《传感器技术与应用》课件-11.2核辐射传感器

传感原理与应用11.2射线传感器TRANSDUCER课

程

内

容CourseContents11.1核辐射物理基础11.2核辐射传感器11.3核辐射传感器的应用课程内容CourseContents11.1核辐射物理基础11.2核辐射传感器11.3核辐射传感器的应用11.2射线传感器11.2射线传感器

一种是测量放射性物质的放射线，例如测天然放射性U(铀)、Th(钍)、K(钾)和这三个量的总量，称γ能谱仪；射线式仪器通常有两种主要形式：

另一种方式是利用放射性同位素，测量非放射性物质，根据被测物质对辐射线的吸收、反射进行检测，或者利用射线对被测物质的电离激发作用。如：测厚、探伤、X射线荧光仪测元素含量等。11.2射线传感器11.2射线传感器原理基本相同，而能量范围不同，后者传感器由射线源和探测器组成。11.2射线传感器11.2.1辐射源

射线源结构一般为丝状、圆拄状、圆片状，有点源、面源、片源。

辐射源的结构应使射线从测量方向射出，其它方向应尽量减少剂量，减少对人体的危害。X射线管激发的射线源。点源结构11.2射线传感器11.2.1辐射源同位素辐射源：辐射源的种类很多，一般选用半衰期较长的同位素，能量、强度适合的辐射源。常用同位素源见下表：11.2射线传感器11.2.2射线传感器（探测器）1）气体探测器：电离室、盖革计数管、正比计数器；2）闪烁计数器；3）半导体探测器。核辐射探测器就是接收器核辐射信号的传感器，有多类型，常用于放射性测量的有：多道谱仪11.2射线传感器闪烁计数器盖革管半导体探测器11.2射线传感器11.2.2射线传感器1）气体探测器（a.电离室）

电离室是在空气中或充有惰性气体的装置中，设置一个平行极板电容器，加几百伏高压。

高压在极板间产生电场，当粒子或射线射向两极板之间的空气（气体）时，气体分子电离，在电场作用下正离子趋向负极板，电子趋向正极板，产生电离电流。11.2射线传感器11.2.2射线传感器在外电路接一电阻R就可形成响应电压，电阻R的电压降代表辐射的强度。11.2射线传感器11.2射线传感器1）气体探测器（a.电离室）

电离室外加电压增大电流趋于饱和，一般工作在饱和区（离子能够全部达到电极上），使输出电流与外加电压无关，只正比于射线到电离室的辐射强度。11.2射线传感器1）气体探测器（a.电离室）电离室的优点是成本低寿命长；缺点是检出电流很小。α、β、γ电离室不能通用，不同粒子相同条件下效率相差很大。

电离室主要用于探测α、β射线，α粒子电离电流比β离子电离的电流大100多倍，γ粒子没有直接电离本领，效率很低。11.2射线传感器1）气体探测器（b.G-M盖格计数管）盖格-弥勒计数管简称盖格计数管，也称气体放电计数器。

一个密封玻璃管，中间阳极用钨丝材料制作，玻璃管内壁涂一层导电物质或用金属圆管作阴极，筒和丝绝缘，内部抽空充惰性气体（氖、氦）、卤族气体。11.2射线传感器1）气体探测器（b.G-M盖格计数管）

阳极与阴极间加高压。x、α、β射线入射时引起激烈的气体放大，离子沿丝传到整个计数管内，形成正离子鞘，在电场作用下正离子鞘向阴极移动形成电流；为避免到达阴极时造成连续放电现象，惰性气体灭掉放电。11.2射线传感器1）气体探测器（b.G-M盖格计数管）盖格计数管主要用于探测β粒子和γ射线，工作电压较低。由于盖格计数管放大作用，电流比电离室离子流大几千倍。特性曲线：电压U一定时，射线入射越强电流I越大，输出脉冲数N越多，a、b段称“坪曲线”；I为射线强度。11.2射线传感器G-M计数管的典型结构11.2射线传感器1）气体探测器（c.正比计数器）

正比计数器是充气型气体电离探测器，由气体作为入射射线产生电离或激发的

介质；外加一定电位的电场；（电离室）有两个电极（丝-阳极；壳-阴极）

当射线进入电离室穿过气体时与气体分子轨道上电子碰撞，使气体分子电离而形成离子对，芯线旁电场密度高电子碰撞被加速，在气体中获得足够能量使其它气体分子和

原子产生新的离子对。这一过程称为气体放大。11.2射线传感器1）气体探测器（c.正比计数器）气体分子充有气体11.2射线传感器1）气体探测器（c.正比计数器）

计数器输出脉冲大小(幅值)正比于辐射产生的电子、正离子对的数目;电子和正离子对数目，正比于气体吸收的放射线的能量。能量大——幅值高！11.2射线传感器1）气体探测器（c.正比计数器）器件工作在气体电离放电伏安特性曲线的正比区，有足够大的气体放大倍数，能量分辨率高，分辨时间短，可以进行快速计数。I:复合区II:饱和区III:正比区IV:有限正比区V:G-M工作区VI:连续放电区11.2射线传感器2）闪烁计数器闪烁体种类碘化钠晶体Nal(Tl)

闪烁计数器由闪烁体和光电倍增管组成。光电倍增管只能放大光信号不能直接放大射线信号。

闪烁体先将辐射能变为光能，光电倍增管再将光能变为电信号进行探测放大。

物质受射线作用而被激发，受激电子由激态跃迁到基态时发射出脉冲状的光，这种现象称为闪烁，而闪烁体就是一种能产生这种现象的物质。用于各种衡器11.2射线传感器2）闪烁计数器

光电倍增管是利用二次电子释放效应，高速电子撞击固体表面，发出二次电子，将光电流在光电倍增管内进行放大倍增，在阳极上形成可以测量的电流。输出电流脉冲大小与入射射线能量成正比，脉冲多少与含量成比例。

当

闪烁体受到辐射时闪烁体内的原子受激发光，光透过闪烁体射到光电倍增管的光阴极上，并激发出光电子；用于各种衡器11.2射线传感器2）闪烁计数器辐射Ut11.2射线传感器3）半导体探测器

半导体探测器是利用半导体材料制成的射线传感器；主要结构类型有：结型、面垒型、锂漂移型和高纯鍺等。图为结型半导体探测器结构，实质是一个大面积、大体积的晶体二极管（约0.01--200cm3）。在半导体材料上设置了一个阴极（高摻杂的P+层）和一个阳极（高摻杂的N+层）。11.2射线传感器（2）核衰变与核辐射

荷电粒子入射到半导体中时，会激发产生电子—空穴对，这些电子—空穴对在电场作用下形成正比于入射射线能量的电流，探测器将其转换为脉冲信号输出。11.2射线传感器3）半导体探测器

X射线、γ射线由于光电效应、康普顿效应、电子对生成等产生二次电子；高速二次电子产生更多电子

—空

穴对。

在PN结空间电荷区加足够高的偏压，因射线而电离的载流子加速，产生新的电子—空穴使载流子倍增