（精密仪器及机械专业论文）基于PIN型光电二极管的γ射线探测系统研究.pdf

中北大学学位论文 基于p l n 型光电二极管的y 射线探测系统研究 摘要 本文主要研究用于核辐射检测的前置放大器，针对v 射线与物质相互作用的特点， 运用核电子学的理论解决电路中的噪声和干扰问题。 论文针对采用闪烁体和光电二极管耦合的探测器而设计一种对电荷灵敏的放大器， 这种探测器方案区别于传统的采用闪烁体与光电倍增管耦合的方式。在本篇论文中主要 研究以下内容： 1 ) 分析y 射线和物质相互作用的方式，借鉴国内外的先进技术，采用新型的探测 器件，制作高性能的探测器； 2 ) 分析闪烁体和光电二极管的工作方式和性能特点，运用光电技术和核电子学技 术对前置放大器进行设计： 3 ) 制造放大器电路板，安装调试； 4 ) 选择合理的试验检测方案，对探测器和前置放大器不断进行试验和完善。 论文中提出了几种设计方案进行选择，经分析和对比后，最终确定电流放大型设计 方案，设计出电路原理图，经过制板、元器件选择、焊接安装和初调，目前已在中国辐 射防护研究院y 标准实验室进行了初步的试验，试验结果证明了采用光电二极管和闪 烁体耦合的方式是可行的，虽然电路还存在一些噪声，但前置放大器是可以进一步完善 的。 关键词： 前置放大器 光电二极管闪烁体 中北大学学位论文 d e t e c t i o ns y s t e mr e s e a r c hb a s e do np i np h o t o d i o d eo ft h eg a m m ar a y li uk a n g z h e nz e n gg u a n g y u a b s t r a c t t h em a i nr e s e a r c ho ft h i sp a p e ri sa b o u tt h ep r ea m p l i f i e ru s e di nt h en u c l e a r r a d i a t i o ne x a m i n a t i o n ，inv i e wo fg a m m ar a y sc h a r a c t e r i s t i ca f f e c t i o no nt h e m a t t e r ，t h ee l e c t r i cc i r c u i t sn o i s ea n dd i s t u r b a n c ea r er e s t r a i n e db a s e do n t h en u c l e a re l e c t r o nt h e o r y i nt h i sp a p e ro n ek i n do fe l e c t r i cc h a r g ek e e na m p i i f i e ri sd e s i g n e dt om a t c h t h ed e t e c t o ra d o p t e dt h es c i n t i l l a t i o ne o u p l i n gt ot h ep h o t od i o d e ，w h jc hi s d i f f e r e n tf o r mt h et r a d i t i o n a lw a yo fu s i n gs c i n t i l l a t i o nc o u p l i n gt ot h e m u l t i p l i e rp h o t o t u b e t h em a i ns t u d i e so ft h i sp a p e ri sa sf o l l o w s 1 ) a f t e rt h er e s e a r c ho nt h ew a yt h a tg a m m ar a ya n dt h em a t t e ra f f e c t i n g m u t u a l l y ，h i g hp e r f o r m a n c ed e t e c t o ri sm a n u f a c t u r e d w i t ht h en e ws u r v e y c o m p o n e n t ： 2 ) b ya n a l y z i n gt h eo p e r a t i o nm o d eo fs c i n t i l l a t i o na n dt h ep h o t od i o d ea n d t h e i rc h a r a c t e r s ，t h ep r e a m p l i f i e ri sd e s i g n e db a s e do nt h ep h o t oe l e c t r i c i t y t e c h n o l o g ya n dt h en u c l e a re l e c t r o n i c st e c h n o l o g y 3 ) t h ee i r c u i tb o a r do ft h ep r ea m p l i f i e ri sm a n u f a c t u r e d ，a n dt h e i n s t a l l a t i o na n dd e b u g g i n ga r ef i n i s h e d ： 4 ) ar e a s o n a b l ee x p e r i m e n tp l a ni ss e l e c t e d ，a n dt h ep e r f o r m a n c eo ft h e d e t e c t o ra n dt h ep r e a m p l i f i e ri si m p r o v e d i nt h ep a p e r ，c o m p a r i n gs e v e r a lk i n d so fd e s i g np r o j e c t s ，t h ee l e c t r i c c u r r e u tc h a r g ee n l a r g ed e s i g nd e c i s i o ni sf i n a l l ys e l e c t e d ，t h ee l e c t r i cc i r c u i t s c h e m a t i cd i a g r a m ，a f t e rt h es y s t e mb o a r d ，t h ep r i m a r yd e v i c ec h o i c e ，t h ew e l d i n g i n s t a l l m e n ta n di n i t i a l l yd e b u g gin ga r ea c h i e v e da tp r e s e n tt h ee l e c t rjcc i r c u i t h a sb e e nc a r r ie do nt h ep r e i m i n a r ye x p e r i m e n tint h eg a m m as t a n d a r dl a b o r a t o r y 中北大学学位论文 o fc h i n ai n s t i t u t eo fr a d i a t i o na n dp r o t e c t i o ng a m m as t a n d a r dl a b o r a t o r y ， t h et e s tr e s u l tp r o v e st h a tt h ed e s i g nd e c i s i o na d o p t e di s f e a s i b l e a 1 t h o u g h s o m en o i s e si nt h ee l e c t rj cc i r c u i te x i s ty e t ，t h ed e f e c tc a r lb es e t t l e di n t h ef u t u r er e s e a r c h k e y w o r d ：p r ea m p l i f i e r ，p h o t od i o d e ，s c i n t i l f a t i o n 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在指导教师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含 其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人 承担。 论文作者签名：训托掘日期： 加6 弓孑。 关于学位论文使用权的说明 本人完全了解中北大学有关保管、使用学位论文的规定，其中包括： 学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可 以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文；学校可允许学 位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位 论文；学校可以公布学位论文的全部或部分内容( 保密学位论文在解密 后遵守此规定) 。 签名 导师签名 豳擅监 钨淖一 日期：坦：2 ：i ! 日期：鎏! 墨! 拿立里 中北大学学位论文 1 1 引言 1绪论 在核物理中，研究核辐射线和y 射线具有重要的意义。对射线粒子所携带的信息 进行测量和分析研究，有助于对原子核内部特征和规律进行研究，也有利于原子核科学 技术的应用。因此，用于探测此类射线的传感器及其电子学系统在核电子学中具有举足 轻重的地位。核电子学是核科学和电子学相结合的科学，它是一门用电子学方法获取和 处理核信息的学科。在上世纪3 0 年代初，当人们开始把电子技术引到核辐射测量中时， 就引起了探测技术的重大革新，到4 0 年代开始逐步形成了一套核电子学方法和技术。 核物理和粒子物理的深入研究以及核技术的广泛应用，对核电子学不断提出新的要求； 新的探测方法的出现又有力推动着核电子学的发展。 随着科学技术的发展，各种新型高性能的传感器件不断问世。核物理也在不断借助 这些新的探测器件和新的探测方法完善自身的发展。无论是传统的还是现代的探测方法 都需要对核辐射信号进行放大和处理，涉及到核辐射与电子系统的相互作用和影响。核 电子学的核心部分是核辐射测量和分析的电子技术，利用原子核物理的有关试验方法对 核辐射进行探测和研究，使核技术服务和应用于国民经济的各个领域，是核电子学系统 理论研究的一项重要的任务。 1 2 核辐射探测器的发展概述“1 ” 核辐射探测器发展到今天，目前种类繁多，在诸多领域得到广泛应用。就其探测介 质进行分类，可分为气体探测器、闪烁探测器、半导体探测器和其它探测器等。各种 类型的探、狈4 器在核物理的发展过程中做出了不同的贡献，有力的推动着核物理向前发 展，这些探测器直到今天仍然广泛应用于核物理实验。下面简单介绍这几种类型探测器 的发展概况。 中北大学学位论文 1 2 1 气体探测器 电离室、正比计数器和盖革一弥勒( g m ) 计数器统称为气体探测器，它们均以气体 为探测介质，在结构上也有相似之处，只是工作条件不同使性能有差别而适用于不同的 场合，在设计上也有各自的要求，但可以认为是同一种类型。在核物理发展的早期，它 们曾经是应用最，。的探测器。气体探测器以其特有的优点如制备简单、性能可靠、成本 低廉、使用方便等，至今仍被广泛应用。 原子由于失去电子或获得电子面成为离子的过程称为电离。电离的发生要通过能量 转移来实现。气体探测器是通过收集粒子在气体中产生的电离电荷来探测辐射强度的。 在强度恒定的辐射条件下，气体收集到的离子偶数目n ( 或电压脉冲幅度，或电离电流 强度) 与工作电压v 有关，如图1 1 所示。 图1 1 离子收集的电压电流曲线 曲线分为五段，在i 段中，电子与正离子的复合随电压的上升而迅速减小，n 也随 之迅速增加；电压再升高，复合逐渐消失，曲线到达i i 段，n 趋向饱和，i i 段称为饱和 区。该区内，既没有离子的复合，也没有离子的增殖，从而电极收集到的全部原电离( 初 电离和次电离的合称) 的粒子偶( 电子正离子) 数目n o 。图中的曲线的标记对应于a 和b 射线。电离室就工作在这一段饱和区。进入第1 l i 段，电压更高，电场更强， 电离电子将会引起次电离，发生离子增殖，收集极收集到的离子数目n 大于原离子偶 2 中北大学学位论文 的数目n o ，也就是说这段过程发生了放大。n 与n 0 之比值称为放大倍数m ，m 的大小 约1 0 1 0 4 ，在这段中，如果电压固定于某个值，则气体的放大倍数就不变，即n 与 n 0 成正比，正比计数器就工作在这个区域。第段，因为电压继续升高，空问离子变 密集，从而形成一定的电场抵消外加电场，气体的放大倍数m 相对变小，称为空间电 荷效应，n 与n o 之间不再有正比关系，两条曲线趋于合一，因而这段区域称为有限正 比区。第v 段，气体放大显著，m 1 0 5 ，雪崩式的离子增殖发展为自发放电，离子偶 数目到达极限值，盖革一弥勒计数器就工作在这个区域。 1 2 2 闪烁体探测器 核辐射与某些透明物质相互作用，会使其电离、激发而发射荧光，闪烁体就是利用 这一特性而工作的。闪烁计数器是利用射线引起闪烁体的发光特性而进行记录的辐射探 测器。 利用荧光物质的发光现象来记录核辐射很早以前就已经应用。历史上，原子核的发 现也是利用了闪烁体探测器：1 9 1 1 年著名的n 大角散射实验，导致了卢瑟福的原子核 式结构模型的建立。当时的a 探测器是通过显微镜用肉跟直接观察a 粒子引起硫化锌 荧光屏上微弱闪光的装置。到4 0 年代中期，第一次将闪烁体配以光电倍增管，以后又 发展了相应的电子学分析记录仪器，现代的闪烁体探测器才获得了广泛的应用。经过几 十年来的不断进步，今天的闪烁探测器已是各种类型的闪烁体与多样的光探测器件的组 合，适应不同的应用领域和物理目标，已成为相当完善的一种探测技术。 闪烁体按其化学性质可分为两大类：无机闪烁体和有机闪烁体，无机闪烁体大都是 一些固体的无机晶体，如氧化晶体、氟化晶体、碘化晶体等，有快发光的特点或发光成 分中有快发光的过程，例如b a f 2 ，c s f ，n a i ，c s l 2 等。而有的闪烁晶体则是有意识的 加入金属或稀土杂质，如n a i c n ) ，c s i ( t 1 ) ，c a f 2 ( e u ) ，z n ( a g ) 等，这是一种特殊的复合 发光晶体，以杂质离子为发光中心，发光衰减时间较慢，但发光较强。还有一些大比重 的闪烁晶体：如b g o ，g e f 3 和近年新发展起来的p b w 0 4 ，l s o ( g e ) ，l u a p ( g e ) 等。这 些闪烁晶体密度大，对粒子有高的阻止能力，非常适于高能探测器的小型化。有机l n 烁 体包括三种：有机品体、有机闪烁液体和塑料i 刈烁体，有机闪烁体主要是一些芳香族的 中北大学学位论文 化合物，如萘、葸、二苯基多烯烃类、对寡次苯基体系以及多晶磷光体，它们受激发射 的荧光波长在3 5 0 5 0 0 h m 之间，发光衰减时间短，约( 3 5 ) 1 0 一s 。有机闪烁晶体不 易生产大的尺寸，有机闪烁体的大量运用在液体闪烁体和塑料闪烁体出现之后。由液体 溶剂配制溶质( 有机闪烁体) 构成了液体闪烁体。由固体溶剂配制溶质构成了塑料闪烁 体。 一般的闪烁计数器由闪烁体、光电倍增器和电子仪器等单元组成，其组成示意图如 图1 2 所示。 图1 2 闪烁探测器组成示意图 电子仪器的具体组成视具体用途而定，如电源、放大器、分析器、定标器等，闪烁体可 以是有机物或无机物，也可以是固体、气体或液体，对低能x 射线和极紫外光可以选 用无机盐晶体，如c s i ( 1 1 ) 晶体。事实上，在许多情况下，不用闪烁体，而单独使用紫 外光电倍增器也能很好的测量紫外光和软x 射线1 2 ，1 3 ，3 。 闪烁探测器在核物理实验、粒子天文物理、核医学、地质探测和工业成像中的应用 十分广泛。是近代高能物理实验中十分重要的角色，可以应用到粒子触发、位置测量、 飞行时间测量和能量测量等多方面。 1 2 3 半导体探测器 半导体探测器是用半导体材料制成的将射线能量转换成电信号的射线探测仪器。 它实质上是在一块半导体材料上设置一个阴极( 高掺杂p + 层) 和一个阳极( 高掺杂的 n + 层) 构成较大体积的晶体二极管( 约0 0 1 2 0 0 c m 3 ) 。入射粒子进入半导体探测器后， 产生电子空穴对，这些电子空穴对被探测器两电极问的电场分丌，并分别被两电极收 集，产生同射线沉积的能量成正比的输出脉冲信号。 中北大学学位论文 在半导体( 掺杂的若是硅和锗) 中产生一个电子一空穴对所需能量大约为3 e v ，因 此半导体探测器的能量分辨率要比气体电离探测器和闪烁计数器好得多。带电粒子在半 导体中形成的电离密度要比在个大气压的气体中形成的高，大约为三个量级，所以当 测高能电子或y 射线时半导体探测器的尺寸要比气体探测器小得多，因而可以制成高 空间分辨和快时间响应的探测器。测量电离辐射的能量时，线性范围宽。其缺点是对辐 射损伤较灵敏，受强辐照后性能变差。常用的锗探测器，需要在低温( 液氮) 的条件下 工作，甚至要求在低温下保存，使用不便。 半导体探测器广泛地应用于各个领域的射线能谱测量。近年来又受到高能物理工作 者的重视，高位置分辨率的粒子径迹探测器方面已经有了突破性的进展。 1 2 4 其它探测器 较常用的几种探测器有：径迹探测器、切伦科夫计数器、多丝正比室及热释光剂量 探测元件。其中径迹探测器包括核乳胶、固体径迹探测器、云雾室、气泡室、火花室等。 它们都是通过直接记录粒子走过的径迹图像的探测器。根据径迹的粗细、稀密、长度、 径迹弯曲程度和径迹的数量分布等，获得粒子各种信息。 1 3 本文的主要工作目标 核辐射探测器近年来发展迅速，小型化的个人剂量仪器已经普遍应用于各种辐射场 所，但国内在该领域的研究和开发相对滞后，在核电站、核矿山等辐射环境下采用的个 人剂量仪器一般依赖于国外进口。 剂量仪器的小型化、标准化和可靠性，是对辐射安全防护研究的重点，开展对采用 c s i 闪烁晶体和p i n 硅光电二极管耦合作为y 射线的接收探头的技术研究，论证该技 术的可行性，对开发辐射测量仪器进行前期的准备和预研工作，是本课题的重点。 本论文的主要工作目标：设计一种可与$ 3 5 9 0 型p i n 光电二极管相配合的前置放大 器，使其具有良好的灵敏度，同时尽量减小其体积和重量。可用于核辐射现场的测量， 满足以后开发相关探测系统的需要。进行p i n 型电荷灵敏放大器的原理电路设计、制板 和探头的制作，在v 实验室进行现场调试，并对所设计电路定型。 中北大学学位论文 在研制的过程中，我们将主要以滨松公司( h a m a m a t s u ) 生产的h 4 0 8 3 。1 型电荷灵敏 放大器( 如图1 3 所示) 的性能参数作为主要参考，这种电荷放大器可以作为$ 3 5 9 0 型光电二极管的专用前置放大器，其输入级采用了低噪声的f e t 场效应管，输入输出为 反极性，放大方式为电荷放大，电荷增益2 2 m v m e v ，噪声为5 5 0 e f w t l m ，功耗1 5 0 m w ， 输入电压1 2 v 。 图l - 3h 4 0 8 3 电荷放大器的实物图 中北大学学位论文 2 射线辐射检测的基本原理 2 1 电离辐射及其分类 原子由于失去电子或获得电子而成为离子的过程称为电离。电离的发生主要通过能 量转移来实现。当带电粒子在物质中的核外电子旁通过时，由于静电相互作用，把能量 转移给核外电子。当带电粒子在物质中的核外电子脱离核对它的束缚而称为自由电子， 被电离的原子则成为带正电荷的离子。相反情况，如果一个中性原子获得一个电子则成 为带负电的离子。如果带电粒子转移给核外电子的能量不足以使电子摆脱原子核的束 缚，则电子可以从原来的运动轨迹跃迁到能量较高的轨道上，使整个原子处于能量较高 的状态，即激发态。处于激发态的原子能量是不稳定的，它可将多余的能量以发射光子 ( x 射线) 的形式释放回到原来的状态。 能够通过初级或次级过程引起电离事件的带电粒子或( 和) 不带电粒子总称为电离 辐射，有时也简称为辐射。电离辐辐射一般又可分为直接电离辐射和间接电离辐射。具 有足够动能、碰撞时能引起电离的带电粒子，如正电子、负电子、质子、n 粒子、重 离子等，称为直接电离粒子。由直接电离粒子组成的辐射称为直接电离辐射。与物质相 互作用，能产生直接电离粒子的中性粒子，如中子、光子( y 射线和x 射线) 等，称 为间接电离辐射。 2 2 电离辐射场与辐射场量 2 2 1 电离辐射场“1 电离辐射源如电子加速器、放射源等会向周围发射电离辐射粒子，形成一个粒子场 称为辐射场。在辐射源周围感兴趣的某一点上的辐射场一般用这点的粒子注量来描述。 除此之外，辐射粒子的能量、空问分布和方向特性也是辐射场的重要特性。 2 2 2 辐射场量“”_ ” ”3 ( 1 ) 粒子注量西 中北大学学位论文 粒子注量中：d n d a 。这里d n 是入射到截面为d 口的球体内的粒子数。截面d 口必 须垂直于入射方向，采用小球体定义，使得各个入射方向的粒子都能满足要求；粒子注 量的单位是m _ 2 ；某粒子能量具有谱分布，应对所有能量的粒子积分才能得到总的粒子 注量： 中：广塑鲤把( 2 1 ) ( 2 ) 粒子注量率妒 粒子注量率就是单位时间内进入单位截面积球体内的粒子数。定义为：注量率妒： 驴= d m l d t = d2 n ( d a d t ) 。其中d 巾是时间间隔d t 内粒子注量的增量。 注量率的单位：m _ 2 s 。 ( 3 ) 能注量l i ， 能注量l i ，是指进入单位截面积小球体内的所有粒子能量( 不包括静止能量) = d r d a 式中，d r 入射到截面积为d 。的球体中的辐射能。 能注量的单位：j m - 2 ，常用单位：m e v c r n 2 。 ( 4 ) 能注量率妒 能注量率妒是用来描述单位时间内，进入单位截面积球体内的粒子所具有动能总和 的一个辐射量。 妒= d a p d t = d2 r ( d a d t ) 能注量率的单位：w m 。或写成j m 1 。s 一。 粒子注量核能注量之间的关系： 对于单能( 如能量为e ) 的粒子辐射场有 掣：d p e( 2 2 ) 如果粒子能量是按谱分布的，则整个谱积分可到其能量注量： 掣= r 肿。d e ( 2 3 ) 中北大学学位论文 式中，中。具有能量为e + d e 的粒子注量分布。 也可以得到能注量率与粒子注量率的关系： 妒= 啦 ( 单能辐射场)( 2 。4 ) 妒= f o = e 自v e 扭 ( 粒子能量按谱分布)( 2 5 ) 2 3 剂量学的量和单位。_ 6 1 剂量学的量通常是可直接测量的。这些量为有关的真实效应或潜在效应提供了一种 物理学上的量度。作为基础知识，这里仅介绍吸收剂量、照射量和比释动能以及它们之 间的关系。 2 3 1 吸收剂量和吸收剂量率 ( 1 ) 吸收剂量 吸收剂量是剂量学中和辐射防护领域中一个非常重要的量。它适用于任何类型的 电离辐射、任何被辐射照射的物质，适用于内、外照射。 授予单位质量物质( 或被单位物质吸收) 的任何致电离辐射的平均能量，叫做吸收 剂量。吸收剂量的严格定义：任何电离辐射授予质量为d m 的物质的平均能量d e 除以 d m ，即 d = d e d m 吸收剂量的s i 制专门名称是戈瑞，符号为g y 。 过去曾用过的专门单位为拉德( r a d ) ，1 g y = tj k 菩1 = 1 0 0r a d 。 ( 2 ) 吸收剂量率 吸收剂量率就是单位时间内的吸收剂量。定义为：吸收剂量率d 是d d 除以d r 的 商，即： d ：d d ，d 式中，d d 在时间间隔d f 内吸收剂量的增量。 吸收剂量率的单位：1j k g 一1 s = 1g y s 。 中北大学学位论文 曾用单位：1r a d s = 1 0 一j k g s 。 2 3 2 照射量和照射量率 ( 1 ) 照射量 照射量是表示x 或y 射线在空气中产生电离能力大小的物理量。 定义：辐照量是单位质量的一个空气体积之中，光子释放的所有电子在空气中全部 被阻止时，所产生的一种符号的所有离子电荷的总和，单位为伦琴。比较严格的定义： 照射量z 是d q 除以d m 所得的商，即 x = d q d m 式中，d q 光子在质量为d m 的空气中释放出来的全部电子( 负电子和正电子) 完 全被空气所阻止时，在空气中产生任一种符号的离子总电荷的绝对值。 照射量的单位：c k g ，无专名。 照射量的曾用单位：伦琴，符号r 。1r = 2 5 8 x 1 0 1c k g 一。 照射率j 是单位时间内的照射量，或者说d x 除以d f 所得的商，即 j ；d x d t 式中，d x 是在时间间隔d f 内照射量x 的增量。 照射率的单位：c k g s 一。曾用单位：r s 。1 或r h 。 2 3 3 比释动能和比释动能率 ( 1 ) 比释动能 比释动能是一个很重要的物理量。它描述不带电致电离粒子与物质相互作用时， 把多少能量传给了带电粒子。也称作“k e r m a ”，它是“k i n e t i ce n e r g yr e l e a s e di n m a t e r i a l ”的缩写，所以比释动能是用来量度不带电致电粒子与物质相互作用时，在单 位质量的物质中释放出来的带电粒子初始动能总和的一个宏观物理量。 比释动能k 为d e 打除以d m 所得的商，即 中北大学学位论文 k = d e i r 旭m 式中：d e 加不带电致电离粒子在特定物质的体积元内，释放出来的所有带电 粒子的初始动能的总和； d m 所考虑的体积元内物质的质量。 比释动能的大小，须指明介质和所研究点的位置，因为不同介质a f r p 不同。 比释动能k 的单位j k 矿1 ，专名是戈瑞，符号为g y 。1g y = lj k g 。过去曾用过的专 用单位是拉德( r a d ) ，1r a d = 1 0 g y 。 比释动能率及其单位 比释动能率用符号霞表示。霞是d k 除以d f 所得的商： 霞；d k d t 式中，d k 在时间问隔d f 内比释动能k 的增量。 比释动能率霞的单位：j k g s ，lg y = 1j k g 一s 。 2 4y 和x 射线与物质的相互作用。t 2 5 ”1 v 辐射是一种高能电磁波，波长很短( i 0 ”1 0 1 1 c m ) 。它是从原子核内发射出来的。 x 辐射同y 辐射一样，也是一种电磁波，但x 辐射是产生于原子核外部的辐射。 与带电粒子不同，y 光子( 或x 光) 不能直接使靶物质原子电离或激发，或者与 靶原子核发生碰撞导致弹性碰撞能量损失或辐射损失，因而不能象带电粒子那样用阻止 本领d e l d x 和射程来描述光子在物质中的行为。带电粒子主要是通过连续地与物质原子 的核外电子的许多次非弹性碰撞损失能量的，每一次碰撞中损失的能量是很小的( 小能 量转移碰撞) 。而y 光予与物质原子相互作用时，发生一次相互作用就导致损失其大部 或全部能量( 大能量转移) ，光子不是完全消失就是大角度散射。它与物质相互作用主 要有三种方式，即光电效应、康普顿效应和电子对效应。同位素放射源产生的v 和x 辐射，其能量一般在k e y m e v 范围。这种能量的光子与物质相互作用时产生光电效应、 康普顿效应和电子对生成。这三种过程都产生电子。如果新产生的电子能量足够高，也 可进行次级电离。 中北大学学位论文 2 4 1 光电效应 y 光子与靶物质原子的束缚电子作用时，光子把全部能量转移给某个束缚电子， 使之发射出去，而光子本身消失掉，这种过程称光电效应。光电效应发射出来的电子 叫光电子。其过程如图2 i 所示。 设一个光子和原子碰撞时，它可能将其所有的能量e 。转移给某一壳层电子，使电 子脱离原子而光子本身则消失。脱离原子的光电子获得的动能e 。，则有 e = 1 l v 一旦 ( 2 6 ) 式中：肋入射光子的能量； 口第f 层电子的结合能。 光电效应截面盯。与吸收物质的原子序数z 有着强烈的依赖关系： 盯o cz 5 光电效应使内壳层电子发射而产生的空穴将由外层电子填充。在外层电子向内层电 子的跃迁过程中，发射特征x 射线。在e 。能量达到原子相应壳层取、e l ，e 。能级 时，可发射强的特征x 射线，这正是x 射线荧光分析的基础。 娥黪熊 图2 1 光电效应示意图 2 4 2 康普顿效应 图2 2 康普顿效应示意图 康普顿效应是y 光子与原子的核外电子之间发生的非弹性碰撞过程。这一作用过 程中，入射光子的一部分能量转移给电子，使它脱离原子成为反冲电子，而光予的运动 中北大学学位论文 方向和能量发生变化，其过程如图2 2 所示。 v 和枷为入射光子的能量；0 为散射光 子与入射光子方向间的夹角；毋为反冲电子的反冲角。 康普顿效应与光电效应不同。光电效应中光子本身消失，能量完全转移给电子；康 普顿效应中光子只是损失掉一部分能量。光电效应发生在束缚得最紧的内层电子上；康 普顿效应总是发生在束缚得最松的外层电子上。虽然光予与束缚电子之间的康普敦散 射，严格地讲是一种非弹性碰撞过程。但外层电子的结合能是较小的，一般是电子伏数 量级，与入射y 光子的能量相比较，完全可以忽略，所以可以把外层电子看作是“自 由电子”。这样康普顿效应就可以认为是y 光子与处于静止状态的电子之间的弹性碰 撞。入射光子的能量和动量就由反冲电子和散射光子两者之间分配。 康普顿反冲电子的能量 占。= v 一 v 7 ( 2 7 ) 式中：矗y 入射光子的能量； 加散射光子的能量。 中等能量y 辐射与中等原子序数的物质原子作用，康普顿效应占主要地位。 2 4 4 电子对生成“1 具有足够能量的v 射线在经过原子核附近时，将其全部能量转变为正负电子对， 这一过程称为电子对生成，产生电子对所需的最小能量：e ，= 2 m 。c 2 = 1 0 2 2 m e v ，这里 m 。是电子的静止质量。生成的正电子与物质中的电子相互作用，转变成各为o 5 1 i m e v 的两个光子，这就是正负电子的湮灭辐射。 这三种效应对于吸收物质的原子序数z 和入射光子能量都有一定的依赖关系，因而 对于不同的吸收物质和能量区域，这三种效应的相对重要性是不同的。 ( 1 ) 对于低能y 射线和原子序数高的吸收物质，光电效应占优势。 ( 2 ) 对于中能y 射线和原子序数低的吸收物质，康普顿效应占优势。 ( 3 ) 对于高能y 射线和原子序数高的吸收物质，电子对效应占优势。 按光子能量和原子序数来表示的三种相互作用占优势的区域如图2 3 所示。 中北大学学位论文 3 0 z 2 d 1 0 2 4 5 吸收“ eu ( m e v ) 图2 3 按光子能量和原子序数来表 示的三种相互作用占优势的区域 y 射线通过物质时，与物质的原子一旦发生光电效应、康普顿效应和生成电子对， 原来能量为 v 的光子就消失，或散射后能量改变掉，并偏离原来的入射方向，即从原 来入射的y 束中移去。没有与物质发生相互作用的光子穿过吸收层，其能量保持不变。 y 射线穿过物质时，强度逐渐减弱，能量逐渐损失，并最终被物质吸收，因而没有射 程概念可言。y 射线通过物质时，其强度的减弱服从指数规律： 1 = i o e 一” ( 2 8 ) 这里，。和，分别为y 射线通过厚度为x 的物质前后的强度，而肛是物质的线性 减弱系数，其量纲是长度单位的倒数， 芦= p 砷+ 卢。+ p ( 2 9 ) 这里，p 坤、肛。、p ，分别为光电效应、康普顿效应和电子对生成的线性减弱系数。 2 5y 射线剂量测量 y 射线穿过空气媒质时，同空气的原子发生相互作用释放出电子，这些电子会导 致空气电离。从致电离本领的角度来描述y 射线在空气中辐射场性质的物理量称为照 射量，用x 表示。一个点状v 源在空间一点处造成的照射量率岩( 单位为c 姆s - 1 ) 中北大学学位论文 为 衰：a 矗r 2 式中；4 y 源的放射性活度，单位为b q ； r 测量点到源的距离，单位为m 6 y 放射性核素的照射量率常数，单位为c - m 2 k g 。 y 射线在空气中某点的照射量率( 单位为只s ) 为 ( 2 1 0 ) 膏：1 8 3 2 1 0 8 e ( f p ) n ( 2 1 1 ) 式中：e y 射线的能量，单位为m e v ； 每v 射线在测量点的注量率，单位为一2 s - l ： ( i p ) a y 射线在空气中的质能吸收系数，单位为m 2 k g 。 在研究y 射线的剂量时，另一个很重要的物理量是吸收剂量，通常用d 而表示。 在带电粒子平衡条件下，吸收剂量d ，。与照射量z 之间存在如下关系： d m ：8 7 3 x 1 0 3 ( i p ) m ( 口i p ) 口k ( 2 1 2 ) 式中，l i e n 口y 射线在物质中的质能吸收系数。 中北大学学位论文 3 探测器的性能与噪声分析基础 3 1 探测器的性能指标”1 8 ” 3 1 1 探测效率 它表示为探测器测到的粒子数于此时实际入射到探测器中的该粒子总数的比值。探 测效率与探测器的大小、几何形状、以及对入射粒子的灵敏度、能区有关。通常希望探 测器具有较高的探测效率。 3 1 2 输出幅度的大小 对不同探测器可分别计算出相应于单位能量e ( 设为i m e v ) 的入射粒子所产生的 电子电荷数犯，平均电离能为w ，a 为探测器放大倍数，若给定收集输出电容为l o p f ， 则可以由式( 3 1 ) 来估算输出电压。 一 v = 厅e c = a - e e w c( 3 1 ) 3 1 3 分辨率 表示探测器实际分辨核信息的能力，主要有能量分辨率、时间分辨率、空间分辨率 ( 或位置分辨率) ，它们分别给出识别两个相邻的能量、时间、位置之间最小差值的能 力。对于能量分辨，通常就定义为对于某一给定的能量值，探测器能分辨二个相邻能量 之间的最小相对差值的量度。由于探测过程的统计涨落，对于单一核辐射能量，探测器 输出得到计数率与能量的关系不是一条直线，而是一个分布曲线，常用所测曲线的半高 全宽( 指曲线上最大值一半处的宽度，记为f w h m ) 和十分之一高全宽( 指曲线最大值 十分之一处的宽度，记为f w t m ) 来表示分辨率的特性。图3 1 给出了核辐射测量时常 见的概率分布曲线。 中北大学学位论文 n n o 图3 1 核辐射测量常见的概率分布曲线 在测量数日足够大时，该几率分布可由泊松分布过度到高斯分布，n 可代表能量、 幅度、电子电荷数、时间等的实测值，它是围绕平均值n 做统计涨落的高斯型概率密 度函数，记为叩( ) ，数学表达式为： 叩( 一篝” ( 3 2 ) 其中 1 7 。为标志涨落的标准偏差p 即当n = n 。盯。时，叩= 0 6 1 。若以f w h m 来衡 量，因叩= 0 5 可以算出f w = 2 3 6 a ，而对f w t m 因r = 0 1 ，可得f w t m = 4 2 9 t 7 。 为了区分不同n 。值( 也可以是能量、幅度值或时间量) 的相对分辨能力，常定义探测 器固有分辨率为 r d = 竿x 1 0 0 = 2 3 6 铲o n 1 0 0 ( 3 3 ) 将。代之以被测粒子的能量，则固有能量分辨率 舻鼍竽x 1 0 0 = 2 3 6 a 斧e 瑚 。， 上二式的后半部，仅在谱线分布接近高斯曲线时才用。 中北大学学位论文 3 1 4 线性响应 它是衡量在一定范围内探测器所给出的信息，与入射粒子相应的物理量( 如能量、 位置等) 是否成线性关系的标志，有时直接称之为能量线性或位置线性。以能量线性为 例，表3 1 列出了三种探测器的能量线性指标，结合能量分辨率，对后面电子学电路( 如 放大器) 的线性度提出了一定要求。 表3 1 探测器的能量线性指标及线性度要求 探测器能量线性指标 对后级电子学线路的线性要求 气体探测器小于0 0 1 固能量分辨率为1 ，对后级线性应为0 1 半导体探测器 0 0 1 5 做高能量分辨测量时，要求后级线性为0 0 1 闪烁计数器 l 一5 线性要求一般，线性约为1 左右 3 1 5 稳定性 通常，温度和电源的变化可引起探测器性能的不稳定。因此，探测器对工作环境温 度和高压电源供电电压稳定性有一定要求。从表3 2 可以看到，环境温度的影响不可忽 视，一般对高压电源要求其稳定性好要好于千分之一至万分之一。对闪烁探测器而言， 因为它直接影响到光电倍增管倍增过程，在探测器使用中这是不可忽视的。 表3 2 探测器的稳定性要求 曝测器环境温度影响高压电源的电压电流稳定性要求 气体探测器 0 0 1 1 0 3 3 1 0 3 v ：0 1 m a 半导体探测器影响较大常用7 7 k 恒温工作1 0 3 1 0 。y ：0 1 m a 闪烁计数器o 1 o 5 1 0 2 一一1 0 3 v ：l m a 1 0 一4 另外，衡量探测器性能还有抗辐射损伤，粒子鉴别能力等，有的探测器只能对某些 类型的核辐射灵敏，而对其它就不灵敏，有的随入射粒子类型不同，给出的信号特性也 中北大学学位论文 不同。到目前为止，还没有一种探测器可以同时兼备各方面的优点，必须根据物理要求， 做出尽可能合理的选择。例如：如需较高分辨率的能谱仪，则选用半导体探测器，配用 性能良好、分辨性能好的电子学系统；如作为时间谱仪，则选用闪烁探测器，配以快电 子学线路和系统；而一般性使用时，宜选用性能适中，价格便宜的气体探测器，与通用 的电子学单元相配合。 3 2 信号噪声对电子学系统的影响 光电探测器在一定功率的光照下能输出一定的光电流或光电压信号。光电流或光电 压实际上是一定时间间隔中的平均值。在示波器上显示，可以看到探测器输出的光电信 号并不是平坦的，而是在平均值上下随机的起伏，如图3 2 所示。这种随机的、瞬间的 幅度不能预先知道的起伏，称为噪声。2 ，。图中的直流信号值 ，= - = 轷( t ) d t ( 3 5 ) - 八八厂 厂 vv v 一i i 图3 2 信号的随机起伏 由于噪声是在平均值附近随机起伏的，其长时问的平均值为零，所以一般用均方 噪声表示来表示噪声值的大小： 孑= 丽= 瓤i 伊j k ( 3 6 ) 噪声电流的均方值f ：和噪声电压的均方值v ：代表了单位电阻上所产生的功 率，它是实际可测得的，是确定的正值。当光电探测器中存在多个噪声源时，只要这 些噪声是独立的、互不相关的、其噪声功率就可以进行相加，即有 i 。2 总= i 。2 l + e 2 + + l - “2 ( 3 7 ) 通常把噪声这个随机的时问函数进行傅氏频谱分析，得到噪声功率随频率变化关 中北大学学位论文 系，这就是噪声的功率谱s ( ，) 。j ( ，) 数值为频率为f 的噪声在lq 电阻上所产生 的功率，即s ( f ) = 年( ，) 。 根据噪声的功率谱与频率的关系，常见有两种典型的情况：一种是功率谱大小与 频率无关的噪声，通常称白噪声。；另一种噪声是功率谱与t f 成正比称为1 f 噪声， 如图3 3 所示。 s ( f ) 0 白噪声 1 ，噪声 | 图3 3 白噪声和1 ，噪声 当实际获取辐射探测器输出的能量获时间信息时，不可避免地会遇到探测器和电 子器件本身所固有的噪声。这种噪声叠加，混杂到信号上，将使核辐射测量系统的能 量或时间分辨能力受到影响，甚至于某些有用的微弱信号会被噪声所淹没。所以要精 确分析核探测器信号时，噪声是提高测量精度的严重障碍。 噪声与干扰不同，干扰，主要是指空问电磁波感应，工频( 5 0 周) 交流电网的干 扰，以及电源纹波干扰等外界因素。这些干扰对测量的影响，可在电路和工艺上设法 予以减小或消除。例如采用电或磁的屏蔽措施、电源隔离、外壳接地等方法。在电路 上，常采用各种滤波电路( 如高斯滤波、低通滤波、谐振滤波等) 和稳压措施等。所 以，有时虽然外部干扰不小，但总是能够设法改善，以使它对测量的影响可以忽略。 噪声则是由所采用的元器件本身所产生的，原则上可以设法减小但无法完全消 除。因此，它是影响测量精度的主要因素。例如，当一个核探测器与放大器相连时， 即使没有任何核辐射源，但在放大器的输出端，仍能测量到在平均值上下起伏波动的 随机涨落电压。实际上，这就是噪声。噪声( 电流或电压形式) 属于随机过程，它随 时间的变化杂乱无章的，但它服从一定的统计规律。 中北大学学位论文 3 3 信号噪声的来源和分类 在核电子学中，主要的噪声有三类：散粒噪声。2 “，”，”1 ( 如探测器漏电流的噪声， 场效应管栅极漏电流的噪声) ，热噪声( 如场效应管得沟道热噪声，电阻原件的热噪 声) 和低频噪声( 如场效应管闪烁噪声) ，特别是前二类，对幅度分析和时间测量影 响较大。 3 3 1 散粒噪声 在电子器件或半导体探测器中，由于载流子产生和消失的随机涨落，形成通过器 件的电流的瞬时波动，或输出电压的波动，叫做散粒噪声。这种噪声如同射出的散粒 无规则地落在靶上所呈现的起伏，每一瞬间到达靶上的值有多有少，这些散粒是完全 独立的事件。此外，入射到光辐射探测器的表面的光子是随机起伏的，它在某些探测 器光电转换后也表现为散粒噪声。 实际上，核辐射探测器电流，本身由大量载流子组成( 如自由电子或电子空 穴对) ，电流印) 是围绕平均值，作上、下涨落的量，其平均值，= n e n 为平均载 流子数，e 为单个载流子的电荷量。这样，可把电流脉冲f ( f ) 看成许多个时间上随机 分布的