成理工核辐射测量方法讲义04带电粒子测量方法.docx

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1、第4章带电粒子测量方法4.1核辐射探测器概述用于核辐射探测的探测器（传感器），是利用探测器内的物质与入射射线的相互作用而产生某种信息（如电、光脉冲或材料结构的变化），从而实现对入射射线加以捕获的装置。核辐射探测器产生的信号经相应电子学电路放大后被记录、分析，可以确定射线的数目、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。按照记录方式，核辐射探测器大体上分为计数器和径迹室两大类。4.1.1计数器计数器是以电脉冲的形式记录、分析辐射产生的某种信息的一类探测器。计数器的种类有气体电离探测器、多丝室和漂移室、半导体探测器、闪烁计数

2、器和切伦科夫计数器等。气体电离探测器，通过收集射线在气体中产生的电离电荷来测量核辐射。主要类型有电离室、正比计数器和盖革计数器。它们的结构相似，一般都是具有两个电极的圆简状容器，充有某种气体，电极间加电压，差别是工作电压范围不同。电离室工作电压较低，直接收集射线在气体中原始产生的离子对。其输出脉冲幅度较小，上升时间较快，可用于辐射剂量测量和能谱测量。正比计数器的工作电压较高，能使在电场中高速运动的原始离子产生更多的离子对，在电极上收集到比原始离子对要多得多的离子对（即气体放大作用），从而得到较高的输出脉冲。脉冲幅度正比于入射粒子损失的能量，适于作能谱测量。盖革计数器又称盖革-弥勒计数器或G-M

3、计数器，它的工作电压更高，出现多次电离过程，因此输出脉冲的幅度很高，已不再正比于原始电离的离子对数，可以不经放大直接被记录。它只能测量粒子数目而不能测量能量，完成一次脉冲计数的时间较长。多丝室和漂移室，这是正比计数器的变型。既有计数功能，还可以分辨带电粒子经过的区域。多丝室有许多平行的电极丝，处于正比计数器的工作状态。每一根丝及其邻近空间相当于一个探测器，后面与一个记录仪器连接。因此只有当被探测的粒子进入该丝邻近的空间，与此相关的记录仪器才记录一次事件。为了减少电极丝的数目，可从测量离子漂移到丝的时间来确定离子产生的部位，这就要有另一探测器给出一起始信号并大致规定了事件发生的部位，根据这种原理

4、制成的计数装置称为漂移室，它具有更好的位置分辨率（达50微米），但允许的计数率不如多丝室高。半导体探测器，辐射在半导体中产生的载流子（电子和空穴），在反向偏压电场下被收集，由产生的电脉冲信号来测量核辐射。常用硅、楮做半导体材料，主要有三种类型：在n型单晶上喷涂一层金膜的面垒型;在电阻率较高的p型硅片上扩散进一层能提供电子的杂质的扩散结型;在P型错（或硅）的表面喷涂一薄层金属锂后并进行漂移的锂漂移型。高纯铭探测器有较高的能量分辨率，对Y辐射探测效率高，可在室温下保存，应用广泛。碑化铁、确化镉、碘化汞等材料也有应用。闪烁计数器，通过带电粒子打在闪烁体上，使原子（分子）电离、激发，在退激过程中发光，

5、经过光电器件（如光电倍增管）将光信号变成可测的电信号来测量核辐射。闪烁计数器分辨时间短、效率高，还可根据电信号的大小测定粒子的能量。闪烁体可分三大类：无机闪烁体，常见的有用铭（TI）激活的碘化钠Nal（Tl）和碘化钠CSl（TI）晶体，它们对电子、Y辐射灵敏，发光效率高，有较好的能量分辨率，但光衰减时间较长；铝酸铀晶体密度大，发光效率高，因而对高能电子、Y辐射探测十分有效。其他如用银（Ag）激活的硫化锌ZnS（Ag）主要用来探测。粒子;玻璃闪烁体可以测量粒子、低能X辐射，加入载体后可测量中子；氟化钢（BaF2）密度大，有荧光成分，既适合于能量测量，又适合于时间测量。有机闪烁体，包括塑料、液体和

6、晶体（如慈、茯等），前两种使用普遍。由于它们的光衰减时间短（23纳秒，快塑料闪烁体可小于1纳秒），常用在时间测量中。它们对带电粒子的探测效率将近百分之百。气体闪烁体，包括何、氮等惰性气体，发光效率不高，但光衰减时间较短（VIO纳秒）。切伦科夫计数器，高速带电粒子在透明介质中的运动速度超过光在该介质中的运动速度时，则会产生切伦科夫辐射，其辐射角与粒子速度有关，因此提供了一种测量带电粒子速度的探测器。此类探测器常和光电倍增管配合使用；可分为阈式（只记录大于某一速度的粒子）和微分式（只选择某一确定速度的粒子）两种。除上述常用的几种计数器外，还有气体正比闪烁室、自猝灭流光计数器，都是近期出现的气体探测

7、器，输出脉冲幅度大，时间特性好。电磁量能器（或簇射计数器）及强子量能器可分别测量高能电子、Y辐射或强子（见基本粒子）的能量。穿越辐射计数器为极高能带电粒子的鉴别提供了途径。4.1.2径迹室径迹室是通过记录、分析辐射产生的径迹图象来测量核辐射的一类核辐射探测器。主要种类有核乳胶、云室和泡室、火花室和流光室、固体径迹探测器。核乳胶能记录带电粒子单个径迹的照相乳胶。入射粒子在乳胶中形成潜影中心，经过化学处理后记录下粒子径迹，可在显微镜下观察。它有极佳的位置分辨本领（1微米），阻止本领大，功用连续而灵敏。云室和泡室使入射粒子产生的离子集团在过饱和蒸气中形成冷凝中心而结成液滴（云室），在过热液体中形成气

8、化中心而变成气泡（泡室），用照相方法记录，使带电粒子的径迹可见。泡室有较好的位置分辨率（好的可达10微米），本身又是靶，目前常以泡室为顶点探测器配合计数器一起使用。火花室和流光室这些装置都需要较高的电压，当粒子进入装置产生电离时，离子在强电场下运动，形成多次电离，增殖很快，多次电离过程中先产生流光，后产生火花，使带电粒子的径迹成为可见。流光室具有较好的时间特性。它们都具有较好的空间分辨率（约200微米）。除了可用照相记录粒子径迹外，还可记录电脉冲信号，作为计数器用。固体径迹探测器重带电粒子打在诸如云母、塑料一类材料上，沿路径产生损伤，经过化学处理（蚀刻）后，将损伤扩大成可在显微镜下观察的空洞，

9、适于探测重核。由许多类型的探测器、磁铁、电子仪器、计算机等组成的辐射谱仪，可获得多种物理信息，是近代核物理及粒子探测的发展趋势。本章仅讨论对带电粒子测量常用的下述三类核辐射探测器。1）以气体为探测介质，利用电离作用的气体探测器；2）以闪烁晶体为探测介质，利用闪烁效应的闪烁探测器；3）以半导体为探测介质，利用电离作用的半导体探测器。4.2气体电离探测器气体电离探测器是早期应用最广的核辐射探测器，五十年代后逐渐被闪烁和半导体探测器代替，但至今在工业上仍广泛应用。其主要原因是：（1）制备简单；成本低廉；（3）较好的特性：低噪声、高能量分辨率。气体电离探测器是以气体作为带电粒子电离或激发的介质，在气体

10、电离空间置有两个电极，外加电场并保持一定的电位差，当带电粒子穿过气体时与气体分子轨道上的电子发生碰撞，使气体分子产生电离而形成离子对，在电场中电子向正极移动，正离子向负极移动，最后到达二极而被收集起来，使电子线路上引起瞬时电压变化（电压脉冲）而由后续的电子仪器记录。气体中电子与离子的运动规律决定探测器的基本特性。在相同射线的照射下，脉冲的大小（又称脉冲的高度）使随着二极间的电压大小而改变的，它们间的变化关系如图4.1所示。它们具有形状相似的曲线，曲线分为6个区域。气体电离探测器是早期应用最广的核辐射探测器，根据其所处的工作状态，通常可分为三类，即电离室、正比计数器和盖革计数器等。4.2.1电离

11、室电离室是最早应用于射线探测的气体探测器，在核物理发展的早期，特别是20世纪初叶，电离室曾起过重要的作用。19111914年间，HeSS等从电离室测量中发现了宇宙射线；1932年，ChadWiCh利用电离室探测反冲质子，从而证明了中子的存在。1939年，Frish利用电离室证实了核裂变时释放大量的能量等。时至今日，电离室在核物理研究与核技术应用领域仍然发挥着作用。例如，传统的射气仪测量氯气，利用。杯法进行氨气测量等，仍然采用电离室。根据电离室的功能，可以将其分成两大类：脉冲电离室，电流电离室和累计电离室。脉冲电离室是可以记录单个辐射离子的电离室。主要用于测量重带电粒子的能量和强度，可以测量a、

12、B、丫射线和中子。按输出回路可将这类电离室进一步分为:离子脉冲电离室和电子脉冲电离室这类电离室目前已较少使用。电流电离室和累计电离室则是记录大量辐射粒子平均效应的电离室，这类电离室不能测量能量射线的能量。主要用于X、B、Y射线与中子的强度、通量、剂量或剂量率。它是剂量监测和反应堆控制的主要传感元件，是射线测量所用的主要传感器之一。一、电离室的结构两类电离室的基本构造基本相同。主体由两个处于不同电位的电极组成，电极之间用绝源体隔开，并密闭于充有一定气体的容器内。电极的形状原则上可以是任意的，但一般做成平行板形成圆柱形，这是因为这样安排电极，能使电极间电场均匀分布。平行板电离室的结构以及圆柱形电离

13、室的结构，见图4.2。电离室的大小和形状，壁厚和电极的材料、充气成分、电压强度等，根据辐射的性质、实验的要求而确定。例如，用于a粒子测量时，要求电离室的容积要大，充较高气压的气体。图4.2电离室的结构简图漏电流总是存在的，尤其是表面的漏电流。为而测量Y射线时，则要求电离室具有较厚的室壁，以阻隔住B射线、X射线等。在电离室的高压电极上一般都加有几百到几千伏高压，尽管使用了高绝缘体，此，在电离室高压电极和收集电极之间一般都要加-保护环。保护环由导电金属制成，与地之间电位差为0。使用保护环后，由于其电位与地相同（收集电极的电位与地相同），故漏电流从保护环流过达到地回路上，而在电阻上几乎无压降。这保证

14、了使收集电极边缘的电场不被畸变，使而压到地的漏电流不通过收集电极。4.2.2正比计数器正比计数器是一种充气型辐射探测器，工作在气体电离放电伏安特性曲线的正比区（图4.1中的CD区）为获得好的能量分辨率，大多数采用圆筒形、鼓形结构，以便有均匀的电场分布，可使射线入射窗作得很大。阳极丝加正高压，金属壳为阴极，面对入射窗设置一个出射窗，好让未被气体吸收的光子穿出。正比计数器接收一个X、光子后就输出一个电脉冲，幅度与光子能量成正比，输出脉冲的大小正比于入射产生的电子和正离子对数目，电子和正离子对数目正比于气体吸收的放射线的能量。放射线能量越大，电离电子获得能量大，碰撞产生的离子对越多。图4.3正比计数

15、器内部结构图4.4正比计数器外形a.钟承下b.K陶我即下图4.5G-M计数管4.2.3GM计数管盖格-弥勒计数管简称盖格计数管或G-M计数管，它是应用较广泛的核辐射探测器。主要用于测量粒子，只有计数管的底窗极薄（2mgcm2）时，才可探测粒子。盖格计数管对Y射线的探测效率极低，只有1%2%。一、G-M计数管构造和种类根据外形可以分为钟罩形（如图4.5a）和圆柱形计数管（图4.5b）o圆柱形计数管为圆柱形玻璃外壁，内衬一金属圆筒或涂一层导电物质（Hg或ZnC12）作为阴极。计数管内沿轴心穿一根细鸨丝作为阳极。钟罩形计数管外观象一个扣着的钟罩，供射线进入的底窗是云母片制成的。GM计数管内充工作气体

16、（惰性气体：氮、灰、氮）猝灭气体（乙醇、二乙醍、演、氯等）。惰性气体的作用是射线照射后引起气体的电离，产生放电：猝灭气体的作用是防止计数管在一次放电之后，发生连续放电。主要是因为猝灭气体的电离电位较低，正粒子与之相遇很容易夺走一个电子，复原成中性分子，猝灭气体分子本身称为正离子向阴极移动，到达阴极被中和时主要通过自身的解离而释放能量，极少在阴极打出继发发电子，因而抑制了连续放电。根据猝灭气体的种类，计数管又可分为有机计数管（猝灭气体为有机气体）和卤族计数管（猝灭气体为卤族元素气体）两种。二、工作原理计数管的正负极接在稳定的高压电源上，使两极间维持定的电位差（几百伏到100oV以上)。射线离子进入计数管内，引起管内惰性气体电离，形成正负离子对。在电场作用下，正离子向负极，负离子向正极(鸨丝