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地球物理仪器论文题 目： 学 院 名 称： 专 业 班 级： 姓 名：学 号： 指 导 老 师： 目 录第一章：绪论第二章：仪器所对应方法简介第三章：传感器原理与参数第四章：电路原理与方框图第五章：仪器工作过程及注意事项第六章：FD-3017仪器简介第一章：绪论1.1 放射性现象放射性现象对于我们早已不陌生，岩石里、食物内、空气中，到处都存在放射性。放射性现象就是不稳定的核素自发地放出粒子或射线，或在轨道电子俘获后放出X射线，或产生自发裂变的过程。我们知道，原子由原子核和其外围绕的电子组成，原子核由质子及中子组成，质子与电子的数目相等，使原子呈中性。通常用AZX表示核素，X为元素的化学符号；A为质量数，等于质子和中子质量的总和，Z为原子序数，等于质子的数目。例如氢有三个核素：氢、氖、氖，分别记作11H，21H，31H，它们是同位素。同位素是质子数相同，而中子数不相同的核素。 从构成万物的一百多种元素来看，已经发现了2000多种核素，其中280多种核素是稳定的。在不稳定的核素中有60多种是天然放射性核素，其中主要在 Z 83的元素里，而余下的为人工放射性核素。天然放射性核素发生核衰变时，会放出、射线，人工放射性核素还可以辐射出质子或中子等。天然放射性核素自发地衰变，一般不受温度、压力的影响，并且按指数规律变化，若某时刻t时的放射性原子核数目为N（t）,则其与初始N0时具有的放射性原子核数目N。之间有下面的关系： N（t）= N0e-t （1-1）称为衰变常数，和原子核的性质有关，不同的原子核有不同的，衰变常数的物理意义是单位时间内一个原子核发生衰变的概率。它反映的是衰变的速度，愈大，则衰变率愈大，衰变速度愈快。通常用半衰期T1/2来表示衰变的速度或元素的寿命。半衰期就是放射性元素原有的原子衰变一半所需要的时间。例如238U的半衰期T1/2= 451*109a,从若原有 1000万个原子，则经过451*109a后将剩下一半，约 500万个，再经过451*109a又剩下一半约为 250万个；而不是经过一个半衰期剩下了一半，再经过一个半衰期的时间另一半就衰变完了。实际上，历时10个半衰期，原有的原子还剩下于分之一左右。半衰期和衰变常数有下面的简单关系：T1/2=ln2/ （1-2）各种放射性核素的半衰期差别很大，例如氡的三个放射性同位素：222Rn（氡）、220Rn（钍射气）、 219Rn（锕射气） 虽然同为惰性气体，但半衰期差别很大，分别为 38 2 5 d，5 56 s和 39 6s，利用半衰期的差别就可以把它们区分开来。虽然不同放射性核素的半衰期或衰变常数为一确定数值，基本上不随化学或物理状态而改变。但是在放射性测量时我们将会发现，测量条件虽未变化，而所得结果并不完全一样，即放射源每单位时间内发生衰变的原子数目是不相同的，时多时少，有起有伏。例如第一次读数为每分钟100次衰变，条件完全相同，第二次读数可能为每分钟97次衰变，第三次读数却为每分钟108次衰变，前后读数相差不少，这是其他许多测量（长度测量、重量测量等）中未见到过的，这种现象称为放射性衰变的统计涨落。出现这种现象的原因在于放射性原子核的衰变是自动发生的，哪一个原子核发生衰变是带有偶然性的，谁先衰变，谁后衰变无法确定。因此，对一具有大量原子的放射源，在某一时刻会有较多的原子核衰变，而另一时刻则有较少的原子核衰变，这样便使观测结果有了起伏涨落。实验及理论均已证明，放射性测量的数据虽有涨落，但比较集中地在某一个范围内波动。例如进行了1000次观测，平均值N=400，数据出现在 N士N范围内的数占 683，即有 683次数据出现在 4 0 0 士20范围内（3804 2 0之间），而超过N士N 这个范围的数据占317，即约有317次的结果不在380420这个范围内。出现在N士2N范围内的概率是955；出现在N士3N范围内的概率是 997。人工放射性探测与天然放射性测量一样，都具有放射性统计涨落现象，并符合上述规律。1.2射线与物质的相互作用1.2.1 射线和物质的相互作用为了便于掌握放射性测量仪器的工作原理，下面按照不同类型的射线介绍射线和物质相互作用的有关知识。射线是由粒子组成的。粒子就是快速运动的氦核，它是一个稳定的原子核，粒子是在不稳定原子核发生衰变时放射出来的。天然放射性核素衰变时放射出的粒子的动能约在410MeV之间。粒子质量较大，所以它的速度比光速低很多，能量为10 MeV的粒子，其运动速度约为光速的 1/10。由一定的放射性核素辐射出来的粒子能量是一定的，如：214Po(RaC)辐射出的粒子能量为 768 MeV，212Po(ThC) 放出的粒子能量为1054 MeV。在同时还辐射出射线时，一般辐射出不止一种能量的粒子，226Ra衰变时伴有辐射，它的粒子有两种能量，一种是478 MeV（占 943），另一种是459 MeV。不同核素放出的粒子在能量（或称能谱）方面的这种差异可以用来区分不同的放射性核素。粒子通过物质时主要是与介质中原子的轨道（束缚）电子相互作用。带电的粒子与束缚电子作弹性碰撞，两者之间的电磁相互作用使束缚电子得到加速而离开轨道变成自由电子，引起电离。如果束缚电子获得的能量还不够大，未能变成自由电子，而只是激发到更高能级上去，便是激发作用。粒子通过物质时，能量主要消耗在使物质电离和激发上。我们正是根据粒子电离或激发介质的原子产生的效应来探测粒子有关特性的。因为粒子能量很大，而在每一次碰撞中损失的能量相对是很小的，所以原子对粒子的散射作用很小，a粒子在空气中的轨迹近似直线，仅在其末端，因粒子速度变小，运动轨迹才稍有弯曲。粒子能量不断消耗于电离和激发上，最终耗尽动能，粒子就停下来，在捕获了两个电子后，变成通常的氮原子。粒子在物质中穿透的距离称为射程，它随粒子能量及介质不同而异。粒子能量在47MeV范围内时，粒子在空气中的射程R。可用下式求出：R空=0.309E3/2 （1-3）式中R空为粒子在空气中的射程，单位：cm；E为粒于的能量，单位：MeV。粒子的射程很短，而且与粒子的能量有关，在空气中一般约为几厘米。天然放射性核素辐射出的能量最大的粒子（E。= 1054 MeV）在空气中的射程也不过是11 5cm粒子通过其他介质时射程就更短了，用一张纸就足以挡住粒子。在塑料中粒子的射程约为l mm。1.2.2 射线及其与物质的相互作用射线是由粒子束组成的。粒子为带一个负电荷（或正电荷）的高速运动（可以接近光速）的电子。带正电的寿命很短，其他性质均与带负电荷的p粒子相同，仅所带电荷符号相反而已。放射性核素衰变时放出的粒子能量一般低于15 MeV，并且粒子的能量都是连续的，可在很大的范围内变化，这是和粒子很不相同的一点。粒子质量轻，体积小，所以它和物质相互作用的特点与粒子有所不同。粒子通过物质时除有电离、激发作用外，还有弹性散射和韧致辐射等现象。带电粒子通过物质时，因受原子核库仑电场的相互作用而改变运动方向的现象称为散射。粒子很轻，散射作用很明显，而且会发生多次散射，粒子散射后运动方向发生改变，甚至可能发生与原来前进方向相反的称为反散射的运动。因此粒子的实际路径比它能穿透的射程一般要大14倍。当粒子被物质所阻止突然降低速度时，有一部分动能将转变为能量连续的电磁辐射，称为轫致辐射。这种轫致辐射损耗随电子能量增加而增加。例如动能为 10 MeV的粒子，在铅（Z为 82）中，电离损耗与轫致辐射损耗基本相等。能量越大，轫致辐射的损耗也越大。因为粒子的质量与电子质量相等，粒子在电离碰撞过程中每次传递给轨道电子的能量涨落很大，再加上轫致辐射损耗，所以即使粒子的能量是单一的，它在同一物质中的路径差别也很大，又因散射现象，粒子的路径就更不会相等，射程的涨落一般达到1015。就214Bi（RaC）放出的射线而言，它的粒子最大能量为317MeV，在空气中的最大射程约为12m，在铝中的射程约为06cm。和粒子相比粒子的穿透能力还是强得多，因此，探测射线和探测射线有许多不同的地方,应予注意。1.2.3 射线及其与物质的相互作用 射线和X射线都是一种电磁波，是一种光子，它们的差别仅在于产生的方式不同。射线通常是伴随射线和射线一起产生的，是原子核从激发态跃迁至基态时放出的电磁辐射。X射线是原子内层轨道电子退激过程或高能电子的韧致辐射所发出的电磁辐射。因为它们是电磁波，所以和光有相同的传播速度，不过射线和X射线波长较短，频率较高。就光子而言，它没有静止质量。光子的能量E=hV,全部是动能,h是普朗克常数，V为频率，光子的能量较可见光的光子能量大得多，波长比可见光短得多，天然放射性核素发生衰变时辐射出的射线的能量约在几十keV到几MeV之间。一定的核素放出的射线能量是一定的。如137Cs放出的射线能量为 06 61 MeV，60Co放出的 射线能量为117MeV和 13 3MeV。以后要讨论的能谱测量正是根据射线能量的差异来区分不同放射性核素的。射线是不带电的辐射，它通过介质时能量的损失方式不同于前述粒子或粒子。后二者主要是通过与原子的轨道电子的库仑场作用，使原子电离或激发，逐渐损耗其能量的。y射线是与原子或电子作用，产生出电子来，并将能量交给这些电子，称为次级电子，再由次级电子引起物质的电离或激发，这样射线可以通过间接的关系加以探测。射线通过物质时，主要有三种相互作用。 （一）光电效应光子与原子相碰撞时，把全部能量交给一个轨道电子，使它脱离原子运动，光子本身整个被吸收，这种作用放出的电子称为光电子，这一效应称为光电效应。图11(a）示意地表示了光电效应的过程。射线本身虽不能引起介质的电离或激发，但产生的光电子将引起物质的电离和激发，借此可对射线加以探测。图11 射线通过物质时的三种效应示意图（a）光电效应；(b）康普顿效应；(c）形成电子对效应。能量为h( EbhmC2,Eb为轨道电子的结合能，mC2=0.51MeV) 的光子通过介质发生光电效应的概率可用下面经验公式表示：NZ5(h)-3.5 (1-4)式中，N为单位体积中的原子数；Z为原子序数。从式（1-41）中可以看出光电效应和原子序数有密切的关系，原子序数愈大愈明显，探测射线用的闪烁计数器等选用原子序数大的材料做闪烁体，就是充分利用这一特性。从式（1-4）还可以看出，当能量增加时，光电效应将明显降低。例如，能量为05MeV的射线通过铅时，光电效应十分明显，而当能量增至2MeV时，光电效应就不十分明显。产生光电效应后的原子会处于激发态，多余的能量可使外层电子从原子中逃出，发射出的这个电子称为俄歇电子；也可以使外层电子跃迁到内层，充填电子空缺，多余的能量以X射线释出。由于每种元素辐射出的X射线能量是一定的，故名特征X射线，也叫X荧光。 （二）康普顿效应当光子能量增加后，光电效应逐渐减弱，康普顿散射成为光子能量损失的主要方式。在这一过程中，光子和原子中的一个电子发生非弹性碰撞。碰撞之后光子将一部分能量传给电子，使电子从原子空间中以一定的方向射出，称为康普顿电子；光子能量减少，并以一定的方向散射出去。若碰撞前光子能量为h，碰撞后光子能量为h，则hh。图l1（B）示意地绘出了这一过程。康普顿电子又称反冲电子，它将引起物质电离或激发，为我们所探测。射线通过介质发生康普顿散射的概率也与光子能量h及介质原子序数Z有关，当hmC2，则（NZ/h）ln(2h/mC2+1/2) (1-5)可见光子能量减弱时，康普顿散射效应上升；介质原子序数及密度大时，康普顿效应增加。 （三）形成电子对效应当 光子能量大于 102 MeV时，它和物质作用有另一新的现象。光子在原子核库仑场作用下转化成一个电子和一个正电子，即形成一个正负电子对，而原来的光子整个不见了。图13(C）示意地表示这一过程的情形。光子通过介质发生形成电子对效应的概率有下面的关系:NZ2(h-2mC2) (1-6)可见，发生形成电子对效应的概率也与人射射线的能量及介质原子序数有关。h大,Z大则产生形成电子对效应的概率增加。正电子和粒子性质相似，会引起物质的电离和激发，因其带有正电荷，当其损失能量之后将和电子结合转化成光子，发生电子对的“湮没”，称为光化辐射，它的特征能量是 051MeV。图 13(C）的下方是电子对湮没的示意图。因此当能量大于10 2 2 MeV的射线穿过原子序数高的介质时，可以容易地测到这个能量的次级射线。 射线也能与原子核作用发生核反应，称光核反应，例如(,n)反应，能产生中子。综上所述射线通过物质时，将发生三种不同的效应，这些效应除与射线能量有关外，还与介质的原子序数Z有关，其中： (光电效应）Z5 (康普顿效应）Z （形成电子对效应）Z 2 为了更好地让光子被介质吸收掉，使其转化为我们能方便探测到的带电粒子，用作探测射线的探测器常常选用原子序数高的材料做成。射线穿过物质的本领比射线要大得多，它在空气中可以穿透数百米的距离，在岩石中也有1m左右的射程。许多放射性核素虽都能辐射出射线，但其能量是不相同的，测定其能谱可以区分它们。值得指出的是射线通过物质时会发生光电效应、康普顿效应等过程，使得实测的能谱曲线与原始情况有较大差异，如图14所示，并在无放射性核素存在的100 keV附近出现峰值，但能量低于50 keV的射线比例很小。这些特点在调整仪器时常可加以利用。 图14 岩石上实测的一条射线能谱曲线1.2.4 中子及其与物质的相互作用中子不带电荷，质量数为1。用带电粒子粒子或光子轰击原子核，当其发生核反应时，可以产生中子。自由中子的半衰期约为12 min。衰变后形成质子、电子和中微子，即np+e-+ 根据中子的能量不同，可以粗略地分成热中子、慢中子、快中子等等。快中子能量最大，一般大于100keV；慢中子的能量一般小于1keV。热中子能量很小，通常与介质的分子或原子热运动的动能为同一个数量级，在 15C时，热中子的平均能量约为 0025eV。中子不带电，通过物质时不受电场的作用，所以即使在热中子那样低的能量时仍可与原子核发生作用，与其发生核反应，这便决定了中子与物质相互作用的许多特殊之处。中子通过物质时主要发生散射和俘获反应。中子的散射可分为弹性散射和非弹性散射。当发生弹性散射时，中子的一部分能量交给原子核，形成所谓反冲核，根据动量守恒原理，原子核的质量愈接近中子质量，中子交出的能量愈多，反冲核的动量将愈大。这个具有一定动量并带有电荷的反冲核，在性质上与粒子颇相似，能引起原子或分子的激发和电离，从而可以间接地显示中子的一些情况。当发生非弹性碰撞时，中子将损失很大一部分能量（例如快中子通常可因此损耗全部能量的90左右）.使原子核处于激发状态，它将在很短的时间内回复到基 态，并放出中子和光子。散射现象是快中子与原子核作用的最主要形式，快中子通过散射作用，能量逐渐减弱，中子速度减低，逐渐慢化而成为慢中子。中子发生被俘获的现象，是中子与原子核相互作用的另一种形式。原子核俘获中子后可形成受激复合核，受激复合核可以通过辐射粒子、光子或发生裂变而回到基态。这些不同的核反应便是通常称做的（n,p）(n,)(n,)或(n,f)反应。俘获是慢中子与介质的原子核相互作用的主要形式，快中子被原子核俘获的概率是较小的。中子虽然不能直接引起物质的电离和激发，但借助上述各种反应产生的一些带电产物的次级作用，中子通过物质时仍能间接地引起原子或分子的电离和激发，从而易于被探测。中子通过物质后，它的减弱规律可用下述关系式表示： N=N0 e-nd （1-6）式中N为透过吸收介质后的中子数目，N0为入射中子的数目，n为吸收介质单位体积内原子核的数目,d为介质的厚度，为介质的有效截面。有效截面表示中子被介质散射和俘获的概率。我们可以把它想象为一个以原子核为中心的圆形靶子，其面积为,因此每当中子进入靶区时，就会发生给定的相互作用，靶愈大，则发生反应的概率就愈大。有效截面曾用单位是“靶恩”，符号为b， B=10-24CM2它并不表示面积，而是反映一种过程的概率。1.3 放射性测量中的一些常用单位 放射性测量工作中应用的单位很多，由于多种原因，单位的定义变化较大。以下仅就放射性测量工作中常用的单位做一简要介绍。 一、法定计量单位 贝可（勒尔）它是放射性活度的单位。放射性核素每秒钟衰变一次为1贝可勒尔，简称贝可，符号是Bq。 库仑每千克 ：它是射线或X射线的照射量单位。照射量X定义是 X=dQ/dm式中dQ为当光子在质量为dm的空气中释放出来的全部电子被完全阻止于空气中时，在空气中所形成的任一种符号的离子总电荷的绝对值。符号为C/kg。戈（瑞）它是吸收剂量的单位。吸收剂量D是对介质在辐射场中吸收辐射能量的度量，即 D=dE/dm式中dE为辐射授予物质的平均能量,dm 为物质的质量。戈瑞简称戈，符号为 Gy。显然，若平均能量为 1焦耳,入该物质质量为1干克（kg），则 1G y= 1J /kg式中J为焦耳。希（沃特）它是剂量当量的单位。剂量当量H是辐射防护上采取的物理量，用以衡量辐射对人体产生效应的情况， H=DQN式中：D是吸收剂量力是品质因数，N是修正因子。剂量当量的单位称为希，符号为Sv 1Sv=1J/kg第二章:仪器所对应方法本仪器主要由抽气泵和测量操作台两部份组成，抽泵除了完成抽取地下气体完成脱气任务外，还将起到贮存收集氡子体的功能。当氡射气经干燥器被抽入简内后，随即开衰变，并产生新的子体一RaA，它在初始形成的瞬间是为带正电的离子，本仪器就是利用它的带电特性，采用加电场的方式对它进行收集，使RaA离子在电场作用下被浓集在带负高压的金属收集片上，在经一段时间加电收集后，取出金属片放入到操作台探测器内测量RaA的放射性，其强度将与新浓度成正比，按下式即可直接计算氡浓度：CRnJNRaA 式中：CRn一氡浓度（爱曼） NRaA一RaA的计数 J一换算系数（爱曼脉冲）， 由标定确定，此系数包括了装置的子体收集效率和探测器效率等因素。第三章：传感器原理与参数3.1概述一台完整的核辐射仪器，可分为两部分，一是将入射射线的能量转换成电信号或其它易测信号的转换器，即传感器或称为换能器；另一是测量电路或称为仪器，它把核辐射传感器给出的信号予以放大、处理和记录，给人们提供入射线的某些特征，如强度、能量、位置、种类等。用于测定核辐射射线的种类、能量及强度的传感器，称为核辐射探测器。 人们根据不同的要求和探测的对象，制成了多种不同类型的探测器，常见的核辐射探测器按其工作原理可分为以下几种：一、 气体探测器 它是根据带电粒子通过气体时，引起气体的电离来探测辐射粒子的。早期该种探测器曾广泛应用，它的优点是制备简单，性能可靠，成本低廉，使用方便，因而至今仍在应用。随着探测器技术不断发展，在高能物理和重粒子物理实验中它已获得新的应用。二、 闪烁探测器它是根据射线与物质相互作用产生荧光现象，来探测射线粒子的。它比气体探测器高多的探测效率而被广泛使用，在不少仪器中已取代了气体探测器。三、 半导体探测器这是六十年代以来迅速发展起来的一种新型探测器。主要优点是：能量分辨率高。线型范围广，体积小。是今年来发展极为迅速的一种核辐射探测器件。用于核辐射测量的还有原子乳胶，固体径迹探测器；威尔逊（wilson）云室和气泡室火花放电室；多能正比室切伦科夫（uepeHKOB）计数器；热释光探测器等。探测器的工作原理可归纳为：1、 利用射线与物质作用时产生的荧光现象；2、 利用射线通过物质时产生的电离作用；3、 利用射线对某些物质的核反应；4、 利用射线与物质作用时产生辐射损伤；5、 利用射线与物质作用时产生的化学反应或热效应。运用上述某种效应，直接或间接对射线进行探测和解释。本节将讨论前面三种类型的探测器。3.2半导体探测器半导体探测器是六十年代以来发展起来的一种探测器，其探测介质是半导体材料。它的主要优点是：能量分辨率高：例如金硅面垒型探测器对Am241的5.486MeV的射线的半宽度（FWHM）可达10.8KeV。锗锂漂移型探测器对Co60的1.332MeV的射线全能峰的半宽度（FWHM）可达1.3KeV。硅锂漂移型探测器对Fe55的X射线峰的半宽度（FWHM）可达150eV。 线性范围宽：在很大的能量范围内，探测器输出脉冲幅度与被测射线的能量精确地成正比，如锗锂漂移型探测器在300KeV1.3MeV范围内线性偏离小于0.2KeV。 对于金硅面垒型或PN结型探测器还有两个优点：一是输出脉冲上升时间快，可达毫微秒数量级；二是体积小，可以做成小型探测器。由于上述优点，半导体探测器得到了越来越广泛的应用。例如在能谱测量方面，除了对能量分辨率特别高和待测源的面积特别大等少数情况外，金硅面垒型探测器几乎完全取代了磁谱仪和屏蔽电离室。半导体探测器在铀矿普查勘探中同样得到了广泛的应用。半导体探测器的主要缺点是受强辐射照射后性能会变差，并且输出脉冲幅度变小，性能受温度影响较大等。半导体探测器本身无放大作用，故其后应接低噪声高增益的电荷灵敏放大器。本节主要讨论金硅面垒型探测器和锂漂移型探测器，对几种主要的新型探测器也作些介绍。3.2.1 半导体探测器的基本原理半导体探测器的工作原理和电离室相似，现以PN结型半导体探测器为例加以说明：PN结型探测器是指P型半导体是指P型半导体直接接触所构成的元件，因为N型的多数载流子是电子，P型的多数载流子是空穴，在两者的接触面附近由于多数载流子相互扩散到对方变成少数载流子被复合，因而使这个区域里载流子很少（消耗尽了），所以在接触面上形成耗尽层。耗尽层上形成的内电场，对多数载流子起阻碍作用，所以此层又称阻挡层，这个区域就是半导体探测区的灵敏区。灵敏区内载流子很少，电阻很高，所以当探测器加上反向电压（P型区一侧加负压，N型区一侧正压）时，电压几乎加在耗尽区上，在耗尽区形成一个非常强的电场，但几乎没有电流流过，反向电压越高，耗尽区越厚。当带电粒子射入耗尽区后在与耗尽区的物质电子相互作用很快损失能量。带电粒子所消耗的能量，将使耗尽区物质的电子由满带跳到导带上去，在满带中留下了空穴，即形成了导电的电子-空穴对，如下图所示。在电场的作用下，电子和空穴分别向两极漂移，于是在输出电路形成电脉冲信号，当电场足够强时，电子和空穴在灵敏区的复合可以忽略。这时输出的电信号脉冲幅度与带电粒子在耗尽区的能量成正比。所以通过测量电信号脉冲幅度就可以测量带电粒子的能量。与气体中产生离子对的情况相似，在半导体中射线产生一对电子-空穴对所消耗的平均能量是一个常数，称为“平均电离能”，用W表示，对于常用的半导体材料，如Si和Ge等，其W和射线的性质、能量无关。所以半导体探测器具有很好的能量-脉冲幅度的线性关系。但W和温度有较大的关系。对于硅，在3000K时，W=2.62eV， 770K时 W=3.76eV；对于锗，在770K时 W=2.96eV，而在气体中产生一对离子对约需30 eV。可见同样能量的带电粒子在半导体中产生的电子-空穴对数要比在气体中产生的电子-空穴对数高一个数量级。因此半导体探测器输出的电荷量要比气体输出的电荷量在大得多。能量分辨率也相应高得多。3.2.2 半导体探测器的构造及类型制造半导体探测器所使用的材料大多是硅和锗。但不是所有的半导体材料都能做半导体探测器，它必须满足以下三个条件： 射线在半导体材料中，产生电子-空穴对所需的能量越小越好。为了在外电路中形成信号，当加上电压以后，电子-空穴必须很容易穿过半导体材料，这就要求电子-空穴的迁移率要高，复合可以忽略，以保证电子空穴到达电极之前不致于损失掉。为了保证电荷的收集，需要加一个足够小的电场（约为1000V/cm）。在电场的作用下，漏电流必须足够小才能使信号的测量不受影响。实际上，半导体探测器中必须有一个耗尽区，而且在加上电压的情况下，接触电极不对耗尽区注入电子或空穴。从结构上说，根据形成耗尽区的方法不同，常用的半导体探测器有以下三种：1扩散型半导体探测器这是将一种类型的杂质扩散到另一种相反类型的半导体中所形成的PN结。通常是在高电阻率、长寿命的P型硅上扩散一层施主杂质，例如磷元素。从而在表面上形成很高浓度的N+层，在P型硅和N型硅交界处就得到了PN结，即为探测器的灵敏区。2面垒型半导体探测器面垒型半导体探测器是在经过适当处理的N型硅单晶片表面上蒸发一层金，然后在空气中放置一段时间，空气中的氧穿过金层渗入硅中，可以形成反型层（即在N型硅上形成一层P型硅），从而在表面附近形成结区（耗尽区）。与扩散型的PN结相同，它的结区也有一定的电场分布和势垒，所以叫势垒区，这也就是探测器的灵敏区。目前，我国大量使用的就是金硅面垒型半导体探测器。3锂漂移型探测器金硅面垒型半导体探测器在探测粒子方面取得了很大的的成功，但将它用来探测射线特别是射线时其灵敏区就嫌太薄了，例如1MeV的电子在硅中的射程大约为2mm，而一般金硅面垒型半导体探测器的灵敏区都在1 mm以下。为了能探测射线或射线，就要增加灵敏区的厚度。一种方法是增加反向电压，但这是很有限的，因为随着反向电压的增加，反向电流也增加，使能量分辩率变差，甚至耗尽区被击穿。另一种办法是使用高电阻率的材料。本征半导体电阻率最大，但从工艺上看，制造高纯度半导体材料比较困难，可以用补偿的办法（即所谓锂离子漂移的方法）得到高电阻率的硅和锗，其原理是用锂做施主杂质，来补偿P型半导体中的受主，得到的虽然不是本征半导体，但可获得电阻率很高的材料。制作过程是将迁移率很高的锂离子，扩散到P型锗中，并加上反向电压并加高温，使锂离子进一步漂移到锗材料内部，经过一段时间，将会在很宽的范围内。施主和受主达到平衡。当温度降低后，这个本征区在锗晶体中被保留下来，成为PIN型半导体探测器的灵敏区。其有效厚度可超过10mm。它的特点是当加上足够大的反向电压工作时，其灵敏区扩展到I区，能够有效地探测高能射线，而且能量分辨率良好。本仪器对放射性的测量是采用金硅面垒型半导体探测器，半导体探测器的工作原理和电离室相似，现以PN结型半导体探测器为例加以说明：PN结型探测器是指P型半导体是指P型半导体直接接触所构成的元件，因为N型的多数载流子是电子，P型的多数载流子是空穴，在两者的接触面附近由于多数载流子相互扩散到对方变成少数载流子被复合，因而使这个区域里载流子很少（消耗尽了），所以在接触面上形成耗尽层。耗尽层上形成的内电场，对多数载流子起阻碍作用，所以此层又称阻挡层，这个区域就是半导体探测区的灵敏区。灵敏区内载流子很少，电阻很高，所以当探测器加上反向电压（P型区一侧加负压，N型区一侧正压）时，电压几乎加在耗尽区上，在耗尽区形成一个非常强的电场，但几乎没有电流流过，反向电压越高，耗尽区越厚。当带电粒子射入耗尽区后在与耗尽区的物质电子相互作用很快损失能量。带电粒子所消耗的能量，将使耗尽区物质的电子由满带跳到导带上去，在满带中留下了空穴，即形成了导电的电子-空穴对，如下图所示。在电场的作用下，电子和空穴分别向两极漂移，于是在输出电路形成电脉冲信号，当电场足够强时，电子和空穴在灵敏区的复合可以忽略。这时输出的电信号脉冲幅度与带电粒子在耗尽区的能量成正比。所以通过测量电信号脉冲幅度就可以测量带电粒子的能量。金硅面垒型或PN结型探测器还有两个优点：一是输出脉冲上升时间快，可达毫微秒数量级；二是体积小，可以做成小型探测器。3.2.3 参数：1. 金硅面垒型半导体探测器的输出信号及对前置放大器的要求。一般该种探测器的灵敏面积为 530mm，灵敏区厚度为50一500m，工作电压小于 300V，工作温度范围为一400C-+500C。2. 能量分辨率。金硅面垒型半导体探测器主要用来测量粒子的能谱，测量的精确度取决于谱仪的分辨率和线性。3. 电荷收集和时间特征。在金硅面垒型探测器的耗尽区内，电场强度是不均匀的，入射粒子在其中产生电子一空穴对的地点又不固定，因而对输出电流脉冲信号形状的计算很复杂。4. 辐射损伤。半导体探测器受强辐射照射一段时间后性能逐渐变坏，以至根本不能使用。这种探测器的抗辐照的能力远不如气体电离室。实验研究得出，面垒型和扩散型探测器所受到的快中子注量大于1011cm-2时，能量分辨率开始变坏；达到 1013cm-2时，分辨率只有原来的几分之一。第四章：电路原理与方框图核辐射仪器的电子学线路主要有前置电路，放大电路，脉冲幅度甄别器或脉冲幅度分析器，脉冲记录或数字记录、处理和显示电路，以及有关辅助电路和电源等部分构成。它的工作过程是：当辐射射入核辐射探测器，与其作用后转换成电脉冲信号，该信号首先传入与探测器紧密连接的前置电路进行适当处理和放大，经放大后的电脉冲信号可远距离传送。信号通过电缆传送到仪器的主体部分，被再次放大，以保持其后放路正常工作。图3.1 与核辐射探测器连接在一起工作的基本电路框图(a）辐射总量测量仪器；(b）能谱测量仪器；(c）微机化仪器。半导体探测器的连接电路：半导体探测器输出信号的电量Q与入射粒子能量成正比，测量它的大小并经能量刻度即可帮助了解入射射线的能量及其它情况。和半导体探测器连接的电路有以下一些主要特点：1.半导体探测器连接的前置电路不再是通常的电压灵敏放大器，而是电荷灵敏放大器；2.由于半导体探测器无放大作用，输出信号幅度小，前置电路必须是低噪声的。半导体探测器的电荷收集时间很短，约0.1S，可认为是一种持续时间极短的电流冲击脉冲。金硅面半导体探测器布电容之和，一般在30一300pF之间，主要与所加偏压、探测器面积和半导体材料有关，分布电容一般只有几pF。通过查找相关资料得知:在50V偏压状况下，直径20mm的金硅面半导体探测器的结电容约2oopF。本电路主要是为设计氡析出率定值装置的电荷灵敏前置放大器开展的前期仿真，由于仪器探测的氡子体a粒子能量范围在5-8MeV之间，且需区分的粒子能量相差较大，因而对电荷灵敏前置放大器的噪声、响应速度等指标要求较宽，对