北航原子核物理课件

§3.2

核辐射探测器核辐射探测器：通过核辐射与物质相互作用提供有关核辐射信息并对其进行分析处理的实验仪器。由探测器本身和测量仪器设备组成不同类型探测器的主要特征是利用核辐射与物质相互作用的不同过程电离型核辐射探测器：气体电离室、正比计数器、盖格-米勒技术管、半导体探测器、云室、火花室和径迹探测器激发、分解型探测器：核辐射与物质相互作用使阻止介质的原子或分子激发、分离：如闪烁探测器、核乳胶等。按工作状态可分为脉冲型和平均电流型：单个核辐射粒子与介质的相互作用大量射线粒子与探测器相互作用的平均效果（核反应堆、核电站）按功能分：计数器、能谱仪、位置灵敏探测器、时间探测器。在高能物理和中高能重离子核反应实验中，需要成百上千的探测器，在计算机统一操纵下协同工作构成一个多探测器系统以尽可能完全地提供有关一个物理事件的各种测量。1、气体探测器特点：探测器灵敏体积大小和形状几乎不受限制没有核辐射损伤或极易恢复以及运行经济可靠等包括三类处于不同工作状态的探测器：电离室正比室雪崩室工作原理中心丝为阳极充入工作气体[如Ar（90%）和CH4(10%)]射线粒子进入灵敏体积，与工作气体分子相互作用产生N对电子-离子对，在收集电场作用下，正离子和电子分别向内壁和中心丝运动。I区：收集的离子对数目随收集电压而增加—未被完全收集II区（饱和区或电离室区）：收集电压实现了对射线粒子在工作气体中产生离子对的完全收集。

–5

MeV的能量损失，全部收集所产生的电离，其总电荷为–

当输出电容，输出电压为305

·106Q

=·1.6

·10-19

C

=

2.67

·10-14

C-12C

=

20

·10

F2.67

·10-14DV

=V

=

1.33mV20

·10-12电离室对入射核辐射的时间响应受到正离子和电子收集时间的限制，具有较慢的时间特性，一般在几十微秒到几百微秒之间。III区为正比区或限制正比区：收集的总电荷量不再等于射线粒子产生的电荷量，而由于气体的放大过程，使收集的总电量变为MQ，M称为放大倍数。正比区：M只决定于工作电压，收集的电量与射线粒子在灵敏体积内产生的总离子对数目成正比限制正比区：严格的正比不再成立通常的正比室都工作在正比区，M

可达104优点：大大增大了气体探测器输出信号的幅度—减小了噪声，提高了信噪比，简化了所需的测量设备工作气体中电场强度增加，离子漂移速度可以提高，探测器的时间反应改进，可达几微秒缺点：气体放大倍数对工作电压十分灵敏，工作电压微小变化会较大地影响探测器的输出信号IV区（雪崩区）：盖革-米勒计数管和雪崩室就工作在这个区域。收集的离子对数目与射线粒子在工作气体中产生的离子对数目无关。只能用作计数输出信号大、简单经济快的时间相应—提供时间信号和触发信号（1）脉冲电离室（II区）脉冲型电离室用作研究电离辐射的单个粒子，电荷收集过程的细节具有重要意义如果只要得到电离辐射的粒子数目，只需脉冲幅度超过与之相连的放大器下阈，而脉冲宽度足够窄以便区分随后到来的下一个脉冲就可以了如果希望研究时间关系，则需知道电离辐射粒子达到电离室并产生脉冲的时间。如果进行能量测量，则需知道脉冲幅度和在其灵敏体积中电离数量的关系脉冲电离室在放大器输入端产生脉冲形状取决于原始电离离子对在收集电极上产生感应电荷随时间的变化讨论平行板脉冲电离室的电压脉冲形状时刻在

𝟎

处有N

对正负离子产生，正负离子分别向高压电极（负高压）和收集电极漂移时，时刻在收集电极上产生的感应电荷为收集电极电压变化为d

d+d

-

x d

-

x-

q(t)

=

Ne-x+

=

x0

+

w+tx-

=

x0

-

w-tNedd+-d

-

x d

-

xV

(t)

=-c

正负离子漂移速度决定脉冲上升快慢和宽度𝒅ି𝒙𝟎𝝎శ，收集的是正负电荷离子脉冲电离室：所形成输出脉冲优点是脉冲高度正比于初始离子对数N，而与在室中原始离子产生地点无关缺点是正离子收集时间是几毫秒，因而只适用于低计数率情形（小于100次/秒）电子脉冲电离室：使用几乎不俘获电子形成负离子的工作气体，选择电路于ି

，典型值约为值远小于ା

,而稍大

nsV

(t)

=

Ne

(-x0

+

x0

-w-t

)

=

-

New-tc

d

dc输出脉冲幅度与N

对离子对产生地点有关，不能作为辐射粒子损失能量的标度屏珊电离室结构示意图（2）正比室特点：在收集由电离辐射产生的原始电离过程中,存在气体放大效应。a:阳极丝半径b:阴极丝内半径阴极：金属管壳，或者玻璃管壳内壁的金属镀层，其材料为高脱出功的金属。阳极：直径几十微米的钨丝。

V

r

ln(b

/

a)E(r)

=适合测量低电离辐射粒子的能量，并且可以忍受较高的计数率多丝正比室：好的时间特性（几百皮秒）和空间分辨（毫米量级）2、闪烁探测器原理：核辐射与物质相互作用会使阻止介质原子被激发，当这些被激发原子退激回到激发态时会发射光脉冲即称作闪烁。早在20世纪初，卢策福利用这个探测方法建立了原子的核式结构模型现代：不仅能确定核辐射的存在及强弱，而且可以测定入射粒子的能量或能量分布甚至可以辨别其种类有效且最具广泛适用性的探测器闪烁探测器工作过程闪烁体对核辐射的吸收及其组成原子的电离和激发在闪烁体中光脉冲的产生、即通过荧光过程将射线在闪烁体中的损失能量转换成发射光子的能量闪烁光子尽可能有效地从闪烁体传输到光电倍增管的光阴极光子被光阴极吸收，通过光电效应产生光电子光电倍增管对电子进行倍增后，在阳极上获得电流或电压脉冲对光电倍增管输出信号进行处理分析最终获得测量数据•设

𝒆

代表在一次闪烁中光电倍增管光阴极发射，并被第一个倍增电极收集到的光电子数目，为光电倍增管的电子倍增系数。于是，光电倍增管输出的总电荷量为Q

=

Menene

=

EFnCnpTp

Fp

Sm

fFe为入射核辐射粒子的能量𝒏

为闪烁体吸收核辐射总能量的份额– 𝑪𝒏𝒑

为闪烁体的固有效率—代表在闪烁体中核辐射消耗能量被转换成光能量的效率𝑻𝒑

为闪烁体对本身所发闪烁光的透明系数𝑭𝒑

代表𝑻𝒑

=𝟏

时能够到达光电倍增管光阴极的光子份额𝑺𝒎

代表光阴极在最灵敏波长的灵敏度，其数值表示在光阴极上单位电子伏特的光能释放出光电子数目f

代表光阴极光谱灵敏度与闪烁体发射光谱分布的匹配程度– 𝑭𝒄

代表光电倍增管第一倍增电极收集光电子的份额0npCnp

(l)dl¥C

=01npnp

mC

S¥C

(l)S(l)dlf

=𝒏𝒏𝒑

代表了在闪烁体中入射粒子能量转换成光能的数量。𝒑

𝒑代表在全部光中有多大份额到达光电倍增管的光阴极。𝒎𝒄

代表每单位光照射光阴极时，能够被第一个倍增电极收集的光电子数目挑选闪烁探测器的各种部件及在组装、调试过程中权衡各个因子使其乘积达到最大如需测量能量，还要保证总的输出电量与核辐射在闪烁体中的能量损失成正比。（1）闪烁体无机闪烁体：包含重元素有机闪烁体：芳香族碳氢化合物需要的特性：能高效率地将核辐射能量转换成荧光辐射能量对自己发射的荧光辐射是透明的荧光辐射的衰减时间短：有机ns量级；无机长10-100倍。闪烁体的发射光谱应与可用的光电倍增管光阴极的响应相匹配。典型闪烁体的发射光谱常见闪烁体的性能含有少量杂质铊的

NaI无机单晶是经常采用的探测 射线的闪烁体。优点：对

射线吸收效率高；发射光谱能与通常光电倍增管光阴极的光谱响应特性相匹配；可制成大尺寸晶体和不同形状；对自己发光有较好的透明性不足之处：发光衰减时间较长；容易潮解而性能变差探测快中子通常采用塑料闪烁体：优点是有快的时间特性；容易制成不同的几何形状和体积；造价较低（2）光电倍增管电真空器件。功能是将光信号转换为电信号并将其放大。都包含一个对光灵敏的光阴极，多个具有高的次级电子发射系数的倍增电极以及一个最后收集所有次级电子的阳极。主要性能指标：光电转换特性、电子倍增特性、时间特性、噪声和暗电流应用举例—NaI

单晶 谱仪3、半导体探测器基于核辐射在阻止介质中产生的电离效应无论是带电粒子还是

射线，相对于气体探测器和闪烁探测器，能量分辨率都能改善

1

至

2

个量级核辐射产生一对电子-空穴的平均能量损失为3~5个eV;气体（30eV);闪烁体（接受一个光电子，平均损失300eV)好的输出线性响应、体积小、响应快、使用方便灵活；外界电磁场对其工作影响不大缺点：灵敏体积小（102

cm3)对核辐射造成的损伤灵敏The

ParticleDetectorBriefbookModern

Semiconductor

Detectors-

position

localization

accuracy

of

5 in

one

coordinate,-

two-track

separation

down

to

10

,-

geometrical

accuracy

in

the

region

o