(yè)\編輯于星期六

2.PMT主要性能1)光陰極的光譜響應(yīng)光陰極受到光照后，發(fā)射光電子的概率是入射光波長(zhǎng)的函數(shù)，稱作“光譜響應(yīng)”?，F(xiàn)在是25頁(yè)\一共有41頁(yè)\編輯于星期六PMT增益打拿極間電子傳輸效率陽(yáng)極靈敏度陽(yáng)極電流2)光照靈敏度陰極靈敏度光陰極的光電子流光通量FiSkk=現(xiàn)在是26頁(yè)\一共有41頁(yè)\編輯于星期六(1)光陰極的熱電子發(fā)射。3)

PMT暗電流與噪聲

當(dāng)工作狀態(tài)下的光電倍增管完全與光輻射隔絕時(shí)，其陽(yáng)極仍能輸出電流(暗電流)及脈沖信號(hào)(噪聲)。(2)殘余氣體的電離----離子反饋；

殘余氣體的激發(fā)----光子反饋。(3)工藝----尖端放電及漏電成因：現(xiàn)在是27頁(yè)\一共有41頁(yè)\編輯于星期六4)

PMT的時(shí)間特性飛行時(shí)間(渡越時(shí)間)一個(gè)光電子從光陰極到達(dá)陽(yáng)極的平均時(shí)間。渡越時(shí)間離散

到達(dá)陽(yáng)極的每個(gè)電子都經(jīng)歷了不同的倍增過(guò)程和飛行距離，反映了飛行時(shí)間的漲落，是決定閃爍計(jì)數(shù)器分辨時(shí)間的限制因素。：te的分布函數(shù)的半寬度現(xiàn)在是28頁(yè)\一共有41頁(yè)\編輯于星期六5)

PMT的穩(wěn)定性穩(wěn)定性是指在恒定輻射源照射下，光電倍增管的陽(yáng)極電流隨時(shí)間的變化。包含兩部分：短期穩(wěn)定性，指建立穩(wěn)定工作狀態(tài)所需的時(shí)間。一般在開(kāi)機(jī)后預(yù)熱半小時(shí)才開(kāi)始正式工作。長(zhǎng)期穩(wěn)定性：在工作達(dá)到穩(wěn)定后，略有下降的慢變化，與管子的材料、工藝有關(guān)，同時(shí)與周圍的環(huán)境溫度有關(guān)。長(zhǎng)期工作條件下，須采用“穩(wěn)峰”措施?，F(xiàn)在是29頁(yè)\一共有41頁(yè)\編輯于星期六（三）閃爍探測(cè)器的應(yīng)用主要用于構(gòu)成譜儀光電倍增管閃爍體射極輸出器線性脈沖放大器單道脈沖幅度分析器多道脈沖幅度分析器打印機(jī)自動(dòng)定標(biāo)器線性率表高壓電源示波器源圖3-1 Nal(T1)閃爍譜儀裝置示意圖現(xiàn)在是30頁(yè)\一共有41頁(yè)\編輯于星期六

半導(dǎo)體探測(cè)器的基本原理是帶電粒子在半導(dǎo)體探測(cè)器的靈敏體積內(nèi)產(chǎn)生電子－空穴對(duì)，電子－空穴對(duì)在外電場(chǎng)的作用下漂移而輸出信號(hào)。

我們把氣體探測(cè)器中的電子－離子對(duì)、閃爍探測(cè)器中被PMT第一打拿極收集的電子及半導(dǎo)體探測(cè)器中的電子－空穴對(duì)統(tǒng)稱為探測(cè)器的信息載流子。產(chǎn)生每個(gè)信息載流子的平均能量分別為30eV(氣體探測(cè)器)，300eV(閃爍探測(cè)器)和3eV(半導(dǎo)體探測(cè)器)。三.半導(dǎo)體探測(cè)器現(xiàn)在是31頁(yè)\一共有41頁(yè)\編輯于星期六半導(dǎo)體探測(cè)器的特點(diǎn)：(1)能量分辨率最佳；(2)射線探測(cè)效率較高，可與閃爍探測(cè)器相比。常用半導(dǎo)體探測(cè)器有：(1)P-N結(jié)型半導(dǎo)體探測(cè)器；(2)鋰漂移型半導(dǎo)體探測(cè)器；(3)高純鍺半導(dǎo)體探測(cè)器；現(xiàn)在是32頁(yè)\一共有41頁(yè)\編輯于星期六

(一)半導(dǎo)體作為探測(cè)介質(zhì)的物理性能1.平均電離能（w）SiGe300oK3.62eV77oK3.76eV2.96eV

入射粒子在半導(dǎo)體介質(zhì)中平均產(chǎn)生一對(duì)電子空穴需要的能量。

半導(dǎo)體中的平均電離能與入射粒子能量無(wú)關(guān)。在半導(dǎo)體中消耗能量為E時(shí)，產(chǎn)生的載流子數(shù)目N為：現(xiàn)在是33頁(yè)\一共有41頁(yè)\編輯于星期六2.載流子的漂移

由于電子遷移率n

和空穴遷移率p

相近，與氣體探測(cè)器不同，不存在電子型或空穴型半導(dǎo)體探測(cè)器。對(duì)N型半導(dǎo)體，電子的漂移速度為對(duì)P型半導(dǎo)體，空穴的漂移速度為

電場(chǎng)較高時(shí)，漂移速度隨電場(chǎng)的增加較慢，最后達(dá)到載流子的飽和速度～107cm/s?，F(xiàn)在是34頁(yè)\一共有41頁(yè)\編輯于星期六3.電阻率與載流子壽命半導(dǎo)體電阻率：本征電阻率：摻雜將大大降低半導(dǎo)體的電阻率，對(duì)硅來(lái)說(shuō)摻雜對(duì)電阻率的影響比鍺顯著得多。當(dāng)半導(dǎo)體材料被冷卻到液氮溫度時(shí)將大大提高電阻率。

載流子壽命--載流子在俘獲以前，可在晶體中自由運(yùn)動(dòng)的時(shí)間。只有當(dāng)漂移長(zhǎng)度大于靈敏體積的長(zhǎng)度才能保證載流子的有效收集。對(duì)高純度的Si和Ge～10-3s，決定了Si和Ge為最實(shí)用的半導(dǎo)體材料。

高的電阻率和長(zhǎng)的載流子壽命是組成半導(dǎo)體探測(cè)器的關(guān)鍵。現(xiàn)在是35頁(yè)\一共有41頁(yè)\編輯于星期六

(二)P-N結(jié)半導(dǎo)體探測(cè)器1、P-N結(jié)半導(dǎo)體探測(cè)器的工作原理

P-N結(jié)區(qū)(勢(shì)壘區(qū))的形成：多數(shù)載流子擴(kuò)散，空間電荷形成內(nèi)電場(chǎng)并形成結(jié)區(qū)。結(jié)區(qū)內(nèi)存在著勢(shì)壘，結(jié)區(qū)又稱為勢(shì)壘區(qū)。勢(shì)壘區(qū)內(nèi)為耗盡層，無(wú)載流子存在，實(shí)現(xiàn)高電阻率，達(dá)，遠(yuǎn)高于本征電阻率。n-typep-type---------------------------------+++++++++++++++現(xiàn)在是36頁(yè)\一共有41頁(yè)\編輯于星期六2、P-N結(jié)半導(dǎo)體探測(cè)器的類型1)擴(kuò)散結(jié)(DiffusedJunction)型探測(cè)器采用擴(kuò)散工藝——高溫?cái)U(kuò)散或離子注入；材料一般選用P型高阻硅，電阻率為1000；在電極引出時(shí)一定要保證為歐姆接觸，以防止形成另外的結(jié)。2)金硅面壘(SurfaceBarrier)探測(cè)器一般用N型高阻硅，表面蒸金50～100g/cm2

氧化形成P型硅，而形成P-N結(jié)。工藝成熟、簡(jiǎn)單、