核辐射物理及探测学期末总结教材课件.ppt

1、注意注意带电粒子带电粒子与与非带电粒子非带电粒子与物质相互作用的区别。与物质相互作用的区别。带电粒子在靶物质中的带电粒子在靶物质中的，可分为，可分为四种四种，其中前两种是主要的：，其中前两种是主要的：(a)(a)带电粒子与靶物质原子中带电粒子与靶物质原子中的的非弹性碰非弹性碰撞过程撞过程。(b)(b)带电粒子与带电粒子与的的非弹性碰撞过程非弹性碰撞过程。(c)(c)核碰撞损失带电粒子与核碰撞损失带电粒子与靶原子核的靶原子核的弹性碰撞弹性碰撞。(d)(d)带电粒子与带电粒子与轨道电子轨道电子弹性碰撞弹性碰撞。入射带电粒子与靶原子的核外电入射带电粒子与靶原子的核外电子通过子通过，使电子获得能量，使

2、电子获得能量而引起而引起原子的原子的或或。入射带电粒子与入射带电粒子与原子核原子核之间的之间的库仑力作用库仑力作用，使入射带电粒子，使入射带电粒子的的速度速度和和方向方向发生变化，伴随着发射发生变化，伴随着发射电磁辐射电磁辐射Bremsstrahlung。当当入射带电粒子入射带电粒子与与原子核原子核发生发生非弹性碰撞非弹性碰撞时，时，以以辐射光子辐射光子的形式损失其能量，称为的形式损失其能量，称为。6.2 重带电粒子与物质的相互作用重带电粒子与物质的相互作用1、重带电粒子与物质相互作用的特点、重带电粒子与物质相互作用的特点l 重带电粒子重带电粒子主要主要通过通过而损失能量，同时使介质原子而损失

3、能量，同时使介质原子；l 重带电粒子在介质中的重带电粒子在介质中的近似为近似为。2、重带电粒子在物质中的能量损失规律、重带电粒子在物质中的能量损失规律1)能量损失率能量损失率(Specific Energy Loss)指指单位路径单位路径上引起的上引起的能量损失能量损失，又称为，又称为或或(Stopping Power)。又分为电离能量损失率和辐射能量损又分为电离能量损失率和辐射能量损失率。失率。对对重带电粒子重带电粒子，辐射能量损失率辐射能量损失率相对相对小的多小的多，因此，因此重带电粒重带电粒子子的的能量损失率能量损失率就就约等于约等于其其电离能量损失率电离能量损失率。ddionionES

4、Sx 2)Bethe 公式公式(Bethe formula)BetheBethe公式是描写公式是描写电离能量损失率电离能量损失率Sion与与带电粒子速度带电粒子速度v、电荷电荷z 以及以及作用物质属性作用物质属性等关系的经典公式。等关系的经典公式。240022144ddionzvxmBeNE 22222021lnlnZImBccvvv 其中：其中：m0为电子静止质量为电子静止质量3)Bethe 公式公式的讨论的讨论224002144ddionionzmvEeSxNB (2)(2)、与与带电粒子带电粒子的的电荷数电荷数z的关系；的关系；2ionSz(1)(1)、与带电粒子的与带电粒子的质量质量M

5、无关无关，而仅与其，而仅与其 和和 有关有关。ionS(3)(3)、与与带电粒子带电粒子的的速度速度v的关系：的关系：ionS非相对论非相对论情况下，情况下，B随随v变化缓慢，近似与变化缓慢，近似与v无关，则：无关，则：21ionSv ME(4)(4)、，吸收材料吸收材料密度大密度大，原子序数原子序数高高的，其阻止本领大。的，其阻止本领大。ionSNZ 1)1)重带电粒子径迹的特征重带电粒子径迹的特征3、重带电粒子在物质中的射程、重带电粒子在物质中的射程2)2)射程射程(Range)的定义的定义 带电粒子带电粒子沿入射方向沿入射方向所行径的所行径的最大距离最大距离，称为入射粒子，称为入射粒子在

6、该物质中在该物质中的的射程射程R。重带电粒子重带电粒子的的质量大质量大，与物质原子相互作用时，其，与物质原子相互作用时，其运动方运动方向几乎不变向几乎不变。因此，。因此，重带电粒子重带电粒子的的射程与其路程相近射程与其路程相近。2 2、不同粒子不同粒子以以相同速度相同速度，入射在，入射在同一物质同一物质中，中，2MRz 关于射程的几点讨论：关于射程的几点讨论：例：例：p、以以相同速度相同速度入射在入射在同种物质同种物质中，中，M/z2均为均为1，它们的，它们的射程相等射程相等。1 1、同种粒子同种粒子以以相同速度相同速度，入射在，入射在不同物质不同物质中，中，如果如果Z比较接近比较接近，ARZ

7、 ARZ 02300240024d24lnvAMzmvRvm vZe NAI 常数常数特点：特点：快电子的快电子的速度大；速度大；快电子快电子除除电离损失电离损失外，外，辐射损失辐射损失不可忽略；不可忽略；快电子快电子散射严重散射严重。1、快电子的能量损失率、快电子的能量损失率必须考虑相对论效应时的必须考虑相对论效应时的电离能量损失电离能量损失和和辐射辐射能量损失能量损失。ddddddionradEEExxx 222ddradradEz ESNZxm 讨论：讨论：(1)(1)：辐射损失率辐射损失率与与带电粒子带电粒子静止质量静止质量m的的平方成反比平方成反比。所以仅对电子才重点考虑。所以仅对电

8、子才重点考虑。21mSrad 当要吸收、屏蔽当要吸收、屏蔽射线时，不宜选用重材料射线时，不宜选用重材料。当要获得强的当要获得强的X X射线时，则应选用重材料作靶。射线时，则应选用重材料作靶。(2)(2)：辐射损失率辐射损失率与与带电粒子带电粒子的的能量能量E成成正比正比。即。即辐射损失率辐射损失率随随粒子粒子动能动能的的增加而增加增加而增加。ESrad(3)(3)：辐射损失率辐射损失率与与吸收物质吸收物质的的NZ2 2成成正正比比。所以当。所以当吸收材料吸收材料原子序数大原子序数大、密度大密度大时，时，辐辐射损失大射损失大。2NZSrad 电子与靶物质原子核库仑场作用时，只改变运动方向，电子与

9、靶物质原子核库仑场作用时，只改变运动方向，而不辐射能量的过程称为而不辐射能量的过程称为弹性散射弹性散射。由于电子质量小，。由于电子质量小，因而因而散射的角度可以很大散射的角度可以很大，而且会发生，而且会发生多次散射多次散射。电子。电子沿其入射方向发生沿其入射方向发生大角度偏转大角度偏转，称为，称为反散射反散射。对对同种材料同种材料，电子，电子能量越低能量越低，反散射反散射越严重越严重；对对同样能量同样能量的电子，的电子，原子序数越高原子序数越高的材料，的材料，反反散射散射越严重越严重。反散射反散射的的利用利用与与避免避免A)A)对对放射源放射源而言，而言，利用利用反散射反散射可以可以提高提高源

10、的产额源的产额。B)B)对对探测器探测器而言，要而言，要避免避免反散射反散射造成的造成的测量偏差测量偏差。3、正电子的湮没、正电子的湮没正电子正电子与物质发生相互作用的与物质发生相互作用的能量损失机制能量损失机制和电子相同和电子相同。高速正电子被高速正电子被慢化慢化，在正电子径迹的，在正电子径迹的末端末端与介与介质中的电子发生质中的电子发生湮没湮没，放出两个放出两个 光子光子。正电子的特点是：正电子的特点是：两个两个湮没光子湮没光子的的，各等于，各等于511keV两个两个湮没光子湮没光子的的，且发射是，且发射是各向各向同性同性的。的。特点：特点：光子光子通过通过次级效应次级效应与物质的原子或核

11、外电子与物质的原子或核外电子作用，光子与物质发生作用后，作用，光子与物质发生作用后，光子或者消失光子或者消失或者受到散射而损失能量或者受到散射而损失能量，同时产生同时产生次电子次电子；次级效应次级效应主要的方式有主要的方式有三种三种，即，即光电效应光电效应、康康普顿效应普顿效应和和电子对效应。电子对效应。射线射线与物质发生不同的相互作用都具有一定的与物质发生不同的相互作用都具有一定的概率概率，用，用截面截面来表示作用概率的大小。来表示作用概率的大小。总截面总截面等于等于各作用截面之和各作用截面之和，即：，即：pcph 作用截面与吸收物质原子序数的关系作用截面与吸收物质原子序数的关系5Zph Z

12、c 2Zp 总体来说，总体来说，吸收物质原子序数越大吸收物质原子序数越大，各，各相互作用相互作用截面越大截面越大，其中，其中光电效应随吸光电效应随吸收物质原子序数变化最大收物质原子序数变化最大，康普顿散射康普顿散射变化最小。变化最小。光电效应光电效应康普顿散射康普顿散射电子对效应电子对效应作用截面与入射光子能量的关系作用截面与入射光子能量的关系2/7)/1(hvph 光电效应截面光电效应截面随随入射光子能入射光子能量增加而减小量增加而减小，开始时变化剧开始时变化剧烈，后基本成烈，后基本成反比反比。)(Khv )/1(hvph )(20cmhv hvp )52(2020cmhvcm hvpln

13、)505(2020cmhvcm 电子对效应截电子对效应截面面随入射光子随入射光子能量增加而增能量增加而增加，只有光子加，只有光子能量大于能量大于1.022MeV才能才能发生。发生。thhvc 0hvhvcln )(20cmhv 康普顿散射截面康普顿散射截面开始基本为常数，开始基本为常数，随入射光子能量随入射光子能量增加而减小，减增加而减小，减小比光电效应缓小比光电效应缓慢。慢。)(20cmhv 次电子能量次电子能量光电效应：光电效应：光电子光电子康普顿散射：康普顿散射：反冲电子反冲电子电子对效应：电子对效应：正负电子对正负电子对iehvE )cos1()cos1(202 EcmEEe202cm

14、hvEEee XCECXE XDCCXD2(A)(A)(B)(B)相互独立相互独立的随机变量的的随机变量的“和和”、“差差”与与“积积”的的数学期数学期望望，是各随机变量，是各随机变量数学期望数学期望的的“和和”、“差差”与与“积积”，即：，即：1212E XXE XE X1212E XXE XE X(C)(C)相互独立相互独立的随机变量的的随机变量的“和和”与与“差差”的的方差方差，是各随机变量，是各随机变量方差方差的的“和和”，即：，即：2121XDXDXXD (D)(D)相互独立相互独立的的遵守泊松分布的随机变量遵守泊松分布的随机变量之之“和和”仍服从泊松分布。仍服从泊松分布。但是相互独

15、立的遵守泊松分布的随机变量之但是相互独立的遵守泊松分布的随机变量之“差差”，不服从不服从泊松分布。泊松分布。(A)(A)期望值：期望值：21 EEE (B)(B)方差：方差：21122 DEDED (C)(C)相对方差：相对方差：21222211 EED 假如假如第一级第一级随机变量的随机变量的数学期望数学期望很大很大，那么，那么就可以就可以忽略忽略第二级第二级随机变量的随机变量的相对方差相对方差对对串级随串级随机变量机变量的的相对方差相对方差的的贡献贡献。(D)(D)由由两个两个伯努利型随机变量伯努利型随机变量 1 1和和 2 2串级而串级而成的随机变量成的随机变量 仍是仍是伯努利型随机变量

16、伯努利型随机变量。若若 1 1 和和 2 2 的正结果发生概率分别为的正结果发生概率分别为p1 1和和p2 2，则，则 正结果发生概率为：正结果发生概率为：21ppp (E)(E)由由泊松分布泊松分布的随机变量的随机变量 1 1与与伯努利型随伯努利型随机变量机变量 2 2串级而成的随机变量串级而成的随机变量 仍仍遵守泊松遵守泊松分布分布。设设 1 1的的平均值平均值为为m1 1,而而 2 2的正结果发生概的正结果发生概率为率为p2 2，则，则 的的平均值平均值为：为：21pmm 对于一个具有对于一个具有N0个个放射性核放射性核的放射源，在的放射源，在t 时时间内发生间内发生核衰变数核衰变数N遵

17、守遵守二项式分布二项式分布。长寿命长寿命核素，其核素，其衰变概率衰变概率tep 1很小很小 tNeNt 001为为有限量有限量在在t 时间内时间内总衰变数总衰变数N遵守遵守期望值期望值 tNeNmt 001方差方差 tNeeNtt 0021(1).(1).探测器探测器输出计数输出计数的的统计分布统计分布脉冲计数器脉冲计数器的的测量过程测量过程可以概括为可以概括为三个三个基本过基本过程程，其，其计数值计数值为一个为一个三级三级串级型随机变量串级型随机变量。源源发射粒子数发射粒子数n1射入射入探测器探测器粒子数粒子数n2探测器探测器输输出脉冲数出脉冲数n3(2).(2).探测计数的统计误差探测计数

18、的统计误差粒子计数粒子计数探测器探测器输出脉冲数输出脉冲数服从服从统计分布统计分布规律，当规律，当计数计数的的数学期望值数学期望值m较较小小时，服从时，服从泊松分布泊松分布。m较较大大时，服从时，服从高斯分布高斯分布。而且，而且，m 2 m较大时，较大时，m与与有限次测量有限次测量的的平均值平均值 和和任一次任一次测量值测量值 N 相差不大。相差不大。NNNm N为为单次单次测量值测量值标准偏差标准偏差 随随计数计数N增大而增大，因此用增大而增大，因此用相对标准偏差相对标准偏差来表示来表示测量值测量值的的离散程度离散程度：NNNNNN1 计数测量结果的表示计数测量结果的表示：NN NN 表示一

19、个表示一个置信区间置信区间，该区间包含，该区间包含真平均值真平均值的的概率为概率为68.368.3（置信度）。（置信度）。与与由于各次碰撞由于各次碰撞电离过程电离过程是非独立是非独立的，产生的，产生的的离子对数离子对数不能简单不能简单用用泊松分布泊松分布来描述，来描述，而要对泊松分布进行修正，引入而要对泊松分布进行修正，引入 法诺因子法诺因子FnnF2 泊松统计预测的方差泊松统计预测的方差的方差的方差观测的观测的nF 2 nF nF F一般取一般取 (气体气体)或或 0.10.15(半导体半导体)2131不同材料不同材料法诺因子不同法诺因子不同，F由实验测定。由实验测定。把这种分布称为把这种分

20、布称为。n1代表一个代表一个入射粒子束脉冲入射粒子束脉冲中包含的中包含的粒子数粒子数，是一个服从是一个服从泊松分布泊松分布的的随机变量随机变量。每个每个入射带电粒子入射带电粒子在在探测器内探测器内产生产生n2个个离子对离子对，也是一个也是一个随机变量随机变量，且服从，且服从法诺分布法诺分布。输出信号输出信号 N是是n1和和n2 的的串级型随机变量串级型随机变量 2111nFn21111nFnn 由于由于n1服从服从泊松分布泊松分布，n2服从服从法诺分布法诺分布2122211nnNn 相邻两个脉冲时间间隔相邻两个脉冲时间间隔T服从服从指数分布指数分布。mtmetf )(表明：在短时间内出现第二个

21、脉冲的概率较大。表明：在短时间内出现第二个脉冲的概率较大。一些常见情况：一些常见情况：21xxy (1)(2221xxy )/()(212/12221xxvxxy 计数统计误差的传递计数统计误差的传递例如：存在本底时例如：存在本底时净计数净计数误差的计算：误差的计算：第一次第一次，没有样品，在时间，没有样品，在时间t内测得本底的计数为内测得本底的计数为Nb；第二次第二次，放上样品，在，放上样品，在相同相同时间内测得样品和本底的时间内测得样品和本底的总计数为总计数为Ns。样品的净计数为：样品的净计数为：bsNNN 0其标准偏差为：其标准偏差为：sbNNNNNsb )(220 Axy (2)Bxy

22、/xyA Bxy/xyvxyy/或或例如：计数率的误差：例如：计数率的误差：设在设在 t 时间内记录了时间内记录了N个计数，则计数个计数，则计数率为率为n=N/t，计数率的标准偏差计数率的标准偏差为：为：tNn tntNtN 2其其相对标准偏差相对标准偏差为：为：NvNn/N/1 21xxy (3)21/xxy 2221221 xxyxxy 22221xxyvvv 2/122212121 xxxxxxy 2/122212121 xxxxxxy 或或(4)平均计数的统计误差平均计数的统计误差对某样品重复测量对某样品重复测量k次，每次测量时间次，每次测量时间t相同相同(等等精度测量精度测量)，得到

23、，得到k个计数个计数 则在时间则在时间t内的内的平均计数值平均计数值为：为：kNNN,21 kiiNkN11由误差传递公式，平均计数值的由误差传递公式，平均计数值的方差方差为：为：kNNkkkiikiNNi 12122211 多次重复测量多次重复测量结果表达结果表达：NN kNN/平均计数的相对标准偏差平均计数的相对标准偏差：iiNNNNkNv11(5)存在本底时净计数率误差的计算：存在本底时净计数率误差的计算：第一次，在时间第一次，在时间tb内测得本底的计数为内测得本底的计数为Nb；第二次，在时间第二次，在时间ts内测得样品和本底的总计内测得样品和本底的总计数为数为Ns。样品的样品的净计数率

24、净计数率为：为：bsbbssnntNtNn 0标准偏差标准偏差为：为：bbssbbssntntntNtN 220 相对标准偏差相对标准偏差为：为：bbssbsntntnnnv 10(6)不等精度独立测量值的平均不等精度独立测量值的平均 如果对同一量进行了如果对同一量进行了k次独立测量，各次测量的时次独立测量，各次测量的时间为间为ti，计数为，计数为Ni。这是。这是不等精度测量不等精度测量。这时，简单的。这时，简单的求平均不再是求单次求平均不再是求单次“最佳值最佳值”的适宜方法。需要进的适宜方法。需要进行行加权平均加权平均，使测量，使测量精度高精度高的数据在求平均值时的的数据在求平均值时的贡贡献

25、大献大，精度低精度低的的贡献小贡献小。结果表示为：结果表示为：iintnnn 如果如果k次测量的次测量的时间均相等时间均相等，则测量为等精度测量：，则测量为等精度测量：ktnnnn 从统计误差而言，无论是一次测量还是多次测量，只从统计误差而言，无论是一次测量还是多次测量，只要要总的计数总的计数相同，多次测量的平均计数率相同，多次测量的平均计数率相对误差相对误差和一次和一次测量的计数率的测量的计数率的相对误差相对误差是是一致一致的。的。(7)测量时间的选择测量时间的选择(B)有本底存在时，需要合理分配样品测有本底存在时，需要合理分配样品测量时间量时间ts和本底测量时间和本底测量时间tb。(A)不

26、考虑本底的影响；不考虑本底的影响；根据：根据：ntvn/1 nvtn21 min/1/sbssbnntTnn min11/bsbtTnn 在在相对标准偏差相对标准偏差给定给定的情况下，所需的情况下，所需最小测量时间最小测量时间为：为：22min)(10bsnnnvT 辐射探测器辐射探测器学习要点学习要点：探测器探测器的的工作机制；工作机制；探测器探测器的的输出回路输出回路与与输出信号；输出信号；探测器探测器的的主要性能指标；主要性能指标；探测器探测器的的典型应用。典型应用。MeV2MeV1SaturationIonRegionionRecombinatRegionalProportionReg

27、ionalProportionLimitedRegionMueller-GeigerPulse amplitude(log scale)Voltage Applied 电离室电离室工作机制工作机制：入射带电粒子入射带电粒子(或非带电粒子的次或非带电粒子的次级效应产生的带电粒子级效应产生的带电粒子)使气体使气体电离电离产成产成电子电子离子对离子对，电子离子对电子离子对在外加在外加电场电场中中漂移漂移，从而，从而。输出信号输出信号：、。是是。是是（条件：（条件：V(t)tc(tc为载流子收集时间为载流子收集时间)时，时，为为：adCCeNh 辐射在灵敏体积内产辐射在灵敏体积内产生的电子空穴对数生的

28、电子空穴对数 由于由于h与与Cd有关，而有关，而结电容结电容随随偏压偏压而变化，因而变化，因此当所加偏压不稳定时，将会使此当所加偏压不稳定时，将会使 h 发生附加的涨发生附加的涨落；为解决该矛盾，落；为解决该矛盾，PN结半导体探测器通常采用结半导体探测器通常采用。则输出脉冲幅度为：。则输出脉冲幅度为：fCQh 输出回路的输出回路的时间常数时间常数为：为：ffCR 0 主要性能主要性能1)1)能量分辨率（线宽表示）能量分辨率（线宽表示）(1)输出脉冲幅度的输出脉冲幅度的统计涨落统计涨落 E1.232221 EEEEFWHM12.36EF W E(2)噪声引起的展宽噪声引起的展宽 E2电子学噪声电

29、子学噪声主要由第一级主要由第一级FET构成，包括：构成，包括：零电容噪声零电容噪声和和噪声斜率噪声斜率。探测器电容探测器电容零电容噪声噪声斜率零电容噪声噪声斜率 2E(3)窗厚度的影响窗厚度的影响 E3)()(033ddFWHME (4)电子与空穴陷落的影响电子与空穴陷落的影响 E42）分辨时间分辨时间与与时间分辨本领时间分辨本领：981010 s3）能量线性很好，能量线性很好，与入射与入射粒子类型粒子类型和和能量能量基本无关基本无关4）辐照寿命辐照寿命辐照寿命是半导体探测器的一个致命的辐照寿命是半导体探测器的一个致命的弱点弱点。随使用时间的增加，随使用时间的增加，载流子寿命变短载流子寿命变短

30、。耗尽层厚度耗尽层厚度为为12mm。对强穿透能力对强穿透能力的辐射而言，的辐射而言，探测效率探测效率受很大的局限。受很大的局限。P-N结半导体探测器存在的矛盾结半导体探测器存在的矛盾：锂漂移探测器锂漂移探测器1)空间电荷分布、电场分布及电位分布空间电荷分布、电场分布及电位分布I区区为为完全补偿区完全补偿区，呈电中性为均匀电场；，呈电中性为均匀电场；I区区为为耗尽层耗尽层，电阻率可达，电阻率可达1010 cm；I区区厚度可达厚度可达1020mm，为，为灵敏体积灵敏体积。2)工作条件工作条件 为了为了降低降低探测器和探测器和FET的的噪声噪声，同时为降低，同时为降低探测器的表面漏电流，探测器和探测

31、器的表面漏电流，探测器和FET都置于都置于真真空低温空低温的容器内，的容器内，工作于液氮温度工作于液氮温度(77K)。对对Ge(Li)探测器，须探测器，须保持在低温下保持在低温下；对对Si(Li)探测器，可在探测器，可在常温下保存常温下保存。高纯锗探测器高纯锗探测器1)P区区存在空间电荷，存在空间电荷，HPGe半导体探测半导体探测器是器是PN结结型探测器。型探测器。2)P区区为为非均匀电场非均匀电场。3)P区区为为灵敏体积灵敏体积，其厚度与外加电压，其厚度与外加电压有关，一般工作于有关，一般工作于全耗尽状态全耗尽状态。4)HPGe半导体探测器可在半导体探测器可在，。5)注意其注意其空间电荷分布

32、空间电荷分布、电场分布电场分布及及电电位分布位分布性能性能其中：其中：Si(Li)和和Ge(Li)平面型探测器平面型探测器用于用于低能低能(X)射线射线的的探测，其能量分辨率常以探测，其能量分辨率常以55Fe的衰变产物的衰变产物55Mn的的KX能量能量5.95keV为标准，一般指标约：为标准，一般指标约：1)能量分辨率能量分辨率：232221EEEE 为为载流子数的涨落载流子数的涨落。EFE 36.21)(36.22ENCE 为为漏电流和噪声漏电流和噪声；3E 为为载流子由于陷阱效应带来的涨载流子由于陷阱效应带来的涨落落，通过适当，通过适当提高偏置电压减小提高偏置电压减小。160 200eVE

33、HPGe，Ge(Li)同轴型探测器同轴型探测器用于用于 射线探测射线探测，常，常以以60Co能量为能量为1.332MeV的的 射线为标准，一般指射线为标准，一般指标约：标约：1.5 2.0keVE2)探测效率探测效率一般以一般以 3英寸英寸3英寸英寸的的NaI(Tl)晶体为晶体为100，用用相对效率相对效率来表示。来表示。以以85cm3的的HPGe为例，探测效率为为例，探测效率为19。3)峰康比峰康比P=全能峰峰值全能峰峰值/康普顿平台的峰值康普顿平台的峰值与与FWHM以及体积有关，可达以及体积有关，可达6008004)能量线性能量线性：非常好非常好5)时间特性时间特性：电流脉冲宽度电流脉冲宽

34、度约约10-910-8s.1)HPGe和和Ge(Li)用于组成用于组成 谱仪谱仪：锗具有：锗具有较高的密度和较高的原子序数较高的密度和较高的原子序数(Z=32)应用应用2)Si(Li)探测器探测器 由于由于Si的的Z14，对一般能量的，对一般能量的 射线，其光射线，其光电截面仅为电截面仅为锗锗的的1/50，因此，其主要应用为：，因此，其主要应用为：低能量的低能量的 射线和射线和X射线测量射线测量，在可得到在可得到较高的光电截面的同时，较高的光电截面的同时，Si的的X射线逃逸将明射线逃逸将明显低于锗的显低于锗的X射线逃逸射线逃逸；粒子或其他外部入射的电子的探测粒子或其他外部入射的电子的探测，由，

35、由于其原子序数较低，可于其原子序数较低，可减少反散射减少反散射。中的中的中被中被 中的中的产生每个信息载流子的平均能量分别为产生每个信息载流子的平均能量分别为()()()探测器的探测器的信息载流子信息载流子电离室电离室：电子：电子-正离子对的生成；离子正离子对的生成；离子对在电场中的漂移；感应电荷的流动；对在电场中的漂移；感应电荷的流动；输出电流信号和电压信号。输出电流信号和电压信号。正比计数器正比计数器：非自持放电：非自持放电-碰撞电离与碰撞电离与雪崩过程；光子反馈与离子反馈及多原雪崩过程；光子反馈与离子反馈及多原子分子气体；气体放大系数。子分子气体；气体放大系数。GMGM管管：自持放电：自

36、持放电-电子雪崩的传播及正电子雪崩的传播及正离子鞘的形成；自熄过程；有机管与卤离子鞘的形成；自熄过程；有机管与卤素管的工作机制的特点。素管的工作机制的特点。闪烁探测器闪烁探测器：发光机制；闪烁体的发光：发光机制；闪烁体的发光衰减时间常数衰减时间常数；光子的收集；光子的收集-光电转换光电转换-光电子被光电子被D1D1收集收集-电子倍增电子倍增-电子在电子在最后打拿极与阳极间运动产生信号。最后打拿极与阳极间运动产生信号。半导体探测器半导体探测器：空间电荷形成的电场；：空间电荷形成的电场；电子电子-空穴对的形成；空穴对的形成；PNPN结及结及PINPIN结的形结的形成及工作原理。成及工作原理。1 1

37、）电荷量：）电荷量：（电离室、半导体探测器）（电离室、半导体探测器）eN0eAN0（正比计数器）（正比计数器）l eMn（闪烁探测器）（闪烁探测器）（GMGM管）管）2 2）电流信号）电流信号气体和半导体探测器的电流信号的一般表达式：气体和半导体探测器的电流信号的一般表达式：0110()NtNtjjkkjkeItrturtrturtVEE正比计数器：正比计数器：01()2lnANeItb at 闪烁探测器：闪烁探测器：0()ten MeI te 3 3）电压信号：）电压信号：等效电路与输出回路时间常数等效电路与输出回路时间常数 00CR一般表达式一般表达式 0000000()()dt R Ct

38、t R CeV teI ttC （1 1）电流工作状态电流工作状态-反映粒子束流的平均电离效应，条反映粒子束流的平均电离效应，条件：件：nCR100输出直流电流输出直流电流 eNnI 0电压电压 00RIV （2 2）脉冲工作状态脉冲工作状态-反映单个入射粒子的电离效应，条反映单个入射粒子的电离效应，条件：件：nCR100电流脉冲工作状态电流脉冲工作状态：ctCR00tc为载流子收集时间，电压脉冲形状与电流脉冲相似为载流子收集时间，电压脉冲形状与电流脉冲相似电压脉冲工作状态电压脉冲工作状态：ctCR00电压脉冲为电流脉冲在电容上的积分，且有电压脉冲为电流脉冲在电容上的积分，且有 0CQh（3

39、3）脉冲束工作状态脉冲束工作状态-反映粒子束脉冲的总电离效应，反映粒子束脉冲的总电离效应，辐射源为脉冲束源。条件辐射源为脉冲束源。条件TCR 00 电离室电离室2.362.36FFWNE正比计数器正比计数器0.682.36FN1112.3611en半导体探测器半导体探测器2.362.36FFWNE1 1）统计涨落部分）统计涨落部分 对于对于电离室谱仪电离室谱仪，放大器输出的脉冲幅，放大器输出的脉冲幅度为：度为：0ANehCA 其中，其中，A为放大器的为放大器的，是一个，是一个连续型随机变量连续型随机变量。则：则：222ANAhvvv22AAhFNvv2)2)放大器放大倍数涨落的影响放大器放大倍

40、数涨落的影响 放大器的噪声放大器的噪声对输出脉冲幅度涨落的影对输出脉冲幅度涨落的影响是叠加的关系，即：响是叠加的关系，即：21hhh电离室输出电离室输出脉冲幅度脉冲幅度放大器噪声折合到放大器噪声折合到输入端的信号幅度输入端的信号幅度幅度幅度平均值平均值为：为：112hhhh其其相对均方涨落相对均方涨落：221hFNJv 其中其中 ，为放大器的，为放大器的.21/hJh 3)3)放大器噪声的影响放大器噪声的影响 综合考虑综合考虑放大器放大器、的影响，则电离室谱仪放大器的影响，则电离室谱仪放大器输出信号的输出信号的相对均方涨落相对均方涨落为：为：2221AhvJNFvA 要使分析器道宽影响不超过要

41、使分析器道宽影响不超过1/100，FWHM内须不少于内须不少于67道。道。幅度分析器的幅度分析器的对能量分辨率也有影响：对能量分辨率也有影响：210.28FWHMI 2212 3552 355.AhAFvvNJ 能量分辨率能量分辨率为：为：能量分辨率的表示能量分辨率的表示 百分数表示百分数表示 线宽表示线宽表示(单位为单位为keV)2.362.36100%hEhFWvEEh()2.36EEFWHMEFWE考虑影响能量分辨率的各种因素时，考虑影响能量分辨率的各种因素时，谱仪的总分辨率：谱仪的总分辨率：2iiEFWHME 简便简便，但，但条件苛刻条件苛刻：必须有：必须有一个一个与被测样品相同与被测

42、样品相同的的已知活度已知活度的标准的标准源，且源，且测量条件必须相同测量条件必须相同。复杂复杂，需要考虑很多影响测，需要考虑很多影响测量的因素，但绝对测量法是活度测量的量的因素，但绝对测量法是活度测量的基本方法基本方法。1)1)小立体角法小立体角法2)2)4 4 计数法计数法单能单能 能谱的分析能谱的分析1)单晶单晶 谱仪谱仪主过程主过程：全能峰全能峰光电效应所有的累计效光电效应所有的累计效应；应；康普顿平台康普顿平台、边沿边沿及及多次康普顿散射多次康普顿散射；单、单、双逃逸峰双逃逸峰。2)单能单能 射线的能谱射线的能谱其他过程其他过程：和峰效应和峰效应；I(或或Ge)逃逸峰逃逸峰；边缘边缘效

43、应效应(次电子能量未完全损失在灵敏体积内次电子能量未完全损失在灵敏体积内)。屏蔽和结构材料对屏蔽和结构材料对 谱的影响谱的影响：散射散射及及反散反散射峰射峰；湮没峰湮没峰；特征特征X射线射线。24Na的的衰衰变变纲纲图图AB24Na的的NaI能谱能谱ABA+B SEBDEB58Co的的衰衰变变纲纲图图ABC58Co的的NaI能谱能谱ABC800+511Ann.Rad.各种各种 谱仪装置谱仪装置1)单晶单晶 谱仪。谱仪。探测器探测器放大器放大器多道分析器多道分析器计算机计算机2)全吸收反康普顿谱仪。全吸收反康普顿谱仪。主探测器主探测器符合环符合环前置放大前置放大反反符符合合带带门门控控的的多多道

44、道前置放大前置放大控控制制信信号号测量信号测量信号3)康普顿谱仪康普顿谱仪(双晶谱仪双晶谱仪)。放大器放大器放大器放大器符合符合电路电路带带门门控控的的多多道道主探测器主探测器辅探测器辅探测器 h h)cos1(120 cmhhh hhEc测量信号测量信号门门控控信信号号4)电子对谱仪电子对谱仪(三晶谱仪三晶谱仪)辅辅I辅辅II放大器放大器放大器放大器放大器放大器符符合合带带门门控控的的多多道道 e e测量信号测量信号门门控控信信号号1.1.中子的散射中子的散射 1)弹性散射弹性散射 (n,n)中子与物质的相互作用实质上是中子与中子与物质的相互作用实质上是中子与物质的靶核的相互作用。物质的靶核

45、的相互作用。出射粒子仍为出射粒子仍为中子中子、剩余核仍为、剩余核仍为靶核靶核。反冲核的动能：反冲核的动能：22cos)(4nMTmMmMT 2)非弹性散射非弹性散射(n,n)2.2.中子的俘获中子的俘获1)中子的中子的辐射俘获辐射俘获(n,)复合核的形成。复合核的形成。2)发射带电粒子的中子核反应发射带电粒子的中子核反应 如如(n,)，(n,p)等，这些反应在中子探测中等，这些反应在中子探测中应用很多，成为应用很多，成为探测中子的主要手段探测中子的主要手段。3)裂变反应裂变反应(n,f)4)多粒子发射多粒子发射1.1.核反应法核反应法产生带电粒子产生带电粒子反应截面反应截面与与中子能量中子能量

46、的关系：的关系：nTvvv1100 2.2.核反冲法核反冲法中子与靶核的弹性碰撞产生反冲核。中子与靶核的弹性碰撞产生反冲核。3.3.核裂变法核裂变法中子与中子与发生发生核裂变核裂变产生产生裂变碎片裂变碎片，裂变碎，裂变碎片是片是巨大的带正电荷的粒子巨大的带正电荷的粒子。4.4.活化法活化法选用一些选用一些核素核素具有较高的具有较高的活化截面活化截面，活化后放，活化后放射性核素也具有较易测量的放射性。射性核素也具有较易测量的放射性。1.1.硼电离室和裂变室硼电离室和裂变室辐射体辐射体：常用：常用10B和和235U；工作状态工作状态：一般工作于：一般工作于电流工作状态电流工作状态，裂变室裂变室也可

47、工作于也可工作于脉冲工作状态脉冲工作状态。21III 硼电离室还常工作于硼电离室还常工作于，通过补偿，通过补偿消除消除 本底的影响本底的影响。nI IIn I2.2.和和正比计数器正比计数器工作气体：工作气体：含含10B的的BF3或或高丰度高丰度3He的氦气。的氦气。3.3.含锂闪烁体含锂闪烁体常用常用6LiI(Eu)晶体；铈激活的锂玻璃等。晶体；铈激活的锂玻璃等。1)含氢正比计数管含氢正比计数管气体介质含气体介质含H2或或CH4。2)有机闪烁体有机闪烁体富含富含H和和C，还可以运用，还可以运用n/脉脉冲形状甄别技术，在较强的冲形状甄别技术，在较强的 场中测量中子。场中测量中子。4.4.利用质

48、子反冲效应的探测器利用质子反冲效应的探测器中心辐射体中心辐射体是是中子活化材料中子活化材料，活化后具有，活化后具有 放放射性。射性。粒子作为粒子作为荷电粒子荷电粒子在极板间运动而在在极板间运动而在外回路中产生输出信号。不需要外加电源，称外回路中产生输出信号。不需要外加电源，称为为自给能探测器自给能探测器。输出信号：输出信号：5.5.自给能探测器自给能探测器 eni 性能：灵敏度性能：灵敏度 1.210-21A/单位中子注量率单位中子注量率;中子注量率测量范围中子注量率测量范围1091014/cm2s;体积小：直径体积小：直径12mm;时间延迟时间延迟5T1/2适合用于堆芯的中子注量率的测量。适合用于堆芯的中子注量率的测量。中子灵敏度定义：中子灵敏度定义：R Nt 为灵敏体积中为灵敏体积中辐射体辐射体的的 0)()(dEEENRt 反应的发生率反应的发生率中子注量率中子注量率对能量低于对能量低于30keV的中子：的中子：300 00 00()keVttRNvn E dENv n中子注量率中子注量率为：为：vvNRvnt00 对热中子，在对热中子，在T=20 C时，时，128.1/0 vv故：故：0128.1 tNR 则，则，热中子灵敏度热中子灵敏度为：为：128.10 tNR