核辐射探测器及核电子学

《核辐射探测器与核电子学》期末考试复习题一、填空题（20分，每小题2分）1．α粒子与物质相互作用的形式主要有以下两种：激发、电离2．γ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3．β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4．由NaI(Tl)组成的闪烁计数器，分辨时间约为：几μs；Ｇ-Ｍ计数管的分辨时间大约为：一百μs。

5．电离室、正比计数管、G-M计数管输出的脉冲信号幅度与入射射线的能量成正比。

6．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出的脉冲幅度离散性增大7．由ZnS(Ag)组成的闪烁计数器，一般用来探测α射线的强度8．由NaI(Tl)组成的闪烁计数器，一般用来探测γ、X 射线的能量、强度、能量和强度9．电离室一般用来探测α、β、γ、X、重带电粒子射线的能量、强度、能量和强度。

10．正比计数管一般用来探测β、γ、X 射线的能量11．Ｇ-Ｍ计数管一般用来探测α、β、γ、X 射线的强度12．金硅面垒型半导体探测器一般用来探测α射线的能量、强度、能量和强度13．Si(Li)半导体探测器一般用来探测α、β、γ、X射线的能量、强度、能量和强度14．HPGe半导体探测器一般用来探测α、β、γ、X、带电粒子、重带电粒子射线的能量15．对高能γ射线的探测效率则主要取决于探测器的有效体积16．对低能γ射线的探测效率则主要取决于“窗”的吸收17．Ｇ-Ｍ计数管的输出信号幅度与工作电压无关。

18．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19．前置放大器的两个主要作用是：提高信-噪比、阻抗匹配。

20．谱仪放大器的两个主要作用是：信号放大、脉冲成形21．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22．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23．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24．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25．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26．谱仪放大器的线性指标包括：积分非线性INL、微分非线性DNL二、名词解释及计算题（10分，每小题5分）1.能量分辨率: 表征γ射线谱仪对能量相近的γ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2.探测效率：定义为探测器输出信号数量(脉冲数)与入射到探测器(表面)的粒子数之比3.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4.能谱：脉冲幅度经能量刻度后就可以得到计数率5.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6.逃逸峰：若光电效应在靠近晶体表面处发生，则X射线可能逸出晶体，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，直到正离子鞘移出强场区，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α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3eV。

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γ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，η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，η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出现气体放大现象，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οοC MN V =∞，M 为气体放大系数，No 为原电离离子对数，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——脉冲峰值保持器、ADC 、MCB 。

四个过程——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PC2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 发出启动变换的信号 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MCB③计数过程（寄存器计数方式）：首先是MCB从RAM的第m个寄存器读出原有的读数Nm，再加上1（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。

，ηηηηηη1.主要作用：①提高系统的信噪比②减小信号经电缆传送时外界干扰的影响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：特点是输出信号幅度正比与输出电流对时间的积分即输出信号的幅度与探测器输出的总电荷量成正比②电流型放大器：包括电流灵敏前置放大器；特点输出信号波形与探测器输出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”（输出端的直流电压，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：由上下道输出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当峰位右移输出脉冲幅度增大时，则n上>n下，可逆计数器输出数减小，经转换后得到电压值降低，使高压降低，闪烁体输出幅度变小。

②反之，当输出脉冲幅度变小时，n上>n下，可逆计数器输出数增大，经转换后得到电压值增高，使电压上升，闪烁体输出幅度变大，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．画出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）工作原理图其中反符合电路逻辑功能如下表：（2）工作波形（3）工作过程：a、V i<V L:上下甄别器均无输出，反符合电路无输出b、V L<V i<V u:上无输出，下有输出，反符合电路有输出c、V i>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出，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出，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．画出一般的线性脉冲放大器的原理框图、指出各部分的主要作用、主要节点的波形变化。

答题要点：五个组成部分——微分电路或极零相消电路、可调放大电路、积分电路、输出级、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），u0增加，因为D2接地UD-U0《UD，所以D1截止，I1经D2接地，充电电流为I2，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（U0=U0+UD1），流过D1电流I1=2I2，所以电容C以电流I2放电5．画出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、指出各主要节点的波形变化、给出变换时间的计算公式。

O——脉冲峰值保持器——ADC——多到数据缓存器——外设PC/uP——OMCA 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发出启动变换的信号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MCBc.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+I），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≈ 10^6倍（3—6）^nd.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。