核輻射探測器課件

1、核輻射探測器核輻射探測器目的了解核輻射探測器的分類掌握核輻射探測器的原理了解與核輻射探測相關(guān)的電子儀器目的內(nèi)容引言氣體探測器半導(dǎo)體探測器閃爍探測器（計(jì)數(shù)器）熱釋光探測器內(nèi)容引言核輻射探測的對象核輻射探測的實(shí)質(zhì)核輻射探測器的分類核輻射探測器的性能指標(biāo)引言核輻射探測的對象核輻射探測的對象核輻射的質(zhì)射線的能量（特征量）（放射性）核素的種類核輻射的量射線的強(qiáng)度（累加量）（放射性）核素的活度核輻射探測的對象核輻射探測的實(shí)質(zhì)能量轉(zhuǎn)換過程即：將輻射能轉(zhuǎn)變成可以記錄的電信號(hào)的過程核輻射探測的實(shí)質(zhì)核輻射探測器的分類按作用原理（工作方式） 帶電粒子(、)探測器電離和激發(fā) 非帶電粒子()探測器通過三種效應(yīng)產(chǎn)生次級(jí)帶

2、電粒子進(jìn)行間接探測按記錄方式 收集電離電荷氣體和半導(dǎo)體探測器 收集退激熒光閃爍和熱釋光探測器核輻射探測器的分類按作用原理（工作方式）核輻射探測器的性能指標(biāo)本征效率或靈敏度(intrinsic efficiency or sensitivity)死時(shí)間或分辨時(shí)間(dead time or resolving time)能量區(qū)分能力或能量分辨率(energy discrimination capability or energy resolution)其它方面核輻射探測器的性能指標(biāo)本征效率或靈敏度(intrinsic 本征效率或靈敏度The measure of its ability to de

3、tect radiationThe higher, the betterPrimary affecting factors: the linear attenuation coefficient and the thickness of the sensitive volume本征效率或靈敏度The measure of its abi死時(shí)間或分辨時(shí)間A measure of the ability of a detector to function accurately at high count ratesThe interval between the time when a ray i

4、nteracts with a detector and the time when the detector responds and the event is recordedThe shorter, the betterLevel: s 死時(shí)間或分辨時(shí)間A measure of the abili能量區(qū)分能力或能量分辨率The ability of a detector to distinguish between two radiations of different energiesFull width at half maximum (FWHM)A lower value of F

5、WHM indicates a better energy discrimination capabilityAnother way to look at FWHM is to consider it as a measure of error in the energy determination of an x- or ray by a detector能量區(qū)分能力或能量分辨率The ability of a d其它方面（性能指標(biāo)）The ability of a detector not to be appreciably affected by the fluctuations in

6、line voltage and environment temperaturePortableSimple to operateInexpensive 其它方面（性能指標(biāo)）The ability of a det氣體探測器(gas-filled detectors)結(jié)構(gòu)原理氣體探測器(gas-filled detectors)結(jié)構(gòu)（氣體探測器）結(jié)構(gòu)（氣體探測器）原理（氣體探測器）圓柱形容器內(nèi)部空間的電場分布電壓-電流曲線原理（氣體探測器）圓柱形容器內(nèi)部空間的電場分布（氣體探測器）圓柱形容器內(nèi)部空間的電場分布（氣體探測器）電壓-電流曲線（氣體探測器）電壓-電流曲線（氣體探測器）氣體探測器的原理

7、氣體受放射源照射產(chǎn)生電離，外加電壓收集電離電荷電離室：工作在飽和區(qū)上G-M管：工作在G-M區(qū)上氣體探測器的原理醫(yī)用活度計(jì)(dose calibrator)醫(yī)用活度計(jì)(dose calibrator)蓋革-彌勒監(jiān)測儀(G-M survey meter)蓋革-彌勒監(jiān)測儀(G-M survey meter)半導(dǎo)體探測器(semiconductor)結(jié)構(gòu)本質(zhì)和特點(diǎn)半導(dǎo)體探測器(semiconductor)結(jié)構(gòu)（半導(dǎo)體探測器）結(jié)構(gòu)（半導(dǎo)體探測器）本質(zhì)和特點(diǎn)（半導(dǎo)體探測器）本質(zhì)：固體電離室突出的特（優(yōu)）點(diǎn)：高的能量分辨率 與氣體探測器相比：平均電離能W小一個(gè)數(shù)量級(jí) 與閃爍探測器相比：線性好（輸出脈沖與吸收

8、的能量嚴(yán)格成正比）本質(zhì)和特點(diǎn)（半導(dǎo)體探測器）本質(zhì)：固體電離室閃爍探測器（計(jì)數(shù)器）(scintillation)組成和工作原理閃爍體的發(fā)光特性常用閃爍體簡介光電倍增管電子儀器閃爍探測器（計(jì)數(shù)器）(scintillation)組成和工作原理（閃爍計(jì)數(shù)器）組成和工作原理（閃爍計(jì)數(shù)器）組成和工作原理（閃爍計(jì)數(shù)器）閃爍體：吸收輻射能，產(chǎn)生閃爍光光電倍增管：光電轉(zhuǎn)換，電子倍增電子儀器：對電信號(hào)放大、分析和記錄組成和工作原理（閃爍計(jì)數(shù)器）兩個(gè)問題能否去掉閃爍體，讓射線直接射向光電倍增管的光陰極？為什么？不密封如何？兩個(gè)問題閃爍體的發(fā)光特性（閃爍計(jì)數(shù)器）閃爍體(scintillator)-在射線作用下能發(fā)射熒

9、光的物質(zhì);無機(jī)NaI(Tl),有機(jī)液體閃爍體發(fā)光光譜-在射線作用下閃爍體發(fā)射的熒光強(qiáng)度隨波長的分布發(fā)光效率-閃爍體吸收的射線能量轉(zhuǎn)化為光能的百分?jǐn)?shù); Photon yield (per keV): NaI(Tl)40發(fā)光衰減時(shí)間-受激后的閃爍體原子、分子發(fā)射全部光子數(shù)的63%所需要的時(shí)間; NaI(Tl)250ns閃爍體的發(fā)光特性（閃爍計(jì)數(shù)器）閃爍體(scintillato常用閃爍體簡介（閃爍計(jì)數(shù)器）NaI(Tl)液體閃爍體（閃爍溶液）常用閃爍體簡介（閃爍計(jì)數(shù)器）NaI(Tl)吸收輻射能的主要元素是IHPGe半導(dǎo)體探測器效率較低（尺寸相同條件下）Tl：激活劑，發(fā)光中心 作用1：引出閃爍光避免自

10、吸收 作用2：閃爍光波長轉(zhuǎn)換(0)避免自吸收；匹配PM管的光譜響應(yīng)NaI(Tl)吸收輻射能的主要元素是IHPGe半導(dǎo)體探測器討論和提問（13分鐘）討論和提問（13分鐘）液體閃爍體（閃爍溶液）溶劑：常用甲苯溶解樣品和吸收輻射能溶質(zhì)：常用PPO+POPOP產(chǎn)生閃爍光（波長轉(zhuǎn)換）注：液體閃爍測量對低能和低水平(如H-3，C-14)特別有利液體閃爍體（閃爍溶液）溶劑：常用甲苯溶解樣品和吸收輻射能核輻射探測器光電倍增管(photomultiplier, PM)示意圖概況主要特性光電倍增管(photomultiplier, PM)示意圖(PM)示意圖(PM)概況(PM)一種光電轉(zhuǎn)換器件將閃爍體發(fā)射的微弱光

11、信號(hào)轉(zhuǎn)變成放大的電信號(hào)光電轉(zhuǎn)換光陰極(photocathode)電子倍增各級(jí)打拿極(dynode)概況(PM)一種光電轉(zhuǎn)換器件將閃爍體發(fā)射的微弱光信號(hào)轉(zhuǎn)變成主要特性(PM)光陰極的光譜響應(yīng) 光陰極受光照后發(fā)射光電子的概率與入射光波長的關(guān)系暗電流 PM管在一定工作電壓下，無光照時(shí)所產(chǎn)生的陽極電流 主要來源：光陰極和前幾級(jí)打拿極的熱電子發(fā)射 注：因有暗電流而在陽極輸出端產(chǎn)生的脈沖稱為本底脈沖主要特性(PM)光陰極的光譜響應(yīng)核輻射探測器電子儀器（閃爍計(jì)數(shù)器）前置放大器(preamplifier)線性放大器(linear amplifier)脈沖幅度分析器(pulse-height analyzer,

12、 PHA)或單道分析器(single-channel analyzer, SCA)多道分析器(multichannel analyzer)定標(biāo)器(scaler)和計(jì)時(shí)器(timer)計(jì)數(shù)率儀(rate meter)電子儀器（閃爍計(jì)數(shù)器）前置放大器(preamplifier)前置放大器預(yù)放大 便于PM管的輸出信號(hào)傳送比較遠(yuǎn)而不會(huì)嚴(yán)重衰減匹配（阻抗） 便于來自PM管的信號(hào)在輸入線性放大器時(shí)不發(fā)生畸變(distortion)和衰減(attenuation)前置放大器預(yù)放大線性放大器對輸入脈沖進(jìn)行放大 輸出脈沖與輸入脈沖的幅度之比稱為放大器的增益(gain)以正比方式進(jìn)行放大 放大過程中保持射線的能量

13、信息線性放大器對輸入脈沖進(jìn)行放大脈沖幅度分析器或單道分析器脈沖電壓（或幅度，刻度后對應(yīng)射線能量）范圍選擇器控制旋鈕：下閾(lower level)和窗寬(window) 或：峰位電壓(peak voltage)和百分窗寬(percent window)射線能量E和%E脈沖幅度分析器或單道分析器脈沖電壓（或幅度，刻度后對應(yīng)射線能核輻射探測器多道分析器可以將脈沖同時(shí)分離成多個(gè)范圍（1000或更多）可以一次完成脈沖幅度分布全譜的測量多道分析器定標(biāo)器和計(jì)時(shí)器記錄射線脈沖數(shù)目定標(biāo)器記錄測量時(shí)間計(jì)時(shí)器記錄終止信號(hào)的預(yù)置：時(shí)間或計(jì)數(shù)定標(biāo)器和計(jì)時(shí)器記錄射線脈沖數(shù)目定標(biāo)器計(jì)數(shù)率儀直接給出計(jì)數(shù)率計(jì)數(shù)率儀注1：計(jì)數(shù)

14、率直接反映放射性的強(qiáng)弱注2：由于計(jì)算機(jī)的廣泛應(yīng)用，計(jì)數(shù)率儀現(xiàn)在已幾乎不用了計(jì)數(shù)率儀直接給出計(jì)數(shù)率計(jì)數(shù)率儀計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)器非帶電粒子()探測器通過三種效應(yīng)產(chǎn)生次級(jí)帶電粒子進(jìn)行間接探測便于PM管的輸出信號(hào)傳送比較遠(yuǎn)而不會(huì)嚴(yán)重衰減組成和工作原理（閃爍計(jì)數(shù)器）Phosphorescence Delayed注2：由于計(jì)算機(jī)的廣泛應(yīng)用，計(jì)數(shù)率儀現(xiàn)在已幾乎不用了熱釋光發(fā)光曲線(TLD)溶質(zhì)：常用PPO+POPOP產(chǎn)生閃爍光（波長轉(zhuǎn)換）本質(zhì)和特點(diǎn)（半導(dǎo)體探測器）便于PM管的輸出信號(hào)傳送比較遠(yuǎn)而不會(huì)嚴(yán)重衰減收集退激熒光閃爍和熱釋光探測器多道分析器(multichannel analyzer)注：因有暗電流而在陽極輸

15、出端產(chǎn)生的脈沖稱為本底脈沖Means of excitation Luminescence effect可以一次完成脈沖幅度分布全譜的測量閃爍體(scintillator)-在射線作用下能發(fā)射熒光的物質(zhì);無機(jī)NaI(Tl),有機(jī)液體閃爍體熱釋光和熱釋光發(fā)光曲線的含義溶質(zhì)：常用PPO+POPOP產(chǎn)生閃爍光（波長轉(zhuǎn)換）常用閃爍體簡介（閃爍計(jì)數(shù)器）甲狀腺功能測定儀非帶電粒子()探測器通過三種效應(yīng)產(chǎn)生次級(jí)帶電粒子進(jìn)行間接熱釋光探測器 用于個(gè)人劑量監(jiān)測（輻射防護(hù)）熱釋光(thermoluminescence, TL)熱釋光發(fā)光曲線(glow curve)熱釋光測量系統(tǒng)熱釋光探測器 用于個(gè)人劑量監(jiān)測（輻射

16、防護(hù)）熱釋光(TLD)釋光(luminescence)：物質(zhì)并非因?yàn)檫_(dá)到白熾（灼熱）狀態(tài)而釋放光輻射的過程（現(xiàn)象）能長時(shí)間貯存電離輻射能，受熱升溫時(shí)釋放光輻射的現(xiàn)象（過程）熱釋光(TLD)熱釋光(TLD) Means of excitation Luminescence effect Optical photons Photoluminescence (ultraviolet, visible, infrared) Biochemical energy Bioluminescence Ionizing radiation Radioluminescence熱釋光(TLD) 熱釋光(TLD)Lu

17、minescence effect Time scale of emission Fluorescence PromptPhosphorescence DelayedThermoluminescence thermally accelerated熱釋光(TLD)熱釋光發(fā)光曲線(TLD)熱釋光強(qiáng)度隨加熱溫度（時(shí)間）的分布曲線加熱放出的光子數(shù)與熱釋光劑量元件受輻照時(shí)所吸收的能量（照射量）成正比熱釋光發(fā)光曲線(TLD)熱釋光強(qiáng)度隨加熱溫度（時(shí)間）的分布曲熱釋光發(fā)光曲線(TLD)熱釋光發(fā)光曲線(TLD)熱釋光測量系統(tǒng)(TLD)熱釋光劑量計(jì)（元件，探測器）(thermoluminescence dosimeter, TLD)：貯存電離輻射能讀出器(reader-out，也稱熱釋光測量儀)：讀出電離輻射能熱釋光測量系統(tǒng)(TLD)熱釋光劑量計(jì)（元件，探測器）(the讀出器(TLD)讀出器(TLD)小結(jié)電離室與G-M計(jì)數(shù)管的基本工作原理：氣體受放射源照射產(chǎn)生電離，外加電壓收集電離電荷半導(dǎo)體探測器本質(zhì)上屬于固體電離室，它具有很高的能量分辨率閃爍計(jì)數(shù)器由閃爍體（吸收輻射能，產(chǎn)生閃爍光），光電倍增管（光電轉(zhuǎn)換，電子倍增）以及電子儀器（對電信號(hào)放大、分析和記錄）組成液體閃爍體由溶劑（溶解樣品，吸收輻射能）和溶質(zhì)（產(chǎn)生閃爍光）組成熱釋光測量系統(tǒng)由熱釋光劑量計(jì)（貯存電離輻射