第2-3章探测器简介、前放

个随机变量串级而成的：①同样能量粒子在闪烁体中发 出的光子数 ②一个光子在光阴极上转换的光电子数③ 光电倍增管的倍增系数M，都是具有统计涨落的随机变 量。因此使得闪烁探测器的能量分辨率变得更差。一般 约10％，最好也只有7％－8％。
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半导体探测器：射线能量在探测器中产生的电子空穴对数是 围绕其平均值 N 随机涨落的。N只受一个随机变量的影 响，这一点与电离室相同。但半导体的平均电离能比气 体约小一个量级。因此相同能量粒子在半导体探测器中 产生的电荷数N比电离室中要大一个量级。这将使N的相 对统计偏差要减小许多。也使半导体探测器的固有能量 分辨率指标比电离室的要好得多，一般约为 0.1％－ 0.2％。
f (N) f (N )max
1.0
бN 是N涨落的标准偏差。
2 N
0.61
0.5
FWHM
FWTM 0.1
0
N
N
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展宽程度用相对标准偏差表示： 相对标准偏差为： N F
NN
（其中：N 为离子对数的平均值
σN为N 涨落的标准偏差： N F N
F为法诺因子 ：对于气体，F≈1/3～1/2 ) 电离室的“固有能量分辨率”约为0.7％。
◇P—I—N结加反向电压后
N区及P区的空间电荷量将增大，在I区内的电 场也将变强。由于N区及P区内空间电荷层的宽度与I 区宽度相比一般是微不足道的，因而P—I—N结区宽 度可认为就是l区的宽度，基本上不随反向电压变化。
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利用P—I—N结探测射线时，处于耗尽状态的I 区就是探测器的灵敏体积。由入射粒子在其中产生 的电子—空穴对将被I区电场扫向两边，从而产生输 出信号。
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高纯锗探测器组成的γ谱仪系统
高纯锗探测器与Ge(Li)探测器 相比较，主要优点：不需要在低 温下保存，但仍需在低温下工作。 生产周期短。
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4、 能谱测量中几种常用探测器的主要性能比较
探测器种类
气 电离室
体
探 正比
测 器
计数器
闪烁探测器
半 P-N结
导
体 探
锂漂移
测
器 高纯锗
固有能量 输出信号幅度 分辨率 （1Mev射线能量在
（相对标准偏差为： N F
NN
半导体法诺因子:F≈0.1～0.15 ）
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第三节 能谱测量中探测器的选取原则
（1）、首先要明确被测量射线种类。如：
测α射线经常选用P-N结型半导体探测器或 电离室。
测γ射线通常可选用闪烁探测器或半导体探 测器（Ge(Li)或高纯锗）。
测β或x射线时常选用正比计数管或Si(Li) 探测器等。
◇ 闪烁探测器 的基本组成。
反射层
荧光 光子
窗
光电倍增管
光阴极 打拿级 磁屏蔽 分压器 暗盒
输出信号
高压电源
闪烁体 硅油 光电子
阳极
射极跟随器
◇工作过程：粒子入射
闪烁体内产生荧光经光导传输
光电倍增管的光阴极按一定概率将光转换成光电子
光电子经光电倍增管打拿极多次倍增（倍增数可104—
109）
由收集极（即阳极）收集形成输出电流
Ge(Li)探测器
Si(Li)探测器
工作及保存条件： 必须永远置于低温及高真空条件之下。
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⑶、高纯锗探测器
原理简述：
高纯锗(HPGe)探测器实质上就是利用极高纯 度的锗制成的P—N结探测器。用这种材料制成 的P—N结探测器，结区宽度很大，可以大到与锂 漂移探测器类似。因此HPGe探测器的性能(包括 对γ射线的探测效率和能量分辨率）与Ge(Li)探 测器相似。
核仪器概论
第二章 谱仪中常用的探测器简介 第三章 前置放大器
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第二章 谱仪中常用的探测器简介
第一节 探测器的主要性能指标的定义 第二节 能谱测量中常用探测器基本原理简述 能谱测量中最常用的探测器主要有： 气体探测器、闪烁探测器及半导体探测器。 1、气体探测器：包括脉冲电离室、正比计数器。
2
2、闪烁探测器
几万元
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解释上表： ◇各种探测器输出信号幅度之间的比较
△平均电离能： 带电粒子在探测器中产生一个离子对平均消耗掉
的能量称为该探测器的平均电离能，用W 表示。如果 入射粒子将它的能量E全部消耗在探测器的灵敏体积 内，则平均产生的离子对数为：
N E W
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△ 电离室输出信号幅度（大约）
各种电离室所充气体的平均电离能 W 大致为20－40eV。
例： 如带电粒子的能量为1MeV，并全部消耗在电离室 灵敏体积内，则在W 取33eV时，平均电离出的离子对 数为：
N E 1 MeV 30000 W 33 eV
将上述电荷收集在一个10p的电容上（以下均如此）：
电离室：
V
Ne C
Ee WC
106 1.6 1019 3310 1012
0.5mV
△ 正比计数器输出信号幅度（大约）： AX0.几mV
前置 CΣ 放大器
主放 大器
输出
前放与主放之间用电缆连接。电缆长度根据现场而定， 短的0.几米，长的几十～数百米。
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◇为什么要将放大器分成两个部分？ 为提高系统的信噪比必须将放大器尽量靠近探测器。
那么能否将放大器的所有电路全部与探测器放到一起呢？ 答案是：一般不这样做。 因为： （1）现场空间通常有限，不允许探测器的体积过大。 （2）放大器的一些设置需要人经常进行控制。而探测器
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P－N结型半导体探测器
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⑵、P—I—N结探测器
由于这种P-I-N结探测器的制备过程采用了 “锂漂移”技术，因而又称作“锂漂移探测器”。 锂漂移探测器又分为两大类：锗锂漂移探测器 [Ge(Li)]和硅锂漂移探测器[ Si(Li)]。
P-I-N结探测器的工作原理
设法在N型及P型半导体之 间夹一层宽度为W的本征半导 体(I)，如右图所示。这就构 成了P-I-N结。
（4）、另外要根据实际工作需要对探测器的结构、
尺寸大小、适用的工作条件（如恒温、防雨
等）及价格花费等提出要求。
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第三章 前置放大器
第一节 概述
探测器输出信号的幅度较小，因此在ADC之前必须 进行必要的放大。
谱仪中的放大器通常被分成两个部分：前置放大器和 主放大器（又称为谱仪放大器）。结构如图：
探测器
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第二节 谱仪前置放大器的类型
电压灵敏前置放大器 电荷灵敏前置放大器 一、 电压灵敏前置放大器
Vi
+电压 电压
放大器
ii
ii
-
CD Cs CA
Vo
探测器的等效电路
前放
IO(t) Rd Cd
Cs
RA CA
图中： Rd、Cd分别为探测器结区本身的结电阻和结电容。 RA、CA分别为前置放大器的等效输入电阻和输入电容。 CS为探测器与前置放大器连线的分布电容。
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上述电路等效如右图
IO(t)
V(t)
Ri
Ci
探测器输出的电流脉冲 Io(t)流经等效电阻Ri、电 容Ci的并联电路，被转换为电压信号V(t)。显然，若 RiCi>>Io(t)的持续时间时， V(t)的幅度与Io(t)的积分成 正比，即与入射粒子的能量成正比。
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◇ 由于P-N结探测器具有高的能量分辨率、良好 的线性等优点，它在能谱测量方面有重要的应 用。主要用在α及其它重带电粒子能谱测量。
◇ 性能方面的局限性： a： 灵敏区宽度窄，约为1mm以下。这种探测器在 γ及β测量方面应用比较少。 如：1Mev的β在硅 中的射程为1.6mm，而γ射线的穿透本领更大。 b：结区宽度随反相工作电压的变化而变化。导致 探测器的结电容稳定性变差。这将不利于能谱测 量。因此P-N结探测器对其工作电源的稳定性要求 较高。
经常需要放到射线很强，甚至人根本不能去的环境。
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◇各部分的任务？
（1）前置放大器 实现电荷到电压脉冲的转换 对探测器输出信号放大 尽量提高信号的信噪比
（2）主放大器
对探测器输出的电压信号进一步放大。 用多种方法对信号进行处理，以尽量提 高谱仪的能量分辨率。
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◇ 探测器与前置放大器连接的等效电路图
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△ 半导体探测器输出信号幅度（大约）
半导体探测器的平均电离能比气体探测器小一个量级。
室温下的硅（Si）： W 3.61eV 低温下的锗（Ge）： W 2.96eV
如果入射粒子将它的能量E全部消耗在半导体探测器的 灵敏体积内，则平均产生的电子空穴对数为：
N E （约为气体探测器的10倍）
W
N
I
P
(a)
P-I-N结
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◇没有外加电压时P-I-N结的情况
由于扩散过程，最终在N层及P 层内边界将分别出现正、负空间电 荷。 这些空间电荷所产生的电场 把在I区内所产生的两种载流子分
E
+++- +
-+ +- -
N++
+
+ -
+
I
+
+ -
-
-P
-
++-
-+ -
(b)
别扫向N区及P区。I区最终将处于耗尽状况。
（2）、根据出对分辨率的要求。 进一步确定探测器的种类。 如测γ能谱：
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对能量分辨率要求不高，可选择使用、维护都
比较简单，价格经济的闪烁探测器。当要求探测器 的分辨率要高时，一般选用γ射线半导体探测器。
（3）、 再根据被测信号的能量范围、射线强度等数 据，选择能量范围、探测器效率、计数率特性等 指标适用的探测器。如：同测量γ信号： 能量低时，可选择Si（Li）探测器。 能量高时，可选择Ge（Li）探测器。 射线强度很强时，探测器的计数率特性要好。 射线强度很弱时，探测器的效率要求要高。