核辐射探测器公开课课件.ppt

1、核辐射探测器目的 了解核辐射探测器的分类 掌握核辐射探测器的原理 了解与核辐射探测相关的电子仪器内容 引言 气体探测器 半导体探测器 闪烁探测器（计数器）热释光探测器引言 核辐射探测的对象 核辐射探测的实质 核辐射探测器的分类 核辐射探测器的性能指标核辐射探测的对象 核辐射的质质射线的能量能量（特征量）（放射性）核素的种类种类 核辐射的量量射线的强度强度（累加量）（放射性）核素的活度活度核辐射探测的实质 能量转换能量转换过程 即：将辐射辐射能转变成可以记录的电电信号的过程核辐射探测器的分类 按作用原理（工作方式）带电粒子(、)探测器电离和激发 非带电粒子()探测器通过三种效应产生次级带电粒子进

2、行间接探测 按记录方式 收集电离电荷气体和半导体探测器 收集退激荧光闪烁和热释光探测器核辐射探测器的性能指标 本征效率或灵敏度(intrinsic efficiency or sensitivity)死时间或分辨时间(dead time or resolving time)能量区分能力或能量分辨率(energy discrimination capability or energy resolution)其它方面本征效率或灵敏度 The measure of its ability to detect radiation The higher,the better Primary affect

3、ing factors:the linear attenuation coefficient and the thickness of the sensitive volumeectordettheofvolumesensitivetheonincidentraysofNumberectordetthebyecteddetraysofNumberEi死时间或分辨时间 A measure of the ability of a detector to function accurately at high count rates The interval between the time whe

4、n a ray interacts with a detector and the time when the detector responds and the event is recorded The shorter,the better Level:s 能量区分能力或能量分辨率 The ability of a detector to distinguish between two radiations of different energies Full width at half maximum(FWHM)A lower value of FWHM indicates a bett

5、er energy discrimination capability Another way to look at FWHM is to consider it as a measure of error in the energy determination of an x-or ray by a detector其它方面（性能指标）The ability of a detector not to be appreciably affected by the fluctuations in line voltage and environment temperature Portable

6、Simple to operate Inexpensive 气体探测器(gas-filled detectors)结构 原理结构（气体探测器）原理（气体探测器）圆柱形容器内部空间的电场分布 电压-电流曲线圆柱形容器内部空间的电场分布（气体探测器）brarVEabln0组成和工作原理（闪烁计数器）控制旋钮：下阈(lower level)和窗宽(window)Luminescence effect Time scale of emission作用1：引出闪烁光避免自吸收释光(luminescence)：物质并非因为达到白炽（灼热）状态而释放光辐射的过程（现象）半导体探测器(semiconducto

7、r)一种光电转换器件将闪烁体发射的微弱光信号转变成放大的电信号热释光剂量计（元件，探测器）(thermoluminescence dosimeter,TLD)：贮存电离辐射能核辐射探测器的性能指标Tl：激活剂，发光中心热释光发光曲线(glow curve)电子仪器：对电信号放大、分析和记录Inexpensive记录射线脉冲数目定标器热释光强度随加热温度（时间）的分布曲线PM管在一定工作电压下，无光照时所产生的阳极电流电压-电流曲线（气体探测器）用于个人剂量监测（辐射防护）为什么说液体闪烁体对测量低能和低水平特别有利？A measure of the ability of a detector

8、to function accurately at high count rates电压-电流曲线（气体探测器）气体探测器的原理 气体受放射源照射产生电离，外加电压收集电离电荷 电离室：工作在饱和区上 G-M管：工作在G-M区上医用活度计(dose calibrator)盖革-弥勒监测仪(G-M survey meter)半导体探测器(semiconductor)结构 本质和特点结构（半导体探测器）本质和特点（半导体探测器）本质：固体电离室 突出的特（优）点：高的能量分辨率 与气体探测器相比：平均电离能W小小一个数量级 与闪烁探测器相比：线性好（输出脉冲与吸收的能量严格严格成正比正比）闪烁探测

9、器（计数器）(scintillation)组成和工作原理 闪烁体的发光特性 常用闪烁体简介 光电倍增管 电子仪器组成和工作原理（闪烁计数器）组成和工作原理（闪烁计数器）闪烁体：吸收辐射能，产生闪烁光 光电倍增管：光电转换，电子倍增 电子仪器：对电信号放大、分析和记录多道分析器(multichannel analyzer)Ionizing radiation RadioluminescenceThe interval between the time when a ray interacts with a detector and the time when the detector respo

10、nds and the event is recorded闪烁体(scintillator)-在射线作用下能发射荧光的物质;无机NaI(Tl),有机液体闪烁体非带电粒子()探测器通过三种效应产生次级带电粒子进行间接探测即：将辐射能转变成可以记录的电信号的过程闪烁计数器由闪烁体（吸收辐射能，产生闪烁光），光电倍增管（光电转换，电子倍增）以及电子仪器（对电信号放大、分析和记录）组成核辐射探测器的性能指标主要来源：光阴极和前几级打拿极的热电子发射吸收辐射能的主要元素是IHPGe半导体探测器效率较低（尺寸相同条件下）热释光强度随加热温度（时间）的分布曲线便于PM管的输出信号传送比较远而不会严重衰减光电

11、转换光阴极(photocathode)前置放大器(preamplifier)The measure of its ability to detect radiation组成和工作原理（闪烁计数器）主要来源：光阴极和前几级打拿极的热电子发射The shorter,the better盖革-弥勒监测仪(G-M survey meter)发光光谱-在射线作用下闪烁体发射的荧光强度随波长的分布两个问题 能否去掉闪烁体，让射线直接射向光电倍增管的光阴极？为什么？不密封如何？闪烁体的发光特性（闪烁计数器）闪烁体闪烁体(scintillator)-在射线作用下能发射荧光的物质;无机NaI(Tl),有机液体闪

12、烁体 发光光谱发光光谱-在射线作用下闪烁体发射的荧光强度随波长的分布分布 发光效率发光效率-闪烁体吸收的射线能量转化为光能的百分数;Photon yield(per keV):NaI(Tl)40 发光衰减时间发光衰减时间-受激后的闪烁体原子、分子发射全部光子数的63%所需要的时间;NaI(Tl)250ns常用闪烁体简介（闪烁计数器）NaI(Tl)液体闪烁体（闪烁溶液）NaI(Tl)吸收辐射能的主要元素是IHPGe半导体探测器效率较低（尺寸相同条件下）Tl：激活剂，发光中心 作用1：引出闪烁光避免自吸收 作用2：闪烁光波长转换(0)避免自吸收；匹配PM管的光谱响应讨论和提问（13分钟）液体闪烁体

13、（闪烁溶液）溶剂：常用甲苯溶解样品和吸收辐射能 溶质：常用PPO+POPOP产生闪烁光（波长转换）注：液体闪烁测量对低能和低水平(如H-3，C-14)特别有利光电倍增管(photomultiplier,PM)示意图 概况 主要特性示意图(PM)概况(PM)一种光电转换光电转换器件将闪烁体发射的微弱光信号转变成放大的电信号 光电转换光阴极(photocathode)电子倍增各级打拿极(dynode)闪烁探测器的组成与工作原理光电转换光阴极(photocathode)光电转换光阴极(photocathode)光电转换光阴极(photocathode)Luminescence effect Time

14、 scale of emission能量区分能力或能量分辨率主要来源：光阴极和前几级打拿极的热电子发射Luminescence effect Time scale of emission或：峰位电压(peak voltage)和百分窗宽(percent window)射线能量E和%EPM管在一定工作电压下，无光照时所产生的阳极电流A measure of the ability of a detector to function accurately at high count rates线性放大器(linear amplifier)电离室与G-M计数管的基本工作原理：气体受放射源照射产生电离

15、，外加电压收集电离电荷Fluorescence Prompt放大过程中保持射线的能量信息可以一次完成脉冲幅度分布全谱的测量半导体探测器具有高能量分辨率的原因热释光强度随加热温度（时间）的分布曲线核辐射探测器的性能指标闪烁体的发光特性（闪烁计数器）主要特性(PM)光阴极的光谱响应 光阴极受光照后发射光电子的概率与入射光波长的关系 暗电流 PM管在一定工作电压下，无光照时所产生的阳极电流 主要来源：光阴极和前几级打拿极的热电子发射热电子发射 注：因有暗电流而在阳极输出端产生的脉冲称为本底脉冲电子仪器（闪烁计数器）前置放大器(preamplifier)线性放大器(linear amplifier)脉

16、冲幅度分析器(pulse-height analyzer,PHA)或单道分析器(single-channel analyzer,SCA)多道分析器(multichannel analyzer)定标器(scaler)和计时器(timer)计数率仪(rate meter)前置放大器 预放大 便于PM管的输出信号传送比较远而不会严重衰减 匹配（阻抗）便于来自PM管的信号在输入线性放大器时不发生畸变(distortion)和衰减(attenuation)线性放大器 对输入脉冲进行放大放大 输出脉冲与输入脉冲的幅度之比称为放大器的增益增益(gain)以正比正比方式进行放大 放大过程中保持射线的能量能量信

17、息脉冲幅度分析器或单道分析器 脉冲电压（或幅度，刻度后对应射线能量）范围选择器 控制旋钮：下阈(lower level)和窗宽(window)或：峰位电压(peak voltage)和百分窗宽(percent window)射线能量E和%E多道分析器 可以将脉冲同时分离成多个范围（1000或更多）可以一次完成脉冲幅度分布全谱的测量定标器和计时器 记录射线脉冲数目定标器 记录测量时间计时器 记录终止信号的预置：时间或计数计数率仪 直接给出计数率计数率仪 注1：计数率直接反映放射性的强弱 注2：由于计算机的广泛应用，计数率仪现在已几乎不用了释光(luminescence)：物质并非因为达到白炽（灼

18、热）状态而释放光辐射的过程（现象）闪烁体(scintillator)-在射线作用下能发射荧光的物质;无机NaI(Tl),有机液体闪烁体闪烁体(scintillator)-在射线作用下能发射荧光的物质;无机NaI(Tl),有机液体闪烁体释光(luminescence)：物质并非因为达到白炽（灼热）状态而释放光辐射的过程（现象）电离室：工作在饱和区上(ultraviolet,visible,infrared)A lower value of FWHM indicates a better energy discrimination capability主要来源：光阴极和前几级打拿极的热电子发射液体

19、闪烁体由溶剂（溶解样品，吸收辐射能）和溶质（产生闪烁光）组成记录射线脉冲数目定标器半导体探测器(semiconductor)与气体探测器相比：平均电离能W小一个数量级半导体探测器(semiconductor)作用1：引出闪烁光避免自吸收组成和工作原理（闪烁计数器）或：峰位电压(peak voltage)和百分窗宽(percent window)射线能量E和%E热释光剂量计（元件，探测器）(thermoluminescence dosimeter,TLD)：贮存电离辐射能组成和工作原理（闪烁计数器）溶剂：常用甲苯溶解样品和吸收辐射能记录终止信号的预置：时间或计数计数器甲状腺功能测定仪热释光探测器

20、 用于个人剂量监测个人剂量监测（辐射防护）热释光(thermoluminescence,TL)热释光发光曲线(glow curve)热释光测量系统热释光(TLD)释光(luminescence)：物质并非因为达到白炽（灼热）状态而释放光辐射的过程（现象）能长时间贮存电离辐射能，受热升温时释放光辐射的现象（过程）热释光(TLD)Means of excitation Luminescence effect Optical photons Photoluminescence (ultraviolet,visible,infrared)Biochemical energy Bioluminescen

21、ce Ionizing radiation Radioluminescence热释光(TLD)Luminescence effect Time scale of emission Fluorescence PromptPhosphorescence DelayedThermoluminescence thermally accelerated热释光发光曲线(TLD)热释光强度随加热温度（时间）的分布曲线 加热放出的光子数光子数与热释光剂量元件受辐照时所吸收的能量能量（照射量照射量）成正比热释光发光曲线(TLD)热释光测量系统(TLD)热释光剂量计（元件，探测器）(thermoluminesce

22、nce dosimeter,TLD)：贮存电离辐射能 读出器(reader-out，也称热释光测量仪)：读出电离辐射能读出器(TLD)注：因有暗电流而在阳极输出端产生的脉冲称为本底脉冲本征效率或灵敏度(intrinsic efficiency or sensitivity)闪烁体(scintillator)-在射线作用下能发射荧光的物质;无机NaI(Tl),有机液体闪烁体光电转换光阴极(photocathode)热释光测量系统(TLD)多道分析器(multichannel analyzer)多道分析器(multichannel analyzer)脉冲幅度分析器或单道分析器核辐射探测器的性能指标

23、多道分析器(multichannel analyzer)能量区分能力或能量分辨率Luminescence effect Time scale of emission闪烁体(scintillator)-在射线作用下能发射荧光的物质;无机NaI(Tl),有机液体闪烁体闪烁体：吸收辐射能，产生闪烁光热释光剂量计（元件，探测器）(thermoluminescence dosimeter,TLD)：贮存电离辐射能注1：计数率直接反映放射性的强弱半导体探测器(semiconductor)闪烁体：吸收辐射能，产生闪烁光多道分析器(multichannel analyzer)组成和工作原理（闪烁计数器）小结

24、电离室与G-M计数管的基本工作原理：气体受放射源照射产生电离，外加电压收集电离电荷 半导体探测器本质上属于固体电离室，它具有很高的能量分辨率 闪烁计数器由闪烁体（吸收辐射能，产生闪烁光），光电倍增管（光电转换，电子倍增）以及电子仪器（对电信号放大、分析和记录）组成 液体闪烁体由溶剂（溶解样品，吸收辐射能）和溶质（产生闪烁光）组成 热释光测量系统由热释光剂量计（贮存电离辐射能）和读出器（读出电离辐射能）两部分组成思考题 电离室和G-M计数管分别工作在电压-电流曲线的哪个区上？医用活度计的探测器？半导体探测器具有高能量分辨率的原因 闪烁探测器的组成与工作原理 NaI(Tl)闪烁体具有较高探测效率的

25、原因 为什么说液体闪烁体对测量低能和低水平特别有利？热释光和热释光发光曲线的含义液体闪烁体由溶剂（溶解样品，吸收辐射能）和溶质（产生闪烁光）组成医用活度计(dose calibrator)控制旋钮：下阈(lower level)和窗宽(window)与气体探测器相比：平均电离能W小一个数量级半导体探测器(semiconductor)记录射线脉冲数目定标器电压-电流曲线（气体探测器）光电倍增管：光电转换，电子倍增Phosphorescence Delayed注：因有暗电流而在阳极输出端产生的脉冲称为本底脉冲Luminescence effect Time scale of emission吸收辐射能的主要元素是IHPGe半导体探测器效率较低（尺寸相同条件下）记录射线脉冲数目定标器能量区分能力或能量分辨率闪烁体(scintillator)-在射线作用下能发射荧光的物质;无机NaI(Tl),有机液体闪烁体Tl：激活剂，发光中心溶剂：常用甲苯溶解样品和吸收辐射能The measure of its ability to detect radiation核辐射的质射线的能量（特征量）（放射性）核素的种类掌握核辐射探测器的原理参考文献 Chandra,Nuclear Medical Physics