核数据获取与处理教学课件PPT 常用探测器.ppt

第三章常用探测器及其输出信号 核数据获取与处理 核数据获取与处理内容 本章知识结构 作业 内容提要 3 1探测器的基本概念3 2常见探测器的工作原理3 3常见探测器的性能参数 3 1探测器的基本概念 核探测器 通过粒子与物质的相互作用核辐射信息转化为电信号或其它可直观识别信息的设备 3 1探测器的基本概念 各类探测器介绍气体电离室 3 1探测器的基本概念 各类探测器介绍正比计数器 3 1探测器的基本概念 各类探测器介绍半导体探测器 3 1探测器的基本概念 各类探测器介绍闪烁体探测器 3 1探测器的基本概念 各类探测器介绍切仑科夫探测器 3 1探测器的基本概念 各类探测器介绍液体电离室液相的惰性气体 3 1探测器的基本概念 各类探测器介绍热释光探测器 3 2气体电离室与正比计数器 胶片成像与核乳胶 3 2气体电离室与正比计数器 固体径迹探测器 3 2气体电离室与正比计数器 云室与气泡室 3 2气体电离室与正比计数器 磁谱仪 3 1探测器的基本概念 探测器的种类气体电离室及正比计数器半导体探测器闪烁体探测器切伦科夫探测器液体电离室热释光探测器胶片成像与核乳胶固体径迹探测器云室与气泡室磁谱仪 3 2常见探测器的工作原理 常见的探测器 一般都是通过粒子与物质的相互作用 最终将核辐射信息转变为电信号的 幅度 粒子能量形状 粒子类别计数率 射线强度信号时间关系 激发态寿命 等 3 2常见探测器的工作原理 实质上就是一个能量 电荷转换器 用于把抽象的核辐射信息转换成具体的电信号对核辐射信息的处理实际上就是对探测器输出信号的处理 从探测器输出信号中提取出核辐射信息 并转换成相应的物理量通常可以看成是一个电流源不同的探测器 其能量 电荷转换过程及持续时间是不同的 输出信号各有其特点 需采用不同的处理方法或手段 3 2常见探测器的工作原理 气体电离室入射粒子引起电离 产生的电子和离子在电场作用下向两边极板漂移 如果粒子在一次电离过程中产生了n对电子离子对 则探测器输出的总电荷数为ne 如果保证粒子的能量全部损失在电离室中 则可建立起入射粒子能量与输出电荷量的对应关系 3 2常见探测器的工作原理 正比计数器结构 圆柱形 中心丝极正电位电场分布 电离放大只发生在r 0 1mm附近 即中心处放大倍数a 10 103 输出总电荷量ane 3 2常见探测器的工作原理 平面pin半导体探测器平面pin探测器都是正负电极连于两边n型区和p型区 中间是本征层i 本征层电场e为常数 电子 空穴的收集过程与平行板电离室类似 只不过物理参数不同 输出电荷量仍为ne 固体电离室 3 2常见探测器的工作原理 pn结半导体探测器分扩散型和面垒型 原理相同 工作电压正负不同输出电荷量为ne 3 2常见探测器的工作原理 闪烁体探测器光子脉冲在pmt阳极的输出电荷为 3 2常见探测器的工作原理 闪烁体探测器输出电流波形比较复杂 因经过多种物理过程 发光过程 闪烁体分子或原子受激 退激 发出光子发光是指数衰减的 一般同时有几个衰减时间常数 光电转换过程 光子 pmt阴极 光电子电子倍增过程 光电子 pmt打拿极 m倍电子 阳极 3 3常见探测器的性能参数 1能量 电荷转换系数定义 设辐射粒子在探测器中损失的能量为e 探测器产生的电子电荷数为n 则n e称为探测器的能量 电荷转换系数 由于辐射粒子与物质相互作用的统计性 探测器的能量 电荷转换系数 一般指平均值 3 3常见探测器的性能参数 1能量 电荷转换系数 气体电离室气体电离室探测带电粒子时 能量 电荷转换系数是气体平均电离能w的倒数 即平均电离能是指带电粒子在气体中产生一个电子 离子对所消耗的平均能量 其数值主要决定于气体的种类 和入射带电粒子的种类和能量关系不大 各种电离室所充气体的平均电离能大致为20 40ev取w 33ev 则30000离子对 mev 3 3常见探测器的性能参数 1能量 电荷转换系数 正比计数器正比计数器利用了气体放大机理 电荷转换系数为 其中 a是正比计数器的气体放大倍数 其数值从几十到几千不等 气体放大 可探测更低能量的粒子 3 3常见探测器的性能参数 1能量 电荷转换系数 半导体探测器半导体探测器的电离与电荷收集过程与气体电离室类似 也称 固体电离室 不过 半导体探测器每产生一个电子 空穴对的平均电离能比气体探测器要小一个数量级 si 室温下 3 61evge 液氮温度下 2 96ev气体 20 40ev 分辨率好很多 3 3常见探测器的性能参数 1能量 电荷转换系数 闪烁探测器 光电倍增管pmt时 探测带电粒子不是利用电离效应而是利用激发效应其能量 电荷转换系数有两个指标 阴极能量 电荷转换系数阳极能量 电荷转换系数 其中 m是倍增系数 nai tl g 30000光子 mev 有机 液体 塑料更少 其阴极能量 电荷转换系数约为 3000电子 mev 3 3常见探测器的性能参数 1能量 电荷转换系数上述四种探测器的对比 电离室 3 104电子离子对 mev正比计数器 3 104a电子离子对 mev半导体探测器 3 105电子空穴对 mev闪烁探测器 3 103m电子 mev特别声明上述讨论是带电粒子入射时的情况当n x或 射线等中性粒子入射时 它们先与探测介质发生相互作用而产生次级带电粒子 然后次级带电粒子再产生电离或激发效应对中性粒子的能量 电荷转换系数不只决定于探测介质的平均电离能 还取决于它们产生次级带电粒子时的能量转换关系 3 3常见探测器的性能参数 2固有能量分辨率概念探测器中电离 激发 光电转换以及倍增等过程都是随机的 即使粒子能量全部转换成粒子对 其粒子对数也是涨落的 呈高斯分布 能量展宽 影响系统能量分辨率的因素有很多 其中 由探测器的能量 电荷转换过程所产生的离子对数n的涨落所决定的探测器的能量分辨率称固有能量分辨率rd 这是探测器的理想能量分辨率对于高斯分布 有 2固有能量分辨率 电离室和半导体探测器离子对数及标准偏差 其中 f为法诺因子 0 f 1 对气体电离室 f约为1 3 对半导体探测器 f约为0 05 0 2固有能量分辨率 半导体探测器rd要比气体电离室好5 6倍 3 3常见探测器的性能参数 2固有能量分辨率 正比计数器由带电粒子电离产生的电荷数n的涨落与电离室类似 但是由于气体放大作用 输出电荷数增大a倍 即 按照统计理论中两级串联随机变量计算规则 正比计数器rd要比气体电离室差1倍 f 1 3 3 3常见探测器的性能参数 2固有能量分辨率 闪烁探测器闪烁体产生一个光电子所需能量约300ev或更多 而气体电离室 约需30ev 电子 离子对 仅此一点就决定闪烁体的固有能量分辨率比气体电离室差好几倍 闪烁体发出的光子要经过光电倍增管的阴极光电转换和级联倍增 伴随的统计涨落使探测器的能量分辨率变差 测量137cs的662kev 射线时 nai tl 的固有能量分辨率约为10 好的也只有7 8 3 3常见探测器的性能参数 3线性与稳定性线性定义 是指探测器产生的离子对数平均值和所需消耗的粒子能量之间的线性程度 电离室和半导体探测器 在低能物理实验中 平均电离能几乎与粒子能量无关 具有比较好的线性 例如ge li 探测器 对于150kev到1 3mev的 射线 非线性偏差不大于0 2kev 和所给能区上限 1 3mev 相比 不大于0 015 而同样条件下 闪烁探测器的非线性高达百分之几 正比计数器在所加工作电压比较低时 线性和电离室相近 3 3常见探测器的性能参数 3线性与稳定性稳定性定义 是指能量 电荷转换系数在环境温度t和电源电压v变化时的稳定性1 气体探测器平均电离能的温度系数约10 4 正比计数器气体放大倍数的温度系数约10 4 正比计数器气体放大倍数随电源电压的变化为 10 20 v v 3 3常见探测器的性能参数 3线性与稳定性稳定性2 半导体探测器平均电离能的温度系数为 硅 3 9 6 7 10 4ev 锗 3 0 8 0 10 4ev 半导体探测器的结电容和外加电压的关系因探测器类型和工作状态而异 3 闪烁探测器闪烁体探测器主要的不稳定因素是光电倍增管 光电倍增管倍增系数的温度系数为 0 1 0 5 随电源电压的变化为 6 7 v v 第3