核反应堆仪表6

1、School of Nuclear Science and Technology核反应堆无论正常运行还是出事故时，都存在核反应堆无论正常运行还是出事故时，都存在核辐射和排出一定量的放射性物质。核辐射和排出一定量的放射性物质。为确保工作人员的安全，需要建立一整套核辐为确保工作人员的安全，需要建立一整套核辐射检测系统，及时监测辐射场，定量分析排射检测系统，及时监测辐射场，定量分析排出物的放射性。出物的放射性。第第5章章 核辐射剂量监测仪表核辐射剂量监测仪表School of Nuclear Science and Technology5.1 核辐射剂量监测方法和仪表核辐射剂量监测方法和仪表5.2

2、核电厂的辐射剂量监测核电厂的辐射剂量监测第第5章章 核辐射剂量监测仪表核辐射剂量监测仪表School of Nuclear Science and Technology核辐射看不见，摸不着，无色，无味，然而，它对人体核辐射看不见，摸不着，无色，无味，然而，它对人体的伤害很大，因此，辐射探测尤其重要。的伤害很大，因此，辐射探测尤其重要。如何测量呢？如何测量呢？根据辐射与物质的相互作用所呈现出的物理、化学变化根据辐射与物质的相互作用所呈现出的物理、化学变化进行观察和检测。进行观察和检测。核辐射检测装置通常由核辐射探测器、信号处理仪器和核辐射检测装置通常由核辐射探测器、信号处理仪器和一些附属设备组成

3、。一些附属设备组成。核辐射探测器的作用是把进入探测器灵敏区的核辐射转核辐射探测器的作用是把进入探测器灵敏区的核辐射转换成信号处理仪器能够觉察出来的信号，如电信号、换成信号处理仪器能够觉察出来的信号，如电信号、光信号、声信号和热信号等。光信号、声信号和热信号等。5.1 核辐射剂量监测方法和仪表核辐射剂量监测方法和仪表School of Nuclear Science and Technology用的最多的三类探测器是：气体探测器、闪烁探测器、用的最多的三类探测器是：气体探测器、闪烁探测器、半导体探测器。都是把核辐射转换成电信号，再由电半导体探测器。都是把核辐射转换成电信号，再由电信号处理设备进行

4、分析和处理。信号处理设备进行分析和处理。电信号处理设备主要是核电子学仪器（如：放大器、甄电信号处理设备主要是核电子学仪器（如：放大器、甄别器、计数器、计数率计、脉冲幅度分析器（单道或别器、计数器、计数率计、脉冲幅度分析器（单道或多道）、符合和反符合单元等）和计算机。多道）、符合和反符合单元等）和计算机。5.1 核辐射剂量监测方法和仪表核辐射剂量监测方法和仪表School of Nuclear Science and Technology核辐射探测器是完成辐射测量任务的关键部件，整个测核辐射探测器是完成辐射测量任务的关键部件，整个测量系统的技术指标首先取决于探测器。量系统的技术指标首先取决于探测

5、器。探测器如何测量辐射？探测器如何测量辐射？带电粒子：使探测器介质中的原子电离，产生电子离子带电粒子：使探测器介质中的原子电离，产生电子离子对；电子离子对在电场作用下做定向移动，在探测器对；电子离子对在电场作用下做定向移动，在探测器外部负载电路中给出电流信号，称为探测器的本征电外部负载电路中给出电流信号，称为探测器的本征电流信号。完全取决于核辐射在探测器内转变成电信号流信号。完全取决于核辐射在探测器内转变成电信号的物理过程。的物理过程。不带电的不带电的光子：与探测介质作用产生次级电子，形成光子：与探测介质作用产生次级电子，形成离子对。离子对。不带电的中子：与探测介质或转换靶作用产生次级带电不带

6、电的中子：与探测介质或转换靶作用产生次级带电粒子，再使探测介质电离产生电子离子对。粒子，再使探测介质电离产生电子离子对。5.1 核辐射剂量监测方法和仪表核辐射剂量监测方法和仪表School of Nuclear Science and Technology5.1.1 气体探测器气体探测器气体探测器是一个内部充有气体、两电极间（高压极和气体探测器是一个内部充有气体、两电极间（高压极和收集极）加有电场的小室，通过收集辐射在气体中产收集极）加有电场的小室，通过收集辐射在气体中产生的电离电荷来测量核辐射的。生的电离电荷来测量核辐射的。入射带电粒子通过气体时，使气体分子电离或激发，并入射带电粒子通过气体

7、时，使气体分子电离或激发，并在粒子通过的径迹上生成大量的离子对（电子和正离在粒子通过的径迹上生成大量的离子对（电子和正离子），离子对在电场中漂移形成电信号。子），离子对在电场中漂移形成电信号。气体探测器有平行板和圆柱形两种，常见的是两个同轴气体探测器有平行板和圆柱形两种，常见的是两个同轴的圆柱形电极，两个电极由绝缘体隔开并密封于容器的圆柱形电极，两个电极由绝缘体隔开并密封于容器内。电极间充气体并外加一定的电压，如图所示。内。电极间充气体并外加一定的电压，如图所示。5.1 核辐射剂量监测方法和仪表核辐射剂量监测方法和仪表School of Nuclear Science and Technolo

8、gy5.1.1 气体探测器气体探测器在恒定强度的辐射照射下，电极收集的离子对数目与外在恒定强度的辐射照射下，电极收集的离子对数目与外加电压的关系，如下图所示。曲线明显分为五个区段。加电压的关系，如下图所示。曲线明显分为五个区段。5.1 核辐射剂量监测方法和仪表核辐射剂量监测方法和仪表 复合区复合区 饱和区或电离室区饱和区或电离室区 正比区正比区 有限正比区有限正比区 G GM M区区School of Nuclear Science and Technology5.1.1 气体探测器气体探测器工作于不同区就构成了电离室、正比计数器和工作于不同区就构成了电离室、正比计数器和G GM M计数计数器

9、。基本结构和组成部分是相似的，只是工作电压不器。基本结构和组成部分是相似的，只是工作电压不同使性能有差别，从而适用于不同的场合，在设计上同使性能有差别，从而适用于不同的场合，在设计上也有各自的要求。也有各自的要求。电离室：电离室：正比计数器：正比计数器：5.1 核辐射剂量监测方法和仪表核辐射剂量监测方法和仪表WCEeCeNVm0neWEenNI0WCEeMCeNMVm0School of Nuclear Science and Technology5.1.1 气体探测器气体探测器正比计数器：正比计数器：正比计数器的工作气体通常是一些多原子分子气体，它正比计数器的工作气体通常是一些多原子分子气体

10、，它们在气体放大过程中会分解而改变工作气体成分，使们在气体放大过程中会分解而改变工作气体成分，使计数器性能变坏。计数器性能变坏。(?)(?)流气式正比计数器：让新的气体连续不断地流过计数管流气式正比计数器：让新的气体连续不断地流过计数管的灵敏体积，以保持体成分不变。的灵敏体积，以保持体成分不变。流气式正比计数器主要用于精确的放射性测量。流气式正比计数器主要用于精确的放射性测量。5.1 核辐射剂量监测方法和仪表核辐射剂量监测方法和仪表School of Nuclear Science and Technology5.1.1 气体探测器气体探测器G GM M计数器：计数器：当当M10M105 5时

11、，电子雪崩持续发展成自激放电，此时增殖时，电子雪崩持续发展成自激放电，此时增殖的离子对总数就与原电离无关了。的离子对总数就与原电离无关了。不管初电离发生在管内何处，雪崩放电都会逐渐包围整不管初电离发生在管内何处，雪崩放电都会逐渐包围整个阳极丝。在阳极丝附近的大量电子很快漂移到阳极个阳极丝。在阳极丝附近的大量电子很快漂移到阳极而留下大量的正离子包围着阳极丝，形成一个而留下大量的正离子包围着阳极丝，形成一个“正离正离子鞘子鞘”。它使。它使G GM M计数器中心阳极周围的电场强度减计数器中心阳极周围的电场强度减弱，以致于抑制电子增殖，最终使雪崩放电结束，弱，以致于抑制电子增殖，最终使雪崩放电结束，G

12、 GM M计数器输出一个电脉冲。计数器输出一个电脉冲。G GM M计数器内每次放电都以管内产生大致相同的总电荷计数器内每次放电都以管内产生大致相同的总电荷Q Q而结束，所以而结束，所以G GM M计数器输出的脉冲幅度都是相同。计数器输出的脉冲幅度都是相同。5.1 核辐射剂量监测方法和仪表核辐射剂量监测方法和仪表CQVmSchool of Nuclear Science and Technology5.1.1 气体探测器气体探测器G GM M计数器的优点：计数器的优点：1 1）灵敏度高：不论何种类型的射线，如果能在计数器的灵敏区）灵敏度高：不论何种类型的射线，如果能在计数器的灵敏区内产生一对离子

13、，便可能引起放电而被记录。低辐射场测量内产生一对离子，便可能引起放电而被记录。低辐射场测量2 2）脉冲幅度大：可达几伏甚至几十伏，可以不必经放大器或只）脉冲幅度大：可达几伏甚至几十伏，可以不必经放大器或只需单级放大器便能触动记录电路。需单级放大器便能触动记录电路。3 3）稳定性高：不受外界电磁场的干扰，而且对电源的稳定度要）稳定性高：不受外界电磁场的干扰，而且对电源的稳定度要求不高，一般好于求不高，一般好于1 1即可。即可。4 4）计数器的大小和几何形状可按探测粒子的类型和测量的要求）计数器的大小和几何形状可按探测粒子的类型和测量的要求在较大的范围内变动。如，外径可从在较大的范围内变动。如，外

14、径可从2mm2mm到数到数cmcm，长度可以从，长度可以从1cm1cm到到1m1m左右。左右。5 5）使用方便、成本低廉、制作的工艺要求和仪器电路均较简单。）使用方便、成本低廉、制作的工艺要求和仪器电路均较简单。整个测量系统可以做得轻巧灵便，适于携带。整个测量系统可以做得轻巧灵便，适于携带。5.1 核辐射剂量监测方法和仪表核辐射剂量监测方法和仪表School of Nuclear Science and Technology5.1.1 气体探测器气体探测器G GM M计数器的缺点：计数器的缺点：不能鉴别粒子的类型和能量；不能鉴别粒子的类型和能量；分辨时间长，约分辨时间长，约10102 2ss，

15、不能用于快速计数，测量强，不能用于快速计数，测量强辐射时有漏计数；辐射时有漏计数；正常工作的温度范围较小；正常工作的温度范围较小；有乱真计数。有乱真计数。探测效率：一个粒子通过计数管的灵敏区能产生脉冲输探测效率：一个粒子通过计数管的灵敏区能产生脉冲输出的几率。出的几率。G-MG-M计数管对带电粒子的探测效率为计数管对带电粒子的探测效率为100%100%，对，对射线约射线约为为1%1%。5.1 核辐射剂量监测方法和仪表核辐射剂量监测方法和仪表School of Nuclear Science and Technology5.1.1 气体探测器气体探测器1 1）计数曲线与坪特性）计数曲线与坪特性探

16、测器以脉冲工作方式工作时，通过电子仪器记录的脉探测器以脉冲工作方式工作时，通过电子仪器记录的脉冲计数率随探测器所加电压的变化曲线称为探测器的冲计数率随探测器所加电压的变化曲线称为探测器的坪曲线。坪曲线。坪特性：坪特性：起始电压、坪长、起始电压、坪长、坪斜：电压增加坪斜：电压增加100V100V( (或或1V)1V)，计数率增长的，计数率增长的百分率。百分率。0.1%0.1%5.1 核辐射剂量监测方法和仪表核辐射剂量监测方法和仪表%100)(12112VVNNNlSchool of Nuclear Science and Technology5.1.1 气体探测器气体探测器2） 死时间死时间几乎

17、在所有的探测系统中，都存在一个最小时限，两个几乎在所有的探测系统中，都存在一个最小时限，两个事件之间的时间间隔大于此时限才能被分辨开而记录事件之间的时间间隔大于此时限才能被分辨开而记录为两个单独的脉冲，这个最小时限通常称为探测系统为两个单独的脉冲，这个最小时限通常称为探测系统的死时间。的死时间。死时间由探测器本身的过程所决定（如死时间由探测器本身的过程所决定（如GM计数管），计数管），也可能由电子学线路所决定。也可能由电子学线路所决定。5.1 核辐射剂量监测方法和仪表核辐射剂量监测方法和仪表n0=n/(1-n)School of Nuclear Science and Technology5.

18、1.2 闪烁探测器闪烁探测器利用某些物质在核辐射作用下会发光的特性来探测核辐利用某些物质在核辐射作用下会发光的特性来探测核辐射的探测器。射的探测器。这些物质称为闪烁体或荧光物质。这些物质称为闪烁体或荧光物质。组成？组成？闪烁探测器是通过辐射打在闪烁体上，使原子（分子）闪烁探测器是通过辐射打在闪烁体上，使原子（分子）电离、激发，在退激过程中发光，经过光电器件（如电离、激发，在退激过程中发光，经过光电器件（如光电倍增管）将光信号变成可测的电信号来测量核辐光电倍增管）将光信号变成可测的电信号来测量核辐射。射。闪烁探测器由闪烁体、光电倍增管和相应的电子仪器三闪烁探测器由闪烁体、光电倍增管和相应的电子仪

19、器三个主要部分组成。个主要部分组成。 5.1 核辐射剂量监测方法和仪表核辐射剂量监测方法和仪表School of Nuclear Science and Technology5.1.2 闪烁探测器闪烁探测器闪烁探测器的工作可分为五个相互联系的过程：闪烁探测器的工作可分为五个相互联系的过程：1）射线进入闪烁体，与之发生相互作用，闪烁体吸收）射线进入闪烁体，与之发生相互作用，闪烁体吸收辐射能量而使原子、分子电离和激发；辐射能量而使原子、分子电离和激发；2）受激原子、分子退激时发射荧光光子；）受激原子、分子退激时发射荧光光子；3）利用反射物和光导将闪烁光子尽可能多地收集到光）利用反射物和光导将闪烁光

20、子尽可能多地收集到光电倍增管的光阴极，由于光电效应，光子在光阴极上电倍增管的光阴极，由于光电效应，光子在光阴极上击出光电子；击出光电子；4）电子在光电倍增管中倍增，数量由一个增加到）电子在光电倍增管中倍增，数量由一个增加到104109个，电子流在阳极负载上产生电信号；个，电子流在阳极负载上产生电信号；5）此信号由电子仪器记录和分析。）此信号由电子仪器记录和分析。5.1 核辐射剂量监测方法和仪表核辐射剂量监测方法和仪表School of Nuclear Science and Technology5.1.2 闪烁探测器闪烁探测器闪烁体按其化学性质可分为两大类：闪烁体按其化学性质可分为两大类：一类

21、是无机晶体闪烁体。一类是无机晶体闪烁体。通常是含有少量杂质（称为通常是含有少量杂质（称为“激活剂激活剂”）的无机盐晶体，）的无机盐晶体，常用的有碘化钠（铊激活）单晶体，即常用的有碘化钠（铊激活）单晶体，即NaI(Tl)；碘；碘化铯（铊激活）单晶体即化铯（铊激活）单晶体即CsI(Tl)；硫化锌（银激活）；硫化锌（银激活）多晶体，即多晶体，即ZnS(Ag)等。等。另一种是玻璃体，如铈激活锂玻璃另一种是玻璃体，如铈激活锂玻璃LiO22SiO2(Ce)。此外，近年来还开发了不掺杂的纯晶体，如锗酸铋（简此外，近年来还开发了不掺杂的纯晶体，如锗酸铋（简称称BGO）；钨酸镉（）；钨酸镉（CdWO4，简称，简

22、称CWO）和氧化）和氧化钡等。钡等。5.1 核辐射剂量监测方法和仪表核辐射剂量监测方法和仪表School of Nuclear Science and Technology5.1.2 闪烁探测器闪烁探测器闪烁体分为两大类：闪烁体分为两大类：另一类是有机闪烁体。它们都是环碳氢化合物。另一类是有机闪烁体。它们都是环碳氢化合物。又可分为三种：又可分为三种：1)有机晶体闪烁体。例如蒽、芪、萘、对联三苯等。有机晶体闪烁体。例如蒽、芪、萘、对联三苯等。2)有机液体闪烁体。在有机液体溶剂（如甲苯、二甲苯）有机液体闪烁体。在有机液体溶剂（如甲苯、二甲苯）中溶少量发光物质（如对联三苯），称第一发光物质，中溶少量

23、发光物质（如对联三苯），称第一发光物质，另外再溶入一些光谱波长转换剂（如另外再溶入一些光谱波长转换剂（如POPOP化合物）称化合物）称为第二发光物质，组成有闪烁体性能的液体。为第二发光物质，组成有闪烁体性能的液体。3)塑料闪烁体。它是在有机液体苯乙烯中加入第一发光物塑料闪烁体。它是在有机液体苯乙烯中加入第一发光物质对联三苯和第二发光物质质对联三苯和第二发光物质POPOP后，聚合而成的塑料后，聚合而成的塑料除这两大类外，还有利用氩、氙等惰性气体作为气体闪烁除这两大类外，还有利用氩、氙等惰性气体作为气体闪烁体，常作为记录裂变产物和重粒子的探测器。体，常作为记录裂变产物和重粒子的探测器。5.1 核辐

24、射剂量监测方法和仪表核辐射剂量监测方法和仪表School of Nuclear Science and Technology5.1.2 闪烁探测器闪烁探测器闪烁体的特性：闪烁体的特性：1）发光效率）发光效率C发光发光 发光效率表示闪烁体将所吸收的核辐射能量转变为发光效率表示闪烁体将所吸收的核辐射能量转变为所发射光子的总能量的性能。所发射光子的总能量的性能。显然显然1S表示每产生一个光子，核辐射所损失的能量表示每产生一个光子，核辐射所损失的能量相当于气体探测器和半导体探测器中的平均电离能。相当于气体探测器和半导体探测器中的平均电离能。常用无机闪烁体常用无机闪烁体NaI(Tl)的的1S300 eV

25、，它比半导，它比半导体和气体的平均电离能都大。体和气体的平均电离能都大。5.1 核辐射剂量监测方法和仪表核辐射剂量监测方法和仪表School of Nuclear Science and Technology5.1.2 闪烁探测器闪烁探测器闪烁体的特性：闪烁体的特性：2）发光光谱）发光光谱 闪烁体受核辐射照射时所发射的荧光不是单色的，且闪烁体受核辐射照射时所发射的荧光不是单色的，且不同波长的光子数目也不一样。不同波长的光子数目也不一样。光子数随波长的分布曲线称为闪烁体的发光光谱。光子数随波长的分布曲线称为闪烁体的发光光谱。选用的闪烁体的发光光谱要与所用光电倍增管的光谱响选用的闪烁体的发光光谱要

26、与所用光电倍增管的光谱响应相匹配，才能在光阴极上产生较多的光电子。应相匹配，才能在光阴极上产生较多的光电子。3）发光衰减时间）发光衰减时间4)光衰减长度光衰减长度光子数衰减到原来光子数衰减到原来1/e时时,光子在闪烁体中通过的路程光子在闪烁体中通过的路程长度称为光衰减长度。标志着闪烁体所能使用的最大长度称为光衰减长度。标志着闪烁体所能使用的最大尺度。尺度。5.1 核辐射剂量监测方法和仪表核辐射剂量监测方法和仪表School of Nuclear Science and Technology5.1.2 闪烁探测器闪烁探测器闪烁体的选用：闪烁体的选用：1）所选闪烁体的种类和尺寸应适应于所探测射线的

27、种类、）所选闪烁体的种类和尺寸应适应于所探测射线的种类、强度及能量，也就是说使选用闪烁体在测量一种射线时强度及能量，也就是说使选用闪烁体在测量一种射线时能排除其它射线的干扰。能排除其它射线的干扰。一般测量一般测量强度时用强度时用ZnS（Ag）闪烁体或）闪烁体或CsI（Tl）晶体。）晶体。测量测量射线和中子时用有机闪烁体，大都用塑料闪烁体，射线和中子时用有机闪烁体，大都用塑料闪烁体，或液体有机闪烁体。测量或液体有机闪烁体。测量射线用射线用Nal（Tl）或）或CsI（Tl）晶体，对低能晶体，对低能X射线或高能射线或高能则可用则可用BGO。2）闪烁体的发射光谱应尽可能好地和所用光电倍增管的光）闪烁体

28、的发射光谱应尽可能好地和所用光电倍增管的光谱响应配合，以获得高的光电产额。谱响应配合，以获得高的光电产额。5.1 核辐射剂量监测方法和仪表核辐射剂量监测方法和仪表School of Nuclear Science and Technology5.1.2 闪烁探测器闪烁探测器闪烁体的选用：闪烁体的选用：3）闪烁体对所测的粒子有较大的阻止本领，使入射粒）闪烁体对所测的粒子有较大的阻止本领，使入射粒子在闪烁体中损耗较多的能量。子在闪烁体中损耗较多的能量。4）闪烁体的发光效率足够高，有较好的透明度和较小）闪烁体的发光效率足够高，有较好的透明度和较小折射率以便闪烁体发射的光子尽量被收集到光电倍增折射率以

29、便闪烁体发射的光子尽量被收集到光电倍增管的光阴极上。管的光阴极上。5）在作时间分辨计数或短寿命放射性活度测量中，应）在作时间分辨计数或短寿命放射性活度测量中，应选取发光衰减时间短及能量转换效率高的闪烁体。选取发光衰减时间短及能量转换效率高的闪烁体。6）作为能谱测量时，要考虑发光效率对能量响应的线）作为能谱测量时，要考虑发光效率对能量响应的线性范围。性范围。5.1 核辐射剂量监测方法和仪表核辐射剂量监测方法和仪表School of Nuclear Science and Technology5.1.2 闪烁探测器闪烁探测器光电倍增管光电倍增管光电倍增管主要由光阴极、倍增极和阳极组成，它们都光电倍

30、增管主要由光阴极、倍增极和阳极组成，它们都被密封在高真空度的玻璃管内。被密封在高真空度的玻璃管内。光阴极是接收入射光子并放出光电子的电极。光阴极是接收入射光子并放出光电子的电极。倍增极用来作光电子的倍增用，要求倍增极有较高的电倍增极用来作光电子的倍增用，要求倍增极有较高的电子收集效率和较高的二次电子发射率。子收集效率和较高的二次电子发射率。阳极用来收集从最后一个倍增极发射的二次电子，在阳阳极用来收集从最后一个倍增极发射的二次电子，在阳极负载上形成电脉冲信号。极负载上形成电脉冲信号。聚焦极和加速电极。聚焦极用来把光阴极发射的光电子聚焦极和加速电极。聚焦极用来把光阴极发射的光电子聚焦到第一倍增极上

31、，增加光电子收集效率，加速电聚焦到第一倍增极上，增加光电子收集效率，加速电极使电子获得加速，减少电子的渡越时间。极使电子获得加速，减少电子的渡越时间。5.1 核辐射剂量监测方法和仪表核辐射剂量监测方法和仪表School of Nuclear Science and Technology5.1.2 闪烁探测器闪烁探测器光电倍增管光电倍增管5.1 核辐射剂量监测方法和仪表核辐射剂量监测方法和仪表School of Nuclear Science and Technology5.1.2 闪烁探测器闪烁探测器光电倍增管的性能指标光电倍增管的性能指标1）光阴极灵敏度和光谱响应）光阴极灵敏度和光谱响应阴极

32、光照灵敏度定义为用标准白光阴极光照灵敏度定义为用标准白光(国际电工委员会规国际电工委员会规定的色温为定的色温为2856K的钨丝白炽灯作光源的钨丝白炽灯作光源)照射光阴极照射光阴极时，光阴极产生的光电子流时，光阴极产生的光电子流(单位单位A)与照射光通量与照射光通量(单位单位lm)之比。之比。量子效率定义为一定波长的光照射光阴极，光阴极发射量子效率定义为一定波长的光照射光阴极，光阴极发射的光电子数与入射光子数之比的光电子数与入射光子数之比(用百分数表示用百分数表示)。量子。量子效率实为光电转换效率效率实为光电转换效率(又叫量子转换效率又叫量子转换效率)，它是波，它是波长的函数。长的函数。光阴极的

33、光谱响应是指量子效率随波长变化的关系曲线光阴极的光谱响应是指量子效率随波长变化的关系曲线5.1 核辐射剂量监测方法和仪表核辐射剂量监测方法和仪表School of Nuclear Science and Technology5.1.2 闪烁探测器闪烁探测器光电倍增管的性能指标光电倍增管的性能指标2）倍增系数和阳极光照灵敏度）倍增系数和阳极光照灵敏度倍增系数定义为在一定工作电压下，阳极输出电流和阴倍增系数定义为在一定工作电压下，阳极输出电流和阴极光电子流之比。极光电子流之比。若每个倍增极的二次发射系数均为若每个倍增极的二次发射系数均为，倍增极级数为，倍增极级数为n，各倍增极电子收集效率为各倍增极

34、电子收集效率为，则倍增系数，则倍增系数M=()n。阳极光照灵敏度阳极光照灵敏度(单位单位A/lm)定义为在一定工作电压下，定义为在一定工作电压下，用标准白光照射光阴极时，阳极电流与照射光通量之用标准白光照射光阴极时，阳极电流与照射光通量之比。比。5.1 核辐射剂量监测方法和仪表核辐射剂量监测方法和仪表School of Nuclear Science and Technology5.1.2 闪烁探测器闪烁探测器光电倍增管的性能指标光电倍增管的性能指标3）暗电流）暗电流光电倍增管在完全没有光照射情况下，在一定工作电压光电倍增管在完全没有光照射情况下，在一定工作电压时测得的阳极电流称为暗电流。时测

35、得的阳极电流称为暗电流。暗电流形成的原因：？暗电流形成的原因：？主要是由于光阴极热电子发射，光电倍增管内残余气体主要是由于光阴极热电子发射，光电倍增管内残余气体电离及激发、窗材料含有的少量放射性核素、高压尖电离及激发、窗材料含有的少量放射性核素、高压尖端放电等，这些都会产生噪声脉冲。端放电等，这些都会产生噪声脉冲。低温使用，减小暗电流。低温使用，减小暗电流。5.1 核辐射剂量监测方法和仪表核辐射剂量监测方法和仪表School of Nuclear Science and Technology5.1.2 闪烁探测器闪烁探测器光电倍增管的性能指标光电倍增管的性能指标4）阳极脉冲上升时间和渡越时间）

36、阳极脉冲上升时间和渡越时间阳极输出脉冲前沿部分，从峰值的阳极输出脉冲前沿部分，从峰值的10上升到峰值的上升到峰值的90所需时间定义为阳极脉冲上升时间，简称为脉所需时间定义为阳极脉冲上升时间，简称为脉冲上升时间。冲上升时间。渡越时间是指光子到达光阴极的瞬间到阳极输出脉冲达渡越时间是指光子到达光阴极的瞬间到阳极输出脉冲达到某一指定值之间的时间间隔。从物理意义上来讲，到某一指定值之间的时间间隔。从物理意义上来讲，仅指光信号转变为电信号的延迟时间。仅指光信号转变为电信号的延迟时间。分辨时间：分辨时间：10-9s量级量级5.1 核辐射剂量监测方法和仪表核辐射剂量监测方法和仪表School of Nucl

37、ear Science and Technology5.1.2 闪烁探测器闪烁探测器光电倍增管的选用光电倍增管的选用灵敏度高、暗电流小、分辨时间小、光谱响应好、性能灵敏度高、暗电流小、分辨时间小、光谱响应好、性能稳定。稳定。注意事项：注意事项：1）暗盒透光时，绝不能加高压。）暗盒透光时，绝不能加高压。2）为减小噪声，在绝对黑暗中工作，预加电达到稳定。）为减小噪声，在绝对黑暗中工作，预加电达到稳定。3）磁场影响大，需磁屏蔽。）磁场影响大，需磁屏蔽。4）选取高稳定的分压电阻，焊在管座上。管座绝缘。）选取高稳定的分压电阻，焊在管座上。管座绝缘。5）聚焦式光电倍增管各电极间电压有确定关系，电压）聚焦式

38、光电倍增管各电极间电压有确定关系，电压比要调节好，特别是前比要调节好，特别是前3个打拿极。个打拿极。6）根据脉冲幅度选择信号引出极。）根据脉冲幅度选择信号引出极。5.1 核辐射剂量监测方法和仪表核辐射剂量监测方法和仪表School of Nuclear Science and Technology5.1.2 闪烁探测器闪烁探测器闪烁探测器的性能指标闪烁探测器的性能指标 1）能量分辨率）能量分辨率闪烁探测器的能量分辨率取决于荧光光子数和倍增系数闪烁探测器的能量分辨率取决于荧光光子数和倍增系数的统计涨落、光电转换效率的误差等。的统计涨落、光电转换效率的误差等。2）探测效率）探测效率3）时间分辨率）

39、时间分辨率4）闪烁体辐照损伤：随着辐照剂量的增加光输出会减）闪烁体辐照损伤：随着辐照剂量的增加光输出会减弱。下表给出不同闪烁体抗辐照的性能（光输出下弱。下表给出不同闪烁体抗辐照的性能（光输出下降降20%时）。时）。5.1 核辐射剂量监测方法和仪表核辐射剂量监测方法和仪表School of Nuclear Science and Technology5.1.3 半导体探测器半导体探测器半导体探测器的探测原理与电离室类似，但探测介质是半导体探测器的探测原理与电离室类似，但探测介质是半导体。那末，是否只要用一块半导体材料代替气体半导体。那末，是否只要用一块半导体材料代替气体就行了呢？就行了呢？PN结

40、结5.1 核辐射剂量监测方法和仪表核辐射剂量监测方法和仪表School of Nuclear Science and Technology5.1.3 半导体探测器半导体探测器辐射产生的电子空穴对基本上能全部被收集。辐射产生的电子空穴对基本上能全部被收集。电子空穴对数目电子空穴对数目N0与入射粒子能量与入射粒子能量E0成正比关系，则成正比关系，则输出电路上产生的电压脉冲幅度为：输出电路上产生的电压脉冲幅度为：如果带电粒子的全部能量均消耗在结区，则通过测量脉如果带电粒子的全部能量均消耗在结区，则通过测量脉冲信号的幅度，就可以测定带电粒子的能量。冲信号的幅度，就可以测定带电粒子的能量。5.1 核辐射

41、剂量监测方法和仪表核辐射剂量监测方法和仪表WCeECeNVm00School of Nuclear Science and Technology5.1.3 半导体探测器半导体探测器半导体探测器的工作原理类似于电离室，但它比电离室半导体探测器的工作原理类似于电离室，但它比电离室有些明显的优点：有些明显的优点：1） 能量分辨率高能量分辨率高半导体的主要优点是它的电离能低，硅和锗的电离能大半导体的主要优点是它的电离能低，硅和锗的电离能大约为约为3eV，而气体探测器产生一个离子对大约需要？，而气体探测器产生一个离子对大约需要？eV。因此同样能量的带电粒子在半导体内产生的电。因此同样能量的带电粒子在半导

42、体内产生的电子空穴对是气体探测器离子对的子空穴对是气体探测器离子对的 倍之多。电子倍之多。电子空穴对的统计涨落小得多，半导体探测器的能量分辨空穴对的统计涨落小得多，半导体探测器的能量分辨率要好得多。率要好得多。5.1 核辐射剂量监测方法和仪表核辐射剂量监测方法和仪表School of Nuclear Science and Technology5.1.3 半导体探测器半导体探测器半导体探测器的优点半导体探测器的优点2）空间分辨率高）空间分辨率高半导体的密度比气体密度大许多（三个数量级），半导半导体的密度比气体密度大许多（三个数量级），半导体探测器和电离室输出同样大小脉冲时，半导体探测体探测器和

43、电离室输出同样大小脉冲时，半导体探测器体积可小许多。因而可以制成高空间分辨的探测器。器体积可小许多。因而可以制成高空间分辨的探测器。3）时间响应快）时间响应快4）测量电离辐射的能量时，线性范围宽。）测量电离辐射的能量时，线性范围宽。半导体探测器的主要缺点是：半导体探测器的主要缺点是：1）对辐射损伤较灵敏，受强辐照后性能变差。）对辐射损伤较灵敏，受强辐照后性能变差。2）常用的锗探测器，需要在低温（液氮）条件下工作，）常用的锗探测器，需要在低温（液氮）条件下工作，甚至要求在低温下保存，使用不便。甚至要求在低温下保存，使用不便。5.1 核辐射剂量监测方法和仪表核辐射剂量监测方法和仪表School o

44、f Nuclear Science and Technology5.1.3 半导体探测器半导体探测器半导体探测器的材料主要是硅和锗。根据探测器的制作半导体探测器的材料主要是硅和锗。根据探测器的制作方法和材料的不同，主要分为三种类型：方法和材料的不同，主要分为三种类型：PN结结型型;锂漂移型；高纯锗型。锂漂移型；高纯锗型。PN结型结型根据根据PN结制造方法的不同，又可以分为面垒型和离子结制造方法的不同，又可以分为面垒型和离子注入型注入型PN结半导体探测器。结半导体探测器。常用的面垒型探测器是金硅面垒探测器。主要用于测量常用的面垒型探测器是金硅面垒探测器。主要用于测量带电粒子能谱。较厚的才可探测低

45、能带电粒子能谱。较厚的才可探测低能X射线。射线。PN结型半导体探测器的一个缺点是灵敏区厚度很难达结型半导体探测器的一个缺点是灵敏区厚度很难达到到2mm以上。它在探测重带电粒子方面有着广泛的以上。它在探测重带电粒子方面有着广泛的应用，但对于穿透力很强的应用，但对于穿透力很强的射线就不适用了。（？）射线就不适用了。（？）5.1 核辐射剂量监测方法和仪表核辐射剂量监测方法和仪表School of Nuclear Science and Technology5.1.3 半导体探测器半导体探测器锂漂移型锂漂移型锂漂移型可以很好地解决这个问题，它的灵敏区厚度可锂漂移型可以很好地解决这个问题，它的灵敏区厚度

46、可以达到以达到10 mm以上。以上。锂漂移锗探测器锂漂移锗探测器 Ge（Li）和锂漂移硅探测器）和锂漂移硅探测器Si（Li）5.1 核辐射剂量监测方法和仪表核辐射剂量监测方法和仪表School of Nuclear Science and Technology5.1.3 半导体探测器半导体探测器锂漂移型锂漂移型锗的禁带宽度较小，常温下热激发产生的载流子较多，反锗的禁带宽度较小，常温下热激发产生的载流子较多，反向电流较大，噪声较大，所以向电流较大，噪声较大，所以Ge（Li）探测器必须持续）探测器必须持续地在低温下储存和工作。地在低温下储存和工作。又由于又由于Ge的表面态影响比较严重，面电流大，探

47、测器必须的表面态影响比较严重，面电流大，探测器必须保持在压力低于保持在压力低于1.333103Pa的真空条件下。的真空条件下。实际应用的实际应用的Ge（Li）探测器都是密封在真空低温恒温器中，）探测器都是密封在真空低温恒温器中，低温恒温器与杜瓦瓶中的液氮接触。低温恒温器与杜瓦瓶中的液氮接触。 Si（Li）探测器可在常温下保存，使用时为提高能量分辨率）探测器可在常温下保存，使用时为提高能量分辨率放置在液氮温度下。放置在液氮温度下。杜瓦瓶的尺寸和质量都远大于探测器本身，因此移动很不杜瓦瓶的尺寸和质量都远大于探测器本身，因此移动很不方便。已被方便。已被HPGe取代。取代。5.1 核辐射剂量监测方法和

48、仪表核辐射剂量监测方法和仪表School of Nuclear Science and Technology5.1.3 半导体探测器半导体探测器高纯锗型（高纯锗型（HPGe） 在在20世纪世纪70年代研制出来的一种新型半导体探测器。年代研制出来的一种新型半导体探测器。这种探测器本质上也是这种探测器本质上也是PN结型半导体探测器。结型半导体探测器。目前高纯锗的杂质浓度可以降低到（目前高纯锗的杂质浓度可以降低到（1091010）原）原子子/ cm3（这就是高纯锗之意），相应的电阻率很高，（这就是高纯锗之意），相应的电阻率很高，使偏压不到使偏压不到1000V时耗尽深度就可以达到时耗尽深度就可以达到1

49、0mm，所以可获得较大的灵敏体积。所以可获得较大的灵敏体积。高纯锗探测器的基体可以是高纯锗探测器的基体可以是P型高纯锗，也可以是型高纯锗，也可以是N型型高纯锗。高纯锗。5.1 核辐射剂量监测方法和仪表核辐射剂量监测方法和仪表CEeCeNVm0School of Nuclear Science and Technology5.1.3 半导体探测器半导体探测器高纯锗型（高纯锗型（HPGe） 高纯锗探测器虽然可以不在低温下保存，但需要在低温高纯锗探测器虽然可以不在低温下保存，但需要在低温下工作，以提高能量分辨率。下工作，以提高能量分辨率。化合物半导体探测器化合物半导体探测器HgI2、CdTe和和Ga

50、As，三种半导体材料的禁带宽度均，三种半导体材料的禁带宽度均较大，在室温条件下热激发较小，所以可在室温条件较大，在室温条件下热激发较小，所以可在室温条件下工作。下工作。它们的原子序数和密度都比锗大，特别是前二者，所以它们的原子序数和密度都比锗大，特别是前二者，所以同样条件下对同样条件下对射线的探测效率也就更高。射线的探测效率也就更高。当然化合物半导体探测器也有问题要解决。当然化合物半导体探测器也有问题要解决。5.1 核辐射剂量监测方法和仪表核辐射剂量监测方法和仪表School of Nuclear Science and Technology5.1.3 半导体探测器半导体探测器特性参数：特性参

51、数：1）灵敏度厚度）灵敏度厚度2）结电容）结电容Cd应用应用:和带电粒子和带电粒子能谱仪能谱仪5.1 核辐射剂量监测方法和仪表核辐射剂量监测方法和仪表School of Nuclear Science and Technology5.1.4 剂量学探测器剂量学探测器1）热释光探测器）热释光探测器 辐射产生的电子和空穴在晶格内运动的过程中，可能被辐射产生的电子和空穴在晶格内运动的过程中，可能被陷阱俘获而落入深度不同的陷阱能级中或落入杂质原陷阱俘获而落入深度不同的陷阱能级中或落入杂质原子在禁带所形成的能级（图中子在禁带所形成的能级（图中F、G 能级）中。能级）中。陷阱是指磷光体内晶格的不完整性所引

52、起的一些与导带陷阱是指磷光体内晶格的不完整性所引起的一些与导带底部能距小的能级（如图中底部能距小的能级（如图中A、B 能级）。能级）。这些被俘获的电子，只有通过热激发到达导带，才能同这些被俘获的电子，只有通过热激发到达导带，才能同发光中心复合而发光。发光中心复合而发光。显然，提高磷光体的温度，可以使贮存于其中的辐射能显然，提高磷光体的温度，可以使贮存于其中的辐射能加速地释放出来。这一现象称为热释发光。加速地释放出来。这一现象称为热释发光。5.1 核辐射剂量监测方法和仪表核辐射剂量监测方法和仪表School of Nuclear Science and Technology5.1.4 剂量学探测

53、器剂量学探测器1）热释光探测器）热释光探测器 加热放出的总光子数与陷阱中释放出的电子数成正比。加热放出的总光子数与陷阱中释放出的电子数成正比。而总电子数又与磷光体最初吸收的辐射能量成正比。而总电子数又与磷光体最初吸收的辐射能量成正比。因此，可以通过测量总光子数来探测各种核辐射。因此，可以通过测量总光子数来探测各种核辐射。加热磷光体，可以使落在陷阱能级上的电子释放出来。加热磷光体，可以使落在陷阱能级上的电子释放出来。在不同的温度，释放出来的光能量不同；光强峰值对在不同的温度，释放出来的光能量不同；光强峰值对应的温度近似地反映了陷阱的深度。应的温度近似地反映了陷阱的深度。图图6.24表示了表示了L

54、iF逐渐升温加热的发光强度曲线。逐渐升温加热的发光强度曲线。热释光磷光体经辐照后，其所贮存的能量在室温下会自热释光磷光体经辐照后，其所贮存的能量在室温下会自行衰退。实际使用可以采取措施，在一定程度上消除行衰退。实际使用可以采取措施，在一定程度上消除衰退对测量结果的影响。衰退对测量结果的影响。5.1 核辐射剂量监测方法和仪表核辐射剂量监测方法和仪表School of Nuclear Science and Technology5.1.4 剂量学探测器剂量学探测器1）热释光探测器）热释光探测器 许多天然矿石和人工合成的物质都具有热释光特性。但许多天然矿石和人工合成的物质都具有热释光特性。但要作为探

55、测元件使用，还应满足一定要求：陷阱密度要作为探测元件使用，还应满足一定要求：陷阱密度高、发光效率高、在常温下被俘获的电子能长期贮存，高、发光效率高、在常温下被俘获的电子能长期贮存，即自行衰退性小、发光曲线比较简单、最好是有效原即自行衰退性小、发光曲线比较简单、最好是有效原子序数低的材料。子序数低的材料。 ？常用有氟化锂（常用有氟化锂（LiF），氟化钙（），氟化钙（CaF2），硼酸锂），硼酸锂Li2B4O7(Mn)，氧化铍（，氧化铍（BeO），硫酸钙），硫酸钙CaSO4(Dy)最常用的是最常用的是LiF，它衰退较小，能量响应好，但制作工，它衰退较小，能量响应好，但制作工艺较复杂，灵敏度不够高。艺

56、较复杂，灵敏度不够高。5.1 核辐射剂量监测方法和仪表核辐射剂量监测方法和仪表School of Nuclear Science and Technology5.1.4 剂量学探测器剂量学探测器1）热释光探测器）热释光探测器 热释光测量系统组成：热释光测量系统组成：加热发光的测量装置可分为：加热部分、光电转换部分、加热发光的测量装置可分为：加热部分、光电转换部分、输出显示部分。输出显示部分。由加热和光电转换部分组成为测量探头。由加热和光电转换部分组成为测量探头。加热发光的测量是通过光电倍增管将光信号转变为电信加热发光的测量是通过光电倍增管将光信号转变为电信号的，因此，光电倍增管管是探头的核心部

57、分。对探号的，因此，光电倍增管管是探头的核心部分。对探头的要求是：收集磷光体所发光的效率尽可能高；头的要求是：收集磷光体所发光的效率尽可能高；尽可能降低其它因素产生的噪声，如热噪声、光电尽可能降低其它因素产生的噪声，如热噪声、光电倍增管噪声等；探测效率稳定。倍增管噪声等；探测效率稳定。5.1 核辐射剂量监测方法和仪表核辐射剂量监测方法和仪表School of Nuclear Science and Technology5.1.4 剂量学探测器剂量学探测器1）热释光探测器）热释光探测器 探头一般包括以下几部分：探头一般包括以下几部分：（1）加热盘。通常由厚为）加热盘。通常由厚为0.2mm左右的不

58、锈钢片，钽片左右的不锈钢片，钽片或电阻钢带按一定形状冲压而成。要求加热盘在高温下或电阻钢带按一定形状冲压而成。要求加热盘在高温下不变形，不易氧化及金属表面的光泽基本不变。也可在不变形，不易氧化及金属表面的光泽基本不变。也可在加热盘上镀上一层银。加热盘上镀上一层银。（2）温度传感器。温度传感器通常用热电偶。常用的有镍）温度传感器。温度传感器通常用热电偶。常用的有镍铬铬-镍铝，镍铬镍铝，镍铬-青铜或铜青铜或铜-康铜等热电偶。它通常点烽康铜等热电偶。它通常点烽在加热盘下面的中心处。在加热盘下面的中心处。（3）滤光片。各种波光片具有各自特定的透射光谱曲线，）滤光片。各种波光片具有各自特定的透射光谱曲线

59、，它基本上要与所用的磷光体的发光光谱一致，使磷光体它基本上要与所用的磷光体的发光光谱一致，使磷光体发出的光大部分透过，其它光谱则被滤去。发出的光大部分透过，其它光谱则被滤去。5.1 核辐射剂量监测方法和仪表核辐射剂量监测方法和仪表School of Nuclear Science and Technology5.1.4 剂量学探测器剂量学探测器1）热释光探测器）热释光探测器 探头一般包括以下几部分：探头一般包括以下几部分：（4）光导。光导是用透明的光学玻璃或有机玻璃做成。）光导。光导是用透明的光学玻璃或有机玻璃做成。它使光电倍增管和加热致之间有一定距离，以减少加它使光电倍增管和加热致之间有一定

60、距离，以减少加热盘的电磁干扰及高温对光电倍增管工作的影响，并热盘的电磁干扰及高温对光电倍增管工作的影响，并能使磷光体发出的光有效地输送至光电倍增管的光阴能使磷光体发出的光有效地输送至光电倍增管的光阴极。极。（5）光电倍增管。）光电倍增管。光电倍增管是探头的重要部件，其性能好坏和其工作状光电倍增管是探头的重要部件，其性能好坏和其工作状况对测量结果有很大影响。因此，一般应选择光电倍况对测量结果有很大影响。因此，一般应选择光电倍增管的光阴极应具有高的光量子效率、其光谱特性与增管的光阴极应具有高的光量子效率、其光谱特性与磷光体的热释光光谱相匹配，暗电流要极低。磷光体的热释光光谱相匹配，暗电流要极低。5