清华大学 辐射安全与防护培训辐射探测器[可修改版ppt]

辐射探测的基本过程：
➢ 辐射粒子射入探测器的灵敏体积； ➢ 入射粒子通过电离、激发等效应而在探测器中沉积 能量； ➢ 探测器通过各种机制将沉积能量转换成某种形式的 输出信号。 ➢对非带电粒子通过次级效应产生次电子或重带电粒 子,实现能量的沉积。
常用的辐射探测器按探测介质类型及作用机制 主要分为：
气体探测器；
清华大学 辐射安全 与防护培训辐射探
测器
射线与物质相互作用的分类
Charged Particulate Radiations
Heavy charged particles
,p,d,T, f
Fast electrons
e
Uncharged Radiations
Neutrons
X-rays and rays
半透明光阴极 光电子轨迹
入射光
真空壳
聚焦电极 打拿极
阳极
2) PMT的类型
(1) 外观的不同
(2) 根据光阴极形式
(3) 根据电子倍增系统 聚焦型
非聚焦型
具有较快的响应 时间，用于时间 测量或需要响应 时间快的场合。
电子倍增系数较 大，多用于能谱 测量系统。
直线结构 环状结构
百叶窗结构 盒栅型结构
闪烁探测器；
半导体探测器。
一. 气体探测器
气体探测器是以气体为工作介质，由入 射粒子在其中产生的电离效应引起输出电信 号的探测器。由于产生信号的工作机制不同， 气体电离探测器主要有电离室、正比计数器、 G-M计数器等类型。它们均有各自的特点以 及相应的适用领域。
核辐射引起气体的电离：入射带电粒子 通过气体介质时，使气体分子、原子电离和 激发，并在通过的路径周围生成大量离子对。
阳极
管座
暗盒
闪烁探测器的工作过程：
(1) 辐射射入闪烁体使闪烁体原子电离或 激发，受激原子退激而发出波长在可见光 波段的荧光。
(2) 荧光光子被收集到光电倍增管(PMT)的 光阴极，通过光电效应打出光电子。 (3) 电子运动并倍增，并在阳极输出回路 输出信号。
闪烁探测器可用来测量入射粒子的能量。
(一). 闪烁体
1、闪烁体的分类 1) 无机闪烁体：
无机晶体(掺杂) N T a ,C lI T s ,Z l IA n S g 玻璃体 L2 iO 2S2 iC O e(锂玻璃)
纯晶体 Bi4Ge3O12 BGO
2) 有机闪烁体：有机晶体——蒽晶体等； 有机液体闪烁体及塑料闪烁体.
3) 气体闪烁体：Ar、Xe等。
子数 MeV
3) 发光衰减时间
受激过程大约 1091011Sec 退激过程及闪烁体发光过程按指数规律
对于大多数无机晶体，t时刻单位时间发 射光子数：
ntn0et nphet
τ为发光衰减时间，即发光强度降为1/e所
需时间。
（二）. 光电倍增管
1. PMT的结构——光电倍增管为电真空器件。
1) PMT的主要部件和工作原理
以NaI(Tl)为例：
对β粒子 Cnp 13%；对α粒子 Cnp2.6%
光能产额：
Y ph
n ph E
光子ห้องสมุดไป่ตู้MeV
nph为产生的闪烁光子总数。
发光效率与光能产额的关系：
YphnE phE hvphE 1C hn vp
以NaI(Tl)为例
对1MeV的β粒子，发射光子平均能量 h 3eV
Yph3 0e .1V 34.3140光
2. PMT主要性能 1) 光阴极的光谱响应
光阴极受到光照后，发射光电子的概率是 入射光波长的函数，称作“光谱响应”。
2) 光照灵敏度 光阴极的光电子流
阴极灵敏度
Sk ik F
A/ Lm
阳极电流
光通量
阳极灵敏度
SA iA F
ALm
阳极接受到的电子数 PMT增益 M 第一打拿极收集到子 的数 电
h Ee A W C0
形成正离子 鞘，与入射 粒子能量无
关。
计数及测 量入射粒
子能量
计数及测 量入射粒
子能量
仅用作计 数
二. 闪烁探测器
利用辐射在某些物质中产生的闪光，产生荧光
光子来探测电离辐射的探测器。
荧光 光子 光电倍增管 反射层 窗 (打拿极) 分压器
前置放大器
多道或单道
高压
闪烁体
光电子 光阴极
这种运动称为“漂移运动”，定向运 动的速度为“漂移速度”。它是形成输出 信号的基本过程。
工作气体：
气体探测器的工作介质为气体，工作 气体充满电离室内部空间；
需要保证气体的成分和压力，所以一 般电离室均需要一个密封外壳将电极系 统包起来。
工作气体有确定的组成，一般为氩气 (Ar ) 加少量多原子分子气体CH4。
各种气体探测器
电离能W：带电粒子在气体中产生一电 子离子对所需的平均能量。
若入射粒子的能量为E0，当其能量全部 损失在气体介质中时，产生的平均离子对 数为：
NE0 W
对不同的气体， W大约为30eV。
离子和电子在外加电场中的漂移
离子和电子除了与作热运动的气体分 子碰撞而杂乱运动和因空间分布不均匀造 成的扩散运动外，还有由于外加电场的作 用沿电场方向定向漂移。
气体压力：从10-1~10大气压。
气体探测器的圆柱型电离室结构
高压极
灵敏体积
负载电阻
输出信号：
Ne h ,
C0
C0C1C' C入
分别为极板电容、分布电容和放大器输 入电容。
当在两电极上所加电压不同时，就造 成气体探测器的不同工作状态。
随着工作电压的升高，在中央阳极附近 很小的区域内，电场强度足够强，以至电 子在外电场的加速作用下，能发生新的碰 撞电离，我们称之为气体放大或雪崩过程。
气体电离探测器主要有电离室、正比 计数器、G-M计数器等类型。
E1
E2
E3
I : 复合区 II : 饱和区 III : 正比区
NNA IV: 有限正比区
N N V: G-M工作区
VI: 连续放电区
工作区 输出信号 域
用途
电离室
正比计数 器
G-M 计数管
饱和区
正比区
G-M工 作区
h Ee W C0
MSAiAgn160180
SK iK 打拿极间电子传输效率
3) PMT 暗电流与噪声
当工作状态下的光电倍增管完全与光辐射隔 绝时，其阳极仍能输出电流(暗电流)及脉冲信 号(噪声)。
2. 闪烁体的物理特性
1) 发射光谱
特点：发射光谱为连续谱。各种闪烁体都存在 一个最强波长；要注意发射光谱与光电倍增管 光阴极的光谱响应是否匹配。
2) 发光效率与光能产额
指闪烁体将所吸收的射线能量转化为光的比例。
发光效率：Cnp
Eph E
10% 0
Eph闪烁体发射光子的总能量；
E入射粒子损耗在闪烁体中的能量。