3-辐射探测器解析

Ar原子＋射线
Ar正离子＋电子
Ar正离子＋酒精分子
酒精正离子＋阴极电子
Ar原子＋酒精正离子＋光子
激发态酒精分子
吸收
激发态酒精分子解离
► G－M计数管性能
（1）工作电压
确定G－M计数管的工作电 压，必须依据计数管的坪特性
曲线。
坪长越大、坪斜越小，则 性能越好。 G－M计数管的工作电压 通常选取在坪长的1/3～1/2处。
图3-2 典型的气体电离探测器 的伏安特性曲线
压，而且正比于初电离的离子对 数，亦即正比于射线在探测器中 消耗的能量。
Ⅳ区（有限正比区）：由于电压
过高，空间离子密度很大，在空
间电荷效应的影响下，使气体放 大倍数不仅和工作电压有关，而 且和初电离大小有关，初电离增 大，气体放大倍数减小。不同能 量粒子产生的两条伏安特性曲线 β1、β2，在该区中随着工作电压
一种用于探测高能粒子位置的具有
多丝结构的气体探测器，称为多丝 正比室。多丝正比室是目前高能物
理实验的主要探测器之一。因为这
一重大发现，夏帕克获得了1992年 的诺贝尔物理学奖。
图3-9 夏帕克和他 的多丝正比室
图3-10 多丝正比室的结构原理
多丝正比室由大量平行细丝组成，细线的直径约为
0.1 mm。所有这些细丝都处于两块相距几厘米的阴极平面 之间的一个平面内，相互间隔约为一到几毫米。
3.1.3 正比计数管
► 正比计数管工作原理 如果在两个电极间施加的电
压超过饱和电压时，由于电场强
度增加，造成由电离产生的电子 有足够能量在气体中进一步产生
次级电离，甚至次级电离的电子
还能够引起进一步的电离。这样 由电极收集到的电荷将远大于初 电离数，而且与电极间的电压有 关，这就是气体放大作用，也就 是正比计数管的工作原理。
基态
NaI晶体
铊激活的碘化钠单晶闪烁体〔NaI(Tl)〕的发光过程
3.2.2 NaI(Tl)闪烁探测器的构成
多样的NaI(Tl)闪烁探测器
图3-14 NaI（Tl）闪烁探测器结构示意图
（1）光电倍增管 光电倍增管是一种高灵敏度 真空光电器件，在现代科学领域 中发挥着重要的作用。光电倍增
管可用作弱光探测器，用来探测
变化很小，工作于该区的探
测器称G-M计数管。
图3-2 典型的气体电离探测器 的伏安特性曲线
► G－M计数管特点 G-M计数管灵敏度高，输出脉冲幅度大，可以不经放 大直接被记录，具有使用方便、制作容易、价格低廉的特 点，因此广泛用于测量各种核辐射。 G-M计数管对带电粒子的探测效率几乎达到100％，但 它对γ射线的探测效率较低，只有l％左右。此外，它的 输出脉冲幅度在一定电压下对不同能量、不同种类射线都 相同，因此不能直接用来鉴别射线种类和测量能量大小。
► 正比计数管的特点 输出脉冲幅度与粒子所消耗的能量有正比关系，因此常 用来测量低能β射线。 分辨时间短，可以进行快计数，适合较高强度的测量。
虽然输出脉冲幅度较大，但仍须放大后才能被记录或分
析，只是放大器的增益不像电离室那样高。 由于气体放大倍数与外加电压、气体性质有关，因此正 比计数管不仅对高压电源稳定性的要求较高（<1%），而且 对工作气体也有特殊要求。
不可恢复
可部分恢复
§3.2 闪烁探测器
闪烁探测器是利用某些荧 光物质在带电粒子作用下被激 发或电离后能发射荧光（称为 闪烁）的现象来测量射线粒子
数目和能量的。这种荧光物质
常称为闪烁体。闪烁探测器具 有分辨时间短、γ射线的探测 效率高和能测量射线的能量等 优点，是目前应用最广的核辐
图3-13 FD-3013B伽玛辐射仪
多丝正比室的优点： ① 空间测量精度高； ② 探测效率高； ③ 适用性好； ④ 可与计算机协同工作。
CERN（欧洲核子研究组织）于1983 年发现中间玻色子
丁肇中于1974年发现粲夸 克粒子
3.1.5 G-M计数管
► G－M计数管原理
在Ⅴ区（自激放电区或
称盖革区），气体放大倍数 急剧增大，形成自激放电。 此时，不管初电离的大小和 位置如何，电离电流的大小
由于气体在射线作用下存在复杂物理过程，所以，气体 电离探测器的工作电压和电离电流之间有着复杂的关系。
图3-2 典型的气体电离探测器的伏安特性曲线
图3-2 典型的气体电离探测器的伏安特性曲线
Ⅰ区（复合区）：电离电流随工作电压的增加急剧上升，反映出电 离过程中，电离的复合损失随着电压升高急剧减小。
图3-2 典型的气体电离探测器的伏安特性曲线
在电场作用下，电子和正离子分别向正负电极作定向 运动的过程称为漂移。气体成分确定时，离子的漂移速度 与电场强度E成正比，与气体压力 P 成反比。电子的漂移 速度不服从此规律，其值比离子大1000倍，而且对气体 的成分非常敏感。电子和离子的漂移速度直接影响气体电 离探测器输出脉冲的上升时间和宽度。
电子和正离子、或正离子和负离子在运动过程中发生 碰撞重新成为中性原子或分子的过程称为复合。单位时间 内，电子和正离子、或正离子和负离子复合成中性原子或 分子的数目叫做复合率，其正比于电子和离子的密度，其 中的比例系数称为复合系数，与气体的性质、温度、压强 等有关。 复合率的大小直接影响 气体电离探测器的工作电压 和线性范围。
工作气体。当射线与工作气体作用时，
气体分子电离，产生电子和正离子。 如果在电离室的两极上加上工作电压，
HPIC-300高压电离室
则电子和正离子便分别向正负电极做
定向漂移。最终在电极上形成电荷积 累，产生输出信号。
井型电离室
► 电离室结构
（a）平行板电离室
（b）圆桶形电离室
图3-3 电离室结构原理图
核技术应用与辐射防护
第三章 辐射探测器
引言
辐射探测器是指在射 线作用下能产生次级效应 的器件，而且这种次级效 应能被电子仪器所检测。 多数探测器是根据射线与物质相互作用使物质的原子 或分子电离或激发效应制成的，它可以把射线的辐射能量
转变为电流、电压信号以供电子仪表记录和分析，或转变
成辐射粒子的径迹以供分析。因此辐射探测器是一种能量 转换元件，是辐射测量装置的基础组成部分。
MicroCont Ⅱ 表面污染测量仪 （流气式氙探测器）
3He正比计数管
► 正比计数管的电极 正比计数管的阳极采用直径很小的钨丝或不锈钢丝。阳 极表面要镀金，以提高阳极导电性。阴极的直径相比阳极要 大的多，之所以如此，一方面是测量样品的需要，另一方面 是为了提高在阳极附近的电场强度，以便获得较大的电压脉 冲输出。
图3-2 典型的气体电离探测器 的伏安特性曲线
► 正比计数管结构 类似于电离室，正比计数管也是由阴极、阳极和工作气
体等组成。根据不同的用途，正比计数管的阴极一般制成圆
柱形或盒形，其中圆柱形又有管形、鼓形两种形式。
图3-4 圆柱形正比计数管结构
依据射线入射位置（窗口）不同，圆柱形正比计数管还 可分为前开窗和侧开窗两种。
（a） 前开窗式
（b） 侧开窗式
图3-5 正比计数管
盒形正比计数管由两个对称的部分组合而成，主要用于
对射线进行4π几何测量。常见的盒形正比计数管有：圆柱形 4π正比计数管、球形4π正比计数管、方盒形4π正比计数管。
图3-6 圆柱形4π正比计数管（流气式） 图3-7 球形4π正比计数管
BF3正比计数管
图3-2 典型的气体电离探测器 的伏安特性曲线
的增加，电离电流最后趋于相等。
图3-2 典型的气体电离探测器的伏安特性曲线
Ⅴ区（自激放电区或称盖革区）：在这一工作区，气体放大倍数急 剧增大，形成自激放电。此时，不管初电离的大小和位置如何，电 离电流的变化不大，工作于该区的探测器称盖革一缪勒计数器。
3.1.2 电离室
► 电离室特点 电离室是最早使用的气体电离探测器之一。由于它 结构简单、牢靠，几何形状可做成各种各样，工作性能 稳定，适合于测量各种射线，并能在较宽范围内测量照 射量、射线强度等，因此电离室至今仍被广泛应用于射 线测量中。
美国联合系统公司生产的900型多 功能数字核辐射仪
FHT192加压电离室
► 电离室工作原理 电离室相当于一个充气的密封电 容器。电离室原则上可以做成任意形 状的两个电极，中间充以空气或其他
坪曲线：计数率与外加电压之间的工作特性曲线
图3-8 正比计数管的坪曲线 （Ra-D-E-F源）
3.1.4 多丝正比室
核乳胶片上的粒子径迹
气泡室中的粒子径迹
流光室中的粒子径迹
云雾室中的粒子径迹
为了解决传统照相法面临的工 作量大、空间分辨率低等困难，法 国物理学家夏帕克于1968年在火花 室和正比计数器基础上成功研制出
3.1 气体电离探测器
3.1.1 电场下的气体电离
图3-1 气体电离探测器原理图
电离所产生的电子和正离子在电场作用下的运动形式 是多样和复杂的，除了热运动外，还包括扩散、漂移和复
合等。 电子和正离子从密度较大的 空间向密度较小的空间运动的过 程称为扩散。扩散能力与气体的 性质、温度和压强等有关。对于 不同气体，离子的扩散系数一般 在200～500 cm2· s-1，而电子的 扩散系数比离子大得多。 扩散过程将影响气体电离探测器电脉冲的时间特性
根据 G-M 管所充气体，
计数管又可分为有机管和卤 素管。有机管所充气体主要 成分是惰性气体，如氩，占 90 ％，称为工作气体，除此 尚充有 10 ％有机猝灭气体， 常见的如酒精、石油醚等。 卤素管工作气体也是惰性气
各种形式的G-M计数管
体，如氖，微量的猝灭气体
为卤素气体，如溴、氯等。
猝灭气体的作用－抑制二次放电
► G－M计数管结构 根据外观有钟罩形和圆柱 形两种。与正比计数管类似， G-M计数管也多采用圆筒状阴极， 中央有一根细金属丝作为阳极， 气体放大也局限在阳极附近很 小区域内。由于它内部电场强
度比正比计数管的还要高，离
子倍增剧烈，气体放大倍数也 比正比计数管的更大。
图3-11 G-M计数管结构示意图
► 正比计数管的工作气体 工作气体的选择要满足三个要求：电离时不产生负离子、
没有长寿命的原子激发态、致使的工作电压不能太高。
根据这些要求，工作气体一般采用单原子的惰性气体
（Ar、He等）和多原子气体（CH4等）组成的混合气体。
依据提供工作气体的方式，正比计数管又可分为密封式 和流气式两种，前者使用方便，但寿命有限，后者操作不方 便，但寿命长。在进行核素活度的测量中，流气式的盒形正 比计数管应用很广泛。
Ⅱ区（饱和区）：电离电流已不随两极电压的升高而改变，电离电 流趋向饱和，它反映正负离子和电子已被全部收集。
Ⅲ区（正比区）：随着电压的增
加，初电离产生的电子在电场中
得到能量后使气体进一步电离， 电离电流随电压的增加而又增加， 离子对数目可增加到初电离离子 对数的 l0000倍，这时工作气体本 身已具有放大作用。在这一工作 区，电离电流不仅正比于工作电
核物理和粒子物理中的γ射线或 高能粒子，此外在光谱学、光度
学、照度学、色度学、光子计数、
激光探测、污染监测和热释光计 量等方面都有广泛应用。
图3-15 光电倍增管工作原理图
图3-16 常见的光电倍增管结构
ANTEK 硫光电倍增管，用于ANTEK9000硫氮 分析仪上的硫检测器中，是检测荧光信号的关 键部件。
图3-12 G－M计数管坪特性曲线
（2）分辨时间
（3）计数寿命
G－M计数管中每次放电都有一部分猝灭气体分子解离， 因此工作一定时间后，由于管内猝灭气体含量减小会失去 猝灭能力，从而使计数管坪长缩短，坪斜增大。 计数管在失去猝灭能力之前所能计数的次数称为计数
管的计数寿命。
有机管计数寿命约为108，卤素管的计数寿命约为109。
射探测器。
3.2.1 闪烁体
无机晶体闪烁体 闪 烁 体 有机闪烁体 有机晶体闪烁体
有机液体闪烁体
有机塑料闪烁体
各种塑料和液体闪烁体
碘化钠闪烁体
碘化铯闪烁体
锗酸铋闪烁体
闪烁体的发光机制
激发态 激发态 光子 基态 NaI晶体 基态 NaI晶体
激发态
基态
NaI晶体
激发态
杂质能级
激发态
光子
基态
NaI晶体
► 电离室的分类及用途
⑴ 脉冲电离室：测量单个脉冲的电离室，适合于测量射
线强度。 ⑵ 电流电离室：测量入射粒子产生的饱和电离电流的电
离室，又称为累计电离室。电流电离室具有测量范围宽、能
量响应好和工作稳定可靠等优点，广泛应用于X射线和γ射线 的剂量测量。电流电离室也是测量放射性气体的重要探测器。 电离室没有气体放大作用，其输出的电离电流很弱，因此要 特别考虑弱电流测量的要求。