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核輻射物理及探測(cè)學(xué)
期末考前總結(jié)復(fù)習(xí)核輻射物理及探測(cè)學(xué)
期末考前總結(jié)復(fù)習(xí)1第六章
射線與物質(zhì)的相互作用射線與物質(zhì)相互作用的分類:帶電粒子輻射非帶電粒子輻射快電子-重帶電粒子-中子電磁輻射-射線射線第六章
射線與物質(zhì)的相互作用射線與物質(zhì)相互作用的分類:帶2重帶電粒子與物質(zhì)的相互作用1、特點(diǎn)重帶電粒子均為帶正電荷的離子;重帶電粒子主要通過(guò)電離損失而損失能量;
重帶電粒子在介質(zhì)中的運(yùn)動(dòng)徑跡近似為直線。
2、重帶電粒子在物質(zhì)中的能量損失規(guī)律1)能量損失率(SpecificEnergyLoss)對(duì)重帶電粒子,輻射能量損失率相比小的多,因此重帶電粒子的能量損失率就約等于其電離能量損失率。重帶電粒子與物質(zhì)的相互作用1、特點(diǎn)重帶電粒子均為帶正電荷的離32)Bethe公式的討論(2)、與帶電粒子的電荷z的關(guān)系;(1)、與帶電粒子的質(zhì)量M無(wú)關(guān),而僅與其速度v和電荷數(shù)z有關(guān)。(3)、與帶電粒子的速度v的關(guān)系:非相對(duì)論情況下,B隨v變化緩慢,近似與v無(wú)關(guān),則:(4)、,吸收材料密度大,原子序數(shù)高的,其阻止本領(lǐng)大。2)Bethe公式的討論(2)、與帶電4快電子與物質(zhì)的相互作用特點(diǎn):快電子的速度大;快電子除電離損失外,輻射損失不可忽略;快電子散射嚴(yán)重。
1、快電子的能量損失率必須考慮相對(duì)論效應(yīng)時(shí)的電離能量損失和輻射能量損失??祀娮优c物質(zhì)的相互作用特點(diǎn):快電子的速度大;快電子除電離損失5討論:(1):輻射損失率與帶電粒子靜止質(zhì)量m的平方成反比。所以僅對(duì)電子才重點(diǎn)考慮。當(dāng)要吸收、屏蔽β射線時(shí),不宜選用重材料。當(dāng)要獲得強(qiáng)的X射線時(shí),則應(yīng)選用重材料作靶。(2):輻射損失率與帶電粒子的能量E成正比。即輻射損失率隨粒子動(dòng)能的增加而增加。(3):輻射損失率與吸收物質(zhì)的NZ2成正比。所以當(dāng)吸收材料原子序數(shù)大、密度大時(shí),輻射損失大。討論:(1):輻射損失率與帶電粒子靜止質(zhì)量m6電子的散射與反散射電子與靶物質(zhì)原子核庫(kù)侖場(chǎng)作用時(shí),只改變運(yùn)動(dòng)方向,而不輻射能量的過(guò)程稱為彈性散射。由于電子質(zhì)量小,因而散射的角度可以很大,而且會(huì)發(fā)生多次散射。電子沿其入射方向發(fā)生大角度偏轉(zhuǎn),稱為反散射。對(duì)同種材料,電子能量越低,反散射越嚴(yán)重;對(duì)同樣能量的電子,原子序數(shù)越高的材料,反散射越嚴(yán)重。反散射的利用與避免A)對(duì)放射源而言,利用反散射可以提高β源的產(chǎn)額。B)對(duì)探測(cè)器而言,要避免反散射造成的測(cè)量偏差。電子的散射與反散射電子與靶物質(zhì)原子核庫(kù)侖場(chǎng)作用時(shí),只改變運(yùn)動(dòng)73、正電子的湮沒(méi)正電子與物質(zhì)發(fā)生相互作用的能量損失機(jī)制和電子相同。高速正電子被慢化,在正電子徑跡的末端與介質(zhì)中的電子發(fā)生湮沒(méi),放出兩個(gè)光子。正電子的特點(diǎn)是:兩個(gè)湮沒(méi)光子的能量相同,各等于511keV兩個(gè)湮沒(méi)光子的方向相反,且發(fā)射是各向同性的。3、正電子的湮沒(méi)正電子與物質(zhì)發(fā)生相互作用的能量損失機(jī)制和電子8射線與物質(zhì)的相互作用特點(diǎn):光子通過(guò)次級(jí)效應(yīng)與物質(zhì)的原子或核外電子作用,光子與物質(zhì)發(fā)生作用后,光子或者消失或者受到散射而損失能量,同時(shí)產(chǎn)生次電子;次級(jí)效應(yīng)主要的方式有三種,即光電效應(yīng)、康普頓效應(yīng)和電子對(duì)效應(yīng)。
射線與物質(zhì)發(fā)生不同的相互作用都具有一定的概率,用截面來(lái)表示作用概率的大小??偨孛娴扔诟髯饔媒孛嬷?,即:射線與物質(zhì)的相互作用特點(diǎn):光子通過(guò)次級(jí)效應(yīng)與物質(zhì)的原子9作用截面與吸收物質(zhì)原子序數(shù)的關(guān)系總體來(lái)說(shuō),吸收物質(zhì)原子序數(shù)越大,各相互作用截面越大,其中光電效應(yīng)隨吸收物質(zhì)原子序數(shù)變化最大,康普頓散射變化最小。光電效應(yīng)康普頓散射電子對(duì)效應(yīng)作用截面與吸收物質(zhì)原子序數(shù)的關(guān)系總體來(lái)說(shuō),吸收物質(zhì)原子序數(shù)越10作用截面與入射光子能量的關(guān)系光電效應(yīng)截面隨入射光子能量增加而減小,開(kāi)始時(shí)變化劇烈,后基本成反比。電子對(duì)效應(yīng)截面隨入射光子能量增加而增加,只有光子能量大于1.022MeV才能發(fā)生。康普頓散射截面開(kāi)始基本為常數(shù),隨入射光子能量增加而減小,減小比光電效應(yīng)緩慢。作用截面與入射光子能量的關(guān)系光電效應(yīng)截面隨入射光子能量增加而11次電子能量光電效應(yīng):
光電子康普頓散射:反沖電子電子對(duì)效應(yīng):正負(fù)電子對(duì)次電子能量光電效應(yīng):光電子康普頓散射:反沖電子電子對(duì)效應(yīng)12第七章
輻射探測(cè)中的
概率統(tǒng)計(jì)問(wèn)題第七章
輻射探測(cè)中的
概率統(tǒng)計(jì)問(wèn)題13(1).探測(cè)計(jì)數(shù)的統(tǒng)計(jì)誤差粒子計(jì)數(shù)——探測(cè)器輸出脈沖數(shù)服從統(tǒng)計(jì)分布規(guī)律,當(dāng)計(jì)數(shù)的數(shù)學(xué)期望值m較小時(shí),服從泊松分布。m較大時(shí),服從高斯分布。而且,m較大時(shí),m與有限次測(cè)量的平均值
和任一次測(cè)量值N相差不大。
N為單次測(cè)量值(1).探測(cè)計(jì)數(shù)的統(tǒng)計(jì)誤差粒子計(jì)數(shù)——探測(cè)器輸出脈沖數(shù)服從14標(biāo)準(zhǔn)偏差
隨計(jì)數(shù)N增大而增大,因此用相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差來(lái)表示測(cè)量值的離散程度:計(jì)數(shù)測(cè)量結(jié)果的表示:表示一個(gè)置信區(qū)間,該區(qū)間包含真平均值的概率為68.3%(置信度)。標(biāo)準(zhǔn)偏差隨計(jì)數(shù)N增大而增大,因此用相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差來(lái)表示測(cè)量15一些常見(jiàn)情況:(1)計(jì)數(shù)統(tǒng)計(jì)誤差的傳遞一些常見(jiàn)情況:(1)計(jì)數(shù)統(tǒng)計(jì)誤差的傳遞16例如:存在本底時(shí)凈計(jì)數(shù)誤差的計(jì)算:輻射測(cè)量中,本底總是存在的。本底包括宇宙射線、環(huán)境中的天然放射性及儀器噪聲等。這時(shí),為求得凈計(jì)數(shù)需要進(jìn)行兩次測(cè)量:第一次,沒(méi)有樣品,在時(shí)間t內(nèi)測(cè)得本底的計(jì)數(shù)為Nb;第二次,放上樣品,在相同時(shí)間內(nèi)測(cè)得樣品和本底的總計(jì)數(shù)為Ns。樣品的凈計(jì)數(shù)為:其標(biāo)準(zhǔn)偏差為:例如:存在本底時(shí)凈計(jì)數(shù)誤差的計(jì)算:輻射測(cè)量中,本底總是存在的17(2)或(2)或18例如:計(jì)數(shù)率的誤差:設(shè)在t時(shí)間內(nèi)記錄了N個(gè)計(jì)數(shù),則計(jì)數(shù)率為n=N/t,計(jì)數(shù)率的標(biāo)準(zhǔn)偏差為:其相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差為:例如:計(jì)數(shù)率的誤差:設(shè)在t時(shí)間內(nèi)記錄了N個(gè)計(jì)數(shù),則計(jì)數(shù)率19(3)或(3)或20(4)平均計(jì)數(shù)的統(tǒng)計(jì)誤差對(duì)某樣品重復(fù)測(cè)量k次,每次測(cè)量時(shí)間t相同(等精度測(cè)量),得到k個(gè)計(jì)數(shù)則在時(shí)間t內(nèi)的平均計(jì)數(shù)值為:由誤差傳遞公式,平均計(jì)數(shù)值的方差為:(4)平均計(jì)數(shù)的統(tǒng)計(jì)誤差對(duì)某樣品重復(fù)測(cè)量k次,每次測(cè)量時(shí)間21多次重復(fù)測(cè)量結(jié)果表達(dá):平均計(jì)數(shù)的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差:多次重復(fù)測(cè)量結(jié)果表達(dá):平均計(jì)數(shù)的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差:22(5)存在本底時(shí)凈計(jì)數(shù)率誤差的計(jì)算:第一次,在時(shí)間tb內(nèi)測(cè)得本底的計(jì)數(shù)為Nb;第二次,在時(shí)間ts內(nèi)測(cè)得樣品和本底的總計(jì)數(shù)為Ns。樣品的凈計(jì)數(shù)率為:標(biāo)準(zhǔn)偏差為:相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差為:(5)存在本底時(shí)凈計(jì)數(shù)率誤差的計(jì)算:第一次,在時(shí)間tb內(nèi)測(cè)23(6)不等精度獨(dú)立測(cè)量值的平均如果對(duì)同一量進(jìn)行了k次獨(dú)立測(cè)量,各次測(cè)量的時(shí)間為ti,計(jì)數(shù)為Ni。這是不等精度測(cè)量。這時(shí),簡(jiǎn)單的求平均不再是求單次“最佳值”的適宜方法。需要進(jìn)行加權(quán)平均,使測(cè)量精度高的數(shù)據(jù)在求平均值時(shí)的貢獻(xiàn)大,精度低的貢獻(xiàn)小。(6)不等精度獨(dú)立測(cè)量值的平均如果對(duì)同一量進(jìn)24結(jié)果表示為:如果k次測(cè)量的時(shí)間均相等,則測(cè)量為等精度測(cè)量:從統(tǒng)計(jì)誤差而言,無(wú)論是一次測(cè)量還是多次測(cè)量,只要總的計(jì)數(shù)相同,多次測(cè)量的平均計(jì)數(shù)率相對(duì)誤差和一次測(cè)量的計(jì)數(shù)率的相對(duì)誤差是一致的。結(jié)果表示為:如果k次測(cè)量的時(shí)間均相等,則測(cè)量為等精度測(cè)量:25(7)測(cè)量時(shí)間的選擇(B)有本底存在時(shí),需要合理分配樣品測(cè)量時(shí)間ts和本底測(cè)量時(shí)間tb。(A)不考慮本底的影響;根據(jù):在相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差給定的情況下,所需最小測(cè)量時(shí)間為:(7)測(cè)量時(shí)間的選擇(B)有本底存在時(shí),需要合理分配樣品26輻射探測(cè)器學(xué)習(xí)要點(diǎn):探測(cè)器的工作機(jī)制;探測(cè)器的輸出回路與輸出信號(hào);探測(cè)器的主要性能指標(biāo);探測(cè)器的典型應(yīng)用。輻射探測(cè)器學(xué)習(xí)要點(diǎn):探測(cè)器的工作機(jī)制;27第八章
氣體探測(cè)器Gas-filledDetector第八章
氣體探測(cè)器Gas-filledDetector28Pulseamplitude(logscale)Pulseamplitude(logscale)29電離室工作機(jī)制:入射帶電粒子(或非帶電粒子的次級(jí)效應(yīng)產(chǎn)生的帶電粒子)使氣體電離產(chǎn)成電子-離子對(duì),電子-離子對(duì)在外加電場(chǎng)中漂移,感應(yīng)電荷在回路中流過(guò),從而在輸出回路產(chǎn)生信號(hào)。輸出信號(hào):電荷、電流、電壓。是理想的電荷源。是近似理想的電流源(條件:V(t)<<V0)電壓信號(hào)可通過(guò)對(duì)輸出回路分析得出。電離室30電離室的兩種工作狀態(tài)脈沖工作狀態(tài)離子脈沖(慢、幅度與能量成正比h=Ne/C0)電子脈沖(快、幅度與能量一般不成正比h=Q-/C0)圓柱形電子脈沖電離室與屏柵電離室累計(jì)工作狀態(tài)輸出電流信號(hào)輸出電壓信號(hào)及漲落電離室的兩種工作狀態(tài)脈沖工作狀態(tài)31脈沖電離室的主要性能能量分辨率飽和特性——脈沖幅度與工作電壓的關(guān)系坪特性
——計(jì)數(shù)率與工作電壓的關(guān)系探測(cè)效率:記下脈沖數(shù)/入射到靈敏體積內(nèi)的粒子數(shù)時(shí)間特性:分辨時(shí)間:能分辨開(kāi)兩個(gè)相繼入射粒子的最小時(shí)間間隔時(shí)滯:粒子入射與輸出信號(hào)的時(shí)間差時(shí)間分辨本領(lǐng):確定入射粒子入射時(shí)刻的精度
脈沖電離室的主要性能能量分辨率32累計(jì)電離室的主要性能飽和特性——輸出電流信號(hào)與工作電壓的關(guān)系靈敏度線性范圍——一定工作電壓下,輸出信號(hào)幅度與入射粒子流強(qiáng)度的線性關(guān)系范圍。響應(yīng)時(shí)間——反映入射粒子流強(qiáng)度發(fā)生變化時(shí),輸出信號(hào)的變化快慢。能量響應(yīng)——靈敏度隨入射粒子能量而變化的關(guān)系累計(jì)電離室的主要性能飽和特性——輸出電流信號(hào)與工作電壓的關(guān)系33具有氣體放大功能的氣體探測(cè)器非自持放電:正比計(jì)數(shù)器
輸出信號(hào)幅度與沉積能量成正比。自持放電:GM管非自熄自熄有機(jī)鹵素輸出信號(hào)幅度與入射粒子的種類和能量無(wú)關(guān)。具有氣體放大功能的氣體探測(cè)器非自持放電:正比計(jì)數(shù)器341)輸出脈沖幅度與能量分辨率輸出脈沖幅度的漲落是一個(gè)二級(jí)串級(jí)型隨機(jī)變量:輸出脈沖幅度:正比計(jì)數(shù)器的性能實(shí)驗(yàn)表明,所以,能量分辨率
1)輸出脈沖幅度與能量分辨率輸出脈沖幅度的漲落是一個(gè)二級(jí)串35自熄G-M計(jì)數(shù)管輸出脈沖與正比計(jì)數(shù)器一樣,輸出脈沖由兩部分組成:起初相應(yīng)于電子收集的快上升部分和以后相應(yīng)于正離子漂移的緩慢上升部分。與正比計(jì)數(shù)器比較,最基本的區(qū)別在于GM計(jì)數(shù)管的輸出脈沖幅度與入射粒子的類型和能量無(wú)關(guān)。只要有電子進(jìn)入計(jì)數(shù)管的靈敏體積,就會(huì)導(dǎo)致計(jì)數(shù),入射粒子僅僅起到一個(gè)觸發(fā)的作用。GM計(jì)數(shù)管僅能用于計(jì)數(shù)。自熄G-M計(jì)數(shù)管輸出脈沖與正比計(jì)數(shù)器一樣,輸出脈沖由36正比計(jì)數(shù)器漏計(jì)數(shù)校正真信號(hào)計(jì)數(shù)率m,分辨時(shí)間一信號(hào)與前一信號(hào)時(shí)間間隔小于的概率為:?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)由于分辨時(shí)間影響而丟失的計(jì)數(shù)為:實(shí)際計(jì)數(shù)率:校正公式:條件:正比計(jì)數(shù)器漏計(jì)數(shù)校正真信號(hào)計(jì)數(shù)率m,分辨時(shí)間37GM管漏計(jì)數(shù)校正真信號(hào)計(jì)數(shù)率m,死時(shí)間
,實(shí)際計(jì)數(shù)率n單位時(shí)間內(nèi)探測(cè)器死時(shí)間為:?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)由于死時(shí)間影響而丟失的計(jì)數(shù)為:校正公式:
GM管漏計(jì)數(shù)校正真信號(hào)計(jì)數(shù)率m,死時(shí)間,實(shí)際計(jì)數(shù)率n38第九章
閃爍探測(cè)器第九章
閃爍探測(cè)器39閃爍探測(cè)器輻射射入閃爍體使閃爍體原子電離或激發(fā),受激原子退激而發(fā)出波長(zhǎng)在可見(jiàn)光的熒光。熒光光子被收集到光電倍增管(PMT)的光陰極,通過(guò)光電效應(yīng)打出光電子。電子倍增,并在陽(yáng)極或打拿極輸出回路輸出信號(hào)。第一打拿極收集到的光電子數(shù)是其信息載流子數(shù)目。閃爍探測(cè)器輻射射入閃爍體使閃爍體原子電離或激發(fā),受激原子退激40閃爍探測(cè)器輸出信號(hào)的物理過(guò)程、輸出回路及其等效電路IaIk閃爍探測(cè)器輸出信號(hào)的物理過(guò)程、輸出回路及其等效電路I41Ia輸出回路的等效電路Ia輸出回路的等效電路42閃爍探測(cè)器的輸出信號(hào):1、閃爍探測(cè)器輸出電荷量閃爍體發(fā)出的閃爍光子數(shù)第一打拿極收集到的光電子數(shù)陽(yáng)極收集到的電子數(shù)2、閃爍探測(cè)器輸出電流脈沖信號(hào)閃爍體發(fā)出的閃爍光子數(shù)的規(guī)律第一打拿極收集到的光電子數(shù)的規(guī)律單光電子所引起的電流脈沖信號(hào)閃爍探測(cè)器的輸出信號(hào):1、閃爍探測(cè)器輸出電荷量閃爍體發(fā)出的閃433、閃爍探測(cè)器輸出電壓脈沖信號(hào)實(shí)際應(yīng)用中,為得到較大幅度和較小寬度,取且要盡量減小電壓脈沖型工作狀態(tài)
電流脈沖型工作狀態(tài)
條件
脈沖前沿
脈沖幅度
脈沖后沿
慢:缺點(diǎn)快:優(yōu)點(diǎn)大:優(yōu)點(diǎn)小:缺點(diǎn)3、閃爍探測(cè)器輸出電壓脈沖信號(hào)實(shí)際應(yīng)用中,為得到較大幅度和較444、閃爍探測(cè)器輸出信號(hào)的漲落多級(jí)串級(jí)隨機(jī)變量的相對(duì)均方漲落閃爍光子數(shù)的漲落(泊松)第一打拿極收集到的光電子數(shù)的漲落(泊松串伯努利=泊松)光電倍增管的倍增系數(shù)M
的漲落(多個(gè)泊松的串級(jí))陽(yáng)極收集到的電子數(shù)的漲落閃爍譜儀能量分辨率的極限:4、閃爍探測(cè)器輸出信號(hào)的漲落多級(jí)串級(jí)隨機(jī)變量的相對(duì)均方漲落閃45NaI(Tl)單晶γ射線譜儀的性能1)響應(yīng)函數(shù)--閃爍譜儀對(duì)某單能γ射線的脈沖幅度譜。
2)能量分辨率用全能峰(光電峰)來(lái)確定閃爍譜儀的能量分辨率3)能量線性4)
射線探測(cè)效率高Z,ρ,大尺寸的閃爍體探測(cè)效率高。5)時(shí)間特性6)穩(wěn)定性——主要由PMT決定NaI(Tl)單晶γ射線譜儀的性能1)響應(yīng)函數(shù)--閃爍46第十章
半導(dǎo)體探測(cè)器第十章
半導(dǎo)體探測(cè)器47半導(dǎo)體探測(cè)器類似氣體探測(cè)器(信息載流子為:電子-空穴對(duì)),也稱為固體電離室。有三類均勻型PN結(jié)型擴(kuò)散結(jié)型、面壘型高純鍺(HPGe)P-I-N型鋰漂移(鍺鋰Ge(Li)、硅鋰Si(Li))半導(dǎo)體探測(cè)器類似氣體探測(cè)器(信息載流子為:電子-空穴對(duì)),也48半導(dǎo)體探測(cè)器的特點(diǎn):(1)能量分辨率最佳;(2)射線探測(cè)效率較高,可與閃爍探測(cè)器相比。高的電阻率和長(zhǎng)的載流子壽命是組成半導(dǎo)體探測(cè)器的關(guān)鍵。半導(dǎo)體探測(cè)器的特點(diǎn):(1)能量分辨率最佳;(2)射線探49P-N結(jié)半導(dǎo)體探測(cè)器1、P-N結(jié)半導(dǎo)體探測(cè)器的工作原理1)P-N結(jié)區(qū)(勢(shì)壘區(qū))的形成2)P-N結(jié)半導(dǎo)體探測(cè)器的特點(diǎn)
(1)結(jié)區(qū)的空間電荷分布,電場(chǎng)分布及電位分布(2)結(jié)區(qū)寬度與外加電壓的關(guān)系(3)結(jié)區(qū)寬度的限制因素受擊穿電壓和暗電流的限制(4)結(jié)電容隨工作電壓的變化使用電荷靈敏前置放大器P-N結(jié)半導(dǎo)體探測(cè)器1、P-N結(jié)半導(dǎo)體探測(cè)器的工作原理1)50半導(dǎo)體探測(cè)器的輸出信號(hào)1)輸出回路須考慮結(jié)電阻Rd和結(jié)電容Cd,結(jié)區(qū)外材料的電阻和電容RS,CS。測(cè)量?jī)x器半導(dǎo)體探測(cè)器的輸出信號(hào)1)輸出回路須考慮結(jié)電阻Rd和結(jié)電容512)輸出信號(hào)當(dāng)R0(Cd+Ca)>>tc(tc為載流子收集時(shí)間)時(shí),為電壓脈沖型工作狀態(tài):輻射在靈敏體積內(nèi)產(chǎn)生的電子-空穴對(duì)數(shù)由于h與Cd有關(guān),而結(jié)電容隨偏壓而變化,因此當(dāng)所加偏壓不穩(wěn)定時(shí),將會(huì)使h
發(fā)生附加的漲落;為解決該矛盾,PN結(jié)半導(dǎo)體探測(cè)器通常采用電荷靈敏前置放大器。則輸出脈沖幅度為:輸出回路的時(shí)間常數(shù)為:2)輸出信號(hào)當(dāng)R0(Cd+Ca)>>52主要性能1)能量分辨率(線寬表示)(1)輸出脈沖幅度的統(tǒng)計(jì)漲落
E1(2)噪聲引起的展寬E2電子學(xué)噪聲主要由第一級(jí)FET構(gòu)成,包括:零電容噪聲和噪聲斜率。(3)窗厚度的影響E3(4)電子與空穴陷落的影響
E4主要性能1)能量分辨率(線寬表示)(1)輸出脈沖幅度的統(tǒng)532)分辨時(shí)間與時(shí)間分辨本領(lǐng):3)能量線性很好,與入射粒子類型和能量基本無(wú)關(guān)4)輻照壽命輻照壽命是半導(dǎo)體探測(cè)器的一個(gè)致命的弱點(diǎn)。隨使用時(shí)間的增加,載流子壽命變短。耗盡層厚度為1~2mm。對(duì)強(qiáng)穿透能力的輻射而言,探測(cè)效率受很大的局限。P-N結(jié)半導(dǎo)體探測(cè)器存在的矛盾:2)分辨時(shí)間與時(shí)間分辨本領(lǐng):3)能量線性很好,與入射粒子54鋰漂移探測(cè)器1)空間電荷分布、電場(chǎng)分布及電位分布I區(qū)為完全補(bǔ)償區(qū),呈電中性為均勻電場(chǎng);I區(qū)為耗盡層,電阻率可達(dá)1010cm;I區(qū)厚度可達(dá)10~20mm,為靈敏體積。2)工作條件為了降低探測(cè)器和FET的噪聲,同時(shí)為降低探測(cè)器的表面漏電流,探測(cè)器和FET都置于真空低溫的容器內(nèi),工作于液氮溫度(77K)。對(duì)Ge(Li)探測(cè)器,須保持在低溫下;對(duì)Si(Li)探測(cè)器,可在常溫下保存。鋰漂移探測(cè)器1)空間電荷分布、電場(chǎng)分布及電位分布I區(qū)為完全55高純鍺探測(cè)器1)P區(qū)存在空間電荷,HPGe半導(dǎo)體探測(cè)器是PN結(jié)型探測(cè)器。2)P區(qū)為非均勻電場(chǎng)。3)P區(qū)為靈敏體積,其厚度與外加電壓有關(guān),一般工作于全耗盡狀態(tài)。4)HPGe半導(dǎo)體探測(cè)器可在常溫下保存,低溫下工作。5)注意其空間電荷分布、電場(chǎng)分布及電位分布高純鍺探測(cè)器1)P區(qū)存在空間電荷,HPGe半導(dǎo)體探測(cè)器是P56性能其中:Si(Li)和Ge(Li)平面型探測(cè)器用于低能(X)射線的探測(cè),其能量分辨率常以55Fe的衰變產(chǎn)物55Mn的KX能量5.95KeV為標(biāo)準(zhǔn),一般指標(biāo)約:1)能量分辨率:為載流子數(shù)的漲落。為漏電流和噪聲;
為載流子由于陷阱效應(yīng)帶來(lái)的漲落,通過(guò)適當(dāng)提高偏置電壓減小。HPGe,Ge(Li)同軸型探測(cè)器用于射線探測(cè),常以60Co能量為1.332MeV的射線為標(biāo)準(zhǔn),一般指標(biāo)約:性能其中:Si(Li)和Ge(Li)平面型探測(cè)器用于低能(572)探測(cè)效率一般以3英寸×3英寸的NaI(Tl)晶體為100%,用相對(duì)效率來(lái)表示。以85cm3的HPGe為例,探測(cè)效率為19%。3)峰康比P=全能峰峰值/康普頓平臺(tái)的峰值與FWHM以及體積有關(guān),可達(dá)600~8004)能量線性:非常好5)時(shí)間特性:電流脈沖寬度約10-9~10-8s.2)探測(cè)效率一般以3英寸×3英寸的NaI(Tl)晶體為1581)HPGe和Ge(Li)用于組成譜儀:鍺具有較高的密度和較高的原子序數(shù)(Z=32)
應(yīng)用2)Si(Li)探測(cè)器由于Si的Z=14,對(duì)一般能量的射線,其光電截面僅為鍺的1/50,因此,其主要應(yīng)用為:低能量的射線和X射線測(cè)量,在可得到較高的光電截面的同時(shí),Si的X射線逃逸將明顯低于鍺的X射線逃逸;
粒子或其他外部入射的電子的探測(cè),由于其原子序數(shù)較低,可減少反散射。1)HPGe和Ge(Li)用于組成譜儀:鍺具有較高的密59探測(cè)器的工作機(jī)制及輸出信號(hào)產(chǎn)生的物理過(guò)程探測(cè)器的工作機(jī)制及輸出信號(hào)產(chǎn)生的物理過(guò)程60氣體探測(cè)器中的電子-離子對(duì)閃爍探測(cè)器中被PMT的D1收集的電子半導(dǎo)體探測(cè)器中的電子-空穴對(duì)產(chǎn)生每個(gè)信息載流子的平均能量分別為 30eV(氣體探測(cè)器) 300eV(閃爍探測(cè)器) 3eV(半導(dǎo)體探測(cè)器)探測(cè)器的信息載流子氣體探測(cè)器中的電子-離子對(duì)探測(cè)器的信息載流子61電離室:電子-正離子對(duì)的生成;離子對(duì)在電場(chǎng)中的漂移;感應(yīng)電荷的流動(dòng);輸出電流信號(hào)和電壓信號(hào)。正比計(jì)數(shù)器:非自持放電--碰撞電離與雪崩過(guò)程;光子反饋與離子反饋及多原子分子氣體;氣體放大系數(shù)。GM管:自持放電--電子雪崩的傳播及正離子鞘的形成;自熄過(guò)程;有機(jī)管與鹵素管的工作機(jī)制的特點(diǎn)。電離室:電子-正離子對(duì)的生成;離子對(duì)在電場(chǎng)中的漂移;感應(yīng)電荷62閃爍探測(cè)器:發(fā)光機(jī)制;閃爍體的發(fā)光衰減時(shí)間常數(shù);光子的收集--光電轉(zhuǎn)換--光電子被D1收集--電子倍增--電子在最后打拿極與陽(yáng)極間運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生信號(hào)。
半導(dǎo)體探測(cè)器:空間電荷形成的電場(chǎng);電子-空穴對(duì)的形成;PN結(jié)及PIN結(jié)的形成及工作原理。閃爍探測(cè)器:發(fā)光機(jī)制;閃爍體的發(fā)光衰減時(shí)間常數(shù);光子的收集63探測(cè)器的輸出信號(hào)探測(cè)器的輸出信號(hào)641)電荷量:(電離室、半導(dǎo)體探測(cè)器)(正比計(jì)數(shù)器)(閃爍探測(cè)器)(GM管)1)電荷量:(電離室、半導(dǎo)體探測(cè)器)(正比計(jì)數(shù)器)(閃652)電流信號(hào)氣體和半導(dǎo)體探測(cè)器的電流信號(hào)的一般表達(dá)式:
正比計(jì)數(shù)器:閃爍探測(cè)器:2)電流信號(hào)氣體和半導(dǎo)體探測(cè)器的電流信號(hào)的一般表達(dá)式:正663)電壓信號(hào):等效電路與輸出回路時(shí)間常數(shù)一般表達(dá)式3)電壓信號(hào):等效電路與輸出回路時(shí)間常數(shù)一般表達(dá)式67探測(cè)器的工作狀態(tài)探測(cè)器的工作狀態(tài)68(1)電流工作狀態(tài)--反映粒子束流的平均電離效應(yīng),條件:
輸出直流電流
電壓
(2)脈沖工作狀態(tài)--反映單個(gè)入射粒子的電離效應(yīng),條件:
電流脈沖工作狀態(tài):tc為載流子收集時(shí)間,電壓脈沖形狀與電流脈沖相似電壓脈沖工作狀態(tài):電壓脈沖為電流脈沖在電容上的積分,且有
(3)脈沖束工作狀態(tài)--反映粒子束脈沖的總電離效應(yīng),輻射源為脈沖束源。條件(1)電流工作狀態(tài)--反映粒子束流的平均電離效應(yīng),條件:輸69各種探測(cè)器的能量分辨率各種探測(cè)器的能量分辨率70電離室正比計(jì)數(shù)器閃爍探測(cè)器半導(dǎo)體探測(cè)器電離室正比計(jì)數(shù)器閃爍探測(cè)器半導(dǎo)體探測(cè)器71能量分辨率的表示百分?jǐn)?shù)表示線寬表示(單位為KeV)考慮影響能量分辨率的各種因素時(shí),譜儀的總分辨率:能量分辨率的表示百分?jǐn)?shù)表示考慮影響能量分辨率的各種因素時(shí),譜72第十二章
輻射測(cè)量方法第十二章
輻射測(cè)量方法73放射性樣品的活度測(cè)量相對(duì)法測(cè)量簡(jiǎn)便,但條件苛刻:必須有一個(gè)與被測(cè)樣品相同的已知活度的標(biāo)準(zhǔn)源,且測(cè)量條件必須相同。絕對(duì)測(cè)量法復(fù)雜,需要考慮很多影響測(cè)量的因素,但絕對(duì)測(cè)量法是活度測(cè)量的基本方法。1)小立體角法2)4計(jì)數(shù)法放射性樣品的活度測(cè)量相對(duì)法測(cè)量簡(jiǎn)便,但條件苛刻:必須有一個(gè)與74射線能譜的測(cè)定單能能譜的分析1)單晶譜儀主過(guò)程:全能峰——光電效應(yīng)+所有的累計(jì)效應(yīng);康普頓平臺(tái)、邊沿及多次康普頓散射;單、雙逃逸峰。2)單能射線的能譜其他過(guò)程:和峰效應(yīng);I(或Ge)逃逸峰;邊緣效應(yīng)(次電子能量未完全損失在靈敏體積內(nèi))。屏蔽和結(jié)構(gòu)材料對(duì)譜的影響:散射及反散射峰;湮沒(méi)峰;特征X射線。射線能譜的測(cè)定單能能譜的分析1)單晶譜儀主過(guò)程:全能峰75核輻射物理及探測(cè)學(xué)課件7624Na
的
衰
變
綱
圖AB24Na
的
衰
變
綱
圖AB7724Na的NaI能譜ABA+BSEBDEB24Na的NaI能譜ABA+BSEBDEB7858Co
的衰變綱圖ABC58Co
的衰變綱圖ABC7958Co的NaI能譜ABC800+511Ann.Rad.58Co的NaI能譜ABC800+511Ann.Rad.80各種譜儀裝置1)單晶譜儀。探測(cè)器放大器多道分析器計(jì)算機(jī)各種譜儀裝置1)單晶譜儀。探測(cè)器放大器多道分析器計(jì)算機(jī)812)全吸收反康普頓譜儀。主探測(cè)器符合環(huán)前置放大反符合帶門控的多道前置放大控制信號(hào)測(cè)量信號(hào)2)全吸收反康普頓譜儀。主探測(cè)器符合環(huán)前置放大反符合帶門控823)康普頓譜儀(雙晶譜儀)。放大器放大器符合電路帶門控的多道主探測(cè)器輔探測(cè)器測(cè)量信號(hào)門控信號(hào)3)康普頓譜儀(雙晶譜儀)。放大器放大器符合電路帶門控的多834)電子對(duì)譜儀(三晶譜儀)輔I輔II放大器放大器放大器符合帶門控的多道測(cè)量信號(hào)門控信號(hào)4)電子對(duì)譜儀(三晶譜儀)輔I輔II放大器放大器放大器符合84第十三章
中子及中子探測(cè)第十三章
中子及中子探測(cè)85中子與物質(zhì)的相互作用1.中子的散射1)彈性散射(n,n)中子與物質(zhì)的相互作用實(shí)質(zhì)上是中子與物質(zhì)的靶核的相互作用。出射粒子仍為中子、剩余核仍為靶核。反沖核的動(dòng)能:2)非彈性散射(n,n’)中子與物質(zhì)的相互作用1.中子的散射1)彈性散射(n862.中子的俘獲1)中子的輻射俘獲(n,)復(fù)合核的形成。2)發(fā)射帶電粒子的中子核反應(yīng)如(n,),(n,p)等,這些反應(yīng)在中子探測(cè)中應(yīng)用很多,成為探測(cè)中子的主要手段。3)裂變反應(yīng)(n,f)4)多粒子發(fā)射2.中子的俘獲1)中子的輻射俘獲(n,)復(fù)合核的形成87中子探測(cè)的特點(diǎn)和基本方法輻射體1.核反應(yīng)法——產(chǎn)生帶電粒子反應(yīng)截面與中子能量的關(guān)系:2.核反沖法中子與靶核的彈性碰撞產(chǎn)生反沖核。3.核裂變法中子與重核發(fā)生核裂變產(chǎn)生裂變碎片,裂變碎片是巨大的帶正電荷的粒子。4.活化法選用一些核素具有較高的活化截面,活化后放射性核素也具有較易測(cè)量的放射性。中子探測(cè)的特點(diǎn)和基本方法輻射體1.核反應(yīng)法——產(chǎn)生帶電粒子881.硼電離室和裂變室輻射體:常用10B和235U;工作狀態(tài):一般工作于電流工作狀態(tài),裂變室也可工作于脈沖工作狀態(tài)。常用中子探測(cè)器硼電離室還常工作于補(bǔ)償型狀態(tài),通過(guò)補(bǔ)償消除本底的影響。1.硼電離室和裂變室輻射體:常用10B和235U;工作狀態(tài)892.10BF3和3He正比計(jì)數(shù)器工作氣體:含10B的BF3或高豐度3He的氦氣。3.含鋰閃爍體常用6LiI(Eu)晶體;鈰激活的鋰玻璃等。1)含氫正比計(jì)數(shù)管——?dú)怏w介質(zhì)含H2或CH4。2)有機(jī)閃爍體——富含H和C,還可以運(yùn)用n/脈沖形狀甄別技術(shù),在較強(qiáng)的場(chǎng)中測(cè)量中子。4.利用質(zhì)子反沖效應(yīng)的探測(cè)器2.10BF3和3He正比計(jì)數(shù)器工作氣體:含10B的BF390中心輻射體是中子活化材料,活化后具有放射性。粒子作為荷電粒子在極板間運(yùn)動(dòng)而在外回路中產(chǎn)生輸出信號(hào)。不需要外加電源,稱為自給能探測(cè)器。輸出信號(hào):5.自給能探測(cè)器性能:靈敏度=1.2×10-21A/單位中子注量率;中子注量率測(cè)量范圍109~1014/cm2s;體積?。褐睆?~2mm;時(shí)間延遲~5T1/2適合用于堆芯的中子注量率的測(cè)量。中心輻射體是中子活化材料,活化后具有放射性。粒子作為91中子靈敏度定義:Nt為靈敏體積中輻射體的靶核數(shù)中子靈敏度反應(yīng)的發(fā)生率中子注量率對(duì)能量低于30KeV的中子:中子注量率為:中子靈敏度定義:Nt為靈敏體積中輻射體的靶核數(shù)中子靈敏度反92對(duì)熱中子,在T=20C時(shí),故:則,熱中子靈敏度為:對(duì)熱中子,在T=20C時(shí),故:則,熱中子靈敏度為:93核輻射物理及探測(cè)學(xué)
期末考前總結(jié)復(fù)習(xí)核輻射物理及探測(cè)學(xué)
期末考前總結(jié)復(fù)習(xí)94第六章
射線與物質(zhì)的相互作用射線與物質(zhì)相互作用的分類:帶電粒子輻射非帶電粒子輻射快電子-重帶電粒子-中子電磁輻射-射線射線第六章
射線與物質(zhì)的相互作用射線與物質(zhì)相互作用的分類:帶95重帶電粒子與物質(zhì)的相互作用1、特點(diǎn)重帶電粒子均為帶正電荷的離子;重帶電粒子主要通過(guò)電離損失而損失能量;
重帶電粒子在介質(zhì)中的運(yùn)動(dòng)徑跡近似為直線。
2、重帶電粒子在物質(zhì)中的能量損失規(guī)律1)能量損失率(SpecificEnergyLoss)對(duì)重帶電粒子,輻射能量損失率相比小的多,因此重帶電粒子的能量損失率就約等于其電離能量損失率。重帶電粒子與物質(zhì)的相互作用1、特點(diǎn)重帶電粒子均為帶正電荷的離962)Bethe公式的討論(2)、與帶電粒子的電荷z的關(guān)系;(1)、與帶電粒子的質(zhì)量M無(wú)關(guān),而僅與其速度v和電荷數(shù)z有關(guān)。(3)、與帶電粒子的速度v的關(guān)系:非相對(duì)論情況下,B隨v變化緩慢,近似與v無(wú)關(guān),則:(4)、,吸收材料密度大,原子序數(shù)高的,其阻止本領(lǐng)大。2)Bethe公式的討論(2)、與帶電97快電子與物質(zhì)的相互作用特點(diǎn):快電子的速度大;快電子除電離損失外,輻射損失不可忽略;快電子散射嚴(yán)重。
1、快電子的能量損失率必須考慮相對(duì)論效應(yīng)時(shí)的電離能量損失和輻射能量損失。快電子與物質(zhì)的相互作用特點(diǎn):快電子的速度大;快電子除電離損失98討論:(1):輻射損失率與帶電粒子靜止質(zhì)量m的平方成反比。所以僅對(duì)電子才重點(diǎn)考慮。當(dāng)要吸收、屏蔽β射線時(shí),不宜選用重材料。當(dāng)要獲得強(qiáng)的X射線時(shí),則應(yīng)選用重材料作靶。(2):輻射損失率與帶電粒子的能量E成正比。即輻射損失率隨粒子動(dòng)能的增加而增加。(3):輻射損失率與吸收物質(zhì)的NZ2成正比。所以當(dāng)吸收材料原子序數(shù)大、密度大時(shí),輻射損失大。討論:(1):輻射損失率與帶電粒子靜止質(zhì)量m99電子的散射與反散射電子與靶物質(zhì)原子核庫(kù)侖場(chǎng)作用時(shí),只改變運(yùn)動(dòng)方向,而不輻射能量的過(guò)程稱為彈性散射。由于電子質(zhì)量小,因而散射的角度可以很大,而且會(huì)發(fā)生多次散射。電子沿其入射方向發(fā)生大角度偏轉(zhuǎn),稱為反散射。對(duì)同種材料,電子能量越低,反散射越嚴(yán)重;對(duì)同樣能量的電子,原子序數(shù)越高的材料,反散射越嚴(yán)重。反散射的利用與避免A)對(duì)放射源而言,利用反散射可以提高β源的產(chǎn)額。B)對(duì)探測(cè)器而言,要避免反散射造成的測(cè)量偏差。電子的散射與反散射電子與靶物質(zhì)原子核庫(kù)侖場(chǎng)作用時(shí),只改變運(yùn)動(dòng)1003、正電子的湮沒(méi)正電子與物質(zhì)發(fā)生相互作用的能量損失機(jī)制和電子相同。高速正電子被慢化,在正電子徑跡的末端與介質(zhì)中的電子發(fā)生湮沒(méi),放出兩個(gè)光子。正電子的特點(diǎn)是:兩個(gè)湮沒(méi)光子的能量相同,各等于511keV兩個(gè)湮沒(méi)光子的方向相反,且發(fā)射是各向同性的。3、正電子的湮沒(méi)正電子與物質(zhì)發(fā)生相互作用的能量損失機(jī)制和電子101射線與物質(zhì)的相互作用特點(diǎn):光子通過(guò)次級(jí)效應(yīng)與物質(zhì)的原子或核外電子作用,光子與物質(zhì)發(fā)生作用后,光子或者消失或者受到散射而損失能量,同時(shí)產(chǎn)生次電子;次級(jí)效應(yīng)主要的方式有三種,即光電效應(yīng)、康普頓效應(yīng)和電子對(duì)效應(yīng)。
射線與物質(zhì)發(fā)生不同的相互作用都具有一定的概率,用截面來(lái)表示作用概率的大小??偨孛娴扔诟髯饔媒孛嬷?,即:射線與物質(zhì)的相互作用特點(diǎn):光子通過(guò)次級(jí)效應(yīng)與物質(zhì)的原子102作用截面與吸收物質(zhì)原子序數(shù)的關(guān)系總體來(lái)說(shuō),吸收物質(zhì)原子序數(shù)越大,各相互作用截面越大,其中光電效應(yīng)隨吸收物質(zhì)原子序數(shù)變化最大,康普頓散射變化最小。光電效應(yīng)康普頓散射電子對(duì)效應(yīng)作用截面與吸收物質(zhì)原子序數(shù)的關(guān)系總體來(lái)說(shuō),吸收物質(zhì)原子序數(shù)越103作用截面與入射光子能量的關(guān)系光電效應(yīng)截面隨入射光子能量增加而減小,開(kāi)始時(shí)變化劇烈,后基本成反比。電子對(duì)效應(yīng)截面隨入射光子能量增加而增加,只有光子能量大于1.022MeV才能發(fā)生??灯疹D散射截面開(kāi)始基本為常數(shù),隨入射光子能量增加而減小,減小比光電效應(yīng)緩慢。作用截面與入射光子能量的關(guān)系光電效應(yīng)截面隨入射光子能量增加而104次電子能量光電效應(yīng):
光電子康普頓散射:反沖電子電子對(duì)效應(yīng):正負(fù)電子對(duì)次電子能量光電效應(yīng):光電子康普頓散射:反沖電子電子對(duì)效應(yīng)105第七章
輻射探測(cè)中的
概率統(tǒng)計(jì)問(wèn)題第七章
輻射探測(cè)中的
概率統(tǒng)計(jì)問(wèn)題106(1).探測(cè)計(jì)數(shù)的統(tǒng)計(jì)誤差粒子計(jì)數(shù)——探測(cè)器輸出脈沖數(shù)服從統(tǒng)計(jì)分布規(guī)律,當(dāng)計(jì)數(shù)的數(shù)學(xué)期望值m較小時(shí),服從泊松分布。m較大時(shí),服從高斯分布。而且,m較大時(shí),m與有限次測(cè)量的平均值
和任一次測(cè)量值N相差不大。
N為單次測(cè)量值(1).探測(cè)計(jì)數(shù)的統(tǒng)計(jì)誤差粒子計(jì)數(shù)——探測(cè)器輸出脈沖數(shù)服從107標(biāo)準(zhǔn)偏差
隨計(jì)數(shù)N增大而增大,因此用相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差來(lái)表示測(cè)量值的離散程度:計(jì)數(shù)測(cè)量結(jié)果的表示:表示一個(gè)置信區(qū)間,該區(qū)間包含真平均值的概率為68.3%(置信度)。標(biāo)準(zhǔn)偏差隨計(jì)數(shù)N增大而增大,因此用相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差來(lái)表示測(cè)量108一些常見(jiàn)情況:(1)計(jì)數(shù)統(tǒng)計(jì)誤差的傳遞一些常見(jiàn)情況:(1)計(jì)數(shù)統(tǒng)計(jì)誤差的傳遞109例如:存在本底時(shí)凈計(jì)數(shù)誤差的計(jì)算:輻射測(cè)量中,本底總是存在的。本底包括宇宙射線、環(huán)境中的天然放射性及儀器噪聲等。這時(shí),為求得凈計(jì)數(shù)需要進(jìn)行兩次測(cè)量:第一次,沒(méi)有樣品,在時(shí)間t內(nèi)測(cè)得本底的計(jì)數(shù)為Nb;第二次,放上樣品,在相同時(shí)間內(nèi)測(cè)得樣品和本底的總計(jì)數(shù)為Ns。樣品的凈計(jì)數(shù)為:其標(biāo)準(zhǔn)偏差為:例如:存在本底時(shí)凈計(jì)數(shù)誤差的計(jì)算:輻射測(cè)量中,本底總是存在的110(2)或(2)或111例如:計(jì)數(shù)率的誤差:設(shè)在t時(shí)間內(nèi)記錄了N個(gè)計(jì)數(shù),則計(jì)數(shù)率為n=N/t,計(jì)數(shù)率的標(biāo)準(zhǔn)偏差為:其相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差為:例如:計(jì)數(shù)率的誤差:設(shè)在t時(shí)間內(nèi)記錄了N個(gè)計(jì)數(shù),則計(jì)數(shù)率112(3)或(3)或113(4)平均計(jì)數(shù)的統(tǒng)計(jì)誤差對(duì)某樣品重復(fù)測(cè)量k次,每次測(cè)量時(shí)間t相同(等精度測(cè)量),得到k個(gè)計(jì)數(shù)則在時(shí)間t內(nèi)的平均計(jì)數(shù)值為:由誤差傳遞公式,平均計(jì)數(shù)值的方差為:(4)平均計(jì)數(shù)的統(tǒng)計(jì)誤差對(duì)某樣品重復(fù)測(cè)量k次,每次測(cè)量時(shí)間114多次重復(fù)測(cè)量結(jié)果表達(dá):平均計(jì)數(shù)的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差:多次重復(fù)測(cè)量結(jié)果表達(dá):平均計(jì)數(shù)的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差:115(5)存在本底時(shí)凈計(jì)數(shù)率誤差的計(jì)算:第一次,在時(shí)間tb內(nèi)測(cè)得本底的計(jì)數(shù)為Nb;第二次,在時(shí)間ts內(nèi)測(cè)得樣品和本底的總計(jì)數(shù)為Ns。樣品的凈計(jì)數(shù)率為:標(biāo)準(zhǔn)偏差為:相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差為:(5)存在本底時(shí)凈計(jì)數(shù)率誤差的計(jì)算:第一次,在時(shí)間tb內(nèi)測(cè)116(6)不等精度獨(dú)立測(cè)量值的平均如果對(duì)同一量進(jìn)行了k次獨(dú)立測(cè)量,各次測(cè)量的時(shí)間為ti,計(jì)數(shù)為Ni。這是不等精度測(cè)量。這時(shí),簡(jiǎn)單的求平均不再是求單次“最佳值”的適宜方法。需要進(jìn)行加權(quán)平均,使測(cè)量精度高的數(shù)據(jù)在求平均值時(shí)的貢獻(xiàn)大,精度低的貢獻(xiàn)小。(6)不等精度獨(dú)立測(cè)量值的平均如果對(duì)同一量進(jìn)117結(jié)果表示為:如果k次測(cè)量的時(shí)間均相等,則測(cè)量為等精度測(cè)量:從統(tǒng)計(jì)誤差而言,無(wú)論是一次測(cè)量還是多次測(cè)量,只要總的計(jì)數(shù)相同,多次測(cè)量的平均計(jì)數(shù)率相對(duì)誤差和一次測(cè)量的計(jì)數(shù)率的相對(duì)誤差是一致的。結(jié)果表示為:如果k次測(cè)量的時(shí)間均相等,則測(cè)量為等精度測(cè)量:118(7)測(cè)量時(shí)間的選擇(B)有本底存在時(shí),需要合理分配樣品測(cè)量時(shí)間ts和本底測(cè)量時(shí)間tb。(A)不考慮本底的影響;根據(jù):在相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差給定的情況下,所需最小測(cè)量時(shí)間為:(7)測(cè)量時(shí)間的選擇(B)有本底存在時(shí),需要合理分配樣品119輻射探測(cè)器學(xué)習(xí)要點(diǎn):探測(cè)器的工作機(jī)制;探測(cè)器的輸出回路與輸出信號(hào);探測(cè)器的主要性能指標(biāo);探測(cè)器的典型應(yīng)用。輻射探測(cè)器學(xué)習(xí)要點(diǎn):探測(cè)器的工作機(jī)制;120第八章
氣體探測(cè)器Gas-filledDetector第八章
氣體探測(cè)器Gas-filledDetector121Pulseamplitude(logscale)Pulseamplitude(logscale)122電離室工作機(jī)制:入射帶電粒子(或非帶電粒子的次級(jí)效應(yīng)產(chǎn)生的帶電粒子)使氣體電離產(chǎn)成電子-離子對(duì),電子-離子對(duì)在外加電場(chǎng)中漂移,感應(yīng)電荷在回路中流過(guò),從而在輸出回路產(chǎn)生信號(hào)。輸出信號(hào):電荷、電流、電壓。是理想的電荷源。是近似理想的電流源(條件:V(t)<<V0)電壓信號(hào)可通過(guò)對(duì)輸出回路分析得出。電離室123電離室的兩種工作狀態(tài)脈沖工作狀態(tài)離子脈沖(慢、幅度與能量成正比h=Ne/C0)電子脈沖(快、幅度與能量一般不成正比h=Q-/C0)圓柱形電子脈沖電離室與屏柵電離室累計(jì)工作狀態(tài)輸出電流信號(hào)輸出電壓信號(hào)及漲落電離室的兩種工作狀態(tài)脈沖工作狀態(tài)124脈沖電離室的主要性能能量分辨率飽和特性——脈沖幅度與工作電壓的關(guān)系坪特性
——計(jì)數(shù)率與工作電壓的關(guān)系探測(cè)效率:記下脈沖數(shù)/入射到靈敏體積內(nèi)的粒子數(shù)時(shí)間特性:分辨時(shí)間:能分辨開(kāi)兩個(gè)相繼入射粒子的最小時(shí)間間隔時(shí)滯:粒子入射與輸出信號(hào)的時(shí)間差時(shí)間分辨本領(lǐng):確定入射粒子入射時(shí)刻的精度
脈沖電離室的主要性能能量分辨率125累計(jì)電離室的主要性能飽和特性——輸出電流信號(hào)與工作電壓的關(guān)系靈敏度線性范圍——一定工作電壓下,輸出信號(hào)幅度與入射粒子流強(qiáng)度的線性關(guān)系范圍。響應(yīng)時(shí)間——反映入射粒子流強(qiáng)度發(fā)生變化時(shí),輸出信號(hào)的變化快慢。能量響應(yīng)——靈敏度隨入射粒子能量而變化的關(guān)系累計(jì)電離室的主要性能飽和特性——輸出電流信號(hào)與工作電壓的關(guān)系126具有氣體放大功能的氣體探測(cè)器非自持放電:正比計(jì)數(shù)器
輸出信號(hào)幅度與沉積能量成正比。自持放電:GM管非自熄自熄有機(jī)鹵素輸出信號(hào)幅度與入射粒子的種類和能量無(wú)關(guān)。具有氣體放大功能的氣體探測(cè)器非自持放電:正比計(jì)數(shù)器1271)輸出脈沖幅度與能量分辨率輸出脈沖幅度的漲落是一個(gè)二級(jí)串級(jí)型隨機(jī)變量:輸出脈沖幅度:正比計(jì)數(shù)器的性能實(shí)驗(yàn)表明,所以,能量分辨率
1)輸出脈沖幅度與能量分辨率輸出脈沖幅度的漲落是一個(gè)二級(jí)串128自熄G-M計(jì)數(shù)管輸出脈沖與正比計(jì)數(shù)器一樣,輸出脈沖由兩部分組成:起初相應(yīng)于電子收集的快上升部分和以后相應(yīng)于正離子漂移的緩慢上升部分。與正比計(jì)數(shù)器比較,最基本的區(qū)別在于GM計(jì)數(shù)管的輸出脈沖幅度與入射粒子的類型和能量無(wú)關(guān)。只要有電子進(jìn)入計(jì)數(shù)管的靈敏體積,就會(huì)導(dǎo)致計(jì)數(shù),入射粒子僅僅起到一個(gè)觸發(fā)的作用。GM計(jì)數(shù)管僅能用于計(jì)數(shù)。自熄G-M計(jì)數(shù)管輸出脈沖與正比計(jì)數(shù)器一樣,輸出脈沖由129正比計(jì)數(shù)器漏計(jì)數(shù)校正真信號(hào)計(jì)數(shù)率m,分辨時(shí)間一信號(hào)與前一信號(hào)時(shí)間間隔小于的概率為:?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)由于分辨時(shí)間影響而丟失的計(jì)數(shù)為:實(shí)際計(jì)數(shù)率:校正公式:條件:正比計(jì)數(shù)器漏計(jì)數(shù)校正真信號(hào)計(jì)數(shù)率m,分辨時(shí)間130GM管漏計(jì)數(shù)校正真信號(hào)計(jì)數(shù)率m,死時(shí)間
,實(shí)際計(jì)數(shù)率n單位時(shí)間內(nèi)探測(cè)器死時(shí)間為:?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)由于死時(shí)間影響而丟失的計(jì)數(shù)為:校正公式:
GM管漏計(jì)數(shù)校正真信號(hào)計(jì)數(shù)率m,死時(shí)間,實(shí)際計(jì)數(shù)率n131第九章
閃爍探測(cè)器第九章
閃爍探測(cè)器132閃爍探測(cè)器輻射射入閃爍體使閃爍體原子電離或激發(fā),受激原子退激而發(fā)出波長(zhǎng)在可見(jiàn)光的熒光。熒光光子被收集到光電倍增管(PMT)的光陰極,通過(guò)光電效應(yīng)打出光電子。電子倍增,并在陽(yáng)極或打拿極輸出回路輸出信號(hào)。第一打拿極收集到的光電子數(shù)是其信息載流子數(shù)目。閃爍探測(cè)器輻射射入閃爍體使閃爍體原子電離或激發(fā),受激原子退激133閃爍探測(cè)器輸出信號(hào)的物理過(guò)程、輸出回路及其等效電路IaIk閃爍探測(cè)器輸出信號(hào)的物理過(guò)程、輸出回路及其等效電路I134Ia輸出回路的等效電路Ia輸出回路的等效電路135閃爍探測(cè)器的輸出信號(hào):1、閃爍探測(cè)器輸出電荷量閃爍體發(fā)出的閃爍光子數(shù)第一打拿極收集到的光電子數(shù)陽(yáng)極收集到的電子數(shù)2、閃爍探測(cè)器輸出電流脈沖信號(hào)閃爍體發(fā)出的閃爍光子數(shù)的規(guī)律第一打拿極收集到的光電子數(shù)的規(guī)律單光電子所引起的電流脈沖信號(hào)閃爍探測(cè)器的輸出信號(hào):1、閃爍探測(cè)器輸出電荷量閃爍體發(fā)出的閃1363、閃爍探測(cè)器輸出電壓脈沖信號(hào)實(shí)際應(yīng)用中,為得到較大幅度和較小寬度,取且要盡量減小電壓脈沖型工作狀態(tài)
電流脈沖型工作狀態(tài)
條件
脈沖前沿
脈沖幅度
脈沖后沿
慢:缺點(diǎn)快:優(yōu)點(diǎn)大:優(yōu)點(diǎn)?。喝秉c(diǎn)3、閃爍探測(cè)器輸出電壓脈沖信號(hào)實(shí)際應(yīng)用中,為得到較大幅度和較1374、閃爍探測(cè)器輸出信號(hào)的漲落多級(jí)串級(jí)隨機(jī)變量的相對(duì)均方漲落閃爍光子數(shù)的漲落(泊松)第一打拿極收集到的光電子數(shù)的漲落(泊松串伯努利=泊松)光電倍增管的倍增系數(shù)M
的漲落(多個(gè)泊松的串級(jí))陽(yáng)極收集到的電子數(shù)的漲落閃爍譜儀能量分辨率的極限:4、閃爍探測(cè)器輸出信號(hào)的漲落多級(jí)串級(jí)隨機(jī)變量的相對(duì)均方漲落閃138NaI(Tl)單晶γ射線譜儀的性能1)響應(yīng)函數(shù)--閃爍譜儀對(duì)某單能γ射線的脈沖幅度譜。
2)能量分辨率用全能峰(光電峰)來(lái)確定閃爍譜儀的能量分辨率3)能量線性4)
射線探測(cè)效率高Z,ρ,大尺寸的閃爍體探測(cè)效率高。5)時(shí)間特性6)穩(wěn)定性——主要由PMT決定NaI(Tl)單晶γ射線譜儀的性能1)響應(yīng)函數(shù)--閃爍139第十章
半導(dǎo)體探測(cè)器第十章
半導(dǎo)體探測(cè)器140半導(dǎo)體探測(cè)器類似氣體探測(cè)器(信息載流子為:電子-空穴對(duì)),也稱為固體電離室。有三類均勻型PN結(jié)型擴(kuò)散結(jié)型、面壘型高純鍺(HPGe)P-I-N型鋰漂移(鍺鋰Ge(Li)、硅鋰Si(Li))半導(dǎo)體探測(cè)器類似氣體探測(cè)器(信息載流子為:電子-空穴對(duì)),也141半導(dǎo)體探測(cè)器的特點(diǎn):(1)能量分辨率最佳;(2)射線探測(cè)效率較高,可與閃爍探測(cè)器相比。高的電阻率和長(zhǎng)的載流子壽命是組成半導(dǎo)體探測(cè)器的關(guān)鍵。半導(dǎo)體探測(cè)器的特點(diǎn):(1)能量分辨率最佳;(2)射線探142P-N結(jié)半導(dǎo)體探測(cè)器1、P-N結(jié)半導(dǎo)體探測(cè)器的工作原理1)P-N結(jié)區(qū)(勢(shì)壘區(qū))的形成2)P-N結(jié)半導(dǎo)體探測(cè)器的特點(diǎn)
(1)結(jié)區(qū)的空間電荷分布,電場(chǎng)分布及電位分布(2)結(jié)區(qū)寬度與外加電壓的關(guān)系(3)結(jié)區(qū)寬度的限制因素受擊穿電壓和暗電流的限制(4)結(jié)電容隨工作電壓的變化使用電荷靈敏前置放大器P-N結(jié)半導(dǎo)體探測(cè)器1、P-N結(jié)半導(dǎo)體探測(cè)器的工作原理1)143半導(dǎo)體探測(cè)器的輸出信號(hào)1)輸出回路須考慮結(jié)電阻Rd和結(jié)電容Cd,結(jié)區(qū)外材料的電阻和電容RS,CS。測(cè)量?jī)x器半導(dǎo)體探測(cè)器的輸出信號(hào)1)輸出回路須考慮結(jié)電阻Rd和結(jié)電容1442)輸出信號(hào)當(dāng)R0(Cd+Ca)>>tc(tc為載流子收集時(shí)間)時(shí),為電壓脈沖型工作狀態(tài):輻射在靈敏體積內(nèi)產(chǎn)生的電子-空穴對(duì)數(shù)由于h與Cd有關(guān),而結(jié)電容隨偏壓而變化,因此當(dāng)所加偏壓不穩(wěn)定時(shí),將會(huì)使h
發(fā)生附加的漲落;為解決該矛盾,PN結(jié)半導(dǎo)體探測(cè)器通常采用電荷靈敏前置放大器。則輸出脈沖幅度為:輸出回路的時(shí)間常數(shù)為:2)輸出信號(hào)當(dāng)R0(Cd+Ca)>>145主要性能1)能量分辨率(線寬表示)(1)輸出脈沖幅度的統(tǒng)計(jì)漲落
E1(2)噪聲引起的展寬E2電子學(xué)噪聲主要由第一級(jí)FET構(gòu)成,包括:零電容噪聲和噪聲斜率。(3)窗厚度的影響E3(4)電子與空穴陷落的影響
E4主要性能1)能量分辨率(線寬表示)(1)輸出脈沖幅度的統(tǒng)1462)分辨時(shí)間與時(shí)間分辨本領(lǐng):3)能量線性很好,與入射粒子類型和能量基本無(wú)關(guān)4)輻照壽命輻照壽命是半導(dǎo)體探測(cè)器的一個(gè)致命的弱點(diǎn)。隨使用時(shí)間的增加,載流子壽命變短。耗盡層厚度為1~2mm。對(duì)強(qiáng)穿透能力的輻射而言,探測(cè)效率受很大的局限。P-N結(jié)半導(dǎo)體探測(cè)器存在的矛盾:2)分辨時(shí)間與時(shí)間分辨本領(lǐng):3)能量線性很好,與入射粒子147鋰漂移探測(cè)器1)空間電荷分布、電場(chǎng)分布及電位分布I區(qū)為完全補(bǔ)償區(qū),呈電中性為均勻電場(chǎng);I區(qū)為耗盡層,電阻率可達(dá)1010cm;I區(qū)厚度可達(dá)10~20mm,為靈敏體積。2)工作條件為了降低探測(cè)器和FET的噪聲,同時(shí)為降低探測(cè)器的表面漏電流,探測(cè)器和FET都置于真空低溫的容器內(nèi),工作于液氮溫度(77K)。對(duì)Ge(Li)探測(cè)器,須保持在低溫下;對(duì)Si(Li)探測(cè)器,可在常溫下保存。鋰漂移探測(cè)器1)空間電荷分布、電場(chǎng)分布及電位分布I區(qū)為完全148高純鍺探測(cè)器1)P區(qū)存在空間電荷,HPGe半導(dǎo)體探測(cè)器是PN結(jié)型探測(cè)器。2)P區(qū)為非均勻電場(chǎng)。3)P區(qū)為靈敏體積,其厚度與外加電壓有關(guān),一般工作于全耗盡狀態(tài)。4)HPGe半導(dǎo)體探測(cè)器可在常溫下保存,低溫下工作。5)注意其空間電荷分布、電場(chǎng)分布及電位分布高純鍺探測(cè)器1)P區(qū)存在空間電荷,HPGe半導(dǎo)體探測(cè)器是P149性能其中:Si(Li)和Ge(Li)平面型探測(cè)器用于低能(X)射線的探測(cè),其能量分辨率常以55Fe的衰變產(chǎn)物55Mn的KX能量5.95KeV為標(biāo)準(zhǔn),一般指標(biāo)約:1)能量分辨率:為載流子數(shù)的漲落。為漏電流和噪聲;
為載流子由于陷阱效應(yīng)帶來(lái)的漲落,通過(guò)適當(dāng)提高偏置電壓減小。HPGe,Ge(Li)同軸型探測(cè)器用于射線探測(cè),常以60Co能量為1.332MeV的射線為標(biāo)準(zhǔn),一般指標(biāo)約:性能其中:Si(Li)和Ge(Li)平面型探測(cè)器用于低能(1502)探測(cè)效率一般以3英寸×3英寸的NaI(Tl)晶體為100%,用相對(duì)效率來(lái)表示。以85cm3的HPGe為例,探測(cè)效率為19%。3)峰康比P=全能峰峰值/康普頓平臺(tái)的峰值與FWHM以及體積有關(guān),可達(dá)600~8004)能量線性:非常好5)時(shí)間特性:電流脈沖寬度約10-9~10-8s.2)探測(cè)效率一般以3英寸×3英寸的NaI(Tl)晶體為11511)HPGe和Ge(Li)用于組成譜儀:鍺具有較高的密度和較高的原子序數(shù)(Z=32)
應(yīng)用2)Si(Li)探測(cè)器由于Si的Z=14,對(duì)一般能量的射線,其光電截面僅為鍺的1/50,因此,其主要應(yīng)用為:低能量的射線和X射線測(cè)量,在可得到較高的光電截面的同時(shí),Si的X射線逃逸將明顯低于鍺的X射線逃逸;
粒子或其他外部入射的電子的探測(cè),由于其原子序數(shù)較低,可減少反散射。1)HPGe和Ge(Li)用于組成譜儀:鍺具有較高的密152探測(cè)器的工作機(jī)制及輸出信號(hào)產(chǎn)生的物理過(guò)程探測(cè)器的工作機(jī)制及輸出信號(hào)產(chǎn)生的物理過(guò)程153氣體探測(cè)器中的電子-離子對(duì)閃爍探測(cè)器中被PMT的D1收集的電子半導(dǎo)體探測(cè)器中的電子-空穴對(duì)產(chǎn)生每個(gè)信息載流子的平均能量分別為 30eV(氣體探測(cè)器) 300eV(閃爍探測(cè)器) 3eV(半導(dǎo)體探測(cè)器)探測(cè)器的信息載流子氣體探測(cè)器中的電子-離子對(duì)探測(cè)器的信息載流子154電離室:電子-正離子對(duì)的生成;離子對(duì)在電場(chǎng)中的漂移;感應(yīng)電荷的流動(dòng);輸出電流信號(hào)和電壓信號(hào)。正比計(jì)數(shù)器:非自持放電--碰撞電離與雪崩過(guò)程;光子反饋與離子反饋及多原子分子氣體;氣體放大系數(shù)。GM管:自持放電--電子雪崩的傳播及正離子鞘的形成;自熄過(guò)程;有機(jī)管與鹵素管的工作機(jī)制的特點(diǎn)。電離室:電子-正離子對(duì)的生成;離子對(duì)在電場(chǎng)中的漂移;感應(yīng)電荷155閃爍探測(cè)器:發(fā)光機(jī)制;閃爍體的發(fā)光衰減時(shí)間常數(shù);光子的收集--光電轉(zhuǎn)換--光電子被D1收集--電子倍增--電子在最后打拿極與陽(yáng)極間運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生信號(hào)。
半導(dǎo)體探測(cè)器:空間電荷形成的電場(chǎng);電子-空穴對(duì)的形成;PN結(jié)及PIN結(jié)的形成及工作原理。閃爍探測(cè)器:發(fā)光機(jī)制;閃爍體的發(fā)光衰減時(shí)間常數(shù);光子的收集156探測(cè)器的輸出信號(hào)探測(cè)器的輸出信號(hào)1571)電荷量:(電離室、半導(dǎo)體探測(cè)器)(正比計(jì)數(shù)器)(閃爍探測(cè)器)(GM管)1)電荷量:(電離室、半導(dǎo)體探測(cè)器)(正比計(jì)數(shù)器)(閃1582)電流信號(hào)氣體和半導(dǎo)體探測(cè)器的電流信號(hào)的一般表達(dá)式:
正比計(jì)數(shù)器:閃爍探測(cè)器:2)電流信號(hào)氣體和半導(dǎo)體探測(cè)器的電流信號(hào)的一般表達(dá)式:正1593)電壓信號(hào):等效電路與輸出回路時(shí)間常數(shù)一般表達(dá)式3)電壓信號(hào):等效電路與輸出回路時(shí)間常數(shù)一般表達(dá)式160探測(cè)器的工作狀態(tài)探測(cè)器的工作狀態(tài)161(1)電流工作狀態(tài)--反映粒子束流的平均電離效應(yīng),條件:
輸出直流電流
電壓
(2)脈沖工作狀態(tài)--反映單個(gè)入射粒子的電離效應(yīng),條件:
電流脈沖工作狀態(tài):tc為載流子收集時(shí)間,電壓脈沖形狀與電流脈沖相似電壓脈沖工作狀態(tài):電壓脈沖為電流脈沖在電容上的積分,且有
(3)脈沖束工作狀態(tài)--反映粒子束脈沖的總電離效應(yīng),輻射源為脈沖束源。條件(1)電流工作狀態(tài)--反映粒子束流的平均電離效應(yīng),條件:輸162各種探測(cè)器的能量分辨率各種探測(cè)器的能量分辨率163電離室正比計(jì)數(shù)器閃爍探測(cè)
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