6核辐射探测器-(硕2)-(张)资料

1、核辐射探测器核辐射探测器上海交通大学张继革 副研究员2014年3月31日2021-12-92/59闪烁体探测器闪烁体探测器2021-12-93/59闪烁探测器闪烁探测器( (Scintillation detectorScintillation detector) )闪烁探测器是利用某些物质在核辐射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（常用光电器件为光电倍增管，射线强时用光电管）将微弱的闪烁光转变为光电子，光电子经多次倍增放大后，输出一个电脉冲。这种主要由闪烁体和光电器件组成的装置叫做闪烁探测器。2021-12-94/59组成示意图组成示意图闪烁体闪烁体光电倍

2、增管光电倍增管( (打拿极打拿极) )反射层反射层管座管座分压器分压器高压高压多道或单道多道或单道光阴极光阴极阳极阳极荧光荧光光子光子光电子光电子暗盒暗盒窗窗前置放大器前置放大器2021-12-95/59工作原理工作原理核辐射进入闪烁体，损失能量使闪烁体的原子电离和激发，激发态原子退激时发射荧光（又称闪烁光）。一个带电粒子在闪烁体中产生的光子数为：E0为带电粒子的能量；E0K1为带电粒子在闪烁体中损失的能量；C发光为闪烁体发光效率；为荧光光子的平均能量hvCKEn发光光子10hv2021-12-96/59工作原理工作原理光子从产生地点穿过闪烁体和光导到达光电倍增管的光阴极，发生光电效应，在光阴

3、极上发射光电子数为：n光子为到达光阴极的光子数；n光子为闪烁体中产生的光子数目。T透明为闪烁体的透明度（即闪烁体对光不吸收的概率；G为光阴极的收集效率）；C光电为光阴极的光电转换效率光电透明光子光电光子光电子GCTnCnn2021-12-97/59工作原理工作原理光电子首先到达第一倍增管，从光阴极到第一个倍增极的传输系数即第一个倍增极收集效率为K2。由于光电倍增管各电极的电位必须使后一级相对于前一级为正电位，所以光电子从第一倍增极飞向其后各倍增极经过倍增（飞行时间几十ns），最后在阳极上收集的电子电荷为：M为光电倍增管的倍增系数也称为放大倍数；e为基本电荷，其他符号同前。这些电荷在输出电路中会

4、产生一个电压脉冲。vhMeKGCTCKEQ/2100光电透明发光2021-12-98/59特性参量特性参量-发光效率发光效率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，故有时称为能量转换效率：发光效率常用输出S表示：显然1/S表示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。常用无机闪烁体NaI(Tl)的1/S300eV，它比半导体和气体的平均电离能都大，因此闪烁探测器的能量分辨率较差10KEvhnC光子发光10KEnS光子2021-12-99/59特性参量特性参量-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，且不同波长

5、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。选用的闪烁体的发光光谱要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2021-12-910/59特性参量特性参量-发光衰减时间发光衰减时间 带电粒子进入闪烁体后大约在10-11S时间内就损失其能量并使闪烁体的原子（或分子）激发（可以认为是同时激发的）。但受激原子（或分子）退激（发光）时间却不在同一时间，一般认为被核辐射照射后闪烁体单位时间发射的光子数（称为发光强度）为N0为t=0时受激发光的原子（分子）数（即一个带电粒子使闪烁体能发出的总光子数）；为闪烁体的发光衰减时间，也称为发光衰减时间常数 /0teNtI2

6、021-12-911/59特性参量特性参量-发光衰减时间发光衰减时间 2021-12-912/59特性参量特性参量-光衰减长度光衰减长度闪烁体发射的荧光光子在从产生地点向闪烁体与光导交界面传输过程中，由于吸收、散射而发生衰减。光子数衰减到原来的1/e时光子在闪烁体中通过的路程长度称为光衰减长度。光衰减长度标志着闪烁体所能使用的最大尺度。 2021-12-913/59常用闪烁体常用闪烁体 2021-12-914/59闪烁体的选择闪烁体的选择 所选闪烁体的种类和尺寸应适应于所探测射线的种类、强度及能量闪烁体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，以获得高的光电子产额闪烁体对所测的粒子

7、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使闪烁体发射的光子尽量被收集到光电倍增管的光阴极上在作时间分辨计数或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2021-12-915/59光的收集光的收集2021-12-916/59光电倍增管光电倍增管(Photomultiplier，PMT)光电倍增管主要由光阴极、倍增管和阳极组成。光阴极是接受入射光并放出光电子的电极。倍增极用来做光电子的倍增。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真空壳真空壳光电子轨迹光电子轨迹入射光入射光聚焦电极

8、聚焦电极半透明半透明2021-12-917/59光电倍增管光电倍增管光阴极：接收光子发射光电子的电极，由以碱金属为主要成分的半导体化合物材料构成，其光电效应几率大，光电子脱出功较小。光阴极有反射式和透射式两种电子光学输入系统：由光阴极和第一倍增极之间的聚焦极构成，作用是把光阴极各个方向上发射的光电子聚焦到第一倍增极。要求有良好的聚焦性能和高的光电子收集效率及小的渡越时间2021-12-918/59光电倍增管光电倍增管二次发射倍增系统：由813个倍增极组成，工作时各电极依次加上递增的电位。每个倍增极的电子倍增系数为， 36，则PMT的放大倍数M n，n：倍增极个数。二次电子是指倍增极上由入射电子

9、激发出来的电子，入射电子为一次电子，二次电子和一次电子数目之比为二次发射系数。要求二次发射系数大，热电子发射少，大电流工作稳定性好阳极：最后收集电子并输出信号的电极，采用电子脱出功较大且二次发射系数小能耐高温的材料，如镍、钼、钨等2021-12-919/59光电倍增管的类型光电倍增管的类型外观的不同外观的不同光阴极形式光阴极形式2021-12-920/59电子倍增系统的不同电子倍增系统的不同聚焦型：聚焦型：具有具有较快的响应时间较快的响应时间，用于，用于时间测量或时间测量或需要响应时间快的场合需要响应时间快的场合非聚焦型：非聚焦型：电子电子倍增系数较大倍增系数较大，多用于，多用于能谱测量能谱测

10、量系统系统2021-12-921/59主要性能主要性能光阴极灵敏度和光谱响应 光阴极灵敏度可用多种方法表示，常用的有阴极光照灵敏度、量子效率等。阴极光照灵敏度：标准白光照射光阴极时，光阴极产生的光电子流与照射光通量之比。量子效率：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。光阴极的光谱响应：量子效率随波长效率变化的关系曲线。2021-12-922/59主要性能主要性能倍增系数：在一定工作电压下，阳极输出电流和阴极光电子流之比。阳极光照灵敏度：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比暗电流：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。产生原

11、因：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、高压尖端放电等。2021-12-923/59主要性能主要性能阳极脉冲上升时间和渡越时间 阳极脉冲上升时间：阳极输出脉冲前沿部分，从峰值的10%上升到峰值的90%所需时间。 渡越时间：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。能量分辨率和探测效率 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。 对于、等带电粒子，探测器对它们有100%的计数效率。对于射线和中子，探测效率小于100%。 2021-12-924/59单晶闪烁谱仪单晶闪烁谱仪闪烁谱仪的组成与工作原理闪烁谱仪的

12、组成与工作原理闪烁体闪烁体、PMT以及以及配套的电子学仪器配套的电子学仪器组成。组成。X X或或射线不带电，它与闪烁体的相互作用是通射线不带电，它与闪烁体的相互作用是通过过三种三种实现的实现的，它产生的，它产生的是相当复杂的，因而由是相当复杂的，因而由的的也是相当复杂的也是相当复杂的以以NaI(Tl)闪烁晶体的单晶闪烁晶体的单晶闪烁谱仪为例闪烁谱仪为例2021-12-925/59单能射线的输出脉冲幅度谱单能射线的输出脉冲幅度谱单能单能 射线在闪烁体内产生的次电子谱射线在闪烁体内产生的次电子谱 射线与物质的相互作用射线与物质的相互作用：光子消失光子消失，产生，产生：散射光子散射光子，：光子消失光

13、子消失，产生，产生产生两个产生两个0.511MeV的湮灭光子。的湮灭光子。2021-12-926/59闪烁体足够小的情况，闪烁体足够小的情况，尺寸小于尺寸小于1cm可认为由可认为由入射入射 光子光子产生的产生的或或电电子对效应子对效应中产生的中产生的这些次级辐射这些次级辐射离开闪烁体，不再与闪烁体发生相互作用离开闪烁体，不再与闪烁体发生相互作用2021-12-927/59(hv1.022MeV)2021-12-928/59闪烁体特别大的情况闪烁体特别大的情况次级光子次级光子带走的能量也最终转化为带走的能量也最终转化为次级电子次级电子的能的能量，因此单能量，因此单能 光子入射后所产生的总的次级电

14、光子入射后所产生的总的次级电子能量就子能量就等于等于入射入射 光子的能量光子的能量EdEdNhv全能峰全能峰这种多次作用累加沉积能量的过程称为累计效应2021-12-929/59闪烁体中等大小的情况闪烁体中等大小的情况初级效应中产生的光子初级效应中产生的光子逃出闪烁体逃出闪烁体2021-12-930/59(hv1.022MeV)2021-12-931/59单能单能 射线输出脉冲幅度谱射线输出脉冲幅度谱闪烁体的一次闪烁及周围介质对脉冲幅度谱的影响示意图2021-12-932/59半导体探测器半导体探测器2021-12-933/59半导体探测器半导体探测器(semiconductor detect

15、or)20世纪60年代以后迅速发展起来的一种新型核辐射探测器，以半导体材料为探测介质。半导体探测器的工作原理和气体电离室的十分相似，故又称固体电离室半导体：常温下导电性能介于导体与绝缘体之间的材料。按化学成分可分为元素半导体和化合物半导体两大类，锗和硅是最常用的元素半导体2021-12-934/59半导体半导体半导体通过电子传导或空穴(electron hole)传导的方式传输电流。电子传导的方式与铜线中电流的流动类似，即在电场作用下高度离子化（ionization）的原子将多余的电子向着负离子化程度比较低的方向传递。空穴导电则是指在正离子化的材料中，原子核外由于电子缺失形成的“空穴”，在电场

16、作用下，空穴被少数的电子补入而造成空穴移动所形成的电流（一般称为正电流）。2021-12-935/59半导体半导体材料中载子的数量对半导体的导电特性极为重要。这可以通过在半导体中有选择的加入其他“杂质”（三、五族元素）来控制。如果我们在纯硅中掺杂少许的砷或磷（最外层有五个电子），就会多出一个自由电子，这样就形成N型半导体如果我们在纯硅中掺入少许的硼（最外层有三个电子），就反而少了一个电子，而形成一个空穴，这样就形成P型半导体（少了一个带负电荷的电子，可视为多了一个正电荷）。2021-12-936/59PN结结(PN junction)P型半导体与N型半导体相互接触时，其交界区域称为PN结。P区

17、中的自由空穴和N区中的自由电子要向对方区域扩散，造成正负电荷在 PN 结两侧的积累，形成电偶极层。电偶极层中的电场方向正好阻止扩散的进行。由于P 区中的空穴向N区扩散后与N区中的电子复合，而N区中的电子向P区扩散后与P 区中的空穴复合，这使电偶极层中自由载流子数减少而形成高阻层，故电偶极层也叫阻挡层。2021-12-937/59半导体半导体2021-12-938/59工作原理工作原理带电粒子进入半导体探测器灵敏区后与半导体相互作用，使半导体的原子电离而产生电子和空穴对（初电离）。灵敏区的电子和空穴在电场作用下分别向两电极漂移，从而在半导体探测器输出电路上形成电压脉冲。2021-12-939/5

18、9半导体探测器类型半导体探测器类型PN结型半导体探测器 将掺均匀杂质浓度的P型和N型半导体直接接触而组成的探测元件叫做PN结型半导体探测器锂漂移型半导体探测器；用P型硅或锗作基体，在基体的一面蒸镀一层金属锂，锂镀层为N区的半导体探测器高纯锗半导体探测器采用高纯度锗晶体作为探测元件的半导体探测器2021-12-940/59PN结型半导体探测器结型半导体探测器 在P型半导体上掺杂，通过补偿效应，转化为N型半导体，形成P-N结。由于密度的差异，电子和空穴朝着密度小的方向扩散。扩散的结果形成空间电荷区，建立起自建电场。在自建电场的作用下， 扩散与漂移达到平衡。形成P-N结区，也叫势垒区、耗尽区。EPN

19、2021-12-941/59PN结型半导体探测器结型半导体探测器 少数能量较高的电子空穴会穿过势垒区扩散到对方区域，形成正向电流 If由于热运动在势垒区产生电子空穴，在自建电场作用下形成反向电流 IG 扩散到势垒区的少数载流子在电场作用下也会形成反向电流 IS 达到平衡时，fI,GSIIEPNfGSIII2021-12-942/59PN结型半导体探测器结型半导体探测器 外加电场下的P-N结在P-N结上加反向电压，由于结区电阻率很高，电位差几乎都降在结区反向电压形成的电场与自建电场方向一致外加电场使结区宽度增大。反向电压越高，结区越宽EPN在外加反向电压时的反向电流：少数载流子的扩散电流，结区面

20、积不变，IS 不变；结区体积加大，热运动产生电子空穴多，IG 增大；反向电压产生漏电流 IL ，主要是表面漏电流。2021-12-943/59PN结型半导体探测器结型半导体探测器 扩散结型探测器 把施主杂质(例如磷)扩散到P型Si材料中，形成P-N结。 用高温扩散和离子注入的方法，通过控制扩散温度和扩散时间，得到1m以下的薄入射窗。 性能稳定，高温使载流子寿命减小，窗损失能量。面垒型探测器 在N型Si上蒸薄Au（金），透过Au层的氧化作用，形成P型氧化层。叫做金硅面垒探测器，Si(Au)。 入射窗薄，噪声小。光敏，耐高温特性不好。2021-12-944/59金硅面垒半导体探测器金硅面垒半导体探

21、测器 主要用于测量短射程的带电粒子的能谱测量短射程的带电粒子的能谱 。它的时间响应速度与闪烁探测器差不多，所以可用来作定时探测器。它的本底很低，适于作低本底测量优点：能量分辨率高、设备简单、使用方便缺点：灵敏体积不能做得很大，因而限制了大面积放射源的使用2021-12-945/59锂漂移型半导体探测器锂漂移型半导体探测器PN结型半导体探测器的一个缺点是灵敏区厚度很难达到2mm以上。它在探测中带电粒子方面有着广泛的应用，但对于穿透力很强的射线就不适用了锂漂移型半导体探测器可以很好的解决这个问题，它的灵敏区厚度可以达到10mm以上锂漂移型半导体探测器按其基制材料可以分成两类：锂漂移锗探测器Ge(L

22、i)和锂漂移硅探测器Si(Li)，习惯上称为锗锂和硅锂探测器2021-12-946/59锂漂移型半导体探测器锂漂移型半导体探测器用P型硅或锗作基体，在基体的一面蒸镀一层金属锂，锂在硅和锗中的电离电位很低，在室温下锂是离化的通过锂离子扩散进入基体。在合适的外加电场作用下，锂离子向半导体内部漂移，最后在半导体内部的一段区域形成了电阻率很高的本征层在锂离子未漂移到的区域内，仍为P型材料，锂镀层为N区，这样就构成了一个P-N结构的锂漂移型半导体探测器，所以也叫PIN型半导体探测器2021-12-947/59锂漂移型半导体探测器锂漂移型半导体探测器平面型同轴型2021-12-948/59高纯锗探测器高纯

23、锗探测器高纯锗探测器是在20世纪70年代研制出来的一种新型半导体探测器本质上也是PN结型半导体探测器高纯锗的杂质浓度可以降低到（1091010）原子/cm3，相应的电阻率很高，使偏压不到1000V时耗尽深度就可以达到10mm，所以可获得较大的灵敏体积按结构特点可分为：平面型和同轴型2021-12-949/59高纯锗探测器高纯锗探测器（1）一般平面型（2）沟槽式平面型（3）P型同轴型（4）N型同轴型2021-12-950/59高纯锗探测器高纯锗探测器平面型高纯锗探测器灵敏区厚度一般在510mm，可以用于测量E220MeV的粒子，E60MeV的质子，E10MeV的电子和能量E300keV的低能X和

24、射线。同轴型HPGe探测器灵敏区体积可达约400cm3，用于E10MeV的射线能量测量。2021-12-951/59其他半导体探测器其他半导体探测器 化合物半导体探测器 如碘化汞（HgI2）、锑化镉（CdTe）、砷化稼（GaAs）等特殊类型半导体探测器 全耗尽探测器 位置灵敏探测器 内放大探测器2021-12-952/59半导体探测器与电离室比较半导体探测器与电离室比较半导体探测器的工作原理类似于电离室，但它比电离室有一些明显的优点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，半导体探测器体积可小许多半导体的平均电离能（约3eV）比气体的平均电离能（约30eV）小一个数量级，带电粒子在半导体探测器内损失同样的能量产生的电子-空穴对要多得多，电子-空穴对的统计涨落小得多，半导体探测器的能量分辨率要好得多2021-12-953/59主要缺点： 对辐射损伤较灵敏，受强辐照后性能变差 常用的锗探测器，