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文檔簡介

清華大學輻射安全與防護培訓輻射探測器演示文稿當前第1頁\共有41頁\編于星期四\3點(優(yōu)選)清華大學輻射安全與防護培訓輻射探測器當前第2頁\共有41頁\編于星期四\3點射線與物質相互作用的分類ChargedParticulateRadiationsUnchargedRadiationsHeavychargedparticlesNeutronsFastelectronsX-raysandrays當前第3頁\共有41頁\編于星期四\3點輻射探測的基本過程:

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

探測器通過各種機制將沉積能量轉換成某種形式的輸出信號。對非帶電粒子通過次級效應產生次電子或重帶電粒子,實現(xiàn)能量的沉積。常用的輻射探測器按探測介質類型及作用機制主要分為:氣體探測器;

閃爍探測器;

半導體探測器。當前第4頁\共有41頁\編于星期四\3點

氣體探測器是以氣體為工作介質,由入射粒子在其中產生的電離效應引起輸出電信號的探測器。由于產生信號的工作機制不同,氣體電離探測器主要有電離室、正比計數(shù)器、G-M計數(shù)器等類型。它們均有各自的特點以及相應的適用領域。核輻射引起氣體的電離:入射帶電粒子通過氣體介質時,使氣體分子、原子電離和激發(fā),并在通過的路徑周圍生成大量離子對。

一.氣體探測器當前第5頁\共有41頁\編于星期四\3點各種氣體探測器當前第6頁\共有41頁\編于星期四\3點

電離能W:帶電粒子在氣體中產生一電子離子對所需的平均能量。

對不同的氣體,W大約為30eV。

若入射粒子的能量為E0,當其能量全部損失在氣體介質中時,產生的平均離子對數(shù)為:當前第7頁\共有41頁\編于星期四\3點

離子和電子在外加電場中的漂移

離子和電子除了與作熱運動的氣體分子碰撞而雜亂運動和因空間分布不均勻造成的擴散運動外,還有由于外加電場的作用沿電場方向定向漂移。

這種運動稱為“漂移運動”,定向運動的速度為“漂移速度”。它是形成輸出信號的基本過程。當前第8頁\共有41頁\編于星期四\3點

工作氣體:

氣體探測器的工作介質為氣體,工作氣體充滿電離室內部空間;

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密封外殼將電極系統(tǒng)包起來。當前第9頁\共有41頁\編于星期四\3點氣體探測器的圓柱型電離室結構高壓極負載電阻靈敏體積輸出信號:分別為極板電容、分布電容和放大器輸入電容。當前第10頁\共有41頁\編于星期四\3點氣體電離探測器主要有電離室、正比計數(shù)器、G-M計數(shù)器等類型。當在兩電極上所加電壓不同時,就造成氣體探測器的不同工作狀態(tài)。

隨著工作電壓的升高,在中央陽極附近很小的區(qū)域內,電場強度足夠強,以至電子在外電場的加速作用下,能發(fā)生新的碰撞電離,我們稱之為氣體放大或雪崩過程。當前第11頁\共有41頁\編于星期四\3點I:復合區(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)當前第12頁\共有41頁\編于星期四\3點工作區(qū)域輸出信號用途電離室飽和區(qū)計數(shù)及測量入射粒子能量正比計數(shù)器正比區(qū)計數(shù)及測量入射粒子能量G-M計數(shù)管G-M工作區(qū)形成正離子鞘,與入射粒子能量無關。僅用作計數(shù)當前第13頁\共有41頁\編于星期四\3點二.閃爍探測器

利用輻射在某些物質中產生的閃光,產生熒光光子來探測電離輻射的探測器。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極熒光光子光電子暗盒窗前置放大器當前第14頁\共有41頁\編于星期四\3點閃爍探測器的工作過程:(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)出波長在可見光波段的熒光。(2)熒光光子被收集到光電倍增管(PMT)的光陰極,通過光電效應打出光電子。(3)電子運動并倍增,并在陽極輸出回路輸出信號。閃爍探測器可用來測量入射粒子的能量。

當前第15頁\共有41頁\編于星期四\3點(一).閃爍體1、閃爍體的分類1)無機閃爍體:玻璃體純晶體無機晶體(摻雜)(鋰玻璃)2)有機閃爍體:有機晶體——蒽晶體等;有機液體閃爍體及塑料閃爍體.3)

氣體閃爍體:Ar、Xe等。當前第16頁\共有41頁\編于星期四\3點2.閃爍體的物理特性1)發(fā)射光譜特點:發(fā)射光譜為連續(xù)譜。各種閃爍體都存在一個最強波長;要注意發(fā)射光譜與光電倍增管光陰極的光譜響應是否匹配。當前第17頁\共有41頁\編于星期四\3點以NaI(Tl)為例:對β粒子;對α粒子2)發(fā)光效率與光能產額指閃爍體將所吸收的射線能量轉化為光的比例。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。當前第18頁\共有41頁\編于星期四\3點以NaI(Tl)為例對1MeV的β粒子,發(fā)射光子平均能量光能產額:nph為產生的閃爍光子總數(shù)。發(fā)光效率與光能產額的關系:當前第19頁\共有41頁\編于星期四\3點3)發(fā)光衰減時間受激過程大約退激過程及閃爍體發(fā)光過程按指數(shù)規(guī)律對于大多數(shù)無機晶體,t時刻單位時間發(fā)射光子數(shù):τ為發(fā)光衰減時間,即發(fā)光強度降為1/e所需時間。當前第20頁\共有41頁\編于星期四\3點當前第21頁\共有41頁\編于星期四\3點

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

真空殼打拿極陽極光電子軌跡入射光聚焦電極半透明光陰極當前第22頁\共有41頁\編于星期四\3點2)PMT的類型

(1)外觀的不同(2)根據(jù)光陰極形式當前第23頁\共有41頁\編于星期四\3點聚焦型非聚焦型(3)根據(jù)電子倍增系統(tǒng)具有較快的響應時間,用于時間測量或需要響應時間快的場合。電子倍增系數(shù)較大,多用于能譜測量系統(tǒng)。直線結構環(huán)狀結構百葉窗結構盒柵型結構當前第24頁\共有41頁\編于星期四\3點

2.PMT主要性能1)光陰極的光譜響應光陰極受到光照后,發(fā)射光電子的概率是入射光波長的函數(shù),稱作“光譜響應”。當前第25頁\共有41頁\編于星期四\3點PMT增益打拿極間電子傳輸效率陽極靈敏度陽極電流2)光照靈敏度陰極靈敏度光陰極的光電子流光通量FiSkk=當前第26頁\共有41頁\編于星期四\3點(1)光陰極的熱電子發(fā)射。3)

PMT暗電流與噪聲

當工作狀態(tài)下的光電倍增管完全與光輻射隔絕時,其陽極仍能輸出電流(暗電流)及脈沖信號(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:當前第27頁\共有41頁\編于星期四\3點4)

PMT的時間特性飛行時間(渡越時間)一個光電子從光陰極到達陽極的平均時間。渡越時間離散

到達陽極的每個電子都經歷了不同的倍增過程和飛行距離,反映了飛行時間的漲落,是決定閃爍計數(shù)器分辨時間的限制因素。:te的分布函數(shù)的半寬度當前第28頁\共有41頁\編于星期四\3點5)

PMT的穩(wěn)定性穩(wěn)定性是指在恒定輻射源照射下,光電倍增管的陽極電流隨時間的變化。包含兩部分:短期穩(wěn)定性,指建立穩(wěn)定工作狀態(tài)所需的時間。一般在開機后預熱半小時才開始正式工作。長期穩(wěn)定性:在工作達到穩(wěn)定后,略有下降的慢變化,與管子的材料、工藝有關,同時與周圍的環(huán)境溫度有關。長期工作條件下,須采用“穩(wěn)峰”措施。當前第29頁\共有41頁\編于星期四\3點(三)閃爍探測器的應用主要用于構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自動定標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當前第30頁\共有41頁\編于星期四\3點

半導體探測器的基本原理是帶電粒子在半導體探測器的靈敏體積內產生電子-空穴對,電子-空穴對在外電場的作用下漂移而輸出信號。

我們把氣體探測器中的電子-離子對、閃爍探測器中被PMT第一打拿極收集的電子及半導體探測器中的電子-空穴對統(tǒng)稱為探測器的信息載流子。產生每個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)和3eV(半導體探測器)。三.半導體探測器當前第31頁\共有41頁\編于星期四\3點半導體探測器的特點:(1)能量分辨率最佳;(2)射線探測效率較高,可與閃爍探測器相比。常用半導體探測器有:(1)P-N結型半導體探測器;(2)鋰漂移型半導體探測器;(3)高純鍺半導體探測器;當前第32頁\共有41頁\編于星期四\3點

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

入射粒子在半導體介質中平均產生一對電子空穴需要的能量。

半導體中的平均電離能與入射粒子能量無關。在半導體中消耗能量為E時,產生的載流子數(shù)目N為:當前第33頁\共有41頁\編于星期四\3點2.載流子的漂移

由于電子遷移率n

和空穴遷移率p

相近,與氣體探測器不同,不存在電子型或空穴型半導體探測器。對N型半導體,電子的漂移速度為對P型半導體,空穴的漂移速度為

電場較高時,漂移速度隨電場的增加較慢,最后達到載流子的飽和速度~107cm/s。當前第34頁\共有41頁\編于星期四\3點3.電阻率與載流子壽命半導體電阻率:本征電阻率:摻雜將大大降低半導體的電阻率,對硅來說摻雜對電阻率的影響比鍺顯著得多。當半導體材料被冷卻到液氮溫度時將大大提高電阻率。

載流子壽命--載流子在俘獲以前,可在晶體中自由運動的時間。只有當漂移長度大于靈敏體積的長度才能保證載流子的有效收集。對高純度的Si和Ge~10-3s,決定了Si和Ge為最實用的半導體材料。

高的電阻率和長的載流子壽命是組成半導體探測器的關鍵。當前第35頁\共有41頁\編于星期四\3點

(二)P-N結半導體探測器1、P-N結半導體探測器的工作原理

P-N結區(qū)(勢壘區(qū))的形成:多數(shù)載流子擴散,空間電荷形成內電場并形成結區(qū)。結區(qū)內存在著勢壘,結區(qū)又稱為勢壘區(qū)。勢壘區(qū)內為耗盡層,無載流子存在,實現(xiàn)高電阻率,達,遠高于本征電阻率。n-typep-type---------------------------------+++++++++++++++當前第36頁\共有41頁\編于星期四\3點2、P-N結半導體探測器的類型1)擴散結(DiffusedJunction)型探測器采用擴散工藝——高溫擴散或離子注入;材料一般選用P型高阻硅,電阻率為1000;在電極引出時一定要保證為歐姆接觸,以防止形成另外的結。2)金硅面壘(SurfaceBarrier)探測器一般用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。工藝成熟、簡單、價

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