辐射探测器与检测技术.ppt

核辐射探测器 吉林大学公共卫生学院辐射防护教研室杨湘山 核辐射探测器的历史和我们的原子物理 亚原子物理知识的增长是同时发展的 每当核物理学家观察到一种由原子粒子引起的新效应 他都试图利用这种效应制成一种探测器 核辐射探测器 利用核辐射与物质相互作用所产生的电离效应 发光现象 物理或化学变化进行核辐射探测的元器件称为核辐射探测器 概括地讲 核辐射探测器的主要作用是把进入探测器灵敏区域的核辐射转变成为信号处理设备能够觉察出来的信号 例如电信号 光信号 声信号 热信号等 探测器给出的信息能够直接或间接地确定核辐射的种类 能量 强度或核素寿命等 用于各种目的的核辐射探测器种类很多 工作原理也不尽相同 按探测核辐射的物理过程可分为两大类 电离型探测器和发光型探测器 常用的电离型探测器有电离室 正比计数管和盖革 弥勒计数管 G M计数管 半导体探测器等 闪烁探测器 切伦科夫探测器 热释光探测器等属于发光型的探测器 探测器由下列三部分构成1 灵敏区2 结构部分3数据输出机构 按材料分类1 气体探测器2 闪烁探测器3 半导体探测器 核辐射探测器 气体探测器闪烁探测器半导体探测器径迹探测器 核辐射探测器 带电粒子使气体原子电离而形成负电子和正离子对的现象称为气体的电离 电离出来的电子称为次级电子 其中一些能量较大的电子还可以使气体分子电离 通常 我们把由带电粒子直接产生的电离叫做原电离 而把由次级电子所产生的电离叫做次电离 原电离和次电离之和称为总电离 初级电离 入射粒子与气体分子或原子直接碰撞而导致的气体电离 次级电离 直接电离所产生的电子或紫外光及X射线而导致的气体电离 复合过程 正离子和电子或负离子复合成中性粒子的过程 一 气体的电离 大量的实验表明 在相当大的能量范围内 入射粒子在气体 中产生的总电离离子对数目N0与它在气体中损失的能量E成正比 即式中 W称为平均电离能 它表示入射粒子在气体中产生一对离子对所平均消耗的能量 气体探测器 二 电子和离子在气体中的运动规律1 电子和粒子的漂移外加电场 定向运动 漂移离子漂移速度103厘米 秒 在电子是 离子的103倍2 电子和离子的扩散密度大 密度小 运动3 电子和离子的复合电子 离子 正离子 负离子 气体探测器 三 离子的收集和电压 电流曲线 测量仪器 c a b 放射源 离子收集装置示意图 v 1 装置图 气体探测器 三 离子的收集和电压 电流曲线 2 电压电流曲线 A区 复合区B区 电离室区 饱和区 C区 正比区 10 104 D区 有限正比区E区 盖革 米勒区F区 连续放电区 气体探测器的特点 探测器的灵敏体积大小和形状几乎不受限制 没有辐射损伤或极易恢复 经济可靠 四 电离室 电离室就是工作在饱和区的气体探测器 原则上它既不存在复合 也没有气体放大 入射粒子电离产生的全部电子和正离子都被收集到正负电极上 电离室上加的工作电压必须在图1 2中的Va Vb 之间 对于不同大小 不同结构和充不同气体的电离室 为了达到收集电荷的饱和状态 外加电压是不相同的 可以从几十伏特到上千伏特不等 气体探测器 四 电离室 ionizationchamber 阳极 脉冲电离室 记录单个辐射粒子 主要用于测量重带电粒子的能量和强度 计数电离室 V eNi C 电流电离室 记录大量粒子平均效应 主要用于测量X g b和中子的强度或通量 累积电离室 I neNi 气体探测器 四 电离室 1 测量 射线 或X射线 照射量 2 测量吸收剂量 3 测量放射性气体 应用 五 正比计数管 正比计数管工作在气体探测器特性曲线的正比区 此区存在气体放大作用 即初电离产生的电子从电场获得能量足以产生次电离 而且次电离电子还可以使气体电离 离子对数目逐步增殖 但最后形成的总离子对数保持与初电离成正比关系 于是在收集极上感生的脉冲幅度将是原电离感生的脉冲幅度的M倍 五 正比计数管 proprotionalcounter 4 正比计数管的气体放大机制当射线通过正比计数管电极间的气体时 电离产生的电子和正离子在电场作用下 分别向阳极和阴极漂移 正离子的质量大 且沿漂移方向的电场又是由强到弱 因此电场的加速不足以使它与气体发生电离碰撞 而电子则不然 漂移越接近阳极 电场强度越大 到达某一距离以后 电子在平均自由程内获得的能量足以与气体分子发生电离碰撞 产生新的离子对 同样 新的电子又被加速再次与气体发生电离碰撞 产生更多的新离子对 漂移电子越接近阳极 电离碰撞的概率越大 于是不断地增殖 增殖的结果将产生大量的电子和正离子 这就是气体放大过程 2ra 气体探测器 五 正比计数管 proprotionalcounter 1 正比计数管的结构 2 正比计数管的优点第一 脉冲幅度大比电离室大102 104倍 不需要高增益的放大器第二 灵敏度高低能 低比电离第三 输出脉冲幅度正比于原电离 可用于能谱测量 气体探测器 五 正比计数管 proprotionalcounter 3 正比计数管的缺点第一 脉冲幅度随工作电压波动而变化较大 因此它要求高稳定度的高压电源 第二 它容易受外界电磁干扰的影响第三 在高计数率下 如104脉冲 秒时 输出脉冲幅度可以变化百分之几十 气体探测器 六 盖革 米勒计数管 Geiger Mullercounter 最初由盖革 Geiger 和弥勒 Muller 发明的一种计数管 简称G M计数管 G M计数管是使用最早 1928年 最广泛的一种探测器 它的突出特点是制造简单 价格便宜 易于操作 输出脉冲幅度大 对电子学线路要求简单 因此G M计数管至今在放射性测量和剂量工作中仍是常用的探测器 它的缺点是死时间长 因此它不能用于高计数率场合 气体探测器 六 盖革 米勒计数管 Geiger Mullercounter 1 G M的结构 气体探测器 六 盖革 米勒计数管 Geiger Mullercounter 2 G M的优点脉冲幅度大 伏特量级灵敏度高稳定性高 对电源的稳定度要求不高 不受外界电磁场干扰结构简单 价格便宜管子形状可以根据实验目的来确定和选用 3 G M的缺点不能区分粒子的性质和测定能量分辩时间长 不能进行快速计数对 射线探测效率低 气体探测器 六 盖革 米勒计数管 Geiger Mullercounter 4 气体自持放电1 光子的作用退激发射的光子与气体原子分子作用产生光电子 再次产生电子雪崩依此类推 不断产生电子雪崩 阳极 阴极 气体探测器 六 盖革 米勒计数管 Geiger Mullercounter 4 气体自持放电2 正离子的作用雪崩发生在阳极附近 电子迅速被阳极收集 正离子漂移速度慢 当电子被收集时正离子仍在阳极附近每次的雪崩产生的正离子堆积在一起在阳极附近形成正离子壳 电场减弱到一定的阈值雪崩就不在发生 阳极 阴极 气体探测器 六 盖革 米勒计数管 Geiger Mullercounter 4 气体自持放电2 正离子的作用正离子壳在形成和扩展过程中也在向阴极移动 当它到达阴极附近时从阴极表面拉出电子与其中和而处于激发态 退激发 光子在阴极上产生光电子 次级电子在电场力的作用下向阳极移动 在阳极附近再次发生电子雪崩 阳极 阴极 气体探测器 六 盖革 米勒计数管 Geiger Mullercounter 4 气体自持放电3 淬灭气体酒精 石油醚等有机物质溴 氯等卤素与正离子交换电荷 吸收光子 到达阴极表面的时淬灭气体正离子 撞击阴极获得电子处于激发态 退激发的时候不发射光子 以自身离解消耗激发能 从而使计数管得到淬灭 阳极 阴极 气体探测器 六 盖革 米勒计数管 Geiger Mullercounter 5 G M计数管的主要特性1 坪特性 坪长 V1 V2坪斜 有机管坪长150 300V卤素管坪长100V左右 N2 N1 1 2 V2 V1 N2 N1 气体探测器 六 盖革 米勒计数管 Geiger Mullercounter 5 G M计数管的主要特性2 死时间 恢复时间和分辨时间 死时间 计数管对入射粒子失效的时间 等于计数管上次放电终止到下次放电恢复的时间间隔 恢复时间 阳极附近周围电场从恢复放电阈值到恢复到正常值所需要的时间 分辨时间 是对整个系统而言 5 G M计数管的主要特性2 分辨时间修正 G M计数管的死时间td一般比较长 约10 4s数量级 在计数率高的情况下 漏计数较多 必须进行修正 这种修正称为分辩时间校正或死时间校正 当计数管的分辩时间为 实测计数率为n时 则在单位时间内计数管不能计数的时间为n 若单位时间内应有的真计数率为no 测漏计数为 no n non 因而式是分辩时间引起漏计数修正的基本公式 气体探测器 六 盖革 米勒计数管 Geiger Mullercounter 5 G M计数管的主要特性3 本征探测效率和寿命 本征探测效率 是只计数管输出脉冲数与进入计数管灵敏体积的粒子数之比 通常用 表示 计数管寿命 通常有 搁置寿命 和 计数寿命 有机管108计数 卤素管大于109计数 应用 半导体探测器Semiconductordetector 肖克利 WilliamShockley 巴丁 JohnBardeen 布拉坦 WalterBrattain 世界上第一个点接触型晶体管 半导体探测器Semiconductordetector 半导体探测器是60年代以后迅速发展起来的一种核辐射探测器 其探测介质是半导体材料 随着半导体材料和低噪声电子学的发展以及各种应用的要求 先后研制出了P N结型探测器 锂漂移型探测器 高纯锗探测器 化合物半导体探测器以及位置灵敏探测器 内放大半导体探测器等特殊类型半导体探测器 半导体探测器Semiconductordetector 半导体探测器探测带电粒子的基本原理与气体电离室的十分相似 但由于半导体的密度比气体的大得多 对射线的阻止本领也就比气体的大得多 在半导体中产生一个电子 空穴对所需的平均电离能 约为3eV 比在气体中的平均电离能 约30eV 小一个数量级 若能量为E0的核辐射粒子 其能量全部损失在半导体探测器灵敏体积内 所产生的电子 空穴对数目为 N Eo W 一 半导体探测器的结构和简单原理 半导体探测器加一外电压 电压的方向是使半导体探测器得到反向偏置 故称为加反向偏压 从以后各节的讨论将知道 半导体探测器多为P N结结构 加反向电压即在结的P边相对于N边为负电压 这时结两边的电位差增加 只有少数载流子在电场作用下越过结 而少数载流子浓度很低 所以反向电流很小 由于探测器加反向偏压 探测器灵敏区内部形成电场区 在没有核辐射射入时 由于绝缘电阻很大 漏电流很小 当带电粒子或其他核辐射人射到探测介质后 它们损失能量 介质内就产生电子 空穴对 在外电场作用下 电子和空穴分别向两电极作漂移运动 从而在电极上感应出电荷 电荷在电容C上积累而形成电压脉冲 一 半导体探测器的结构和简单原理 要实现这一过程 必须同时满足以下条件 要求用作探测器的固体材料具有高的电阻率 才能保证加上较高的电场强度 而漏电流很小 探测器材料必须有足够长的载流子漂移长度 以便载流子能通过灵敏区厚度d到达电极而不发生复合或俘获 目前 满足上述要求的主要方法有 在硅或锗单晶中形成PN结 在PN结上加反向偏压形成探测器的灵敏区 在该灵敏区内载流子浓度很小 电阻率极大而漏电流很小 在P型和N型的锗或硅单晶之间通过补偿工艺使形成准本征区 其电阻率很高 可作为探测器的灵敏区 使用高纯度半导体材料作为探测器材料 一 半导体探测器的结构和简单原理 一 半导体探测器的结构和简单原理 半导体探测器Semiconductordetector 浓度差使载流子发生扩散运动 一 半导体探测器的结构和简单原理 半导体探测器Semiconductordetector 内电场形成 PN结 一 半导体探测器的结构和简单原理 PN结型半导体探测器的工作原理可叙述如下 由于PN结区载流子很少 电阻率很高 当探测器加上反向电压以后 电压几乎完全加在结区 在结区形成一个足够强的电场 但几乎没有电流流过 入射粒子射入结区后 通过与半导体的相互作用 损失能量产生电子 空穴对 在外加电场作用下 电子和空穴分别向两极漂移 于是在输出回路中形成信号 当电场足够强时 电子和空穴在结区的复合和俘获可以忽略 这时 输出信号的幅度与带电粒子在结区消耗的能量成正比 如果入射粒子的能量全部消耗在结区 则输出脉冲幅度与入射粒子能量成正比 二 半导体探测器的主要性能1 反向电流热激发产生的体电流来自结区的扩散电流半导体表面的漏电流 半导体探测器Semiconductordetector 2 能量分辨率统计涨落决定分辨率的极限探测器和电子学仪器的噪声 3 本征探测效率带电粒子几乎是100 常用的面垒型探测器是金硅面垒型半导体探测器 金硅面垒探测器是利用N型硅单晶作基片 表面经过酸处理后 暴露在空气中 表面会形成一层氧化层 然后在真空中灵敏面上镀一薄层金膜 约10 m 靠近金膜的氧化层具有P型硅的特性 并在与基片交界面附近形成PN结 在基片的背面镀有镍或铝作欧姆接触引线 接电源的正极 欧姆接触电极即是两种符号的电荷 电子和空穴 都可以自由流过的不整流电极 金膜与铜外壳接触 接电源的负极 镀金面作为待测核辐射的入射面 称为入射窗 三 PN结型半导体探测器1 面垒型 半导体探测器Semiconductordetector 扩散型 离子注入型 面垒型探测器在制造工艺上不涉及高温 探测器材料能保持原来的良好性能 噪声低 能量线性好 能量分辨率高 入射窗薄 易于制得面积较大且均匀的灵敏区 结构简单 操作方便 面垒型探测器对光灵敏 薄入射窗对光是透明的 照在探测器表面上的光子可以到达灵敏体积内 可见光光子的能量约为 2 4 eV 大于硅和锗的能隙 因此可见光光子与半导体相互作用可能产生电子 空穴对 普通房间内的光线就能引起很高的噪声 所以使用于探测带电粒子时探测器必需在真空密封条件下 以使噪声降低到可以忽略的水平 面垒型探测器的窗很薄 决不能用手触摸其镀金面 扩散型探测器是把一种类型的杂质扩散到另一种相反类型的半导体内而形成PN结的探测器 通常是将五价磷 磷可以是气态 也可以是固态 在高温 800 1000 下扩散到P型硅中 即扩散进一层施主杂质而形成N型薄层 它是粒子入射窗 扩散深度通过调节扩散过程的温度和时间来控制 通常扩散深度为 1 2 m 灵敏区的最大厚度限制在约600 m范围内 随着半导体器件工艺的改进 70年代研制出了低噪声氧化物钝化PN结探测器 克服了老式扩散型探测器的缺点 并能制作成大面积的浅扩散结 它的灵敏区比面垒型的厚 可用来制作室温下使用的 射线和X射线探测器 三 PN结型半导体探测器2 扩散型 利用加速器产生的具有一定能量的正离子束流 直接穿透半导体表面而形成离子注入型PN结半导体探测器 通常用硼离子轰击N型硅 用磷离子轰击P型硅 离子束能量在5 100keV之间 由于用磁分析器排除杂质 入射粒子束便具有高纯度 这种探测器受环境影响小 工作更稳定 这是面垒型所不及的 通过调节离子束的能量和强度很容易得到所需的深度和掺杂浓度 离子注入型的另一优点是可以在高阻硅上得到薄窗 可薄到34nm 且耐磨损 其缺点是入射离子产生强的辐射损伤 形成大量俘获和复合中心 能量分辨率不如面垒型的好 三 PN结型半导体探测器3 离子注入型 上节介绍的PN结型半导体探测器灵敏区厚度很难达到2mm以上 它对于探测 粒子等重带电粒子有着广泛的应用 但对于像 射线这样穿透性很强的辐射 因灵敏区厚度或有效体积有限 就不适应了 60年代 采用锂漂移技术在P型和N型半导体之间得到受主杂质浓度和施主杂质浓度平衡的高电阻率补偿材料区 该区具有的性质与本征材料的性质类似 通常以符号I表示 简称I区 又叫补偿区 它是探测器的灵敏区 可获得厚度大于10mm的灵敏区 所以锂漂移探测器是P I N结构 习惯上又称为PIN探测器 四 锂漂移型半导体探测器 一块P型半导体 最初它的受主杂质的浓度是均匀分布的 在P型半导体的一面蒸发上一层金属锂 由于锂在Si和Ge半导体中的迁移率高而电离能较低 在硅中是0 033eV 在锗中是0 093eV 在室温下锂全部电离 电子进入到导带内 起施主作用 而锂离子 Li 的半径只有6 10 2nm 比室温下Si和Ge的晶格间距 分别为5 42 10 1nm和5 64 10 1nm 小得多 因此 在电场作用下 锂离子很容易穿过晶格 作为填隙离子漂移深入到半导体内部 它和原来的负离子 例如B 由于静电作用而形成稳定的中性离子对 例如Li B 这相当于施主原子把多余的一个电子给了受主原子 使在此区域内的电子和空穴都减少 从而大大提高了电阻率 这就是锂的补偿作用 在典型的漂移温度下 60 往往需要漂移几天至几周的时间 四 锂漂移型半导体探测器 锂漂移P I N型半导体探测器锂漂移探测器就是锂离子通过补偿工艺 在P型半导体中漂移而形成的一种P I N探测器 I 本征区Si Li 硅 锂 探测器Ge Li 锗 锂 探测器 四 锂漂移型半导体探测器 五 高纯锗探测器高纯锗探测器 HPGe 是在70年代研制出的新型半导体探测器 它普遍用在 谱仪中 取代了Ge Li 探测器 HPGe探测器经过多次升温和冷却仍然能正常工作 证明了它能在室温下保存 但为了避免探测器真空室内的残留蒸气可能污染探测器表面和减少漏电流 条件许可时最好把它连续保持在液氮温度下 HPGe探测器的基体可以用P型锗 也可以用N型锗 分别称为P型HPGe探测器或N型HPGe探测器 目前高纯锗的净杂质浓度可以降低到 1010 109 原子 cm3 因为在一定电压下 PN结耗尽深度与电阻率的平方根成正比 因此如此低的杂质浓度 相应的电阻率高到使偏压不到1000V时耗尽深度就可达到10mm 所以可以得到大的灵敏体积 平面型同轴型 闪烁探测器 闪烁探测器scintillator 一 闪烁探测器的组成和工作原理1 构成闪烁探测器是利用某些物质在核辐射的作用下会发光的特性探测核辐射的 这些物质称为荧光物质或闪烁体 光电器件将微弱的闪烁光转变为光电子 光电子经过多次倍增放大后 输出一个电脉冲 这种装置叫做闪烁探测器 闪烁探测器的主要组成部分有闪烁体 光学收集系统 光电倍增管 或其他光电器件 以及给光电信增管各电极供电的分压器 它们被封闭在一个不透光的外壳里 统称为探头 闪烁探测器scintillator 一 闪烁探测器的组成和工作原理 2 工作原理核辐射进入闪烁体中 使原子 或分子 激发 受激原子在退激过程中发光 光子穿过闪烁体 光导 一部分到达光电倍增管的光阴极 在光阴极上打出光电子 被光电倍增管的第一倍增极收集的光电子经过光电倍增管各倍增极的倍增 或称放大 便产生一个电脉冲信号 闪烁探测器的工作过程 分为以下几个阶段 粒子进入闪烁体内 使闪烁体的原子或分子激发和电离 粒子损失能量 受激的或者电离后又复合而处在激发态的原子和分子在退激过程中 大部分发射光子 这是对探测有用的 另一部分不发射光子 而是将能量转化为晶格振动或热运动的动能 这部分能量对探测没有用 光阴极将光子转换为光电子 光电子经各倍增 最后被阳极收集形成电脉冲 闪烁探测器scintillator 二 闪烁体的发光特性1 发光光谱不同闪烁体发射的荧光波长不同 了解不同闪烁体的发光光谱是为了与光电倍增管的光阴极的光谱相应更好的匹配 得到更多的荧光光子 2 发光效率是只闪烁体吸收的射线的能量转化为光能的百分数 效率越高越有利于低能和低水平辐射的测量 3 发光时间闪烁体吸收射线能量后 退激时发射光子数的总体平均值随时间按指数规律增加 闪烁探测器scintillator 二 闪烁体的发光特性3 发光时间闪烁体吸收射线能量后 退激时发光是一随机过程 发射光子数的总体平均值N t 随时间按指数规律增加N t N0 1 e t N0为能够发射的光子总数 为发光衰减时间 当t 时 N N0 1 e t 0 63N0 的物理意义时受激后闪烁体原子分子发射全部光子数的63 所需的时间 三 常用闪烁体简介1 NaI Tl 闪烁体透明单晶NaI Tl 的密度为3 67g cm3 有效原子序数为50 NaI中的激活剂是 0 1 0 5 的铊Tl 发光效率可达12 因为Na