探测器中的核电子学

核辐射探测器中的核电子学学院名称核科学技术学院
学号 201321010322 学生姓名张枫
核辐射探测器中的核电子学
摘要：核辐射探测器是指能够指示、记录和测量核辐射的材料或装置。

辐射和核
辐射探测器内的物质相互作用而产生某种信息（如电、光脉冲或材料结构的变化），经放大后被记录、分析，以确定粒子的数目、位置、能量、动量、飞行时
间、速度、质量等物理量。

核辐射探测器是核物理、粒子物理研究及辐射应用中
不可缺少的工具和手段。

核辐射探测器的工作过程大致分为二阶段：一是与辐射
反应，生成某种信息，该过程属于核测控内容；二是该信息的记录、收集、处理，
该过程属于核电子学内容。

关键字：核辐射、核电子学、核辐射探测器。

1.核辐射探测器的工作过程
其工作过程大致分为二个，一是与辐射反应，生成某种信息；二是该信息的记录、收集、处理。

2.与辐射相互作用产生某种信息的过程
核辐射探测器按探测介质类型及作用类型大致分为三种：气体探测器、半导体探测器、闪烁体探测器。

它们与辐射相互作用的过程大不相同，但是其基本思想没变，都是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息。

2.1气体探测器
气体探测器是内部充有气体、两极加有一定电压的小室。

入射带电粒子通过气体时，使气体分子电离或激发，在通过的路径上生成大量的离子对—电子和正离子。

带电粒子在气体中产生一电子离子对所需的平均能量称为电离能，电离能只与介质有关，与带电粒子的种类无关；带电粒子能量越高，其所生成的离子对越多，则生成的离子对数可以反应入射带电粒子的能量。

2.2闪烁体探测器
闪烁探测器是利用某些物质在核辐射的作用下会发光的特性探测核辐射的，这些物质称为荧光物质或闪烁体。

其工作原理为：带电粒子进入闪烁体中，使原子电离激发，受激原子在退激过程中发光，光子穿过闪烁体、光导，一部分到达光电倍增管的光阴极，在光阴极上打出光电子，被光电倍增光的第一倍增极收集的光电子经过光电倍增管各倍增极的倍增，便产生一个电脉冲信号。

2.3半导体探测器
半导体探测器探测带电粒子的基本原理与气体电离室的十分相似，都是带电粒子在半导体探测器的灵敏体积内产生电子－空穴对，电子－空穴对在外电场的作用下漂移而输出信号。

我们把气体探测器中的电子－离子对、闪烁探测器中被 PMT第一打拿极收集的电子及半导体探测器中的电子－空穴对统称为探测器的信息载流子。

3信号载流子收集、记录、处理过程
该过程主要涉及的为核电子学内容，包括①各种辐射探测器及与之相应的电子电路或系统。

②针对核信息的随机性、统计性或单次性等特点的各种精密的电子学测量技术；时间间隔（微秒到皮秒）、空间分辨（毫米到微米）。

③配有在线电子计算机的核电子系统，用于在核科学技术和高能物理实验中实时获取并处理巨量核信息，在实验全过程中不间断地对整个系统工作的监测和控制。

④电子原材料、电子元件、器件和电子设备或系统在核辐射、核电磁场下的辐射效应和相应的抗辐射加固技术。

⑤核技术在工业、农业、军事、医学、生物研究等方面应用时所需的各种辐射探测技术和电子技术。

3.1
气体探测器
I : 复合区 II : 饱和区 III : 正比区 IV: 有限正比区 V: G-M 工作区 VI: 连续放电区
①离子对的收集：前面已经了解到气体探测器的信号载流子是产生于探
测器灵敏体积内的离子对，离子对的数目不仅与入射带电粒子的能量有关，同时也与气体探测器所加的偏压有关。

如上图，根据所加偏压大小，可以使得气体探测器工作在不同区间，其主要区别是离子对数的收集。

探测器处于复合区间时，收集到的离子对数小于初始电离产生的离子对数o N ；处于饱和区时，收集到的离子对数等于o N ；处于正比区时，收集到的离子对数大于o N ，且有N=o N M ，M 为气体放大倍数；处于G-M 工作区与连续放电区，收集到的离子对数完全与入射粒子能量无关。

因此可以看出，气体探测器信号载流子的收集由探测器灵敏体积所加偏压决定。

②输出电流信号的处理及记录：离子对收集后产生电流信号，对于该电
流信号的处理，主要进行于探测器的输出回路。

输出电路通常包括探测器本身的输出部分电路以及和探测器相连的放大器输入电路。

图1
图1是气体探测器输出回路，，我们可以把探测器看成电流源i （t ），做出他
的等效电路，如图2
图2
再进一步简化可以得到图3
图3
其中，i R 和i C 为放大器输入电阻和输入电容，s C 为分布电容，o C 为电离室的
电容，L R 为负载电阻，有R=L R ∥i R ，C=o C +s C +i C 。

设离子收集时间为+T （约为3-10秒），电子收集时间为-T （约为6-10秒），当RC ﹥+T 时，输出电路可达峰值m V =e N /C ∝E ，故可用于能量的测量。

而若+T ﹥RC ﹥-T ，输出波形不能达到
m V 而早开始下降，输出电压大小与入射粒子位置有关，这时不能作能量测量，
只能用作计数，但计数率可较高。

3.2闪烁体探测器 ①光电子的收集：
图4
入射粒子进入闪烁体内发生光电效应产生光电子，光电子进入光电倍增管，经过打拿极放大，最后被阳极收集，形成电流信号。

②输出电流信号的处理及记录：
图5
进一步简化电路图可以得到图6
图6
有等效电路图可以得到
代入 ，令 ，
，
A ：当 时， ，
短时间内，即
在τ5≈t ，但仍满足，
经过较长时间，即
B: 当 时
对τ<<t ，
005C R t ≈
经过较长时间，即
3.3半导体探测器
①电子-空穴对的收集：半导体探测器加一外电压，电压方向是使半导体探
测器的到反向偏置，故称为加反向偏压。

当带电粒子或其它核辐射入射到探测介质后，它们损失能量，介质内就产生电子-空穴对，在外电场的作用下，电子-空穴对分别向两电极作漂移运动，从而在电极上感应出电荷，电荷在电容上积累而形成电压脉冲。

②输出电信号的处理及记录：
()dt t dV C R t V t I )()(00+=()()⎰
''='
-t
C R t C R t t d e t I C e t V 0
/0/0
00
0τ
τ/)(t ph
e
e M T
n t I -⋅⋅⋅=
e
M T n Q ph ⋅⋅⋅=[]
τ
τ//0
00
00
0)
()(t C R t e e
C R C R C Q t V ----⋅
=τ>>00C R ()⎪⎭
⎫ ⎝
⎛-=--τ
t
C
R t
e
e
C Q t V 0
000C R t <<()⎪⎭⎫
⎝
⎛-=-τt e C Q t V 1000C R t <<()h C Q
t V ==0
00C R t >()0
0C R t e C Q t V -=
τ<<00C R ()⎪
⎭
⎫ ⎝⎛-=--00000C R t t e e C R C Q t V ττ()⎪
⎭
⎫ ⎝⎛-=-001000C R t e C R C Q t V τ()
h h C R C Q t V <<'==τ
00
00C
R t >()
⎪⎭
⎫ ⎝⎛=-τ
τt e C R C Q t V 000
图7
图7为半导体探测器等效输出回路，须考虑结电阻Rd 和结电容Cd ，结区外半导体材料的电阻和电容RS ，CS 。

图8
图9
λR R R R L d ////0
=，λC C C a +'=
当 R0(Cd+Ca) >> tc ( tc 为载流子收集时间 )时，为电压脉冲型工作状态：
C '
L
R λ
R λ
C d
C )
(0t I d
R S R S C
0R a
C d
C )
(0t I
脉冲前沿从粒子入射至全部载流子被收集(tc)。

脉冲后沿以时间常数R0(Cd+Ca) 指数规律下降。

4.核电子学对核技术领域的贡献
核电子学时核科学和电子学相结合的产物，它是一门用电子学方法来获取和处理核信息的学科。

核电子学在核科学领域中占有十分重要的地位。

在30年代初，当人们开始把电子技术引入到核辐射测量中时，就引起了探测技术的重大革新，到40年代开始逐步形成了一套核电子学方法和技术。

几十年下来，核电子技术不断更新换代、处于迅猛发展之中，核物理和粒子物理的深入研究以及核技术的广泛应用，对核电子学不断提出新的要求，新的探测方法的出现又有力的推动着核电子学的发展，特别是不断采用电子学和计算机技术的新成就、新技术、新工艺、新器件，使现代的核电子学的方法和技术达到新的水平，能实现大量地、高效地、精确地、灵敏地、方便地、经济地获取和处理有关核辐射和粒子的各种信息。

正是由于核电子学日新月异的发展，改善了实验手段，又促进了核科学技术的突飞猛进。

可以说；现代核科学技术领域的任一角落都离不开核电子仪器和设备。