射线探测原理与技术

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3）光电倍增管 a. 基本原理和构造 光电倍增管是利用光电效应将光转换成光电 子，由光电子形成的电流来记录微弱闪光的元件。 作用：光电转换、电子倍增、信号输出 三个基本组成部分：光阴极、次阴极、阳极
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光阴极 接受光子并放出光电子的电极 作用：光电转换 次阴极 光阴极产生的光电子被加速、聚焦、 倍增 作用：电子倍增 阳 极 收集经倍增放大后所产生的所有电子 作用：信号输出
（光子收集效率） F ph
4. 调节光电倍增管得分压电阻，提高 集效率）
gc (电子收
5. 闪烁体与光电倍增管相匹配增加 Qk （光电转换效率）
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辐射防护与安全基础 3. 半导体探测器
工作原理 探测介质 与气体探测器类似 半导体材料 Si或Ge 能量分辨率高 主要优点 时间响应快（10-9秒）
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收集光子、光电转换
利用反射物和光导将闪烁光子尽可能多地收集
到光电倍增管的光阴极上，由于光电效应，光子 在光阴极上打出光电子 光能→电子
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光电子在光电倍增管中倍增，数量 由一个增加到104 ～109 ， 电子流在阳 极负载上产生电信号，输出幅度几百 mV～ V, 在一定的条件下正比于入射 粒子损失的能量，脉冲计数正比与入 射粒子强度。 记录分析
成高空间分辨、快时间相应的探测器。
线性范围宽： 在很大的能量范围内，探测器输出脉冲幅度与 所测射线的能量成正比。
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表4.2 不同探测器能量分辨率的比较
放射源
241Am-α
探测器
能量分辨率
PIPS离子注入表面钝化硅半导体探测器
气体探测器 高纯锗半导体探测器 NaI（Tl）闪烁探测器 Si（Li）半导体探测器
线性范围宽
(300KeV-1.3MeV 线性偏移< 0.2KeV)
主要缺点
对辐射损伤较灵敏 性能随温度变化关系较大
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时间响应快： 带电粒子在半导体中形成的电离密度要比在气 体中形成的电离密度高，大约3个数量级。
所以，当探测高能电子或γ射线时，半导体探
测器的尺寸要比气体探测器小得多，因而可以制
反射层
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1）闪烁探测器工作原理（五个相互联系的过程）：
损失能量 射线进入闪烁题，闪烁体吸收带电粒子能量，而
使原子、分子电离、激发。
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能量转换
受激原子、分子退激发时，发射荧光光子。
发出光子→ 射线能量的一部分转化为光能。
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闪烁中子探测器 a)有机闪烁体 主要用于快中子的测量
b)硫化锌快中子屏
c)硫化锌慢中子屏 d)锂玻璃闪烁体
主要用于快中子的测量
主要用于快中子的测量 主要用于热中子到几百 keV中子的测量
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5. 半导体探测器
用某种物质作为辐射体，通过核反应、核反冲和
初电离：入射粒子与气体原子分子碰撞直接产生 正离子和电子。
次电离：直接电离时产生的电子中能量特别高的 那部分，称为δ电子，它们也能使气体电离。另外 初电离可使原子分子产生内壳层空位，则外壳层向 内壳层跃迁时，既可能发射俄歇电子，也有可能发 射紫外光或X射线，它们都可能使气体电离。
初电离和次电离的总和称为总电离。
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核辐射探测方法
陈明焌
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常用射线探测器的工作原理
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1.气体探测器
共同特点： 作用介质为气体 结构相似
探测依据
射线通过物质时的电离效应
电离室 （平板型、圆柱型）
气体探测器
正比计数器 （圆柱型）
G-M 计数器（圆柱型）
带电粒子穿过灵敏体积时，在其中产生离子对；
在电场的作用下，离子在漂向两极的过程中没有明显的损
失，在回路中形成的信号能代表原初产生的离子对数。
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与气体探测器类似，核辐射在半导体中，每产生
一对电子空穴对，平均损失的能量即平均电离能w
硅 w 3.76eV
锗 w 2.96eV
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3He气体探测器 ３He气体与中子发生如下反应，也广泛地用作
探测中子的介质：
３He + n ３H + p + 0.765 MeV 此反应产生的0.765MeV能量分别由反应产物３H （0.191MeV）和p(0.574MeV)获得。
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c. 有机晶体蒽和芪 具有良好的发光特性的芳香族化合物 蒽：C14 H 10 Z小，H的含量大
探测β和快中子的好材料
在0.1~30MeV能区线性好，可测 β能谱 芪：C14 H 12 光输出是蒽的60%，发光时间-6ns 常用作快计数
加工困难
不多用
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图4.3 给出了α、β两 种粒子在气体探测器 中产生的总的离子对 数目和电场的关系曲 线明显分为五个区域：
图4.3 α 、β 两种粒子在气体探测 器中产生的总的离子对数目 和电场的关系曲线
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图 各种类型的气体探测器
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例：210Po Eα=5.30MeV
R空气 3.84cm
5.3 10 5 N 1.56 10 个 34
6
经推导和实际测量已知，每一对电子正离子对 都带有一定电量，大小为：
e 1.602 1019 C
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圆柱型电离室
V0
-+ C - + + -+ -+
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2）常用中子探测器简介
常用中子探测器主要有：BF3正比计数器、硼 电离室、裂变室、闪烁探测器、半导体探测器等。 BF3正比计数器
n 10B 7Li* n 10B 7Li
BF3气体作为探测介质，利用中子和10B发生核 反应产生的α粒子和7Li在正比计数器产生的电离
高纯材料： 高纯锗探测器 HPGe
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图4.18 金硅面垒半导 体探测器外形 图4.21 液氮致冷冗余设计致冷 器和脉冲管电致冷器
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4. 中子探测器
1）中子探测的基本原理 由于中子不带电，中子与物质中的电子发生相互 作用不能引起直接电离。 因此，中子探测器只能依靠中子与原子核相互作 用产生的核反应、核反冲、核裂变和活化等产生的次 级带电粒子来测量中子。 中子与原子核的反应过程，以及相互作用截面的 大小，依赖于中子的能量和物质的性质。
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b. Zn(Ag)闪烁体
优点：发光效率极高
对重带电粒子阻止本领很大，
对γ 射线不灵敏，
适合于在β、γ本底场中用幅度甄别法测量 中带电粒子
缺点：ZnS层是半透明的 因此不能用来测量α 能量，只能用来测量 α 强度
结论与启示： 1. Δ VE0
电子收集效率
能量损失率
g c 、 A、 T 等 2. 为了提高，必须增大 C ph、
总发光效率 平均光电转换效率
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方法： 1. 增大A , 增大闪烁体尺寸。(提高探测效率)
2. 选 C ph 的闪烁体（高发光效率）
3. 提高
核裂变产生重带电粒子，然后用半导体探测器测量。 两个面对面的金硅面
垒半导体探测器，中
间放入含6Li薄膜，制 成“夹心式”中子谱 仪，
31.52
12.5 12.8 12.2
34.980.05 33.730.15
36.00.4
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2. 离子的收集和电压电流曲线
图4.2
离子收集装置示意图
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在辐射强度恒定的
条件下，随所加电压
与电离电流的关系如 图4.3。
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2）介绍几种闪烁体 a. NaI(Tl)晶体 密度大 ρ=3.67g/cm3 Z=53 (占总重的85%） 对γ射线探测效率高 输出脉冲幅度与吸收的能量基本上有线性关系
原子序数高
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“长计数管”。
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硼电离室和裂变室 硼电离室 在电离室的一个电极上涂有10B薄 膜，利用核反应产生的α粒子和7Li 在电离室产生的电流来测量中子 的注量率
裂变室
在电离室的电极上涂裂变物质235U, 利用中子轰击235U产生裂变，记录 裂变碎片在电离室中产生的电流来 记录中子。一般用于核反应堆控制。
RL
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辐射防护与安全基础 2. 闪烁探测器
闪烁探测器是利用辐射在某些物质中产生的闪 光来探测电离辐射的探测器。 闪烁探测器的主要组成部分： 闪烁体
光电倍增管
相应的电子学仪器
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荧光 光子 光电倍增管 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 管座 暗盒 阳极 光阴极
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辐射防护与安全基础 平均电离能
带电粒子在气体中产生一对电子正离子对需要
的平均能量
W→平均电离能
射线通过气体时就可形成N对离子对：
N
E0
W
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平均电离能 W > 最低电离电位 I0
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几种气体的电离能w、和最低电离电位
气体 He Ne Ar O2 CH4 C2 H4 空气
对于能量为E的核辐射，半导体探测器输出脉冲幅度：
E 1 V w C
探测器的结电容
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2）常见的半导体探测器 扩散型： 扩散结型 面垒型
离子注入型 漂移型： 硅锂漂移探测器
主要用于测量粒子 能谱和粒子计数
低能γ、x射线 γ射线能谱
锗锂漂移探测器
约0.2%
约1% 约0.1% 约8% 约3% 约17% 约50～60%
5.486MeV
60Co-γ
1.33MeV
55Fe-X
5.9keV
正比计数器（气体） NaI（Tl）闪烁探测器
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1） 半导体探测器的基本原理：
电离室成为探测器必须满足的条件：


没有射线穿过灵敏体积时，不产生信号或信号可以忽略；
效应来达到探测中子的目的。
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重带电粒子，射程比较短 BF3计数管主要用于热中子和慢中子的测量，它 对快中子的探测效率很低，若探测器外有用石蜡 （或聚乙烯）制成的慢化剂，是快中子经慢化后再 进入计数管，则BF3计数管也可以用来探测快中子。
这样就可以使得测量中子的能量范围更宽，被称为
w()
46.00.5 35.72.6 26.30.1 32.30.1 29.10.1 28.030.05
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
w(X, )
41.50.4 36.20.4 26.20.2 31.80.3 27.30.3 26.30.3
w()
29.9+0.5 28.68
I0
24.5 21.6 15.8
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辐射防护与安全基础 1.1 气体探测器的工作原理
1. 气体的电离 射线 互作用 气体（一种物质) 传递能量 相
气体原子（分子）
中核外电子获得能量
产生电离和激发效
应，产生大量的电子正离子对，射线本身损失能 量而被阻止下来。
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电离的过程包括：
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图4.13
光电倍增管的工作原理
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设：系统电容为C , 引起阳极上电极电位变化幅度为:
q n ph T M e V C C E0 A C np 1 F ph gc Qk M e C h