輻射探測器與檢測技術(shù)教學(xué)文案

1、輻射探測器與檢測技術(shù) 氣體氣體 一、氣體的電離一、氣體的電離 WEN0測量儀器cab+ -+ - + -放射源v 陽極陽極 + + + + + + + +- - - - - - - - 陰極陰極 測量儀器ab+ -+ - + -v 應(yīng)應(yīng) 用用+ -+ - + -陽極陰極正比計(jì)數(shù)管工作在氣體探測器特性曲線的正比區(qū)。此區(qū)存在正比計(jì)數(shù)管工作在氣體探測器特性曲線的正比區(qū)。此區(qū)存在氣體放大作用，即初電離產(chǎn)生的電子從電場獲得能量足以產(chǎn)氣體放大作用，即初電離產(chǎn)生的電子從電場獲得能量足以產(chǎn)生次電離，而且次電離電子還可以使氣體電離，離子對(duì)數(shù)目生次電離，而且次電離電子還可以使氣體電離，離子對(duì)數(shù)目逐步增殖，但最后形

2、成的總離子對(duì)數(shù)保持與初電離成正比關(guān)逐步增殖，但最后形成的總離子對(duì)數(shù)保持與初電離成正比關(guān)系。于是在收集極上感生的脈沖幅度將是原電離感生的脈沖系。于是在收集極上感生的脈沖幅度將是原電離感生的脈沖幅度的幅度的M倍。倍。 2ra+ -+ - + -陽極陰極最初由蓋革（最初由蓋革（Geiger）和彌勒（）和彌勒（Muller）發(fā)明的一種計(jì)數(shù)管，）發(fā)明的一種計(jì)數(shù)管，簡稱簡稱G-M計(jì)數(shù)管。計(jì)數(shù)管。G-M計(jì)數(shù)管是使用最早計(jì)數(shù)管是使用最早(1928年年)，最廣泛，最廣泛的一種探測器。它的突出特點(diǎn)是制造簡單，價(jià)格便宜，易于的一種探測器。它的突出特點(diǎn)是制造簡單，價(jià)格便宜，易于操作，輸出脈沖幅度大，對(duì)電子學(xué)線路要求簡

3、單。因此操作，輸出脈沖幅度大，對(duì)電子學(xué)線路要求簡單。因此G-M計(jì)數(shù)管至今在放射性測量和劑量工作中仍是常用的探測器。計(jì)數(shù)管至今在放射性測量和劑量工作中仍是常用的探測器。它的缺點(diǎn)是死時(shí)間長，因此它不能用于高計(jì)數(shù)率場合。它的缺點(diǎn)是死時(shí)間長，因此它不能用于高計(jì)數(shù)率場合。1.G-M的結(jié)構(gòu)陽極陰極陽極陰極陽極陰極陽極陰極 (N2-N1) 1/2 (V2-V1) (N2+N1)nnno1應(yīng)應(yīng) 用用肖克利( William Shockley) 巴丁(JohnBardeen) 布拉坦(Walter Brattain) 世界上第一個(gè)點(diǎn)接觸型晶體管 要實(shí)現(xiàn)這一過程，必須同時(shí)滿足以下條件：要實(shí)現(xiàn)這一過程，必須同時(shí)滿足

4、以下條件：要求用作探測器的固體材料具有高的電阻率，才能保證加上要求用作探測器的固體材料具有高的電阻率，才能保證加上較高的電場強(qiáng)度，而漏電流很??；較高的電場強(qiáng)度，而漏電流很??；探測器材料必須有足夠長的載流子漂移長度，以便載流子能探測器材料必須有足夠長的載流子漂移長度，以便載流子能通過靈敏區(qū)厚度通過靈敏區(qū)厚度d到達(dá)電極而不發(fā)生復(fù)合或俘獲。到達(dá)電極而不發(fā)生復(fù)合或俘獲。目前，滿足上述要求的主要方法有；目前，滿足上述要求的主要方法有；在硅或鍺單晶中形成在硅或鍺單晶中形成PN結(jié)，在結(jié)，在PN結(jié)上加反向偏壓形成探測器的靈敏區(qū)，在該靈敏區(qū)內(nèi)結(jié)上加反向偏壓形成探測器的靈敏區(qū)，在該靈敏區(qū)內(nèi)載流子濃度很小，電阻率極

5、大而漏電流很?。惠d流子濃度很小，電阻率極大而漏電流很??；在在P型和型和N型的鍺或硅單晶之間通過補(bǔ)償工藝使形成準(zhǔn)本征區(qū)，型的鍺或硅單晶之間通過補(bǔ)償工藝使形成準(zhǔn)本征區(qū)，其電阻率很高，可作為探測器的靈敏區(qū)；其電阻率很高，可作為探測器的靈敏區(qū)；使用高純度半導(dǎo)體材料作為探測器材料。使用高純度半導(dǎo)體材料作為探測器材料。 濃度差使載流子發(fā)生擴(kuò)散運(yùn)動(dòng) 內(nèi)電場形成 PN結(jié) PN結(jié)型半導(dǎo)體探測器的工作原理可敘述如下：由于結(jié)型半導(dǎo)體探測器的工作原理可敘述如下：由于PN結(jié)區(qū)結(jié)區(qū)載流子很少，電阻率很高，當(dāng)探測器加上反向電壓以后，電載流子很少，電阻率很高，當(dāng)探測器加上反向電壓以后，電壓幾乎完全加在結(jié)區(qū)，在結(jié)區(qū)形成一個(gè)足夠

6、強(qiáng)的電場，但幾壓幾乎完全加在結(jié)區(qū)，在結(jié)區(qū)形成一個(gè)足夠強(qiáng)的電場，但幾乎沒有電流流過。入射粒子射入結(jié)區(qū)后，通過與半導(dǎo)體的相乎沒有電流流過。入射粒子射入結(jié)區(qū)后，通過與半導(dǎo)體的相互作用，損失能量產(chǎn)生電子互作用，損失能量產(chǎn)生電子空穴對(duì)。在外加電場作用下，空穴對(duì)。在外加電場作用下，電子和空穴分別向兩極漂移，于是在輸出回路中形成信號(hào)。電子和空穴分別向兩極漂移，于是在輸出回路中形成信號(hào)。當(dāng)電場足夠強(qiáng)時(shí)，電子和空穴在結(jié)區(qū)的復(fù)合和俘獲可以忽略。當(dāng)電場足夠強(qiáng)時(shí)，電子和空穴在結(jié)區(qū)的復(fù)合和俘獲可以忽略。這時(shí)，輸出信號(hào)的幅度與帶電粒子在結(jié)區(qū)消耗的能量成正比。這時(shí)，輸出信號(hào)的幅度與帶電粒子在結(jié)區(qū)消耗的能量成正比。如果入射粒

7、子的能量全部消耗在結(jié)區(qū)，則輸出脈沖幅度與入如果入射粒子的能量全部消耗在結(jié)區(qū)，則輸出脈沖幅度與入射粒子能量成正比。射粒子能量成正比。 擴(kuò)散型、離子注入型擴(kuò)散型、離子注入型 面壘型探測器在制造工藝上不涉及高溫，探測器材料能保持面壘型探測器在制造工藝上不涉及高溫，探測器材料能保持原來的良好性能，噪聲低，能量線性好，能量分辨率高，入原來的良好性能，噪聲低，能量線性好，能量分辨率高，入射窗薄，易于制得面積較大且均勻的靈敏區(qū)，結(jié)構(gòu)簡單，操射窗薄，易于制得面積較大且均勻的靈敏區(qū)，結(jié)構(gòu)簡單，操作方便。作方便。面壘型探測器對(duì)光靈敏，薄入射窗對(duì)光是透明的，照在探測面壘型探測器對(duì)光靈敏，薄入射窗對(duì)光是透明的，照在探

8、測器表面上的光子可以到達(dá)靈敏體積內(nèi)?？梢姽夤庾拥哪芰考s器表面上的光子可以到達(dá)靈敏體積內(nèi)?？梢姽夤庾拥哪芰考s為為(24)eV，大于硅和鍺的能隙，因此可見光光子與半導(dǎo)體相，大于硅和鍺的能隙，因此可見光光子與半導(dǎo)體相互作用可能產(chǎn)生電子互作用可能產(chǎn)生電子空穴對(duì)，普通房間內(nèi)的光線就能引起空穴對(duì)，普通房間內(nèi)的光線就能引起很高的噪聲。所以使用于探測帶電粒子時(shí)探測器必需在真空很高的噪聲。所以使用于探測帶電粒子時(shí)探測器必需在真空密封條件下，以使噪聲降低到可以忽略的水平。面壘型探測密封條件下，以使噪聲降低到可以忽略的水平。面壘型探測器的窗很薄，決不能用手觸摸其鍍金面。器的窗很薄，決不能用手觸摸其鍍金面。 擴(kuò)散型探

9、測器是把一種類型的雜質(zhì)擴(kuò)散到另一種相反類型的擴(kuò)散型探測器是把一種類型的雜質(zhì)擴(kuò)散到另一種相反類型的半導(dǎo)體內(nèi)而形成半導(dǎo)體內(nèi)而形成PN結(jié)的探測器。通常是將五價(jià)磷結(jié)的探測器。通常是將五價(jià)磷(磷可以是磷可以是氣態(tài)，也可以是固態(tài)氣態(tài)，也可以是固態(tài))，在高溫，在高溫(8001000)下擴(kuò)散到下擴(kuò)散到P型硅型硅中，即擴(kuò)散進(jìn)一層施主雜質(zhì)而形成中，即擴(kuò)散進(jìn)一層施主雜質(zhì)而形成N型薄層，它是粒子入射型薄層，它是粒子入射窗。擴(kuò)散深度通過調(diào)節(jié)擴(kuò)散過程的溫度和時(shí)間來控制，通常窗。擴(kuò)散深度通過調(diào)節(jié)擴(kuò)散過程的溫度和時(shí)間來控制，通常擴(kuò)散深度為擴(kuò)散深度為(12)m。靈敏區(qū)的最大厚度限制在約。靈敏區(qū)的最大厚度限制在約600m范范圍內(nèi)

10、。隨著半導(dǎo)體器件工藝的改進(jìn)，圍內(nèi)。隨著半導(dǎo)體器件工藝的改進(jìn)，70年代研制出了低噪聲年代研制出了低噪聲氧化物鈍化氧化物鈍化PN結(jié)探測器，克服了老式擴(kuò)散型探測器的缺點(diǎn)，結(jié)探測器，克服了老式擴(kuò)散型探測器的缺點(diǎn)，并能制作成大面積的淺擴(kuò)散結(jié)。它的靈敏區(qū)比面壘型的厚，并能制作成大面積的淺擴(kuò)散結(jié)。它的靈敏區(qū)比面壘型的厚，可用來制作室溫下使用的可用來制作室溫下使用的射線和射線和X射線探測器。射線探測器。利用加速器產(chǎn)生的具有一定能量的正離子束流，直接穿透利用加速器產(chǎn)生的具有一定能量的正離子束流，直接穿透半導(dǎo)體表面而形成離子注入型半導(dǎo)體表面而形成離子注入型PN結(jié)半導(dǎo)體探測器。通常用結(jié)半導(dǎo)體探測器。通常用硼離子轟擊

11、硼離子轟擊N型硅，用磷離子轟擊型硅，用磷離子轟擊P型硅，離子束能量在型硅，離子束能量在5100keV之間。由于用磁分析器排除雜質(zhì)，入射粒子束之間。由于用磁分析器排除雜質(zhì)，入射粒子束便具有高純度。這種探測器受環(huán)境影響小，工作更穩(wěn)定，便具有高純度。這種探測器受環(huán)境影響小，工作更穩(wěn)定，這是面壘型所不及的。通過調(diào)節(jié)離子束的能量和強(qiáng)度很容這是面壘型所不及的。通過調(diào)節(jié)離子束的能量和強(qiáng)度很容易得到所需的深度和摻雜濃度。離子注入型的另一優(yōu)點(diǎn)是易得到所需的深度和摻雜濃度。離子注入型的另一優(yōu)點(diǎn)是可以在高阻硅上得到薄窗可以在高阻硅上得到薄窗(可薄到可薄到34nm)且耐磨損。其缺點(diǎn)且耐磨損。其缺點(diǎn)是入射離子產(chǎn)生強(qiáng)的輻

12、射損傷，形成大量俘獲和復(fù)合中心，是入射離子產(chǎn)生強(qiáng)的輻射損傷，形成大量俘獲和復(fù)合中心，能量分辨率不如面壘型的好。能量分辨率不如面壘型的好。 離子注入型離子注入型上節(jié)介紹的上節(jié)介紹的PN結(jié)型半導(dǎo)體探測器靈敏區(qū)厚度很難達(dá)到結(jié)型半導(dǎo)體探測器靈敏區(qū)厚度很難達(dá)到2mm以上，它對(duì)于探測以上，它對(duì)于探測粒子等重帶電粒子有著廣泛的應(yīng)用。粒子等重帶電粒子有著廣泛的應(yīng)用。但對(duì)于像但對(duì)于像射線這樣穿透性很強(qiáng)的輻射，因靈敏區(qū)厚度或有射線這樣穿透性很強(qiáng)的輻射，因靈敏區(qū)厚度或有效體積有限，就不適應(yīng)了。效體積有限，就不適應(yīng)了。60年代，采用鋰漂移技術(shù)在年代，采用鋰漂移技術(shù)在P型和型和N型半導(dǎo)體之間得到受主雜質(zhì)濃度和施主雜質(zhì)濃

13、度平型半導(dǎo)體之間得到受主雜質(zhì)濃度和施主雜質(zhì)濃度平衡的高電阻率補(bǔ)償材料區(qū)，該區(qū)具有的性質(zhì)與本征材料的衡的高電阻率補(bǔ)償材料區(qū)，該區(qū)具有的性質(zhì)與本征材料的性質(zhì)類似，通常以符號(hào)性質(zhì)類似，通常以符號(hào)I表示，簡稱表示，簡稱I區(qū)，又叫補(bǔ)償區(qū)，它區(qū)，又叫補(bǔ)償區(qū)，它是探測器的靈敏區(qū)?？色@得厚度大于是探測器的靈敏區(qū)。可獲得厚度大于10mm的靈敏區(qū)。所的靈敏區(qū)。所以鋰漂移探測器是以鋰漂移探測器是P-I-N結(jié)構(gòu)，習(xí)慣上又稱為結(jié)構(gòu)，習(xí)慣上又稱為PIN探測器。探測器。 一塊一塊P型半導(dǎo)體，最初它的受主雜質(zhì)的濃度是均勻分布的。在型半導(dǎo)體，最初它的受主雜質(zhì)的濃度是均勻分布的。在P型半導(dǎo)體的一面蒸發(fā)上一層金屬鋰，由于鋰在型半導(dǎo)

14、體的一面蒸發(fā)上一層金屬鋰，由于鋰在Si和和Ge半導(dǎo)體半導(dǎo)體中的遷移率高而電離能較低中的遷移率高而電離能較低(在硅中是在硅中是0.033eV，在鍺中是，在鍺中是0.093eV)，在室溫下鋰全部電離，電子進(jìn)入到導(dǎo)帶內(nèi)，起施，在室溫下鋰全部電離，電子進(jìn)入到導(dǎo)帶內(nèi)，起施主作用。而鋰離子主作用。而鋰離子(Li+)的半徑只有的半徑只有6102nm，比室溫下，比室溫下Si和和Ge的晶格間距的晶格間距(分別為分別為5.42101nm和和5.64101nm)小得多，小得多，因此，在電場作用下，鋰離子很容易穿過晶格，作為填隙離因此，在電場作用下，鋰離子很容易穿過晶格，作為填隙離子漂移深入到半導(dǎo)體內(nèi)部，它和原來的負(fù)

15、離子子漂移深入到半導(dǎo)體內(nèi)部，它和原來的負(fù)離子(例如例如B-)由于靜由于靜電作用而形成穩(wěn)定的中性離子對(duì)電作用而形成穩(wěn)定的中性離子對(duì)(例如例如Li+B)。這相當(dāng)于施主。這相當(dāng)于施主原子把多余的一個(gè)電子給了受主原子，使在此區(qū)域內(nèi)的電子原子把多余的一個(gè)電子給了受主原子，使在此區(qū)域內(nèi)的電子和空穴都減少，從而大大提高了電阻率。這就是鋰的補(bǔ)償作和空穴都減少，從而大大提高了電阻率。這就是鋰的補(bǔ)償作用。用。在典型的漂移溫度下在典型的漂移溫度下(60)往往需要漂移幾天至幾周的時(shí)間。往往需要漂移幾天至幾周的時(shí)間。 +-+-+-+- 一、閃爍探測器的組成和工作原理一、閃爍探測器的組成和工作原理1.構(gòu)成構(gòu)成閃爍探測器是

16、利用某些物質(zhì)在核輻射的作用下會(huì)發(fā)光的特性閃爍探測器是利用某些物質(zhì)在核輻射的作用下會(huì)發(fā)光的特性探測核輻射的，這些物質(zhì)稱為熒光物質(zhì)或閃爍體。光電器件探測核輻射的，這些物質(zhì)稱為熒光物質(zhì)或閃爍體。光電器件將微弱的閃爍光轉(zhuǎn)變?yōu)楣怆娮樱怆娮咏?jīng)過多次倍增放大后，將微弱的閃爍光轉(zhuǎn)變?yōu)楣怆娮?，光電子?jīng)過多次倍增放大后，輸出一個(gè)電脈沖，這種裝置叫做閃爍探測器。輸出一個(gè)電脈沖，這種裝置叫做閃爍探測器。閃爍探測器的主要組成部分有閃爍體、光學(xué)收集系統(tǒng)、光電閃爍探測器的主要組成部分有閃爍體、光學(xué)收集系統(tǒng)、光電倍增管倍增管(或其他光電器件或其他光電器件)以及給光電信增管各電極供電的分以及給光電信增管各電極供電的分壓器。它

17、們被封閉在一個(gè)不透光的外殼里，統(tǒng)稱為探頭，壓器。它們被封閉在一個(gè)不透光的外殼里，統(tǒng)稱為探頭， 一、閃爍探測器的組成和工作原理一、閃爍探測器的組成和工作原理2.工作原理核輻射進(jìn)入閃爍體中，使原子核輻射進(jìn)入閃爍體中，使原子(或分子或分子)激發(fā)，受激原子在退激激發(fā)，受激原子在退激過程中發(fā)光，光子穿過閃爍體、光導(dǎo)，一部分到達(dá)光電倍增過程中發(fā)光，光子穿過閃爍體、光導(dǎo)，一部分到達(dá)光電倍增管的光陰極，在光陰極上打出光電子，被光電倍增管的第一管的光陰極，在光陰極上打出光電子，被光電倍增管的第一倍增極收集的光電子經(jīng)過光電倍增管各倍增極的倍增倍增極收集的光電子經(jīng)過光電倍增管各倍增極的倍增(或稱放或稱放大大)，便產(chǎn)

18、生一個(gè)電脈沖信號(hào)。，便產(chǎn)生一個(gè)電脈沖信號(hào)。閃爍探測器的工作過程，分為以下幾個(gè)階段：閃爍探測器的工作過程，分為以下幾個(gè)階段：粒子進(jìn)入閃爍體內(nèi)，使閃爍體的原子或分子激發(fā)和電離，粒子進(jìn)入閃爍體內(nèi)，使閃爍體的原子或分子激發(fā)和電離，粒子損失能量。粒子損失能量。受激的或者電離后又復(fù)合而處在激發(fā)態(tài)的原子和分子在退受激的或者電離后又復(fù)合而處在激發(fā)態(tài)的原子和分子在退激過程中，大部分發(fā)射光子，這是對(duì)探測有用的，另一部分激過程中，大部分發(fā)射光子，這是對(duì)探測有用的，另一部分不發(fā)射光子，而是將能量轉(zhuǎn)化為晶格振動(dòng)或熱運(yùn)動(dòng)的動(dòng)能，不發(fā)射光子，而是將能量轉(zhuǎn)化為晶格振動(dòng)或熱運(yùn)動(dòng)的動(dòng)能，這部分能量對(duì)探測沒有用。這部分能量對(duì)探測沒

19、有用。光陰極將光子轉(zhuǎn)換為光電子。光陰極將光子轉(zhuǎn)換為光電子。光電子經(jīng)各倍增，最后被陽極收集形成電脈沖。光電子經(jīng)各倍增，最后被陽極收集形成電脈沖。 二、閃爍體的發(fā)光特性1.發(fā)光光譜不同閃爍體發(fā)射的熒光波長不同，了解不同閃爍體的發(fā)光光譜是為了與光電倍增管的光陰極的光譜相應(yīng)更好的匹配，得到更多的熒光光子。2.發(fā)光效率是只閃爍體吸收的射線的能量轉(zhuǎn)化為光能的百分?jǐn)?shù)。效率越高越有利于低能和低水平輻射的測量。3.發(fā)光時(shí)間閃爍體吸收射線能量后，退激時(shí)發(fā)射光子數(shù)的總體平均值隨時(shí)間按指數(shù)規(guī)律增加二、閃爍體的發(fā)光特性3.發(fā)光時(shí)間閃爍體吸收射線能量后，退激時(shí)發(fā)光是一隨機(jī)過程，發(fā)射光子數(shù)的總體平均值N（t）隨時(shí)間按指數(shù)規(guī)

20、律增加N（t） N0（1-e-t/）N0為能夠發(fā)射的光子總數(shù)，為發(fā)光衰減時(shí)間。當(dāng)t 時(shí)， N（） N0（1-e-t/）0.63 N0的物理意義時(shí)受激后閃爍體原子分子發(fā)射全部光子數(shù)的63所需的時(shí)間。三、常用閃爍體簡介1.NaI(Tl)閃爍體透明單晶透明單晶NaI(Tl)的密度為的密度為3.67g/cm3，有效原子序數(shù)為，有效原子序數(shù)為50。NaI中的激活劑是中的激活劑是(0.10.5)的的鉈Tl。發(fā)光效率可達(dá)。發(fā)光效率可達(dá)12%。 因?yàn)橐驗(yàn)镹aI(T1)閃爍體含有高原子序數(shù)的元素碘閃爍體含有高原子序數(shù)的元素碘(Z=53)，射線與射線與其相互作用的三種效應(yīng)的截面較大。且可以制成大塊。所以它其相互作

21、用的三種效應(yīng)的截面較大。且可以制成大塊。所以它對(duì)對(duì)射線的探測效率較高，是探測射線的探測效率較高，是探測射線的較好閃爍體。射線的較好閃爍體。NaI(T1)閃爍體的主要優(yōu)點(diǎn)是密度大，原子序數(shù)高，因而對(duì)閃爍體的主要優(yōu)點(diǎn)是密度大，原子序數(shù)高，因而對(duì)射射線探測效率高。另外它的發(fā)光效率高，因而能量分辨率也較好。線探測效率高。另外它的發(fā)光效率高，因而能量分辨率也較好。 NaI(T1)的缺點(diǎn)是容易潮解，因此使用時(shí)須密封。的缺點(diǎn)是容易潮解，因此使用時(shí)須密封。 三、常用閃爍體簡介三、常用閃爍體簡介2. ZnS(Ag)晶體晶體硫化鋅閃爍體是一種多晶粉末，顆粒度約為幾微米幾十微米，硫化鋅閃爍體是一種多晶粉末，顆粒度約

22、為幾微米幾十微米，密度為密度為4.1g/cm3。它對(duì)。它對(duì)粒子的發(fā)光效率高，相對(duì)于蒽晶體的發(fā)粒子的發(fā)光效率高，相對(duì)于蒽晶體的發(fā)光效率為光效率為300，而對(duì)，而對(duì)射線和電子不靈敏，很適于在強(qiáng)射線和電子不靈敏，很適于在強(qiáng)、本本底下探測重帶電粒子如底下探測重帶電粒子如、核裂片等，探測效率可達(dá)、核裂片等，探測效率可達(dá)100；它；它的發(fā)光光譜在的發(fā)光光譜在(400600)nm，主峰位在，主峰位在450nm處。發(fā)光衰減時(shí)處。發(fā)光衰減時(shí)間較長，平均約為間較長，平均約為200ns。 顆粒度為顆粒度為10m左右的左右的ZnS(Ag)粉噴涂在厚度為粉噴涂在厚度為12mm的有機(jī)的有機(jī)玻璃托板上，噴涂層厚度為玻璃托板上，噴涂層厚度為(810)mgcm2，在強(qiáng)，在強(qiáng)場中測量場中測量粒子。粒子。表面污染監(jiān)測儀器的探頭大都是采用表面污染監(jiān)測儀器的探頭大都是采用ZnS（Ag）屏，屏，特別是對(duì)于大