核电子学第2课探测器

光电倍增管的时间特性与稳定性。
二、闪烁体探测器

2.3单晶闪烁谱仪
闪烁谱仪的组成与工作原理
闪烁体、PMT以及配套的电子学仪器组成。
X或 射线不带电，它与闪烁体的相互作用是通过 三种次级效应实现的，它产生的次级电子的能谱 是相当复杂的，因而由次级电子产生的输出脉冲 幅度谱也是相当复杂的。
以NaI(Tl)闪烁晶体的单晶闪烁谱仪为例。
ni pi 10 e
19
EG / 2kT
三、半导体探测器

3.1半导体的基本性质
本征半导体和杂质半导体
2) 杂质半导体 替位型：III族元素，如B，Al，Ga等； V族元素，如P，As，Sb等 间隙型：Li，可在晶格间运动。 施主杂质（施主杂质为V族元素，其电离电位ED很低。在
一、气体探测器


1.4正比计数器（Proportional Counters）
正比计数器的应用
流气式4正比计数器
特点： 4 立体角，探测效率高；流气工作方式，换样 品方便，结构密封简单；阳极丝为环状。

低能X射线正比计数器——鼓形正比计数器
特点：有入射窗，常用Be(铍)窗。

多丝正比室和漂移室
二、闪烁体探测器

2.1闪烁体
闪烁体的发光机制
无机闪烁体的发光机制
晶 体中 电 子的 能 态不 再 用原 子 能级 表 示 ， 而 用 “能带”来描述，晶体的发光机制取决于整个晶 体的电子能态。 对于离子晶体，辐 射射入闪烁体使晶 体原子电离和激发。
二、闪烁体探测器

2.1闪烁体
闪烁体的发光机制
(2)有机和卤素自熄G-M计数管
在工作气体中加入少量有机气体或卤素气体，构成的 G-M 管，具有自熄能力。
一、气体探测器

1.5 G-M计数管
G-M计数管的典型结构及性能
G-M管主要有圆柱型和钟罩型两种。 圆柱型主要用于 射线测量，而钟罩型由于有入射窗，主要用于 ， 射 线的测量。
二、闪烁体探测器
多丝正比室的阴极为平板，阳极由平行的细丝组成多 路正比计数器。位置灵敏度达到mm量级，为粒子物理 等作出巨大贡献，于1992年获诺贝尔物理奖。
一、气体探测器

1.5 G-M计数管
G-M 计数管是由盖革 (Geiger) 和弥勒 (Mueller) 发明 的一种利用自持放电的气体电离探测器。 G-M管的特点是： 制造简单、价格便宜、使用方便。灵敏度高、输出 电荷量大。 G-M管的缺点是： 死时间长，仅能用于计数。
室温下，这些杂质原子几乎全部电离。掺有施主杂质的半 导体称为N 型半导体。） 受主杂质（受主杂质为III族元素，其电离电位EA也很低。 掺有受主杂质的半导体称为P 型半导体。）
三、半导体探测器

3.1半导体的基本性质
半导体作为探测介质的物理性能
1)平均电离能
入射粒子在半导体介质中平均产生一对电子空穴需要 的能量。
一、气体探测器

1.5 G-M计数管
G-M管的工作机制
(1)正离子鞘的形成及自持放电过程
初始电离及碰撞电离过程（电子加速发生碰撞电离形成电子 潮－雪崩过程） 放电传播（气体放出的紫外光子打到阴极上并打出次电子） 正离子鞘向阴极漂移过程（形成“离子电流”，是形成输出 脉冲的主要贡献） 正离子在阴极表面的电荷中和过程。
E Q N e e W
电离室是一个理想的电荷源（其外回路对输出量无 影响）。
一、气体探测器

1.3脉冲电离室
电离室可以用电流源I0(t)和C1并联等效。并可得到 其输出回路的.4正比计数器（Proportional Counters）
正比计数器中，利用碰撞电离将入射粒子直接产生 的电离效应放大了，使得正比计数器的输出信号幅 度比脉冲电离室显著增大。 对直接电离效应放大的倍数称为“气体放大倍数”， 以A表示，在一定的工作条件下，A保持为常数。 正比计数器属于非自持放电的气体电离探测器。

为什么需要辐射探测器？



对于辐射是不能感知的，因此人们必须借助于核辐 射探测器探测各种辐射，给出辐射的类型、强度 (数量)、能量及时间等特性。即对辐射进行测量。 核辐射探测器的定义：利用辐射在气体、液体或固 体中引起的电离、激发效应或其它物理、化学变化 进行辐射探测的器件称为辐射探测器。 探测器按探测介质类型及作用机制主要分为：
负载电阻(RL)：电流流过时形成电压信号。
一、气体探测器

平板型电离室
一、气体探测器

圆柱型电离室
一、气体探测器

1.3脉冲电离室
电离室处于脉冲工作状态，电离室的输出信号仅反 映单个入射粒子的电离效应。可以测量每个入射粒 子的能量、时间、强度等。 脉冲电离室的输出信号：电荷信号，电流信号，电 压信号。
电子的漂移：
电子与气体分子发生弹性碰撞时，每次损失的能量很小，因 此，电子在两次碰撞中由外电场加速的能量可积累起来。
一、气体探测器

1.1气体中离子与电子的运动规律
一、气体探测器

1.2电离室的工作机制
电离室的工作方式
(1) 脉冲型工作状态 记录单个入射粒子的电离效应，处于这种工作状态 的电离室称为：脉冲电离室。 (2) 累计型工作状态
气体探测器； 闪烁体探测器； 半导体探测器。
辐射探测的基本过程：
辐射粒子射入探测器的灵敏体积； 入射粒子通过电离、激发等效应而在探测器 中沉积能量； 探测器通过各种机制将沉积能量转换成某种 形式的输出信号。 辐射探测器学习要点（研究问题）：

探测器的工作机制； 探测器的输出回路与输出信号； 探测器的主要性能指标； 探测器的典型应用。
有机闪烁体的发光机制
有机闪烁体的发射光谱和吸收光谱的峰值是 分开的，所以，有机闪烁体对其所发射的荧 光是透明的。但发射谱的短波部分与吸收谱 的长波部分有重叠，为此在有的有机闪烁体 中加入移波剂，以减少自吸收。
二、闪烁体探测器

2.1闪烁体
光的收集 1) 反射层 在非光子出射面打毛，致使光子漫反射，并再衬 以或涂敷氧化镁或氧化钛白色粉末。 2) 光学耦合 为防止光由光密介质到光疏介质发生的全反射， 用折射系数 n=1.4~1.8 的硅脂(或硅油)。 3) 光导 常用于闪烁体与光电倍增管的尺寸不符或其它特 殊需要。
一、气体探测器

1.1气体中离子与电子的运动规律
气体的电离与激发
入射带电粒子与靶原子的核外电子通过库仑作用， 使电子获得能量而引起原子的电离或激发。 入射粒子直接产生的离子对称为原电离。初电离产 生的高速电子足以使气体产生的电离称为次电离。
总电离 =原电离+ 次电离
电离能 W ：带电粒子在气体中产生一电子离子对 所需的平均能量。 对不同的气体，W大约为30eV。
二、闪烁体探测器

2.3单晶闪烁谱仪
单能射线的输出脉冲幅度谱
射线与物质的相互作用：
二、闪烁体探测器

2.3单晶闪烁谱仪
单能射线的输出脉冲幅度谱
常见单能射线谱
二、闪烁体探测器

2.3单晶闪烁谱仪
单能射线的输出脉冲幅度谱
常见单能射线谱
三、半导体探测器
半导体探测器的基本原理是带电粒子在半导体探测 器的灵敏体积内产生电子－空穴对，电子－空穴对 在外电场的作用下漂移而输出信号。 我们把气体探测器中的电子－离子对、闪烁探测器 中被 PMT第一打拿极收集的电子 及半导体探测器 中的电子－空穴对统称为探测器的信息载流子。产 生每个信息载流子的平均能量分别为 30eV( 气体探 测器)，300eV(闪烁探测器)和3eV(半导体探测器)。
闪烁探测器是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。
二、闪烁体探测器

闪烁探测器的工作过程：
(1)辐射射入闪烁体使闪烁体原子电离或激发，受激 原子退激而发出波长在可见光波段的荧光； (2)荧光光子被收集到光电倍增管(PMT)的光阴极， 通过光电效应打出光电子； (3)光电子在光电倍增管里运动并倍增，并在阳极输 出回路输出信号。
核电子学与核仪器
上次课关键点

时域分析与频域分析
f(t)
时域
频域
F(ω)
0
t
0
ω
傅立叶变换 傅立叶逆变换
本堂课主要内容：
一、气体探测器 （Gas－filled Detector） 二、闪烁体探测器 （Scintillation Detector） 三、半导体探测器 （Semiconductor Detector）
Si Ge 300º K 77º K 3.62eV 3.76eV 2.80eV 2.96eV
2)载流子的漂移 由于电子迁移率n 和 空穴迁移率p 相近，与气体探测
器不同，不存在电子型或空穴型半导体探测器。
三、半导体探测器

3.1半导体的基本性质
半导体作为探测介质的物理性能
3) 电阻率与载流子寿命 1 半导体电阻率： en p n p
三、半导体探测器

半导体探测器的特点：
(1) 能量分辨率最佳；
(2) 射线探测效率较高，可与闪烁探测器相比。
常用半导体探测器有：
(1) P-N结型半导体探测器； (2) 锂漂移型半导体探测器； (3) 高纯锗半导体探测器。
三、半导体探测器

3.1半导体的基本性质
常用半导体材料为硅(Si)和锗(Ge)，均为IV族元素。 本征半导体和杂质半导体 1) 本征半导体： 理想、无杂质的半导体。由于热运动而产生的载 流子浓度称为本征载流子浓度，且导带中的电子 数和价带中的空穴数严格相等。固体物理理论已 证明半导体内的载流子平衡浓度为：