核辐射探测器与核电子学期末复习题

《核辐射探测器与核电子学》期末考试复习题
填空题（20分，每小题2分）
a 粒子与物质相互作用的形式主要有以下 两
种： 激发、电离
Y 射线与物质相互作用的主要形式有以下 三
种： 康普顿散
射、
光电效应、形成电子对
B 射线与物质相互作用的主要形式有以下 四种： 激发、电
离、
形成离子对、形成电子 -空穴对、轫致辐射
由Nal （TI ）组成的闪烁计数器，分辨时间约为：
几卩s ;G - M 计数管的分辨时间大约为：
一百卩s 。

电离室、正比计数管、 G-M 计数管输岀的脉冲信号幅度与 入射射线的能量 成正比。

半导体探测器比气体探测器的能量分辨率高， 是因为：其体积更小、其密度更大、其电离能更低、其在低温下工作使其性能稳定、 气体探测器有放大作用而使其输岀的脉冲幅度离散性增大
由ZnS （Ag ）组成的闪烁计数器，一般用来探测 a 射线的强度
由NaI （Tl ）组成的闪烁计数器，一般用来探测 丫、X 射线的能量、强度、能量和强度 电离室一般用来探测 a 、B 、Y 、X 、重带电粒子 射线的 能量、强度、能量和强度 。

正比计数管一般用来探测 B 、Y 、X 射线的 能量 G - M 计数管一般用来探测 a 、B 、Y 、 X 射线的 强度
金硅面垒型半导体探测器一般用来探测 亠射线的能量、强度、能量和强度
Si （Li ）半导体探测器一般用来探测 a 、B 、Y 、 X 射线的 能量、强度、能量和强度 HPGe 半导体探测器一般用来探测
a 、B 、Y 、 X 、带电粒子、重带电粒子 射线的 能量
对高能Y 射线的探测效率则主要取决于 探测器的有效体积 对低能Y 射线的探测效率则主要取决于 “窗”的吸收 G - M 计数管的输出信号幅度与工作电压无关。

前置放大器的类型主要分为以下 三种：电压型、电流型、电荷灵敏型 前置放大器的 两个主要作用是：提高信-噪比、阻抗匹配 。

谱仪放大器的 两个主要作用是：信号放大、脉冲成形
滤波成效电路主要作用是：抑制噪声、改造脉冲波形以满足后续测量电路的要求
微分电路主要作用是： 使输入信号的宽度变窄和隔离低频信号
积分电路主要作用是：使输入信号的上升沿变缓和过滤高频噪声
单道脉冲幅度分析器作用是：选择幅度在上下甄别阈之间的信号
多道脉冲幅度分析器的道数（M ）指的是：多道道脉冲幅度分析器的分辨率
谱仪放大器的线性指标包括： 积分非线性INL 、微分非线性DNL
名词解释及计算题（10分，每小题5分）
能量分辨率：表征Y 射线谱仪对能量相近的Y 射线分辨本领的参数，可用全能峰的半高宽度 FWHM 或相对半高宽度表示
探测效率：定义为探测器输岀信号数量 （脉冲数）与入射到探测器（表面）的粒子数之比 仪器谱：由仪器（探测器）探测（响应）入射射线而输出的脉冲幅度分布图，是一连续谱 能谱：脉冲幅度经能量刻度后就可以得到计数率
1.
2.
3. 4. 5. 6.
7. 8. 9. 10. 11. 12. 13. 14. 15. 16. 17. 18. 19. 20. 21.
22.
23.
24.
25.
26.
、
1. 2. 3. 4. 5. 6.
全能峰：入射粒子以各种作用方式（一次或多次）将全部能量消耗在探测器内而形成的仪器谱峰
逃逸峰：若光电效应在靠近晶体表面处发生，则X射线可能逸岀晶体，相应的脉冲幅度所对应的能量将比入射光子能量小，这种
脉冲所形成的峰称为全能峰
7. 特征峰：许多放射源本身具有特征X射线它们在能谱上形成的峰为特征X射线峰
8. 分辨时间：第一个脉冲开始到第二个脉冲幅度恢复到Vd的时间，该时间内探测器无法记录下进入计数管的粒子
9. 死时间：入射粒子进入计数管引起放电后，形成了正离子鞘，使阳极周围的电场削弱，终止了放电。

这时，若再有粒子进入就不
能引起放电，直到正离子鞘移岀强场区，场强恢复到足以维持放电的强度为止。

这段时间称为死时间。

10. 试粗略计算6.0MeV的a粒子在电离室和金硅面垒探测器中产生的初始电离（离子对数目），并以此说明金硅面垒半导体探测器能量分辨率比正比计数管高的原因。

电离室是气体探测器，金硅面垒探测器是半导体探测器，它们的平均电离能W大约分别为30eV和3eVo所以：
电离室产生的初始电离（N1）=6000000/30=200000 （对）金硅面垒探测器产生的初始电离（N2）=6000000/3=2000000 （对）
可见，N2比N1大10倍，即N2因统计涨落产生的相对标准差比N1小，金硅面垒探测器的能量分辨率（FWHM比电离室好。

三、论述题（30分，每小题10分）
1. 简述闪烁计数器探测Y射线的工作过程。

答题要点：发光过程、光电转换过程、电子倍增过程、信号形成过程
1. 发光过程：入射粒子使闪烁体的原子核激发电离产生荧光光子
2. 光电转换过程：荧光光子在光电倍增管的光阴极（K极）上由于光电效应而转化为光电子
3. 电子倍增过程：K极发出的电子在第一打拿极上打出的N倍电子第一极在第二极上打出N倍电子，最后在阳极上收集到一大群电子
4. 脉冲信号形成过程：阳极上的电子在前置放大器上通过放大形成脉冲信号
2. 简述核辐射探测器探测效率曲线的一般特征。

（曲线自己画哈）
1. E较低时，n随入射能量E增加而增加；取决于窗口吸收
2. E增大到一定数值，到达最大值，在一定时间保持稳定
3. E继续增大，n随E的增大而减小，此时取决于探测器厚度
3. 简述正比计数器的工作原理。

正比计数器工作于正比区，在离子收集的过程中岀现气体放大现象，即被加速的原电离离子在电离碰撞中逐次倍增而形成电子雪
一一MN
崩。

于是，在收集电板上感生的脉冲幅度V 将是原电离感生的脉冲幅度的M倍，即V ，M为气体放大系数，No为原电
C
离离子对数，Co为K,C两电极间电容，负号表示负极产生脉冲。

并且在确定的工作条件下，气体放大倍数与原初电离无关。

4. 简述多道脉冲幅度分析器的一般构成及其工作特征。

答题要点：三个组成部分一一脉冲峰值保持器、ADG MCB四个过程一一脉冲峰值保持过程、ADC过程、数据处理过程、复位过程。

1基本构成：脉冲峰值保持器ADC多道数据缓存器外设PC
2工作过程：①峰值保持过程：信号进入脉冲峰值保持器，跟信号并保持峰值到复位信号，同时在峰位过去后给ADC发岀启动变换的信号②A/D变换过程（数字化过程）：ADC被启动进行一次变换，当变换结束时，输出变换结果m（m代表道址，脉冲幅度，能量），同时输出一个变换信号给MC③计数过程（寄存器计数方式）：首先是MCB从RAM勺第m个寄存器读出原有的读数Nm再加上（（Nm=Nm+1 接下来将Nm再写回第m个寄存器
5. 简述前置放大器的作用、分类及主要特点。

，nnnnnn
1. 主要作用：①提高系统的信噪比②减小信号经电缆传送时夕卜界干扰的影响③阻抗匹配（由于D的Rin很大，屏蔽能力弱。

所以需进
行幅度放大或功率放大）
2. 分类及特点：①积分放大器：包括电压灵敏型电荷灵敏型：特点是输岀信号幅度正比与输岀电流对时间的积分即输岀信号的幅度与
探测器输岀的总电荷量成正比②电流型放大器：包括电流灵敏前置放大器；特点输岀信号波形与探测器输岀电流信号的波形保持一致
6. 简述谱仪放大器中微分电路、积分电路、基线恢复器的主要作用。

1. 微分电路作用：a、使长尾变短，减小信号的堆积（高通滤波相当于隔直电容（注：对噪声信号无用））b、高通滤波
2. 积分电路的作用：a、使前沿变缓，后沿不变b、低频通过，高频滤去，低频滤波
3. 基线恢复器作用：将信号产生的“基线”（输岀端的直流电压，恢复到“先前”的水平）
7. 简述稳谱电路的工作原理。

1. 首先说稳谱电路分类：①硬件稳谱②软件稳谱
2. 硬件稳谱工作原理：由上下道输岀脉冲选入可逆计数器，进行差值计数（上道作减法，下道作加法），其结果经数模变换器转换成
控制电压，去调整闪烁计数器的高压。

①当峰位右移输岀脉冲幅度增大时，则n上＞n下，可逆计数器输岀数减小，经转换后得到电压值降低，使高压降低，闪烁体输岀幅度变小。

②反之，当输岀脉冲幅度变小时，n上＞n下，可逆计数器输岀数增大，经转换后得到电压值增高，使电压上升，闪烁体输岀幅度变大，通过以上反馈，使脉冲幅度得以保持。

软件手选谱工作原理：通过重新进行能量刻度的方
法来稳谱
8. 简述开关电源（DC/DC变换器）的工作原理及其特点。

四、综合题（40分，每小题20 分）
1 .以表格方式比较气体探测器、闪烁计数器、半导体探测器的主要特性、特点（着重比较探测器效率、能量分辨率、价格、用途及使
用中的注意事项等
2 .画岀单道脉冲幅度分析器的工作原理图、工作波形，简述其工作过程及主要特点
（1）工作原理图
（3）工作过程：
a、V <V L:上下甄别器均无输出，反符合电路无输出
b、MvVvU:上无输岀，下有输岀，反符合电路有输岀
c、V >V u：上下甄别器均有输出，反符合电路无输出
（4）主要特点：a、单道脉冲幅度分析器由上下甄别器及反符合电路组成 b.只有输入脉冲落入给定电压（阈电单）范围（V u〜V L）内时
才有逻辑脉冲输岀，只有得到信号输入端单独有信号的才有输入，若都有或都无信号输入则无输岀，测量误差较大c.针测一个能谱
仍需逐点改变阈值，易受仪器不积定影响d、结构简单，价格便宜，可以选择幅度范围或能量范围作为校正信号
3. 画岀一般的线性脉冲放大器的原理框图、指岀各部分的主要作用、主要节点的波形变化。

答题要点：五个组成部分一一微分电路或极零相消电路、可调放大电路、积分电路、输岀级、基线恢复器、（限幅器）
4. 画出无源CDD基线恢复器的电路简图，简述其工作原理。

（简图自己画）
D1，D2为孪生二极管，特性完全一致。

工作过程：a.充电过程：当脉冲来时，电容充电（左正右负），uO增加，因为D2接地UD-UO《UD,所以D1截止，11经D2接地，充
电电流为12，冲到脉冲结束为止
b. 放电过程：脉冲过后，由于Uc作用，U0为负，D1导通，D2截止（UO=UO+UD），流过D1电流11=212，所以电容C以电流I2放电
5. 画岀一般线性放电法多道脉冲幅度分析器的原理框图、简述其工作过程、指岀各主要节点的波形变化、给岀变换时间的计算公式。

O――脉冲峰值保持器一一ADC多到数据缓存器一一外设PC/uP―― O
MCA MCB
工作过程：
a. 峰值保持过程：信号进入脉冲峰值保持电路，跟踪信号并保持峰值到复位信号，同时要峰值过去后给ADC发岀启动变换的信号
b. A/d转换过程（数字化过程）：ADC被启动进行一次变换，当变换结束时输出变换结果m（m代表道址，脉冲幅度，能量），同时输
出一个变换结束信号给MCB
c. 数据处理过程（寄存器计数）：首先是MCB从RAM的第m个寄存器中读出原有数据Nm再加I （Nm=Nm+l，接下来将Nm在写回第m个
寄存器
d. 复位过程：读写结束，电路复位，允许输入信号进入峰值保持器。

6. NaI闪烁伽玛探头的基本构成及其工作过程。

（基本构成自己画）
工作过程：
a. 发光过程：受激原子退激时发射紫外光过程
b. 光电转换过程：闪烁体发出的光子到达PMT的光阴极（K极），发生光电效应
c. 光电倍增过程；光电子进入PMT逐级倍增过程，A# 10A6倍（3—6）A n
d. 信号形成过程：PMT产生的大量电子在A极（阳极）上被收集，形成脉冲信号
核技术探测复习材料
一、简答题：（共35 分）
1 •带电粒子与物质发生相互作用有哪几种方式？（5分）
与原子核弹性碰撞；（核阻止）（1分）
与原子核的非弹性碰撞；（轫致辐射）（1分）与核外电子弹性碰撞；（1分）
与核外电子的非弹性碰撞；（电离和激发） （1分）
正电子湮灭；（1分）
2•气体探测器两端收集到的离子对数和两端外加电压存在一定的关系。

具体如下图所示。

（
5分）
填空：I 复合区（1分）II 饱和区（电离室区）
（1分）山 正比（计数）区 （1分）
3•通用闪烁体探头的组成部件有那些？为什么要进行避光处理？ （
5分）
答案要点1）闪烁体（1分）、光学收集系统（1分）（硅油和反射层）、光电倍增管
（1分）、
2
）光电倍增管的光阴极 （1分）具有可见光光敏性 （1分），保护光电倍增管。

4. PN 结型半导体探测器为什么要接电荷灵敏前置放大器？ （ 5分）
--
I
答：由于输出电压脉冲幅度 h 与结电容Cd 有关（1分），而结电容 C 随偏压1（2 分0而变化，因此当所加偏压不稳
定
时，将会使h 发生附加的涨落，不利于能谱的测量；为解决该矛盾， PN 结半导体探测器通常不用电压型或电流型前置放大器，而是采
用电荷灵敏前置放大器。

电荷灵敏放大器的输入电容极大，可以保证
C 入>> Cd ， （2分）而C 入是十分稳定的，从而大大减小了
Cd 变化的影响。

可以保证输出脉冲幅度不受偏压变化的影响。

注）1所有讲述半导体探测器原理得 1分 5.
衡量脉冲型核辐射探测器性能有两个很重要的指标，
这两个指标是指什么？为
什么半导体探测器其中一个指标要比脉冲型气体电离 室探测器好，试用公式解释？ （ 5分）
答案要点：
第1问： 能量分辨率（1.5分）和探测效率（1.5分）
注：1）答成计数率得1分
W o 半导体 W o 气体电离室（1 分）
6•中子按能量可分为哪几类？常用的中子探测方法有哪些？（
5分）
答案要点：第1问：快中子、热中子、超热中子、慢中子
答对3个以上得1分
第2问：核反冲法（1分）核反应法（1分）、活化法（1分）、核裂变法（1分）
7.
试定性分析，分别配以塑料闪烁体及
Na 1（T1）闪烁晶体的两套闪烁谱仪所测得 0.662MeV
射线谱的形状有何不同？ （ 5分） 答案：由于塑料闪烁体有效原子序数
Z 、密度 及发光效率（3点得1分） 均低于Nal （T1）闪烁晶体，对测得的0.662MeV 射
线谱的形状，其总谱面积相应的计数（得
1分）、峰总比（得1分）、全能峰的能量分辨率（得 1分）均比NaI （T1）闪烁晶体
差，甚至可能没有明显的全能峰（得 1分）。

注：抓住要点给分，1个要点1分
IV
有限正比区 （1分） 注：1 ）有限区的0.5分
V G-M 区（1 分）
第2问:
（1 分）
昌
S
琴
、证明题：（共 10 分） 1 •试证明 光子的光电效应是光子与原子整体相互作用，而不是与自由电子发生相互作用。

（ 5
分）
证明：假设光电效应只与自由电子发生相互作用，那么应该满足动量和能量守恒定理。

假如何光子能量 巳=h u （得1分），动量P Y =h u /c （得1分）； 根据相互作用满足能量守恒定理，则电子能量 由于电子速度小于光子速度，所以 P 3< P 2.（ 5分）利用误差传递公式
E 产h u =mC ?
（得1分），电子动量P 3
= （h u /c 2） x v （得1分）； （得 1 分）， 2 y 2 X 1 X 1 动量不守恒所以得证丫光子的光电效应是光子与原子整体相互作用。

2 y X 2
2 X 2 X n
若对某放射性样品重复测量 K 次，每次测量时间 t 相同，测得的计数为
N ，…N k ,试证明计数率平均值的统计误差为: 证明:
N? n /Kt n
-N 1 N 2 n _ — kt 因为N 1, N 2 N k 具有统计误差性, 根据误差传递公式，
（
kt ）2[
（得1分） 2 N
1
2 N 2
N k
2
]（得 1分） N 2,
2
N
K
N K ,（得1分）
1 2 （kt ）[N 1
G ）2[Nk]（得1 分） kt
N 2
N k ]
所以得证 n n/kt （得1 分）
三、计算题。

（共 55 分）
1. （5分）画出下图输出电路的等效电路，并标明极性。

0.296% 得 1分
或者
E 2.36 ； Fw °E 2.36 0.3 26.3 5 106 得 1.5分
14.823kev 得 1分
没有kev 单位或者单位kev 不对扣1分
2.36 . (0.3 0.68) 26.3 5 106 得 1.5分
26.791 kev 得 1分
没有kev 单位或者单位kev 不对扣1分
3.
（5分）能量为1.50MeV 的Y 放射源放在铅容器里，为了安全，必须使容器外的强度减小为原来的
1/1000,试求容器壁至少需多厚。

解：
评分标准：1）等效电路图3分具体分配，电流源、电容、电阻位置正确各得 1分
2 ）极性 2 分，只要正确标岀和说明极性均得 2分 注：1）只有极性没有等效电路图不得分
2（5分）试计算充Ar 脉冲电离室和正比计数器对 5MeV 粒子的最佳能量分辨率.（取法诺因子F 0.3, Ar 的平均电离能为26.3eV ） 解：对充Ar 脉冲电离室： E E
2.36 0.3 26.3 \ 5 106
得1.5分
对充Ar 正比计数器:
2.36
F 0.68
；N 。

2.36
(0.3 0.68) 26.3
得1.5分
0.536% 得 1分 或者
E 2.36. (F
0.68)w 0E
当 E 1.5Mev 时,查表 m 0.0517cm -2/g,（得 1 分） 根据 I I 0e ux I 0e UmXm （得 1 分） u U m
0.0517cm -2/g 11.34 g/cm 3 0.5862 cm 1 （得 1分）
ln 1000 0.5862
11 .78 cm 或者：
ln
T
133 .61 g / cm 结果没有单位或者单位 不对的扣1分
计算结果有不对的
，每步扣掉一半的分
4. （乞分）当单能 粒子被准直得垂直于硅 P-N 结探测器的表面时，单能 射线峰的中心位于多道分析器的
480道。

然后，改变几何
条件使 粒子偏离法线45°角入射，此时看到峰漂移至 460道。

试求死层厚度（以多道道址表示）。

解： 当能量为损失 曰的 粒子垂直入射时 =0设 粒子在探测器死层内的能量为
E 1则探测器灵敏体积得到的能量为
（E 。

- E ） 谱峰位在 460道
E 0- E 1=480G （ G 代表能量刻度系数，没写不扣分
）
巳-E 2） = E 0 2 E 1= 460G （得 1 分）
（480-460）G= （. 2
1） E 1 得：E 1 48.3G （得 1 分） 注：评分按步骤逐步进行。

5. （ 6分）本底计数率25计数/min,测量样品计数率100计数/min,试求对给定总的测量时间来说净计数率精确度最高时的最优比值 样品测量时间和本地测量时间之比 解：
源置于离表面积为 314平方毫米的Si （Li ）探测器的表面为10 cm 记录60min 得到一个谱。

如果在 7.1kev 的K X 射线峰下面的计数为 1200个，那么在这个能量时
Si （Li ）探测器的效率是多少？（对于
57
Co 的特征X 射线和丫射线的强度比 X/ 丫分别为：对6.40kev 的K ”
线为 0.5727，对 7.1kev 的 K 线为 0.7861。

） 解：
依题意可得57Co 源122kev 的丫射线强度
（得 1 分）
当 =45°时 死层内能量损失为
"%OS45
（得 2 分）
探测器灵敏体得到的能量为（
；若净计数率的相对统计误差为 1 %，测量总时间的最小值是多少?
t b
0 .01
（得 2 分）
t b t s T
13 3 2 67 min min
400
（得1分 min
t b
1分；计算结果不对的，按步骤扣掉一半的分。

（6分）绝对峰效率为 30%的Nal （T1）闪烁探测器，对57C0点源的122kev Y 射线测量15min 光电峰计数180000个。

然后同样的
没有单位或者单位不对的扣掉 6.
I 源峰t N 180000
0.00248
7. （§分）已知一Y 放射源的活度 A 为1010贝克，假设该源各向同性地放出Y 光子，假设射到一个
G-M 计数管的丫光子数为106/s ，该G-M
计数管输出的脉冲数为104/s ，还已知该G-M 计数管的分辨时间为20us,求该G-M 计数管的本征效率和总效率。

解：
没有经过计数率修正
本征
1 % （得
10
n
总效率
10币
计算结果不对的，按步骤扣掉这一步一半的分。

8.
（8分）1.详细分析2MeV 射线在闪烁体中可产生哪些次级过程
？
2. 并计算该 射线在NaI （T 1）单晶谱仪的输出脉冲幅度谱上，康普顿边缘与单逃逸峰之间的相对位置。

3. 并画出下列两种情况下该
射线在Na 1（T1）单晶谱仪的输出脉冲幅度谱图
1）Na 1（T1）晶体为中等晶体时 2）Na 1（ T1） 晶体为无限大晶体时
解：1）光电效应，康普顿效应，电子对效应。

（全对得 2分，不全者得1分）
2 ）单逸峰 E=2-0.511=1.249Mev （ 得 1 分）
E
2 散射光子最小能量 E r
r
-------------- =
0.227Mev
r
E
2
1 = 1 cos 1 *
2 m e c
0.511 反冲电子最大能量即康普顿边缘 Ee E E ' 2 0.227 1.773Mev （得1分）
3）
中等晶体
注：每标对1个得0.5分
则7.1kev 的KX 射线强度为
N 源峰
t
180000
30% 15 60
667 Bq （得 2分）
I x
0.7861 524Bq （得 1 分）
几何
h
）
..r 2 h 2
10cm
）
3.
14cm 2
10 2cm 2
源峰
1200
源峰
25 .4%
计算结果有不对的
几何
0.00248 524 60 60
源峰
,每步扣掉一半的分
n
n
1 n
1 .25 1 4
10 10 4
10 4 / s
（得 20 10 6 2分） 本征
总效率
n 。

106
n 。

10
10
1 .25 %
1 .25 10 -6 （得
2 分）
10 -6（得 2 分）
4）无限大晶体，画对给全分
9. （8分）设在平行板电离室中粒子的径迹如图所示，径迹长度为L,假设沿径迹各处的单位路程上产生的离子对数N相等,且电子的漂移速度W,试求电子的电流脉冲。

解：分三种情况讨论:
D
1）当t W时，即电子全部到达正极板，电子的电流脉冲I e 0；（得2分）
2）当t -LC0S时，即没有电子到达正极板，此时电子的电流脉冲：I e W
D L cos D
3）当t ，即有部分电子到达负极板，此时电子的电流脉冲：W W
电子可以看作时做匀速直线运动逐渐到达正极板的，根据运动规律得下面方程L?N ?
D (得 2 分)
Leos W L N D Leos
W
N'
(得2 分)
解得已到达正极板得电子数：
N 此时电子的电流脉冲：N (W t Leos D)
,还剩下电子数：L N N' L N N'，eos
I e (t)(L N
L eos
eos。