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核辐射探测器

发布时间:2020-07-25 11:38 作者:亚美ag旗舰下载

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  利用核辐射在气体、液体或固体中引起的电离效应、发光现象、物理或化学变化进行核辐射探测的元件称为核辐射探测器。到目前为止,各种应用的核辐射探测器种类很多,工作原理不尽相同。探测器给出的信息能够直接或间接地确定核辐射的种类、能量、强度或核寿命等参数。

  又称核探测元件(nuclear detection element)。是探测辐射射线用的器件。常用的有电离室计数管闪烁计数器、原子核乳胶、固体核径迹探测器半导体探测器等。

  这类探测元件可以测量辐射射线和它们的性质。其原理主要是利用射线与物质相互作用时所产生的多种效应。如应用带电粒子与物质作用产生电离的原理制作的电离室、计数管,以及α径迹探测器等;利用其荧光作用做成的闪烁计数器;利用电离和激发所引起的化学反应过程制作原子核乳胶,固体核径迹探测器等。对带电离子可直接应用上述性质,对不带电的粒子(如γ射线),则应用其与物质作用的三种效应(光电效应、康普顿-吴有训效应、电子对效应)所产生的二次电子来达到上述目的。

  以电脉冲的形式记录、分析辐射产生的某种信息。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器切伦科夫计数器等。

  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盖革(G-M)计数器(管)。它们的结构相似,一般都是具有两个电极的圆筒状容器,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。

  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。

  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、锗做半导体材料,主要有三种类型:①在n型单晶上喷涂一层金膜的面垒型;②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;③在p型锗(或硅)的表面喷涂一薄层金属锂后并进行漂移的锂漂移型。高纯锗探测器有较高的能量分辨率,对γ辐射探测效率高,可在室温下保存,应用广泛。砷化镓碲化镉碘化汞等材料也有应用。

  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,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:①无机闪烁体,常见的有用铊(Tl)激活的碘化钠NaI(Tl)和碘化铯CsI(Tl)晶体,它们对电子、γ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;锗酸铋晶体密度大,发光效率高,因而对高能电子、γ辐射探测十分有效。其他如用银 (Ag)激活的(Ag)主要用来探测α粒子玻璃闪烁体可以测量α粒子、低能X辐射,加入载体后可测量中子;氟化钡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。②有机闪烁体,包括塑料、液体和晶体(如蒽、茋等),前两种使用普遍。由于它们的光衰减时间短(2~3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。③气体闪烁体,包括氙、氦等惰性气体,发光效率不高,但光衰减时间较短(10纳秒)。

  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、γ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。

  通过记录、分析辐射产生的径迹图象测量核辐射。主要种类有核乳胶、云室和泡室、火花室流光室固体径迹探测器。

  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。

  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。

  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。

  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,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。

  辐射探测器的工作原理基于粒子与物质的相互作用。当粒子通过某种物质时,这种物质就吸收其全部或部分能量而产生电离或激发作用。

  如果是γ射线或X射线,则先经过一些中间过程,发生光电效应、康普顿效应或产生电子对,把部分或全部能量传给物质的轨道电子,再产生电离或激发。

  对于不带电的中性粒子,例如中子,则是通过核反应产生带电粒子,然后造成电离或激发。

  辐射探测器就是用适当的探测介质作为与粒子作用的物质,将粒子在探测介质中产生的电离或激发,转变为各种形式的直接或间接可为人们感官所能接受的信息。

  一类是粒子入射到探测器后,经过一定的处置才给出为人们感官所能接受的信息。例如,各种粒子径迹探测器,一般经过照相、显影或辐射监测仪化学腐蚀等过程。还有热释光探测器、光致发光探测器,则经过热或光激发才能给出与被照射量有关的光输出。这一类探测器基本上不属于核电子学的研究范围。

  另一类探测器接收到入射粒子后,立即给出相应的电信号,经过电子线路放大、处理,就可以进行记录和分析。这一类称为电探测器。电探测器是应用最广泛的辐射探测器。这一类探测器的问世,导致了核电子学这一新的分支学科的出现和发展。

  能给出电信号的辐射探测器已不下百余种。最常用的主要有气体电离探测器、半导体探测器和闪烁探测器三大类。早在1908年,气体电离探测器就已问世。但直到1931年脉冲计数器出现后才解决了快速计数问题。1947年,闪烁计数器的出现,由于其密度远大于气体而大大提高了对粒子的探测效率。最显著的是碘化钠(铊)闪烁体,对γ射线还具有较高的能量分辨本领。60年代初,半导体探测器的研制成功,使能谱测量技术有了新的发展。现代用于高能物理、核物理和其他科学技术领域的各种类型探测器件和装置,都是基于上述三种类型探测器件经过不断改进创新而发展起来的。

  辐射探测器的主要性能指标有探测效率、分辨率、线性响应、粒子鉴别能力等。

  探测器探测到的粒子数与在同一时间间隔内入射到探测器中的该种粒子数的比值。它与探测器的灵敏体积、几何形状和对入射粒子的灵敏度有关。一般要求探测器具有高探测效率。但在一些特殊场合,如在极强辐射场下,则要求探测器具有较低的探测效率。

  根据所分辨的内容的不同,核辐射探测器的分辨率可以分为能量分辨率、空间分辨率、时间分辨率等。

  能量分辨率:对于不同能量的同一种辐射粒子,探测器在一定程度上具有将其区分开来的能力。探测器所能区分开的最接近的两个能量之差,即为探测器对此种粒子的能量分辨率;

  空间分辨率(位置分辨率):对于不同位置入射的辐射粒子,探测器在一定程度上具有将其区分开来的能力。探测器所能区分开的最接近的两个位置间的距离,即为探测器对此种粒子的空间分辨率;

  时间分辨率:对于在不同时间到达探测器的辐射粒子,探测器在一定程度上具有将其区分开来的能力。探测器所能区分开的到达时刻最接近的两个粒子的时间间隔,即为探测器对此种粒子的时间分辨率;

  上述这些指标一般用测出谱线的半高宽(FWHM)或十分之一高宽(FWTM)表示。

  探测器给出的信息在一定范围内与入射粒子的能量、强度或位置成线性关系的程度。可分别称为能量线性响应、强度线性响应或位置线)粒子鉴别能力

  一定类型的探测器只对某些种类的入射粒子灵敏,而对其他粒子不灵敏,或是随入射粒子种类的不同而给出不同形式的信息,这就是探测器对粒子的鉴别能力。粒子鉴别能力较好的探测器有利于有选择地探测所需要的粒子而排除其他核辐射的干扰。

  又称响应度,等于探测器输出信号和入射信号之比。入射信号增大时,如果输出信号也随之成正比地增加,则称探测器是线性的;否则称探测器是非线)探测率

  等于探测器能够探测到的最小辐射功率的倒数。任何探测器都有噪声,比噪声起伏平均值更小的信号实际上探测不出来。产生如噪声那样大的信号所需的辐射功率,称为探测器能探测的最小辐射功率,或称等效噪声功率。

  一般还要求核辐射探测器具有抗辐照损伤的能力和对各种环境条件的适应能力,如温度、湿度、光照、耐腐蚀和机械振动等。现代的一些新型的核辐射探测器,还具有成像功能。这种新型探测器已用于中子照相、γ照相、X衍射和电子显微镜等方面。

  中国辐射探测器的研究工作是从50年代初期开展起来的,先后研制成功原子核乳胶、盖革计数管、碘化钠(铊)闪烁体等。到50年代末至60年代初,又先后开展了其他各种闪烁体、光电倍增管和半导体探测器等的研究工作。中国在核武器研究中,已基本上使用本国研制的各种核辐射探测器。

  ①研究同时能给出入射粒子位置、能量、时间等多种信息的组合型探测器和探测装置。

  ②充分利用电子技术与计算机技术的新成就,提高对探测器所提供的信息进行分析处理的精确度、速度和对信息的利用率。微电子技术正促进微型化探测器的出现。

  出 版 社:哈尔滨工程大学出版社北京航空航天大学出版社北京理工大学出版社西北工业大学出版社哈尔滨工业大学出版社

  《核辐射探测器》是编著者在几十年半导体辐射探测器的研究开发和给研究生讲授核辐射探测器的基础上编写成的。《核辐射探测器》首先介绍了核辐射探测器的发展和近十几年来的新进展,介绍了辐射源、射线与物质相互作用等基础知识;重点介绍了核辐射探测器的工作原理、工艺原理和工艺、探测器特性、结构及其应用;然后介绍了核辐射探测器在实验核物理、粒子物理、堆物理中的应用,能量测量和在不同能量范围如何正确选择和使用核辐射探测器;以及在核辐射强度和辐射剂量测量中的应用,阵列探测器构成的核成像探测器及其应用,脉冲辐射探测器和脉冲辐射的探测,核辐射探测器在工业自动化控制、核燃耗测量、核保障和对特殊核素监控中的应用,在x射线荧光分析、环保生态学中的应用,在探测空间辐射、空间物理、天体物理研究中的应用,以及在核废物处理和核医学中的应用等。

  《核辐射探测器》主要作为与核相关的研究生的教材,也可作为核物理和有关放射性测量等专业的学生学习和参考,也可供从事相关专业的科研、生产、应用的工程技术人员阅读。

  14.8 探测器在核保障、核材料生产、加工处理中的监测和核电站燃料燃耗的测量

  14.9x射线荧光分析用核辐射探测器和x射线 核辐射探测器在宇宙空间天体物理领域的应用

  核辐射探测器是核工业各环节的耳目。辐射(α,β,γ,中子,X射线等)在气体、液体、固体中引起电离或激发,转换为电信号,由电子仪器测量其强度或能量。不同性质的核辐射,要用不同的探测器,因此,核辐射探测器是个大家族。

  气体电离探测器:这是发展最早、应用最广的探测器,具有结构简单、使用方便、价格便宜等优点,包括电晕计数管、正比计数管、电离室等。

  闪烁探测器:一般由核辐射闪烁体(如碘化钠)和光电倍增管组成。按化学成分划分,可以分为有机闪烁体无机闪烁体;按形态分,有固体、液体和气体闪烁体;固体的又分为单晶、塑料、粉末和玻璃等闪烁体。光电倍增管是按电参数、几何尺寸和用途而组合分类的。根据核测量的需要,可选择闪烁体和光电倍增管组合成各式各样的探测器,这类探测器有探测效率高的优点。

  半导体探测器:它是用半导体锗、硅为主要原材料制成的探测元件具有能量分辨率高、上升时间快、线性响应好、抗磁场干扰、结构紧凑等优点。


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