核辐射探测复习资料卢秉祯版.docx

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核辐射探测复习资料卢秉祯版

核辐射探测

第一章核辐射及其探测原理

1.1核辐射基本特性

辐射和X辐射都是电磁辐射。

辐射是核跃迁或粒子湮灭过程中发出的电磁辐射。

X辐射是核外电子从高能级跃迁过程中产生的电磁辐射。

1.2探测带电粒子的物理性质

探测原理：

利用带电粒子在物质中对物质原子产生的电离或激发效应或快速轻带电粒子穿过物质时的电磁辐射效应。

带电粒子与物质的作用方式：

带电粒子与核外电子的非弹性碰撞——电离与激发；

带电粒子与原子核的非弹性碰撞——轫致辐射（带电粒子的速度和运动方向改变产生的电磁辐射）或切连科夫辐射（特定条件下物质产生定向极化而随之发出的电磁辐射）；

带电粒子与原子核的弹性碰撞——弹性散射。

带电粒子的能量损失方式：

电离损失和辐射损失。

辐射长度是电子在物质中由于辐射损失而使其能量减少到原来能量的1/e时的物质度。

电子的电离损失率和辐射损失率之比：

当电子电离损失率与辐射损失率一样时

带电粒子与物质作用后不再作为自由粒子而存在的现象叫吸收，其中带电粒子从进入物质到被吸收，沿入射方向所穿过的最大距离叫射程。

对正电子的探测一般是通过探测湮没光子间接进行的。

1.3X和射线的探测

原理：

利用他们在物质中的光电效应，康普顿散射，电子对产生等产生的次级电子引起物质的电离和激发探测。

光电效应：

光子被原子吸收后发射轨道电子的现象。

内层电子（K）容易些，低能高Z

康普顿散射：

光子与轨道电子相互作用使得光子只改变方向而不损失能量。

外层电子发生概率大。

中能中Z

电子对效应：

光子与原子核发生电磁相互作用，光子消失而产生一个电子和一个正电子（电子对）的现象。

且要原子核参加。

高能高Z

1.4中子探测方法

两步：

1.中子和核的某种相互作用产生带电粒子或光子；

2.利用这些带电粒子或光子的次级带电粒子引起的电离或激发进行探测。

方法：

1：

中子与核反应放出带电粒子

2：

中子弹性散射引起核反冲

3：

中子引起的核裂变

4：

中子被核俘获引起核激活。

中子探测包括：

中子通量密度，中子能量，中子截面。

第2章气体探测器

2.1基本原理

按探测核辐射的物理过程分为：

电离型探测器和发光型探测器。

电离碰撞中被激发的原子，有3种可能的退激方式：

1.辐射光子；2.发射俄歇光子；3.亚稳原子。

电离产生的电子和正离子从入射粒子得到动能，他们在气体中运动，并和气体分子碰撞，会发生以下物理过程：

扩散，电子吸附，复合，漂移。

气体探测器是利用收集核辐射在气体中产生的电离电荷来探测核辐射的。

根据外加电压的大小，分为复合区，饱和区，正比区，有限正比区，G-M计数区，连续放电区。

2.2电离室

电离室就是工作在饱和区的气体探测器。

按工作方式，分为：

记录单个核辐射粒子的脉冲电离室，主要用于测量带电粒子辐射量和能量，这类电离室按其输出电路的时间常数大小又可分为：

离子脉冲电离室和电子脉冲电离室。

另一类是记录大量粒子平均电离效应的电流脉冲室。

常见的电离室结构主要由两个处于不同电位的电极和保护环等组成。

保护环的作用：

主要使收集级边缘的电极保持均匀，使电离室有确定的灵敏体积，也可使高压电极的漏电流不通过集电极。

几种常用脉冲电离室：

1.粒子脉冲电离室；2.电子脉冲电离室；3.裂变电离室。

4.屏栅电离室:

在平行板电离室的高压电极K和收集级A之间放置一个金属网状屏栅电极G，如果K,G之间的距离大于入射粒子射程，入射粒子电离限制在高压电极K和屏栅电极G之间，由于G的静电屏蔽作用，只有电子穿过G极才产生脉冲，正离子不穿过G极。

能量分辨率：

探测器微分脉冲幅度分布谱中的特征峰半高宽与峰值所对应的脉冲幅度之比：

2.3正比计数管

利用碰撞电离将入射粒子直接产生的电离效应放大，对直接电离效应放大倍数称为气体放大倍数A，属非自持放电的气体探测器。

光子反馈：

次电子可以在电场的加速发生电离碰撞。

正比计数器输出信号主要由正离子漂移贡献，全部输出信号均为正离子由阳极表面向阴极漂移而在外回路流过的感应电荷。

电压脉冲信号与输出回路时间常数有光，与入射粒子位置无光。

当电子到达距丝极一定距离之后，通过碰撞电离过程。

电子数目不断增殖，这一过程称为气体放大过程，也叫电子雪崩。

2.4G-M计数管

一种利用自持放电的气体电离探测器：

灵敏度高，输出电荷量大，死时间长，输出脉冲幅度与入射粒子类型和能量无光。

仅能用于计数。

放电过程：

1.初始电离及碰撞电离过程；2.放电传播；3.正电子鞘向阴极漂移过程：

形成“离子电流”，是输出脉冲主要贡献；4.正离子在阴极表面的电荷中和过程。

在工作气体中加入少量有机气体（多原子分子气体，又称淬熄气体）的G-M管具有自熄能力。

真实计数率n记录到的计数率死时间

2.5放射性活度小立体角法

立体角修正因子：

r：

准直孔半径h：

源到准直孔距离

第3章闪烁探测器

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，可用来测量入射粒子能量。

其工作过程为：

1.辐射射入闪烁体使其原子电离或激发，受激原子退激而发出可见光波段的荧光。

2.荧光光子被收集到光电倍增管的光阴极，通过光电效应打出光电子。

3.电子运动并倍增，并在阳极输出回路输出信号。

3.1.闪烁体

分类：

无机闪烁体，有机闪烁体，气体闪烁体

激发态原子3种退激方式：

1.电子从激发态立即跳回基态，发射出光子；

2.电子把激发能转换为晶格的振动（热运动）而到达价带，并不发射光子，称为“淬灭过程”。

3.激发态是亚稳态。

发光效率：

闪烁体将吸收的射线能量转化为光的比例。

：

闪烁体放射光子总能量E：

入射粒子损耗在闪烁体中的能量

光能产额：

为产生的闪烁光子总数。

闪烁体发光的过程包括闪烁的上升和衰减两个过程。

其中，发光强度下降到最大值1/e的时间叫发光衰减时间。

光衰减长度：

光子数衰减到1/e是光子在闪烁体中通过的路程。

标志闪烁体所能用的最大尺度。

源峰效率：

常用闪烁体：

NaI（Tl）：

发光效率高，易潮解，适宜射线测量。

能量分辨率正比。

ZnS（Ag）：

透明度差，薄层，测粒子。

3.2光电倍增管

当工作状态下的光电倍增管完全与光辐射隔绝时，其阳极仍能输出电流（暗电流）及脉冲信号（噪声）。

形成原因：

1.光阴极的热电子发射；2.残余气体电离-离子反馈；残余气体的激发-光子反馈；3.工艺—尖端放电及漏电。

3.3.闪烁探测器输出信号

闪烁探测器输出脉冲信号的电荷量Q是与入射粒子在闪烁体内耗损的能量成正比。

3.4单晶闪烁谱仪

射线与物质作用方式：

光电效应；康普顿散射；电子对效应。

原理：

辐射入射到闪烁体，通过光电效应，康普顿散射和电子对效应产生次级电子，使闪烁体中原子电离和激发而产生荧光，由光电倍增管变成电脉冲信号，其幅度正比于次级电子能量。

鉴别中子和射线的n,甄别方法：

闪烁探测器脉冲形状；比较法。

3.5特殊谱仪的原理

全吸收反符合谱仪：

当主晶体单独有输出，该输出才被记录和分析；而当两个晶体同时有输出，就用外围晶体的输出通过反符合阻止主晶体输出记录和分析。

康普顿谱仪:

对康普顿反冲电子和散射到一定角度的光子进行符合测量，从而得出反冲到一定方向的反冲电子的能量。

电子对谱仪：

仅当光子在中心探测器发生电子对效应并且产生两个湮灭光子分别被两侧探测器记录时，中心探测器才输出，即双逃逸峰脉冲。

第4章半导体探测器

4.1半导体基本性质

半导体探测器特点：

1.能量分辨率高；2.射线探测效率较高。

常用半导体探测器：

P-N结型；锂漂移型；高纯锗

半导体分为：

本征半导体和杂质半导体。

由于热运动而产生的载流子浓度称为本征载流子浓度。

载流子寿命：

载流子在俘获前，在晶体中自由运动的时间。

高的电阻率和长的载流子寿命是组成半导体探测器的关键。

4.2P-N结半导体

探测器种类：

面垒型；扩散型；离子注入型。

工作原理：

由于P-N结区载流子很小，电阻率很高，当探测器加上方向电压后，电压几乎完全加在结区，在结区形成强电场，但几乎没有电流通过。

入射粒子进入结区后，通过与半导体相互作用，损失能量产生电子-空穴对。

在外加电场作用下，电子和空穴分别向两级漂移，在输出回路中形成信号。

特征参数：

结区厚度：

灵敏区厚度

探测器窗度：

入射粒子进入探测器的灵敏区之前通过的非灵敏区厚度

能量分辨率影响因素:

1.电子对-空穴对数的统计涨落2.核散射效应3.探测器噪声4.空气和窗吸收影响

4.3锂漂移半导体探测器探测效率：

4.4高纯锗半导体探测器按结构分类：

平面型和同轴型

影响能量分辨率因素：

1，载流子对数目的统计涨落；2.探测器中载流子的复合和俘获；3.探测器和电子学系统的噪声。

4.5半导体探测器应用

金硅面垒探测器是重带电粒子能谱测量的理想探测器，可作为透射探测器通过测量入射粒子能量损失来识别粒子种类。

金硅面垒谱仪测量对象：

p等重带电粒子。

HPGe探测器能量分辨率好，常用于分析复杂能谱。

Si（Li）X射线能谱仪：

优点：

较低噪声水平，较薄入射窗，较好能量分辨率可探测低能量X射线。

名词解释：

1.光电效应：

光子被原子吸收后发射轨道电子的现象。

2.康普顿效应：

光子与轨道电子相互作用使得光子只改变方向而不损失能量。

3.电子对产生效应：

当r光子能量大于1.02Mev时，r光子经过与之相互作用的原子核附件时，与原子核发生电磁相互作用，r光子消失而产生一个电子和一个正电子。

4.电子吸附效应：

电子在运动过程中与气体分子碰撞时可能被分子俘获，形成负离子，这种现象称为电子吸附效应。

5.复合：

电子和正离子相遇或者负离子和正离子相遇能复合成中性原子或中性分子。

6.漂移：

电子和正离子在电场的作用下分别向正、负电极方向运动，这种定向运动叫做漂移运动。

7.平均电离能：

带电离子在气体中产生一对离子所需的平均能量称为平均电离能。

8.轫致辐射：

快速电子通过物质时，原子核电磁场使电子动量改变并发射出电磁辐射而损失能量，这种电磁辐射就是轫致辐射。

9.截面：

单位面积单位时间粒子与靶核发生相互作用的概率。

10.活化：

原子核吸收中子后，变成同一种元素的另一种核素，这种现象叫做活化。

11.真符合计数：

时间上有关的事件产生的脉冲引起的符合计数称为真符合计数。

12.偶然符合计数：

在时间上没有必然联系的事件产生的脉冲引起的符合计数称为偶然符合计数。

13.衰变常数：

表示某种放射性核素的一个核在单位时间内进行衰变的概率。

14.碘逃逸峰：

当r射线在NaI（Tl）晶体表面发生光电效应时，碘的KaX射线很容易逃逸出晶体，形成一个碘逃逸峰。

（28.61KeV）

15.本征效率：

探测器记录到的射线数与入射到探测器灵敏体积内的γ光子数的比。

16.辐射损失率：

电子在物质中通过单位长度路径，由于轫致辐射而损失的能量为辐射损失率。

17.电离损失率：

入射粒子因原子的激发和电离在单位路径上引起的能量损失。

18.能量分辨率：

探测器微分脉冲幅度分布谱中的特征峰半高宽与峰值所对应的脉冲幅度之比：

探测效率：

19.仪器谱：

20.能谱：

记录粒子能量和单位能量间隔内计数的谱。

21.全能峰：

入射γ射线能量全部损失在探测器灵敏体积内时，探测器输出的脉冲形成的谱峰。

22.逃逸峰：

若高能γ射线与探测器物质发生电子对效应时，湮没辐射光子中的一个或者两个逃离探测器。

23.特征峰：

若光电效应发生在表面，光电子被打出后，探测介质原子发射的特征X射线可能逃出探测器，形成E=能量的峰，称为特征峰。

24.总效率：

全谱内的计数与源发射的γ光子数之比。

25.峰总比：

全能峰内的计数与全谱内的计数之比。

26.峰康比：

全能峰中心道最大计数