1-2探测器概论

探测器所测量的基本物理量
微观粒子无论是否带电，我们都必须借助探测器才能 观察到它们的存在。不仅如此，我们要知道有多少粒 子、什么样的粒子、还要知道它们的物理性质、来源 等，为此，探测器要测量许多物理量。 计数和计数率，即粒子的通量或流强。 时间，粒子到达探测器的时间或相对于某时刻的时间 间隔。 能量，特别时中性粒子（中子，光子，中微子等）的 能量。 动量，主要是带电粒子的动量。 位置， 粒子产生或衰变的位置，带电粒子在探测器内 的位置和飞行的轨迹，中性粒子进入探测器的位置和 飞行方向。 粒子的分辨。区别不同性质的粒子，特别需要分辨相 同动量下不同质量的带电粒子。
« 1/τ，
R R(1 R )

活时间 事例率太高导致总死时间大，活时间小，效率低。 需去除本底（提高甄别阈、触发） 。
5.探测器的响应函数


我们要测量的物理量很多，但是探测器能直接测量的却很少。 一般都是将各种不同的物理量最终转变成电压或电流信号后 输出。为了由探测器输出的电压或电流信号获得我们所关心 得物理量，就必需知道探测器的响应。 响应函数就是探测器输出信号与所测物理量之间的函数关系： Y=f(X), X 是输出信号的大小，Y是被测物理量的值。 f(X)可能是线性函数，也可以是非线性函数。 例：被测物理量 Z 和测量得到的量的平均值<Z>之间有
2.354 N 2.354

F N
Fano因子的范围： 半导体探测器 0.06 闪烁计数器 1 探测带电粒子的惰性气体探测器（Ne, Ar） 0.17。 用氩气来测量X-ray射线时，F值在0.2-0.3之间。它与X-ray射 线能量有关。
3.探测效率


探测效率：也就是由粒子产生并被记录的脉冲的几率。 绝对的效率有两部分：一个是探测器对所测粒子的源（或 作用点）所张的立体角，可称之为几何接收效率，一个 是探测器本身的探测效率 i 。 立体角可以由实验的几何条件来计算。对于点源：
§1-2 探测器的功能
辐射源


天外的：宇宙射线 （质子、轻核、电子等） 与地球大气作用后产生次级粒子 天然的：自然界自然存在的放射性核素 人工的：用加速器，反应堆产生的放射性核素 带电粒子辐射：电子、重带电粒子 电磁辐射： X射线、 γ射线 中性粒子：中子、中微子、π0等
这些不同能量，不同来源的各种粒子或射线就是辐射与粒 子探测器的测量对象。
各种辐射与粒子探测器的工作目的




测量粒子与射线的基本性质，研究这些粒子之间的相 互作用以及它们与宏观物质的相互作用等。 将这些粒子与射线作为微小的探针来研究微观或亚微 观结构，如晶体结构、物质的表面结构、分子原子及 核结构等。 因为这些粒子来源不同，有的来至地球，有的来至太 阳，月亮或银河以外，它们会带有与源有密切关系的 信息。通过这些粒子或射线来研究我们达不到的各种 天体。 粒子与射线在工业，农业，地质，矿山，医疗，环保， 航天等领域被广泛地应用，不可替代地获得对宏观物 质的形态，结构，成分的测量与研究。并由此产生了 新的学科，新的技术，新的产业。
U ln 2

半 U0 2 2 U
2
FWHM ：U 2 U 半 U 0 2 2 ln 2 U 2.354 U
U 2.354 U U0 U0
相对分辨率被定义成标准偏差（或FWHM）与测量平均值 之比，无量纲


法诺因子修正
如果信号的涨落来源是初始带电粒子数量N 的统计涨落，并且服从泊松统计，那么当 z N 1 N>20时，响应函数基本上是髙斯分布， Z N N 其相对分辨率可以用髙斯分布的标准偏差 来表示： 一些探测的分辨率比这个值要小很多倍。这个现象叫 FANO效应。，其FANO因子F为 F= [ 观测到的分辨率/ 由泊松分布得到得期望值 ]2
虽然后两项主要是电子学和电脑软件， 但是与探测器 密切相关，特别是前端电子学，它会直接影响探测器的 信号输出。
新型探测器的发展
从上个世纪四十代闪烁探测器问世，六十年代半导体兴起，七十年代正比 多丝正比室的发明到今天，随着科学的进步，技术的发展和各个领域广泛的 应用，辐射与粒子探测器也得到飞速的发展。在科学上表现为： 能量测量范围的扩大，低能方向从KeV向更低的几十eV推进，高能方向从 KeV向 TeV及103 TeV更高的能量发展。 要测量的粒子的种类更多，除上述的粒子外，重离子加速器和放射核素的发 展要求探测各种带电的原子核。 向更快，更高计数率的发展。高能量快脉冲加速器的应用及快速在线成像， 对探测器的计数要求从103/mm2s 提高到107-8/mm2s。 时间的测量的精度由s发展到ps，甚直向fs进军。、 位置测量精度由cm, mm 发展到几m 。 低计数率，低本底的测量要求探测器有好的性能外，本身不具有放射性。 低阈能的大规模探测器的发展。宏大的探测器为测量能量低于10KeV量级 的辐射，必须提髙探测器的灵敏度，降低探测器和相关电子学的噪声，降低 环境本底。 在应用方面，无论是规模，数量上，还是领域扩展上都有很大得飞越。从地 质矿山发展到航天，太空，从医学，生物发展到环保，反恐…从而在各方面 出现众多的新探测器。




辐射与粒子探测器的作用或功能





将中性粒子或射线进行有效的转化，通过各种反应转化 为带电粒子。 将带电粒子通过我们非常清楚的电磁相互作用转化为电 子、离子或可见光。 利用宏观的方法，将转化过来的电子、离子或可见光进 行高效的收集、放大和接受。 将接受到的电子、离子或可见光转化为电信号－电压信 号或电流信号。 电信号的处理，放大，成形，延迟以及数字化后输出到 电脑。 数字化信息的加工，得到要测量得物理量。
Vout A Q Q ~ C f ( A 1) Ci Cf
输出电压在基本上正比于输入电荷Q，与输入电容无关。

每探测到一个粒子，探测器和相关的电路就给出 一个与收集电荷正比的电压信号。
• 这一信息有的会通过电压－数字转换ADC电路变成数 字。n个入射粒子中，每个粒子相应的脉冲高度P都会 被记录下来。脉冲高度dN/dp信息，即每个脉冲高度 为P，间隔dp中的粒子数目就称之为脉冲高度谱。 • 相对于某个参考时刻，要知道所探测到每一个粒子到 达的时间，就将电压信号通过时间－数字转换TDC电 路变成数字。时间dN/dt信息，即每个脉冲时间为t， 间隔dt中的粒子数目N就称之为脉冲时间谱。
R2

r 2
4.死时间


如果探测器不可能处理每一个事例的话，内在的效率也会 降低。因为有可能探测器正在处理一个事例的过程中又来 了一个事例。这种现象经常在高计数率事件的测量中发生， 并用死时间来说明探测器的这一性能。 探测器在记录一个事件的一段时间τ之内，不会接受新的 真实事例。 如果真的事例率为 R，而记录的事例率为 R’ R R 1 R 则 R-R’ = R * R’ τ 在低计数率时，即 R’

7. 探测器的稳定性及其监测
探测器性能会因为环境条件的变化而变化。
例如，气体探测器会受外界温度，大气压力，所 用的电源电压的影响，会受工作气体成分变化的 影响。 闪烁探测器的性能会因为闪烁体的辐照损 伤而变差。所以必须了解探测器性能随时间的变 化，即监测探测器稳定性。并且要依据监测的结 果做必要的修正。这对长时间运行的大规模的探 测器尤其重要。
2．分辨率

一个探测器的重要特性就是测量某一物理量的分辨率。 其 分辨率定义为标准偏差σ，或者是测量结果分布的半高度 处的全宽度（FWHM）。

U半 U 0
2 2 U
2
由高斯公式W (U 半 ) W (U 0 )e
和半高全宽定义
U U 2 W (U 半 ) 1 0 半 exp 2 W (U 0 ) 2 2 U
1．时间响应

如果测量的目标与粒子穿过的时刻关系不大，最简单的 记录探测器输出的办法是测量探测器的平均直流电流。 每个粒子产生的电荷是相同的话，就可以测量入射粒子 的速率。这种电流工作方式常用于剂量的测量。 积分方式
不过，到达的时刻，为此探测器要记录每一个粒子， 这就是脉冲工作方式。每个粒子在探测器中产生的电流 都要由放大器转换和放大成电压信号，这个信号的时间 响应由电路的输入阻抗来决定。 阻抗实际上是输入电阻Ri和输入电容Ci的并联， 时间常数τ= Ri Ci 。
Z cZ
常数C为探测器的响应，而且是线性响应。 如果C与Z有关，其关系为非线性关系效率。

刻度或标定探测器就是要获得响应函数。用探测器去测量已 知的物理量，改变不同物理量值求得探测器的相应信号值， 再以合理的，含有待定参数的函数对其进行拟合，求得参数 值，最终得到响应函数。测量是相反的过程，由输出信号X 通过响应函数求得Y。



τ<tc 时，这个电压信号就紧跟探测器的输出。 τ>tc 时，在输入电容Ci上的电压上升到电荷全部都收集 起来，在t= tc时达到最大值Umax=Q/C。这种情况下， 电压脉冲的上升时间由探测器的电荷收集时间所决定的， 而衰减时间常数则是电路的τ=RiCi。 对于一些探测器，如半导体探测器，电容Ci并不是常数， 这样就需要电荷灵敏放大器。这是一种反馈放大器，具有 反馈电容Cf。它可以避免输出电压对Ci的依赖。





§1-3 探测器的质量特征



微观粒子是比原子、原子核还小的粒子，人无法直接感 觉到它们的存在，所以要用专门的仪器来探测。仪器也 是宏观的，只好借助于粒子与宏观物质的相互作用。 在几种作用中，电磁相互作用是人类了解最深、掌握最 好的一种。为此，带电粒子与物质之间电磁相互作用的 表现以及相关的性质成为人类探测微观带电粒子的物理 基础。同时为了探测不带电的中性粒子,就需要将中性粒 子通过各种反应“转换”为带电粒子。 一般来讲，粒子（或各种辐射）能被探测器探测到都是 基于粒子在t=0粒子穿过探测介质时，借助于各种相互 作用产生了电荷Q或光子来实现的。这些电荷借助于电 场或磁场而被导向收集电极，而光子则借助于各种光学 办法收集到光电转换或接受器上。在半导体或光电倍增 管中，收集时间仅有几毫微秒，电离电荷的收集需要几 微秒。所以在t=0到t=之间，探测器中会有电流，总的 积分电荷为Q。
D ( d cos )d
例如：探测器的表面是半径为r的园，距离源为R
R 2 (1 COS ) 2 1 2 r R2
r / r 2 R2

若 r «R 探测器内在的探测效率是由记录到的脉冲数与进入到探测 器的粒子数之比来得到。它依赖于粒子相互作用的几率， 电荷或辐射光的收集效率以及探测器的阈值。
6.探测器响应的修正函数

响应函数总是在某种环境下获得， 不一定与使用的条件 完全一样，甚至探测器各部位的响应函数也不尽相通，为 此要对探测器的响应函数做必要的修正。 例如，量能器在测量入射粒子的能量时， 其能量响应与 入射粒子的角度有关，因为量能器的厚度随入射粒子的角 度而变，能量泄漏也不一样， 必需给出与入射角度有关 修正。测量时间的塑料闪烁计数器的时间响应与粒子在闪 烁体中的能量沉积有关，而能量沉积又与粒子的种类及入 射角度有关，也需要对计数器的时间响应做不同粒子的， 不同角度的修正。