辐射物理与辐射探测技术II

辐射物理与辐射探测技术II

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2015年12月

辐射指的是能量以电磁波或粒子（如α粒子、β粒子等）的形式向外扩散。一般可依其能量的高低及电离物质的能力分类为电离辐射或非电离辐射。一般普遍将这个名词用在电离辐射。电离辐射具有足够的能量可以将原子或分子电离化，非电离辐射则否。辐射活性物质是指可放射出电离辐射之物质。电离辐射主要有三种：α、β及γ辐射（或称射线）。

电离辐射是拥有足够高能量的辐射，可以把原子电离。一般而言，电离是指电子被电离辐射从电子壳层中击出，使原子带正电。由于细胞由原子组成，电离作用可以引致癌症。一个细胞大约由数万亿个原子组成。电离辐射引致癌症的几率取决于辐射剂量率及接受辐射生物之感应性。α、β、γ辐射及中子辐射均可以加速至足够高能量电离原子。

非电离辐射的能量较电离辐射弱。非电离辐射不会电离物质，而会改变分子或原子之旋转，振动或价层电子轨态。非电离辐射对生物活组织的影响被研究的时间并不长。不同的非电离辐射可产生不同之生物学作用。

辐射探测器是用以对核辐射和粒子的微观现象进行观察和研究的传感器件、装臵或材料。 辐射探测器的工作原理基于粒子与物质的相互作用。用以对核辐射和粒子的微观现象进行观察和研究的传感器件、装臵或材料。当粒子通过某种物质时，这种物质就吸收其一部或全部能量而产生电离或激发作用。如果粒子是带电的，其电磁场与物质中原子的轨道电子直接相互作用。如果是γ射线或 X射线，则先经过一些中间过程，产生光电效应、康普顿效应或电子对，把能量部分或全部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。

辐射探测器给出信息的方式，主要分为两类：一类是粒子入射到探测器后，经过一定的处臵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。这第二类可称之为电探测器。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。

辐射探测器的主要性能是探测效率、分辨率、线性响应、粒子鉴别能力。将辐射能转换为可测信号的器件。探测器的基本原理是，辐射和探测介质中的粒子相互作用，将能量全部或部分传给介质中的粒子，在一定的外界条件下，引起宏观可测的反应。对于光学波段，辐射可以看作光子束，光子的能量传给介质中的电子，产生所谓光子事件，辐射能转变为热能（如热电偶）、电能（如光电流和光电压）、化学能（感光乳胶中银颗粒的生成），或者另一种波长的辐射（荧光效应）。根据这些能量和辐射，设计各种不同器件，以测量天体的辐射能量。

常用的辐射探测器按探测介质类型及作用机制主要分为：气体探测器、闪烁探测器、半导体探测器。

气体探测器是以气体为工作介质，由入射粒子在其中产生的电离效应引起输出电信号的探测器。由于产生信号的工作机制不同，气体电离探测器主要有电离室、正比计数器、G-M计数器等类型。它们均有各自的特点以及相应的适用领域。核辐射引起气体的电离：入射带电粒子通过气体介质时，使气体分子、原子电离和激发，并在通过的路径周围生成大量离子对。气体探测器的工作介质为气体，工作气体充满电离室内部空间；需要保证气体的成分和压力，所以一般电离室均需要一个密封外壳将电极系统包起来。工作气体有确定的组成，一般为氩气(Ar )加少量多原子分子气体CH4。气体电离探测器主要有电离室、正比计数器、G-M计数器等类型[1]。

利用辐射在某些物质中产生的闪光，产生荧光光子来探测电离辐射的探测器。闪烁探测器可用来测量入射粒子的能量。

闪烁探测器的工作过程：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；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；电子运动并倍增，并在阳极输出回路输出信号。

闪烁体分为无机闪烁体、有机闪烁体、气体闪烁体等。

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)[2]。

半导体探测器的特点：能量分辨率最佳；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：P-N结型半导体探测器、锂漂移型半导体探测器；高纯锗半导体探测器。

新的辐射探测技术将传统的G-M

技术与其他技术相结合，现在正在设计能够野外使用的这种结合技术的装备。 如加拿大 SAIC

开发公司生产的 GR-135型辐射探测器就是一种 G-M

技术结合了其他多探测器技术的辐射探测装臵。美国 Canberra 公司的InSpector

1000 多功能数字化γ谱仪，将 NaI 闪烁探测器与 G-M

技术管相结合的仪器，实现了现场定量测量，并能快速判别放射性种类。使用超薄（小于 1μm）硅片层的固体技术被开发用于追踪α辐射和β辐射。该技术最终有可能取代传统的 G-M 技术或 NaI 闪烁探测器技术。新的个人剂量监测仪比热释光片灵敏 50 倍以上，比老式胶片剂量计灵敏 200

倍。能将辐射数据直接下载到网络，使指挥部门能更快速掌握情况。

欧洲和北美的公司和政府注入了大量的研究发展资金，开发研制了多种类型的放射性探测仪器，用于装备部队使用，改善部队迅速应对放射性袭击的能力。现列举几种探测器技术较先进、代表国际发展现状和趋势的仪器近半个多世纪以来，国外核辐射监测技术一直在军事、社会需求牵引下，在基础理论与应用技术进步的推动下不断的发展。总体趋势是一机多能、高可靠、宽量程和平台综合集成，并向核化生一体化与信息化方向发展[3-6]。

（1）主要向高灵敏度、高分辨率方向发展。国外宽量程γ辐射探测技术已发展的很成熟，并已装备部队。如芬兰研制出高灵敏电荷直接贮存型核辐射探测器，它探测的γ射线的输出信号比一般半导体探测器高1000倍。美军研制出了宽量程（109）、高准确度、小型化和高可靠（MTBF达4000小时）、平战结合，可从测量环境本底γ辐射到核事故、核爆炸水平的探测器[7]。

（2）将多种传感器结合在一起，能够在一个探测装臵内并入多种现有技术，从而拓宽量程，增加功能，性能稳定可靠。如将传统的G-M技术与其他技术相结合，如加拿大SAIC开发公司生产的GR-135型辐射探测器就是一种G-M技术结合了其他多探测器技术的辐射探测装臵。美国Canberra公司的InSpector 1000

多功能数字化γ谱仪，是将NaI（TL）或LaBr（Ce）闪烁探测器与G-M技术管相结合的仪器，既实现了现场剂量与剂量率测量，又能快速判别核辐射种类，实现定量测量分析[8]。

（3）核电子技术有了新的发展，探测技术最显著的进步之一就是信号处理和显示技术。

a. 电子科学的进步已经能够在一个探测装臵内并入多种现有技术。

b.

能够精确控制探测器件的高压，减少死时间的影响，使得先进的算法得以实现。拓宽了探测器的测量范围，延长了探测器件的使用寿命等。

c.

探测器智能化，高压电源、前臵放大器、放大器、信号甄别器和信号处理器、与主机的通讯、接口关系及与控制这些部件相关联的功能包括关键参数的控制和存储、设臵、刻度和警报设臵等都集成于智能化探测器中。电缆对测量结果没有任何影响，开机状态，探测器与主机之间可随意插接或断开。并通过把探测器联接到运行的智能探头软件的计算机，可以直接用探测器执行刻度。

（4）能快速判别核辐射种类的装备的发展，是在核辐射爆炸装臵爆炸之前就能将其发现的更有效、更灵敏的探测器，及一旦发生爆炸则能快速判别核辐射种类的装备。由于以美国为首的联军在战后伊拉克频繁遭遇恐怖主义炸弹袭击，为了确定是否遭遇核辐射分散装臵（RDD，或称“脏弹”）袭击，每次发生爆炸都要探测是否有核辐射。旧的辐射探测器适用于探测核爆炸条件下的高核辐射，现在要求的是用于应对核恐怖主义袭击或高危险区维和行动的探测装臵。1986年的切尔诺贝利事件和2011年的日本福岛核电站核泄漏事故都表明要特别对低辐射进行有效监测和及时报警。

（5）新型探测器件的应用。HPGE高纯锗谱仪由于电制冷技术的发展，HPGE高纯锗谱仪不仅在实验室得到广泛应用，也已成功使用于现场的测量工作。LaBr（Ce）探测器已可加工为381mm×381mm， 508mm×508mm，762mm×762mm等不同尺寸，较好地解决了抗冲击振动等问题，能量分辨率为2.8%到3%。工程应用中性能稳定可靠。小型CZT 谱仪已得到应用，美国的布鲁克海文国家实验室（BNL）正在研究改进CZT晶体的生长工艺，希望生产出高性能的探测器[9, 10]。

总之，核辐射探测器未来发展趋势主要是：①研究同时能给出入射粒子位臵、能量、时间等多种信息的组合型探测器和探测装臵。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。③寻求更理想的探测介质和探测机制，研制超导探测器。

参考文献：

[1] AHMED S N. 2 - Interaction of radiation with matter [M]. Physics and Engineering of Radiation

Detection (Second Edition). Elsevier. 2015: 65-155.

[2] 刘杰, 孙鸣. 核电厂辐射监测系统技术发展趋势及产品研发思路 [J]. 中国核电, 2009, 02):

133-9.

[3] 马宇箭. 辐射监测系统国产化方向研究 [J]. 核电子学与探测技术, 2009, 05): 1235-40+944.

[4] 张玉敏. 国外放射性探测装备和技术的发展现状与趋势 [J]. 舰船防化, 2009, 01): 1-5.

[5] MILLER A, MACHRAFI R, MOHANY A. Development of a semi-autonomous directional and

spectroscopic radiation detection mobile platform [J]. Radiation Measurements, 2015, 72(0): 53-9.

[6] PORTNOY D, FISHER B, PHIFER D. Data and software tools for gamma radiation spectral threat