核輻射物理與探測學復習

1、核輻射物理與探測學復習注：本提綱中的問題覆蓋范圍并不完備，因此不能完全替代書本復習，僅作參考之用！一、關(guān)于載流子1) 無論是氣體探測器，還是閃爍、半導體探測器，其探測射線的本質(zhì)都是將射線沉積在探測器靈敏體積內(nèi)的能量轉(zhuǎn)換為載流子。這三種探測器具有不同的載流子，分別是：氣體（），閃爍體（），半導體（）；答：Ø 氣體：電子離子對；Ø 閃爍體：第一個打拿極收集到的光電子；Ø 半導體：電子空穴對；2) 在這個轉(zhuǎn)換過程中，每產(chǎn)生一個載流子都要消耗一定的能量，稱之為（），對于三種探測器來說，這個能量是不同的，分別大概是多少？氣體（），閃爍體（），半導體（）。這個能量是大些好，還

2、是小些好？為什么？答：Ø 平均電離能；30eV，300eV，3eV；Ø 這個能量越小越好，因為平均電離能越小，產(chǎn)生的載流子就越多，而載流子的數(shù)目服從法諾分布，載流子越多則其數(shù)目的相對漲落越小，這會導致更好的能量分辨率；3) 在這個轉(zhuǎn)換過程中，射線沉積在探測器中的能量是一個（）變量，而載流子的數(shù)目是一個（）變量，載流子的數(shù)目是不確定的，它服從（）分布，該分布的因子越是大些好，還是小些好？為什么？答：連續(xù)型變量；離散型變量；法諾分布；法諾因子越小越好，小的法諾因子意味著小的統(tǒng)計漲落，導致好的能量分辨率；二、關(guān)于探測效率1) 對于不帶電的粒子（如、中子），在探測器將射線沉積在其靈

3、敏體積中的能量轉(zhuǎn)換為載流子之前，還需要經(jīng)歷一個過程，如果沒有該過程，則探測器無法感知射線。以射線為例，這個過程都包含哪些反應（）？這個過程的產(chǎn)物是什么（）？對于1個1MeV的入射射線，請隨便給出一個可能的該產(chǎn)物能量（）？答：Ø 對于射線，這些反應包括光電效應、康普頓散射以及電子對效應（如果射線的能量>1.022MeV）；Ø 這些反應的產(chǎn)物都是次級電子；Ø 對于1個1MeV的射線，次級電子的能量可以是幾十keV幾百keV，也可以是接近1MeV；2) 這個過程發(fā)生將主要地決定探測器的探測效率，那么影響探測效率（本征）的因素都有哪些（）？在選擇探測器的時候，為了得

4、到高的探測效率（本征），應該做什么考慮（）？答：Ø 影響本征探測效率的因素有：探測器的原子序數(shù)、密度、體積、形狀，以及射線的能量，甚至還包括射線射入探測器的位置、角度；Ø 在選擇探測器時，為了得到高的本征探測效率，應該選擇那些原子序數(shù)高、密度大的探測器，探測器的體積要大并且探測器的形狀合理（例如正圓柱形）；3) 絕對探測效率和本征探測效率的區(qū)別是什么？ 答：Ø 絕對探測效率考慮的是對每一個源發(fā)射出的粒子，探測器測量到的計數(shù)值；Ø 本征探測效率考慮的是對每一個射入探測器的粒子，探測器測量到的計數(shù)值。Ø 絕對探測效率是整個探測系統(tǒng)中所有環(huán)節(jié)的綜合表

5、現(xiàn)；而本征探測效率則主要反映了探測器的特性；三、關(guān)于能量分辨率1) 能量分辨率是探測器的一項重要指標，但能量分辨率并不是一個特定的量，當我們說某個探測器的能量分辨率是多少的時候，需要指定條件，這個（些）條件是（）。答：Ø 需要指定這是對哪個能量說的。比如，當我們說某個NaI(Tl)探測器的能量是7%的時候，指的是對662keV的射線能量，如果是對于1.33MeV的射線，就不再是7%了，而是要小一些；2) 能量分辨率是個絕對的概念還是相對的概念（）？答：Ø 是個相對的概念，能量分辨率的分子是全能峰的半寬度，分母是全能峰能量的期望值；3) 對于某個確定的探測器，能量分辨率與靈敏

6、體積內(nèi)沉積能量的關(guān)系是什么（）？答：Ø 如果僅僅考慮載流子的統(tǒng)計性問題，則能量分辨率與靈敏體積內(nèi)沉積能量的關(guān)系是反比于E的1/2次方；4) 雖然我們希望能量分辨率越小越好，但實際上它總是受統(tǒng)計漲落限制的，不可能無限小。請從載流子的角度描述，這個限制是什么？ 答：Ø 一個確定的射線能量經(jīng)過帶電粒子在探測器內(nèi)的電離過程，變成了數(shù)目不等的載流子，載流子的的數(shù)目服從法諾分布；當載流子數(shù)目的期望值N較大時，它將表現(xiàn)為一個期望值為N，sigma為sqrt(FN)的高斯分布，由此決定的能量分辨率為2.355×sqrt(F/N)；Ø 這個分辨率是無法再被改善的，是分辨率

7、的極限，實際中還要考慮其它因素對能量分辨率的影響，因此能量分辨率還要更差。四、射線與物質(zhì)相互作用1) 帶電粒子在射入某個物質(zhì)時，可以與物質(zhì)發(fā)生四種類型的作用，分別是（）？雖然從微觀上看，帶電粒子與物質(zhì)發(fā)生的每次相互作用的效果是（）的，但是從宏觀上看，我們可以認為帶電粒子在進入介質(zhì)中之后，一定和介質(zhì)發(fā)生了相互作用。答：Ø 帶電粒子使原子核外電子電離或激發(fā)；帶電粒子受到原子核庫侖力時發(fā)生的軔致輻射；帶電粒子與原子核發(fā)生的彈性碰撞；帶電粒子與原子核外電子發(fā)生的彈性碰撞（實際相當與整個原子）；Ø 帶電粒子與物質(zhì)發(fā)生的每次相互作用都是隨機的（例如，碰撞參數(shù)不同，導致其傳遞給電子的能量

8、就是不同的）；2) 重帶電粒子與介質(zhì)發(fā)生相互作用的主要類型是（）；假設你是一個（5MeV）粒子，當你進入某一個介質(zhì)并被其阻止時，你是否會知道該介質(zhì)的原子序數(shù)是多少，為什么？隨著進入該介質(zhì)的深度不斷增加，你的能量將會不斷（），對于某個確定的深度，你的能量也是確定的嗎，為什么？你是否可以準確預測你將在哪里停下來，為什么？你在介質(zhì)中損失能量的同時，也在介質(zhì)中造成了影響（“乒乒乓乓，有的電子被電離，有的電子被激發(fā)”），那么隨著你的不斷深入，你在路上觀察到的自由電子是越來越密集，還是越來越稀疏，為什么（不考慮你快要停下來時候的情形）？你的行進道路是曲折的，還是直來直去的，為什么？曾經(jīng)有一些電子，距離你的

9、路徑是那樣的近，當你從它們身邊掠過的時候，它們被你強勁地拉動了，形成了（）？它們在停止之前又做了些什么？答：Ø 重帶電粒子與介質(zhì)發(fā)生相互作用的主要類型是電離（激發(fā)）；Ø 如果我是一個粒子，我無法判斷介質(zhì)的原子序數(shù)，因為盡管電離能量損失率是與原子序數(shù)Z成正比的，但是同時也是與原子密度N成正比的；僅僅通過電離能量損失一項無法判斷Z的大?。?#216; 隨著進入介質(zhì)深度的增加，能量將會不斷下降；Ø 在某個確定的深度，粒子的能量不是確定的。原因是粒子的能量損失過程是一個隨機過程，其能量會隨著射程的延伸而表現(xiàn)出能量歧離；不過粒子能量的期望值是確定的；Ø 不能確定地

10、預測粒子將在哪里停下來，同樣是因為能量損失過程的隨機性導致的射程歧離；Ø 隨著射程的延伸，粒子的能量逐漸降低，在單位路徑上交給電子的能量越來越多，因此看到的自由電子越來越密集（未考慮最終階段）。Ø 粒子的徑跡基本是直線，因為粒子質(zhì)量遠遠超過電子的質(zhì)量，粒子的方向很難被改變；Ø 那些碰撞參數(shù)很小的電子形成了delta電子，這些電子的能量足夠高，還能接著去電離；3) 快電子與物質(zhì)發(fā)生相互作用的主要類型包括（）和（），二者都可以使快電子的能量損失，其比例關(guān)系是（）。如果你是個快電子，射入了某一個介質(zhì)，你有無可能告訴我們該介質(zhì)的原子序數(shù)是高還是低，為什么？為什么你看起來像

11、個醉漢，東歪西扭地走路？是什么原因，使你突然發(fā)生了接近180度的偏轉(zhuǎn)？對于粒子，知道了起始位置和入射方向，其終點位置就差不多確定了，那么對于快電子呢？答：Ø 快電子與物質(zhì)相互作用的主要類型為電離（激發(fā)）和軔致輻射；二者的比例關(guān)系為EZ/700（軔致輻射能量損失率vs電離（激發(fā)）能量損失率）；Ø 如果是個快電子，進入介質(zhì)之后，有可能根據(jù)兩種能量的損失關(guān)系來判斷原子序數(shù)的高低；Ø 與入射電子發(fā)生碰撞的可能是電子，二者質(zhì)量相同，因此入射電子的方向可能發(fā)生很大的變化；與入射電子發(fā)生碰撞的也可能是原子核，高原子序數(shù)的原子核提供的強大庫侖力可能會使入射電子發(fā)生大角度的反散射；

12、因此電子的徑跡是曲曲折折的；高原子序數(shù)原子核對電子的吸引使得電子180度的反散射成為可能；Ø 對于粒子來說，入射方向和入射位置確定，基本終點就可以確定了，但是對電子是不可能的；4) 假如一個粒子和一個電子同時從坐標（0，0，0）（單位：cm）的位置出發(fā)，并也碰巧都停在了某個介質(zhì)中的（10，0，0）位置處。問它們各自走了多少路程，粒子答曰：“10.01cm左右吧！”電子答曰：“屈指算來，與粒子相仿也是10cm左右”。它們的回答是否正確，為什么？答：Ø 對于粒子來說，是正確的，因為其射程與路程長度相當；Ø 對于電子來說，不對，它的路程長度遠遠超過射程；5) 在一個半徑

13、為1cm的NaI晶體球的球心處，有一個能量為3MeV的電子想要“跑出去”，很不幸，它沒有成功，為什么？如果有10000個這樣的電子被“抓住”了，那么能否說NaI晶體球內(nèi)沉積的能量增加了30GeV呢，為什么？答：Ø 因為3MeV電子的在NaI中的射程僅為4mm，不足以射出1cm的NaI球；Ø 由于電子能量可能以軔致輻射的方式損失，而軔致輻射產(chǎn)生的X射線可能穿透NaI球出去，因此NaI晶體球沉積的能量小于30GeV；6) 射線與單能快電子的區(qū)別是什么？當一束射線射入某種介質(zhì)時，隨著入射深度的不斷延伸，我們能夠觀測到的電子數(shù)目會越來越少，其減少規(guī)律近似地服從一種規(guī)律，是什么（）？

14、答：Ø 射線的電子能量是連續(xù)的，不是單一的；Ø 這個規(guī)律是“指數(shù)”衰減規(guī)律；7) 對于不帶電的粒子，我們通常關(guān)心的是射線和中子。它們是間接致電離粒子，需要先通過某些反應變成帶電粒子才可以電離。對于射線來說，它能不能和射入的介質(zhì)發(fā)生相互作用是一個（）事件。在射入某個介質(zhì)之后，它可能和介質(zhì)中的原子發(fā)生三種反應（雖然不局限于此三種，但我們只感興趣這三種），分別是什么？這三種反應的截面與原子序數(shù)和能量關(guān)系很重要，這個關(guān)系是什么？請說出這三種反應的產(chǎn)物及其可能存在的后續(xù)反應的產(chǎn)物都是什么？答：Ø 隨機事件；Ø 光電效應、康普頓散射、電子對效應（射線能量超過1.02

15、2MeV）；Ø 這三種反應的截面與原子序數(shù)的關(guān)系是Z的5次方、1次方和2次方；與能量的關(guān)系總的來講：隨著能量提高，光電效應和康普頓散射反應的截面下降，而電子對效應的截面提高（有閾值1.022MeV）；Ø 光電效應的產(chǎn)物：光電子，內(nèi)層電子空位導致的后續(xù)X射線或俄歇電子；Ø 康普頓散射：反沖電子，散射光子；這個散射光子還能繼續(xù)發(fā)生反應（光電、康普頓、電子對等）；Ø 電子對效應：其動能分享了射線能量與1.022MeV之差的正負電子，正電子迅速減速湮沒（固體：ps時間）放出兩個背向出射的511keV光子；光子還能繼續(xù)發(fā)生光電效應或康普頓散射；8) 對于中子來說，

16、通常有核反應法、核反沖法、裂變法和活化法來將其轉(zhuǎn)換為帶電粒子。這些帶電粒子可能是（）？核反應法常常用于測量低能的慢中子，此時中子的反應截面與中子的能量之間存在一個關(guān)系，是什么關(guān)系？在慢中子能區(qū)，當中子的能量減小為原來的1/4時，其反應截面將變?yōu)樵瓉淼模ǎ?？答?#216; 粒子，質(zhì)子，裂變碎片，反應生成的子核，電子；Ø 1/v關(guān)系，2倍；9) 如果不考慮積累因子，和中子穿透某種介質(zhì)的概率服從什么規(guī)律？決定衰減系數(shù)的因素有哪些？為什么要提出質(zhì)量衰減系數(shù)這個概念？水和水蒸氣的衰減系數(shù)是否相同，質(zhì)量衰減系數(shù)呢？積累因子的來源又是什么呢？答：Ø 指數(shù)衰減規(guī)律；Ø 決定線性

17、衰減系數(shù)的是反應截面和原子的空間密度；u 對于射線：反應截面由原子序數(shù)和入射的射線能量決定；u 對于中子：反應截面由原子核和入射的中子能量決定；Ø 提出質(zhì)量衰減系數(shù)概念的原因是為了描述同種物質(zhì)在不同物理狀態(tài)下對射線的衰減；Ø 水的衰減系數(shù)比水蒸汽的答，但是質(zhì)量衰減系數(shù)二者是相同的；Ø 積累因子的主要來源是康普對散射（電子對效應亦有可能）。五、統(tǒng)計學問題1) 在輻射探測中，統(tǒng)計性是固有的數(shù)學特性，是無法消除的。對同一個物理量，即使保持一切條件不變，不次的觀測也會得到不同的結(jié)果，這些結(jié)果服從一定的概率分布。這些概率分布都是哪些？（）答：泊松分布（期望值>20后近

18、似為高斯分布），指數(shù)分布，法諾分布；2) 請回答下列問題：a) 一個活度為10微居的Cs-137源（半衰期為30.17年），一秒鐘放出的射線的數(shù)目服從什么分布？答：泊松分布b) 設某探測器對上述源發(fā)出的射線的絕對探測效率為10%，則探測器每秒測到的信號數(shù)目服從什么分布？答：泊松分布c) 射線進入探測器，通過三種效應產(chǎn)生了次級電子，這個次級電子的能量具體為多少是與發(fā)生的反應類型有關(guān)的，不妨設次級電子的能量為500keV。這個500keV的電子將在探測器內(nèi)損失能量并形成大量電子離子對（設為氣體探測器），則電子離子對的數(shù)目服從什么分布？答：法諾分布d) 探測器在某個時刻t0記錄到了一個入射事件，在t

19、1時刻記錄到了隨后到來的第二個事件。時間差t1-t0是個隨機量，它服從什么分布？答：指數(shù)分布3) 泊松分布是輻射探測中的主要分布。它由二項分布演化而來，在推導泊松分布的時候，需要滿足什么條件？請對下面的問題作出回答：答：大量、獨立、小概率事件；a) 一個活度為10微居的Cs-137源（半衰期為30.17年），30年內(nèi)放出的射線的數(shù)目是否還服從泊松分布？為什么？答：不是，已經(jīng)不滿足小概率事件這個條件；4) 泊松分布在什么情況下可以簡化為高斯分布？其期望值和方差之間的關(guān)系是什么？答：Ø 當泊松分布的期望值很大的時候，可以用高斯分布來近似泊松分布，一般認為期望值大于20就可以。Ø

20、 泊松分布的期望值方差；5) 法諾分布不同于泊松分布的地方在哪里？法諾分布中的法諾因子一般小于1，其來源是什么？答：Ø 法諾分布具有和泊松分布類似的形式，但是法諾分布的方差比泊松分布的方差多了一個法諾因子F。Ø F小于1的原因是電離時產(chǎn)生載流子的碰撞之間并不是獨立的；6) 什么是級聯(lián)過程，級聯(lián)過程變量的期望值與方差有什么特點？在什么情況下，級聯(lián)變量的相對方差主要由第一級變量的相對方差決定？請舉出一個級聯(lián)變量的例子，并說明它是由哪幾個量級聯(lián)而成的？答：Ø 關(guān)于級聯(lián)過程定義，請見講義P173。Ø 級聯(lián)過程變量的期望值是各級期望值的乘積，相對方差等于各級相對方

21、差加權(quán)之和，每一級相對方差的權(quán)重為前面各級期望值乘積的倒數(shù)；Ø 如果第一級的期望值很大，則級聯(lián)變量的相對方差主要由第一級的相對方差決定；Ø 正比計數(shù)器放電產(chǎn)生的電子離子對的數(shù)目就是級聯(lián)變量，第一級變量為帶電粒子電離產(chǎn)生的電子離子對數(shù)目，第二級變量則為每個電子離子對中的電子在雪崩區(qū)域放電產(chǎn)生的電子離子對數(shù)目；7) A和B均服從泊松分布，則C=A+B是否服從泊松分布，D=A-B是否服從泊松分布？ 答：C服從泊松，但是D不服從。C和D的方差是相同的；8) 在下列測量結(jié)果中，哪些結(jié)果的平方根是對它們的標準偏差的合理估計？a) 某探測器的1分鐘測量計數(shù)b) 某探測器的10分鐘測量計數(shù)

22、c) 某探測器在本底環(huán)境下測量1分鐘，扣除本底之后的計數(shù)d) 某探測器測量60秒之后得到的計數(shù)率（以cps為單位）e) 某探測器測量60秒之后得到的計數(shù)率（以cpm為單位）f) 連續(xù)測量5次，每次測量1分鐘，5次測量得到的計數(shù)的平均值g) 連續(xù)測量5次，每次測量1分鐘，5次測量得到的計數(shù)的和答：a，b，e，g9) 關(guān)于誤差的傳遞公式，大家要做到很熟悉，試著回答下述問題：a) 已知某樣品測量時的計數(shù)率為100cps，欲使對該樣品計數(shù)率測量的相對標準偏差小于0.1%，則測量時間應該選擇多長？答：10000秒b) 在某一個測量中，10分鐘測量得到的相對標準偏差為2.8%，欲使這個值繼續(xù)降低為1%，則

23、需要再測量多長時間？答：68.4分鐘c) 在某一次實驗中，我們想在本底環(huán)境下精確測量一個放射源的計數(shù)率。經(jīng)過短暫的粗測之后，估計出本底計數(shù)率為25cps，加上樣品后的計數(shù)率為100cps。如果總共有1小時的測量時間，則本底和樣品的測量時間應該怎樣分配？最終得到放射源凈計數(shù)率的相對標準偏差是多少？答：本底測量20分鐘，樣品測量40分鐘；相對標準偏差為1/300;d) 本底計數(shù)率是(500+-20) /min，樣品計數(shù)率是(750+-25)/min，求凈計數(shù)率及誤差。（這是課堂測驗的題目）答：凈計數(shù)率為250cpm；本底的測量時間為1.25min，樣品的測量時間為1.2min，因此凈計數(shù)率的誤差為

24、sqrt(500/1.25+750/1.2)=32cpm;10) 某個探測器在同樣條件下進行多次測量，得到的計數(shù)結(jié)果為：1001，1010，990，1003，1002，997，995。請判斷這組數(shù)據(jù)是否正常，為什么？答：不正常，一致性過好；樣本的平均值為999.7，標準偏差為6.4，標準偏差的平方為42<<999.7;六、氣體探測器1) 回顧帶電粒子或中性粒子是如何在氣體電離室中產(chǎn)生載流子的，有哪些物理過程？答：Ø 中性粒子（或中子）通過相應的反應（光電效應、康普頓散射、電子對效應，核反應、核反沖、裂變等）變成次級帶電粒子。Ø 以次級電子為例，電子在氣體電離室的

25、靈敏體積內(nèi)損失能量，損失能量的主要方式是電離（包括激發(fā)），其中的電離（不包括激發(fā)）過程形成“載流子”“電子離子對”。Ø 激發(fā)后退激發(fā)光光子的光電效應光致電離；Ø 電離后離子在陰極形成的電子離子反饋；Ø 處于壓穩(wěn)態(tài)原子對其它原子的電離第二類非彈性碰撞；2) 在氣體中，產(chǎn)生一個“電子離子”對所需要的平均能量大約是多少？其法諾因子在什么范圍？答：平均能量大約為30eV。法諾因子在0.20.5的范圍；3) 為什么載流子的數(shù)目可以反映射線在氣體探測器中沉積的能量？答：因為每產(chǎn)生一個載流子的能量基本是確定的，都是30eV左右，故載流子的數(shù)目能夠反應沉積能量的大??；4) 如果沒

26、有外加電壓，載流子在電離室中產(chǎn)生之后會經(jīng)歷哪些物理過程，這些過程對載流子的影響是什么？ 答：如果外加電壓，載流子將會經(jīng)歷擴散、電子吸附和復合的過程。其中電子吸附和復合將會導致載流子的減少，使得載流子的統(tǒng)計性變差；5) 在電離室外加電壓所形成的電場中，載流子中的電子和離子會開始漂移，電子和離子的飽和漂移速度分別大約是什么量級？載流子的漂移速度與它們在外電路形成的感應電流大小之間存在什么關(guān)系？為什么電子在外電路的感應電流大于離子在外電路的感應電流？電子感應電流流過的總電荷量是否一定比離子相應的總電荷量大？是什么決定了電子（或離子）感應電流流過總電荷量的大??？答：Ø 離子（cm/ms），電

27、子(cm/s)；Ø 載流子的漂移速度越大，則它在外電路感應的電流越大（感應電流與載流子的漂移速度和電場強度的乘積有關(guān)）；Ø 因為電子的漂移速度遠遠大于離子，因此電子的外電路感應電流更大；Ø 但是電子的感應電流在外電路流過的電荷量并不一定比離子的大；決定電子（或離子）感應電流流過總電荷量的大小的是電子（或離子）從漂移起始位置到陽極（陰極）所經(jīng)歷的電位差占陰陽極板間電位差的份額；6) 電離室的構(gòu)成是什么？答：高壓極，收集極，保護極，負載電阻7) 隨著電離室外加電壓的增大，電離室的工作狀態(tài)也將發(fā)生變化。請說出電離室有幾個工作區(qū)？答：（復合區(qū)），飽和區(qū)，正比區(qū)，（有限正比

28、區(qū)），GM區(qū)，（連續(xù)放電區(qū)）8) 電子電離室是否只收集電子的感應電流？離子電離室是否只收集離子的感應電流？這兩種電離室的優(yōu)缺點分別是什么？是什么因素決定了一個電離室是電子還是離子電離室？答；Ø 電子電離室只對電子的感應電流敏感；Ø 而離子電離室則既對離子，也對電子的感應電流敏感；Ø 電子電離室可以實現(xiàn)高的計數(shù)率，并有好的信噪比，但是輸出信號的幅度與電子離子對的產(chǎn)生位置有關(guān)系（而這個位置往往是隨機的），因此無法測量單個入射粒子的能量信息；Ø 離子電離室雖然能夠測量單個入射粒子的能量信息，但是由于離子的漂移時間為ms量級，因此導致每個脈沖的持續(xù)時間很長，無法

29、實現(xiàn)高的計數(shù)率，并且信噪比較差（因為低通濾波器）；Ø 決定一個電離室是離子還是電子脈沖電離室的因素是外電路的時間常數(shù)，如果外電路的時間常數(shù)遠遠大于離子的收集時間，則是離子脈沖電離室；如果外電路的時間常數(shù)遠遠小于離子的收集時間，但遠遠大于電子的收集時間，則是電子脈沖電離室；9) 圓柱形電子脈沖電離室和屏柵電離室是如何克服電子電離室和離子電離室的缺點的？對于圓柱形電離室來說，外電路的信號主要是由電子還是離子電流構(gòu)成的？另外，后面我們還會討論正比計數(shù)器，那么正比計數(shù)器的外電路信號主要由誰構(gòu)成呢？圓柱形電離室的中央絲極是正高壓還是負高壓，為什么？答：Ø 由于圓柱形電子脈沖電離室的圓

30、柱形結(jié)構(gòu)，使得壓降主要發(fā)生在半徑靠近陽極絲附近的較小區(qū)域，而射線產(chǎn)生的電離主要發(fā)生在半徑較大的區(qū)域，因此電離產(chǎn)生的“電子離子對”中的大部分電子在向陽極漂移的過程中都經(jīng)歷了整個陰陽極壓降的大部分每個電子在外電路流過的感應電荷都接近于1個電子電量，這個特點使圓柱形電子脈沖電離室既有電子脈沖電離室中電子的快特性，又在能量分辨上具有較好的特性；Ø 屏柵電離室則由于屏柵的存在，使得每一個電離產(chǎn)生的電子離子對中的電子都經(jīng)過同樣的電位差具有同樣的貢獻。外電路流過的電量嚴格地正比于電子離子對的數(shù)目；Ø 對于圓柱形電子脈沖電離室來說，信號主要是由電子構(gòu)成的；Ø 正比計數(shù)器則主要是由

31、離子構(gòu)成的；Ø 圓柱形電離室的目的在于發(fā)揮電子漂移速度快的優(yōu)點，并使電子在漂移路徑掃過大部分的陰陽極壓降（為了準確測量粒子能量）。如果中央絲極不是陽極，則電子掃過的壓降只是很小的一部分，并且隨電離產(chǎn)生位置的變化明顯，因此無法準確測量粒子的能量；所以其絲極必須是陽極；10) 為什么正比計數(shù)器的中央絲極必須是正高壓？為什么正比計數(shù)器的信號主要由離子貢獻？正比計數(shù)器的放電位置是發(fā)生在局部，還是發(fā)生在整個陽極絲？在一個正比計數(shù)器內(nèi)，是否能夠同時發(fā)生2個或2個以上的正比倍增過程？正比計數(shù)器的輸出信號與什么成正比？如果不考慮電子學因素對能量分辨率造成的影響，僅就載流子自身的統(tǒng)計性而言，是離子電離

32、室的能量分辨率好，還是正比計數(shù)器的能量分辨率好？答：Ø 正比計數(shù)器的核心在于電子的雪崩倍增過程（離子是無法雪崩倍增的），只有中央絲極是陽極，才能保證電子的雪崩過程；Ø 由于雪崩后的電子離子對距離陽極絲很近，電子從雪崩位置到陽極絲所經(jīng)過的電位差只占整個電位差的很小一部分，因此電子感應電流流過的電荷很少，而離子的則占了大多數(shù)，所以正比計數(shù)器的信號主要由離子貢獻；Ø 正比計數(shù)器的放電發(fā)生在局部；Ø 正比計數(shù)器可以同時發(fā)生多個正比倍增（雪崩）過程；Ø 正比計數(shù)器的輸出與射線沉積能量成正比，也與倍增系數(shù)（工作電壓有關(guān)）成正比；Ø 僅考慮載流子自

33、身的統(tǒng)計性，則離子電離室的能量分辨率好；11) 正離子的漂移速度很慢（ms量級的漂移時間），為什么正比計數(shù)器仍然可以獲得s量級的時間響應特性？答：盡管離子慢，但是離子只需要漂移很短的距離就可以掃過大部分的壓降（圓柱型結(jié)構(gòu)的特性）；因此正比計數(shù)器仍然可以獲得較快的時間響應；12) G-M管的放電是發(fā)生在局部，還是發(fā)生在全陽極絲？G-M管的輸出信號幅度具有怎樣的特性？答：G-M管的放電是全局發(fā)生的；G-M管的輸出信號幅度與入射粒子的能量沒有關(guān)系，無論入射粒子的能量如何，G-M管的輸出信號幅度都是確定的（如果在上一個信號的恢復時間內(nèi)例外）；13) 在有機管中，有機氣體分子的作用是什么？如果G-M管全

34、部充滿了有機氣體（沒有氬氣了），G-M還能否正常工作，為什么？答：有機氣體起到了猝熄的作用；如果G-M管全部充滿了有機氣體，則G-M管也無法工作，因為有機氣體分子有大量低的激發(fā)能級，使電子無法積累能量來發(fā)生電離；14) 有機管和鹵素管的主要區(qū)別在哪里？鹵素氣體分子的作用是什么？答：二者所充的猝熄氣體不同。鹵素氣體由于可以被Ne的亞穩(wěn)態(tài)通過第二類非彈性碰撞電離，而電子可以在幾個自由程內(nèi)進行加速將Ne激發(fā)到亞穩(wěn)態(tài)（此前無有效地競爭過程），所以鹵素管可以實現(xiàn)較低的閾壓，并且可以在半徑較大的區(qū)域內(nèi)發(fā)生放電；當然，鹵素氣體也起到了猝熄的作用；15) 無論是圓柱形電離室，還是正比計數(shù)器或G-M管，當從中央

35、絲極引出信號的時候，這個信號的極性是什么？答：負極性；16) 假設在射線強度（指射入靈敏體積的射線數(shù)目）為X，電離室工作電壓為V時，電離室工作在飽和區(qū)，輸出脈沖信號的幅度為A。若保持其它因素不變，只是增大射線強度，例如變?yōu)?X，則輸出脈沖信號的幅度是否一定為A？如果不是，原因是什么？通過什么辦法可以使輸出的幅度成為A？我們在這里討論的是氣體電離室的什么特性？答：Ø 信號的幅度可能還是A，但也可能不是A。Ø 一個電離室是工作在復合區(qū)還是飽和區(qū)是與工作電壓和射線的入射情況都有關(guān)系的。當射線的強度增加時，可能需要更高的電壓來抑制電子和離子的復合問題。在本題目中，隨著射線強度的增加

36、，也許電離室還工作在飽和區(qū)，也許不。如果射線強度過強，使之從飽和區(qū)進入復合區(qū)，則需要進一步提高工作電壓（前提是工作電壓還沒有高到正比區(qū)的放電電壓）；Ø 這里討論的是電離室的飽和特性；17) 什么是坪特性，正比計數(shù)器和G-M管的坪斜成因分別是什么？答：Ø 坪特性：計數(shù)率vs工作電壓的曲線；Ø 正比計數(shù)器： u 負電性氣體、末端和管璧效應產(chǎn)生的小信號，在工作升高之后也可以被記錄了（因為超過了閾值）；u 如果信號的幅度分布是從0開始的，那么隨著工作電壓的提高，更多的信號會超過閾值，形成坪斜；Ø G-M管：u 工作電壓升高導致正離子反饋的增加，在陰極產(chǎn)生了電子，

37、導致了假計數(shù)；u 工作電壓的升高，使負離子在陰極或陽極附近延遲地放出了電子，導致了假計數(shù)；u 工作電壓升高導致了尖端放電可能性的加大，導致了假計數(shù)；u 工作電壓升高，靈敏體積會相應增大；18) 假設利用G-M管對某一個活度為A的放射源進行測量，得到的計數(shù)率（平均值）為2000cps。如果別的條件保持不變，只是源的活度增大為2A，則得到的計數(shù)率（平均值）是4000cps嗎？為什么？答：不是，小于4000cps，因為死時間所占的份額更大，活（有效測量）時間更少了；19) 正比計數(shù)器的死時間是可擴展的嗎？G-M管的死時間是可擴展的嗎？答：正比可以，G-M不可以； 20) 如果用示波器來觀察G-M的輸

38、出信號，各個信號的幅度大小是一樣的嗎？為什么？G-M管的分辨時間與閾值有無關(guān)系？答：Ø 如果不考慮恢復時間內(nèi)的信號，則是一樣的。但如果考慮恢復時間，則不是一樣的，因為在恢復時間內(nèi)，正離子鞘尚未完全漂移完畢，入射粒子產(chǎn)生的雪崩放大效應較小，信號較小。Ø G-M的分辨時間與閾值有關(guān)系；21) 什么是分辨時間，什么是時間分辨本領(lǐng)？答：Ø 分辨時間：能夠分辨開兩個相繼入射粒子間的最小時間間隔；Ø 時間分辨本領(lǐng)：由探測器輸出脈沖來確定入射粒子入射時刻的精度；22) 決定一個電離室是工作于脈沖狀態(tài)還是累計狀態(tài)的因素是什么？如果每秒鐘射入探測器靈敏體積的帶電粒子數(shù)目為

39、100cps，若要讓探測器工作在累計狀態(tài)，外電路參數(shù)應該如何選擇（舉一個例子說明）？在該參數(shù)下，輸出電壓信號的相對均方漲落是多少？如果100cps增大為50000cps，情況又怎樣？答：Ø 決定電離室工作于脈沖狀態(tài)或累計狀態(tài)的因素是粒子的入射率和外電路的時間常數(shù)；Ø RC50ms；10%；Ø RC=100s; 10%23) 設用同一套累計電離室測量裝置先后測量兩個放射源（置于電離室內(nèi)，其粒子的全部能量損耗在靈敏體積內(nèi)）的平均信號電流。若兩個源所產(chǎn)生的平均電流相同，而第一個源的粒子能量高，則測量第一個源時信號的統(tǒng)計漲落將比測第二個源時（大，一樣，還是??？）（此為課堂

40、測驗題目）答：前者的統(tǒng)計漲落大；24) 請解釋一下，為什么空氣可以廣泛應用于電離室，但是卻很少用在正比計數(shù)器中？答：因為空氣中的氧氣是負電性氣體，對正比放大過程構(gòu)成了很大的影響；七、閃爍探測器1) 閃爍探測器的載流子是第一打拿極收集到的光電子，請描述從1個2.754MeV射線入射開始，到形成載流子需要經(jīng)歷哪些物理過程？形成一個載流子需要的平均能量大約是多少（對于不同的探測器是不同的，給個范圍即可）答：Ø 物理過程包括：u 射線與閃爍體內(nèi)的原子發(fā)生反應（光電、康普頓、電子對），產(chǎn)生帶有能量信息的次級電子；u 次級電子在閃爍體內(nèi)損失能量，使閃爍體電離；u 閃爍體將能量交給激活劑；u 激活

41、劑退激發(fā)光；u 光子經(jīng)反射、光導傳輸?shù)焦怅帢O；u 閃爍光子在光陰極產(chǎn)生光電子；u 光電子被第一打拿極收集形成載流子；Ø 形成一個載流子的平均能量300eV（對每種閃爍體都是不同的）2) 閃爍探測器的突出優(yōu)點在于其本征探測效率高，在同樣的形狀下，為什么BGO探測器比NaI探測器的本征探測效率高？答：Ø BGO的密度（7.13g/cm3）比NaI的密度（3.67g/cm3）大；Ø BGO的原子序數(shù)（83）比NaI（53）的高；3) 發(fā)光效率的含義是什么？它與本征探測效率有無直接關(guān)系？為什么我們傾向于選擇發(fā)光效率大的閃爍體？答：Ø 發(fā)光效率描述的是閃爍體將帶電

42、粒子所沉積能量轉(zhuǎn)換為閃爍光子的能力；Ø 它和本征探測效率沒有直接的聯(lián)系；Ø BGO的發(fā)光效率比NaI低，但它的本征探測效率卻不比同樣尺寸的NaI低；Ø 之所以選擇發(fā)光效率大的閃爍體，目的在于實現(xiàn)高的能量分辨率；4) 閃爍體發(fā)光的光子數(shù)目近似認為是服從什么分布，對應的法諾因子是多少？答：光子的數(shù)目近似服從泊松分布，法諾因子為1；5) 光陰極是否能夠把每一個射向光陰極的閃爍光子都轉(zhuǎn)換為光電子？什么叫量子效率？答：Ø 光陰極并不能把每個射向光陰極的閃爍光子都轉(zhuǎn)換為光電子；Ø 量子效率描述的是每個入射的閃爍光子所轉(zhuǎn)換出光電子的數(shù)目；6) 閃爍探測器的載

43、流子是同時產(chǎn)生的嗎？如果不是，由什么決定？答：Ø 不是；Ø 由于閃爍光子的發(fā)出不是同時的，受發(fā)光衰減時間的影響，因此由閃爍光子導致的光電子也不是同時產(chǎn)生的；7) 為什么有些閃爍體可用于做粒子種類的鑒別？答：因為在某些閃爍體中，所發(fā)熒光有快慢成分，而不同帶電粒子在其中電離后發(fā)光的快慢成分比例是不同的；8) 沉積同樣能量的不同種射線，被NaI探測器測量后得到的信號幅度期望值一定是相同的嗎？為什么？答：不是；因為不同種類射線的發(fā)光效率可能是不同的；9) 為什么光陰極的電位是光電倍增管中最低的？答：因為電子在光電倍增管內(nèi)的倍增過程是從低電位向高電位運動的；10) 如果要做類比的話，

44、電子從第一個打拿極向陽極運動的過程可類比于氣體探測器中的什么環(huán)節(jié)？在這個環(huán)節(jié)中，載流子的絕對數(shù)目是增大還是減小了？載流子的統(tǒng)計性是變好還是變差了？為什么一定要有這個環(huán)節(jié)？答：Ø 可類比于正比計數(shù)器的雪崩過程；Ø 在這個環(huán)節(jié)中，載流子的絕對數(shù)目增大了，但是統(tǒng)計性卻沒有變好，而是有些變差；Ø 之所以必須這個環(huán)節(jié)，是因為第一打拿極收集到的光電子數(shù)目太小，直接形成的信號幅度很小，無法實現(xiàn)高的信噪比（噪來自于后續(xù)電路）；11) 為什么最后幾個打拿極要并聯(lián)電容？答：在最后幾個打拿極處，倍增后的電子電流很大，需要并聯(lián)電容來為信號提供通路，實現(xiàn)穩(wěn)壓；12) 正高壓供電和負高壓供電

45、的特點分別是什么？答：Ø 正高壓：陰極接地，但是在陽極和輸出之間需要增加隔直電容，不適合于高計數(shù)率和電流情況；Ø 負高壓：無需隔直電容，適合高計數(shù)率和電流情況，但是光陰極處于負高壓，需要防止漏電流和場致發(fā)光；13) 我們可以從陽極收集信號，也可以從前幾個打拿極收集信號。這兩種信號有什么區(qū)別？答：Ø 從陽極收集到的信號是負極性，幅度較大；Ø 從前級打拿極收集到的信號先為負極性（幅度?。?，然后為正極性（幅度變大，因為電子倍增），幅度較小，但是由于電子的渡越時間較小，時間離散也小，因為時間特性較好；14) 什么是電壓型脈沖工作狀態(tài)，什么是電流型脈沖工作狀態(tài)？其

46、輸出信號的幅度分別是多大？答：Ø 當外電路的時間常數(shù)遠遠大于發(fā)光時間時，表現(xiàn)為電壓型脈沖工作狀態(tài)；Ø 當外電路的時間常數(shù)遠遠小于發(fā)光時間時，表現(xiàn)為電流型脈沖工作狀態(tài)；幅度大小的表達式請見講義；15) 對于某個射入NaI探測器的射線，它可能在探測器內(nèi)發(fā)生多次康普頓散射，每次都會產(chǎn)生一個反沖電子。NaI探測器能否區(qū)分這些電子（是當作1個電子來看，還是當作多個電子來看）？為什么？答：會當作一個電子來看，因為這些電子的產(chǎn)生時間盡管是有先后的，但與閃爍體的發(fā)光時間相比，這些時間先后的間隔是很短的，無法區(qū)分；16) 什么是峰總比？峰總比大些好，還是小些好？下面列出了幾種比較，請分析誰的

47、峰總比更大？答：峰總比指的是全能峰面積與整個能譜面積的比值；峰總比大些好；a) 形狀尺寸相同，密度相同，原子序數(shù)不同：Z大的探測器 vs Z小的探測器答：前者大b) 都是NaI探測器，體積不同：2英吋（直徑）×2英吋vs 3英吋（直徑）×3英吋答：后者大c) 形狀尺寸相同，原子序數(shù)相當，密度不同：密度大 vs 密度小答：前者大d) 都是NaI探測器，體積相同，形狀不同：1英吋（直徑）×8英吋vs 2英吋（直徑）×2英吋答：后者大八、半導體探測器1) 半導體探測器具有非常好的能量分辨率特性和較高的本征探測效率，它的載流子是“電子空穴對”。那么產(chǎn)生一個“電子

48、空穴對”需要的平均電離能是多少？法諾因子的范圍是多少？2) “電子空穴對”是如何產(chǎn)生的？答：帶電粒子在半導體中的電離，使得價帶中的電子進入導帶，形成電子空穴對；3) 電子和空穴的飽和漂移速度在什么量級？答：107cm/s；4) 在選擇半導體作為探測器材料時，應考慮什么原則？答：Ø 應該有大的電阻率，以減小漏電流和減小結(jié)電容；Ø 應該有長的載流子壽命，以保證大體積下載流子的收集；5) PN結(jié)探測器中的耗盡層是怎樣形成的？耗盡層的存在與實現(xiàn)高能量分辨率有什么關(guān)系？答：Ø 耗盡層的形成，請見講義；Ø 在耗盡層中，由于載流子的數(shù)目很少，表現(xiàn)出了高的電阻率，使得漏

49、電流很小，保證了高的能量分辨率；6) 載流子在產(chǎn)生之后會有哪些過程使之損失或無法形成信號？為什么希望載流子的壽命長？答：Ø 載流子會因為陷落或復合而損失，無法形成信號；Ø 載流子壽命長有利于實現(xiàn)大體積的探測器，提高對穿透能力較強射線的探測效率；7) 就統(tǒng)計學特性而言，PN結(jié)探測器能夠?qū)崿F(xiàn)很好的分辨率。如果只考慮統(tǒng)計漲落問題，一個5.486MeV的粒子在金硅面壘探測器中的能量分辨率是多少？答：4keV；8) 要實現(xiàn)這么好的能量分辨率，勢必要考慮其它因素對能量分辨率的“敗壞”問題，有什么因素會使金硅面壘探測器測量到的能量分辨率變差呢？答：探測器的噪聲信號；電子學的噪聲；入射窗的

50、影響；載流子的陷落與復合；9) 綜合考慮各項因素對能量分辨率的影響之后，我們將得到一個總的能量展寬E。各分項因素的貢獻E1，E2，Ei等與E之間存在什么關(guān)系？答：它們之間是平方和關(guān)系；10) 在影響半導體探測器分辨率的各項因素中，電荷靈敏前置放大器的噪聲也是重要的一項。什么是零電容噪聲，什么是噪聲斜率？如果零電容噪聲為1keV，噪聲斜率為0.03keV/pf，現(xiàn)知道由前放造成的能量展寬為7keV，那么探測器的電容是多大？答：200pf11) 增加金硅面壘探測器的反向電壓，會有什么好處，又會有什么壞處？應該怎么選擇反向電壓的大?。看穑?#216; 好處是增大靈敏體積，減小結(jié)電容（電容噪聲?。?；&

51、#216; 壞處是反向電流會增大；Ø 反向電壓有一個最優(yōu)值，此時能量分辨率最好；12) 為什么PN結(jié)探測器結(jié)區(qū)不能做得很厚？這個缺點帶來了什么問題？答：因為Si材料的摻雜濃度無法做得很小，因此同樣反向電壓下，結(jié)區(qū)的厚度不大，僅為mm量級。雖然可以通過提高反向電壓來增大厚度，但是電壓過高會使結(jié)區(qū)交界處發(fā)生擊穿，因此不能無限提高電壓；13) HPGe探測器也是一種PN結(jié)探測器嗎？為什么它可以實現(xiàn)較大的結(jié)區(qū)厚度？答：是。因為HPGe探測器所用的Ge材料雜質(zhì)濃度很小，僅為1010原子/cm3；14) 對于1.33MeV的射線，HPGe探測器的典型能量分辨率是多少（以keV為單位）？答：最好可

52、以達到1.3keV，常見的是1.75MeV左右；15) 什么是峰康比？當我們說某個HPGe探測器的探測效率是50的時候，這個探測效率是怎么定義的？50和20探測效率的HPGe相比，誰的峰康比大？答：Ø 峰康比指全能峰的高度與康普頓平臺高度的比值；Ø 所謂50%探測效率的HPGe探測器，指的是其全能峰效率相對于3英吋NaI探測器的全能峰效率為50；Ø 50探測效率的HPGe探測器峰康比更大；16) 為什么一般HPGe探測器所測能譜的逃逸峰比NaI探測器的要明顯？答：因為HPGe探測器的對出射511keV射線的阻擋能力不如NaI探測器；九、中子測量1) 探測中子的基本

53、方法有哪些？有哪些常用的中子探測器？答：Ø 核反應法；核反沖法；裂變法；活化法；Ø 氣體探測器：BF3正比計數(shù)器，3He正比計數(shù)器，裂變室，硼電離室等；Ø 閃爍體：LiI，Li玻璃等；2) 什么是中子與物質(zhì)相互作用的宏觀截面？答：即原子核密度與每個原子核與某個能量中子的反應截面的乘積。它與線性衰減系數(shù)具有同樣的量綱和含義。反映了某個能量的中子在某個介質(zhì)中單位距離內(nèi)被衰減的程度；3) 什么是中子探測的靈敏度，其量綱是什么？如果某個BF3正比計數(shù)器充氣壓力為500mmHg（室溫下），B-10的濃度為90，靈敏體積為3×20cm。請估算這個正比計數(shù)器對25.3meV中子的靈敏度。已知B-10對25.3meV的熱中子的截面為3836b。答：中子靈敏度的量綱為面積；8.6cps/nv;4) 上題中同樣的正比計