第三章常用探測(cè)器

第三章常用探測(cè)器第一頁，共三十九頁，2022年，8月28日核數(shù)據(jù)獲取與處理內(nèi)容第二頁，共三十九頁，2022年，8月28日本章知識(shí)結(jié)構(gòu)探測(cè)器工作機(jī)制E-Q分辨率線性穩(wěn)定性氣體電離室正比計(jì)數(shù)器半導(dǎo)體探測(cè)器閃爍體探測(cè)器作業(yè)第三頁，共三十九頁，2022年，8月28日內(nèi)容提要3.1探測(cè)器的基本概念3.2常見探測(cè)器的工作原理3.3常見探測(cè)器的性能參數(shù)第四頁，共三十九頁，2022年，8月28日3.1探測(cè)器的基本概念核探測(cè)器： 通過粒子與物質(zhì)的相互作用核輻射信息轉(zhuǎn)化為電信號(hào)或其它可直觀識(shí)別信息的設(shè)備。第五頁，共三十九頁，2022年，8月28日3.1探測(cè)器的基本概念各類探測(cè)器介紹氣體電離室第六頁，共三十九頁，2022年，8月28日3.1探測(cè)器的基本概念各類探測(cè)器介紹正比計(jì)數(shù)器第七頁，共三十九頁，2022年，8月28日3.1探測(cè)器的基本概念各類探測(cè)器介紹半導(dǎo)體探測(cè)器第八頁，共三十九頁，2022年，8月28日3.1探測(cè)器的基本概念各類探測(cè)器介紹閃爍體探測(cè)器第九頁，共三十九頁，2022年，8月28日3.1探測(cè)器的基本概念各類探測(cè)器介紹切侖科夫探測(cè)器第十頁，共三十九頁，2022年，8月28日3.1探測(cè)器的基本概念各類探測(cè)器介紹液體電離室液相的惰性氣體第十一頁，共三十九頁，2022年，8月28日3.1探測(cè)器的基本概念各類探測(cè)器介紹熱釋光探測(cè)器第十二頁，共三十九頁，2022年，8月28日3.2氣體電離室與正比計(jì)數(shù)器膠片成像與核乳膠第十三頁，共三十九頁，2022年，8月28日3.2氣體電離室與正比計(jì)數(shù)器固體徑跡探測(cè)器第十四頁，共三十九頁，2022年，8月28日3.2氣體電離室與正比計(jì)數(shù)器云室與氣泡室第十五頁，共三十九頁，2022年，8月28日3.2氣體電離室與正比計(jì)數(shù)器磁譜儀第十六頁，共三十九頁，2022年，8月28日3.1探測(cè)器的基本概念探測(cè)器的種類氣體電離室及正比計(jì)數(shù)器半導(dǎo)體探測(cè)器閃爍體探測(cè)器切倫科夫探測(cè)器液體電離室熱釋光探測(cè)器膠片成像與核乳膠固體徑跡探測(cè)器云室與氣泡室磁譜儀第十七頁，共三十九頁，2022年，8月28日3.2常見探測(cè)器的工作原理 常見的探測(cè)器，一般都是通過粒子與物質(zhì)的相互作用，最終將核輻射信息轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)的。幅度----粒子能量形狀----粒子類別計(jì)數(shù)率----射線強(qiáng)度信號(hào)時(shí)間關(guān)系----激發(fā)態(tài)壽命，等第十八頁，共三十九頁，2022年，8月28日3.2常見探測(cè)器的工作原理實(shí)質(zhì)上就是一個(gè)能量-電荷轉(zhuǎn)換器，用于把抽象的核輻射信息轉(zhuǎn)換成具體的電信號(hào)對(duì)核輻射信息的處理實(shí)際上就是對(duì)探測(cè)器輸出信號(hào)的處理，從探測(cè)器輸出信號(hào)中提取出核輻射信息，并轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的物理量通常可以看成是一個(gè)電流源不同的探測(cè)器，其能量-電荷轉(zhuǎn)換過程及持續(xù)時(shí)間是不同的，輸出信號(hào)各有其特點(diǎn)，需采用不同的處理方法或手段第十九頁，共三十九頁，2022年，8月28日3.2常見探測(cè)器的工作原理氣體電離室 入射粒子引起電離，產(chǎn)生的電子和離子在電場(chǎng)作用下向兩邊極板漂移。如果粒子在一次電離過程中產(chǎn)生了N對(duì)電子離子對(duì)，則探測(cè)器輸出的總電荷數(shù)為Ne。

如果保證粒子的能量全部損失在電離室中，則可建立起入射粒子能量與輸出電荷量的對(duì)應(yīng)關(guān)系。第二十頁，共三十九頁，2022年，8月28日3.2常見探測(cè)器的工作原理正比計(jì)數(shù)器

結(jié)構(gòu)：圓柱形，中心絲極正電位電場(chǎng)分布：電離放大只發(fā)生在r=0.1mm附近，即中心處放大倍數(shù)A=10~103，輸出總電荷量ANe第二十一頁，共三十九頁，2022年，8月28日3.2常見探測(cè)器的工作原理平面PIN半導(dǎo)體探測(cè)器

平面PIN探測(cè)器都是正負(fù)電極連于兩邊N型區(qū)和P型區(qū)，中間是本征層I。本征層電場(chǎng)E為常數(shù)，電子-空穴的收集過程與平行板電離室類似，只不過物理參數(shù)不同,輸出電荷量仍為Ne。固體電離室第二十二頁，共三十九頁，2022年，8月28日3.2常見探測(cè)器的工作原理PN結(jié)半導(dǎo)體探測(cè)器

分?jǐn)U散型和面壘型，原理相同，工作電壓正負(fù)不同輸出電荷量為Ne第二十三頁，共三十九頁，2022年，8月28日3.2常見探測(cè)器的工作原理閃爍體探測(cè)器光子脈沖在PMT陽極的輸出電荷為：第二十四頁，共三十九頁，2022年，8月28日3.2常見探測(cè)器的工作原理閃爍體探測(cè)器

輸出電流波形比較復(fù)雜，因經(jīng)過多種物理過程：發(fā)光過程：閃爍體分子或原子受激--退激--發(fā)出光子發(fā)光是指數(shù)衰減的，一般同時(shí)有幾個(gè)衰減時(shí)間常數(shù)。光電轉(zhuǎn)換過程：光子--PMT陰極--光電子電子倍增過程：光電子--PMT打拿極--M倍電子（陽極）。第二十五頁，共三十九頁，2022年，8月28日3.3常見探測(cè)器的性能參數(shù)1能量—電荷轉(zhuǎn)換系數(shù)定義：設(shè)輻射粒子在探測(cè)器中損失的能量為E，探測(cè)器產(chǎn)生的電子電荷數(shù)為N，則N/E稱為探測(cè)器的能量-電荷轉(zhuǎn)換系數(shù)θ。由于輻射粒子與物質(zhì)相互作用的統(tǒng)計(jì)性，探測(cè)器的能量-電荷轉(zhuǎn)換系數(shù)θ一般指平均值。第二十六頁，共三十九頁，2022年，8月28日3.3常見探測(cè)器的性能參數(shù)1能量—電荷轉(zhuǎn)換系數(shù)①氣體電離室氣體電離室探測(cè)帶電粒子時(shí)，能量-電荷轉(zhuǎn)換系數(shù)是氣體平均電離能W的倒數(shù)，即平均電離能是指帶電粒子在氣體中產(chǎn)生一個(gè)電子-離子對(duì)所消耗的平均能量，其數(shù)值主要決定于氣體的種類，和入射帶電粒子的種類和能量關(guān)系不大。各種電離室所充氣體的平均電離能大致為20~40eV取W=33ev，則30000離子對(duì)/Mev第二十七頁，共三十九頁，2022年，8月28日3.3常見探測(cè)器的性能參數(shù)1能量—電荷轉(zhuǎn)換系數(shù)②正比計(jì)數(shù)器正比計(jì)數(shù)器利用了氣體放大機(jī)理，電荷轉(zhuǎn)換系數(shù)為：其中，A是正比計(jì)數(shù)器的氣體放大倍數(shù)，其數(shù)值從幾十到幾千不等。氣體放大，可探測(cè)更低能量的粒子第二十八頁，共三十九頁，2022年，8月28日3.3常見探測(cè)器的性能參數(shù)1能量—電荷轉(zhuǎn)換系數(shù)③半導(dǎo)體探測(cè)器半導(dǎo)體探測(cè)器的電離與電荷收集過程與氣體電離室類似，也稱“固體電離室”。不過，半導(dǎo)體探測(cè)器每產(chǎn)生一個(gè)電子-空穴對(duì)的平均電離能比氣體探測(cè)器要小一個(gè)數(shù)量級(jí)。Si(室溫下)：3.61eVGe(液氮溫度下)：2.96eV氣體：20~40eV分辨率好很多第二十九頁，共三十九頁，2022年，8月28日3.3常見探測(cè)器的性能參數(shù)1能量—電荷轉(zhuǎn)換系數(shù)④閃爍探測(cè)器(+光電倍增管PMT時(shí))探測(cè)帶電粒子不是利用電離效應(yīng)而是利用激發(fā)效應(yīng)其能量-電荷轉(zhuǎn)換系數(shù)有兩個(gè)指標(biāo)：陰極能量-電荷轉(zhuǎn)換系數(shù)陽極能量-電荷轉(zhuǎn)換系數(shù)（其中，M是倍增系數(shù)）NaI(Tl)：G=30000光子/MeV(有機(jī)、液體、塑料更少)其陰極能量-電荷轉(zhuǎn)換系數(shù)約為：3000電子/Mev第三十頁，共三十九頁，2022年，8月28日3.3常見探測(cè)器的性能參數(shù)1能量—電荷轉(zhuǎn)換系數(shù)上述四種探測(cè)器的對(duì)比：電離室： 3×104電子離子對(duì)/MeV正比計(jì)數(shù)器： 3×104A電子離子對(duì)/MeV半導(dǎo)體探測(cè)器： 3×105電子空穴對(duì)/MeV閃爍探測(cè)器： 3×103M電子/MeV特別聲明上述討論是帶電粒子入射時(shí)的情況當(dāng)n、x或射線等中性粒子入射時(shí)，它們先與探測(cè)介質(zhì)發(fā)生相互作用而產(chǎn)生次級(jí)帶電粒子，然后次級(jí)帶電粒子再產(chǎn)生電離或激發(fā)效應(yīng)對(duì)中性粒子的能量-電荷轉(zhuǎn)換系數(shù)不只決定于探測(cè)介質(zhì)的平均電離能，還取決于它們產(chǎn)生次級(jí)帶電粒子時(shí)的能量轉(zhuǎn)換關(guān)系第三十一頁，共三十九頁，2022年，8月28日3.3常見探測(cè)器的性能參數(shù)2固有能量分辨率概念探測(cè)器中電離、激發(fā)、光電轉(zhuǎn)換以及倍增等過程都是隨機(jī)的，即使粒子能量全部轉(zhuǎn)換成粒子對(duì)，其粒子對(duì)數(shù)也是漲落的，呈高斯分布（能量展寬）影響系統(tǒng)能量分辨率的因素有很多。其中，由探測(cè)器的能量-電荷轉(zhuǎn)換過程所產(chǎn)生的離子對(duì)數(shù)N的漲落所決定的探測(cè)器的能量分辨率稱固有能量分辨率RD。這是探測(cè)器的理想能量分辨率對(duì)于高斯分布，有第三十二頁，共三十九頁，2022年，8月28日3.3常見探測(cè)器的性能參數(shù)2固有能量分辨率①電離室和半導(dǎo)體探測(cè)器離子對(duì)數(shù)及標(biāo)準(zhǔn)偏差：

其中，F(xiàn)為法諾因子(0<F<1)。對(duì)氣體電離室，F(xiàn)約為1/3；對(duì)半導(dǎo)體探測(cè)器，F(xiàn)約為0.05~0.2固有能量分辨率：半導(dǎo)體探測(cè)器RD要比氣體電離室好5、6倍第三十三頁，共三十九頁，2022年，8月28日3.3常見探測(cè)器的性能參數(shù)2固有能量分辨率②正比計(jì)數(shù)器由帶電粒子電離產(chǎn)生的電荷數(shù)N的漲落與電離室類似。但是由于氣體放大作用，輸出電荷數(shù)增大A倍，即：按照統(tǒng)計(jì)理論中兩級(jí)串聯(lián)隨機(jī)變量計(jì)算規(guī)則：正比計(jì)數(shù)器RD要比氣體電離室差1倍(F=1/3)第三十四頁，共三十九頁，2022年，8月28日3.3常見探測(cè)器的性能參數(shù)2固有能量分辨率③閃爍探測(cè)器閃爍體產(chǎn)生一個(gè)光電子所需能量約300eV或更多，而氣體電離室：約需30eV/電子-離子對(duì)。僅此一點(diǎn)就決定閃爍體的固有能量分辨率比氣體電離室差好幾倍。閃爍體發(fā)出的光子要經(jīng)過光電倍增管的陰極光電轉(zhuǎn)換和級(jí)聯(lián)倍增，伴隨的統(tǒng)計(jì)漲落使探測(cè)器的能量分辨率變差。測(cè)量137Cs的662keV射線時(shí)，NaI(Tl)的固有能量分辨率約為10%，好的也只有7~8%第三十五頁，共三十九頁，2022年，8月28日3.3常見探測(cè)器的性能參數(shù)3線性與穩(wěn)定性線性定義：是指探測(cè)器產(chǎn)生的離子對(duì)數(shù)平均值和所需消耗的粒子能量之間的線性程度。電離室和半導(dǎo)體探測(cè)器，在低能物理實(shí)驗(yàn)中，平均電離能幾乎與粒子能量無關(guān)，具有比較好的線性。例如Ge(Li)探測(cè)器，對(duì)于150keV到1.3MeV的射線，非線性偏差不大于0.2keV，和所給能區(qū)上限(1.3MeV)相比，不大于0.015%。而同樣條件下，閃爍探測(cè)器的非線性高達(dá)百分之幾。正比計(jì)數(shù)器在所加工作電壓比較低時(shí)，線性和電離室相近。第三十六頁，共三十九頁，2022年，8月28日3.3常見探測(cè)器的性能參數(shù)3線性與穩(wěn)定性穩(wěn)定性定義：是指能量-電荷轉(zhuǎn)換系數(shù)在環(huán)境溫度T和電源電壓V變化時(shí)的穩(wěn)定性1）氣體探測(cè)器平均電離能的溫度系數(shù)約10-4/℃正比計(jì)數(shù)器氣體放大倍數(shù)的溫度系數(shù)約10-4/℃正比計(jì)數(shù)器氣體放大倍數(shù)隨電源電壓的變化為(10~20)V/V第三十七頁，共三十九頁，2022年，8月28日3.3常見探測(cè)器的性能參數(shù)3線性與穩(wěn)定性穩(wěn)定性2）半導(dǎo)體探測(cè)器平均電離能的溫度系數(shù)為：硅：(3.9~6.7)×10-4eV/℃鍺：(3.0~8.0)×10-4eV/℃半導(dǎo)體探測(cè)器的結(jié)電容和外加電壓的關(guān)系因探測(cè)器類型和工作狀態(tài)而異。3）閃爍探測(cè)器閃爍體探測(cè)器主要的不穩(wěn)定因素是光電倍增管。光電倍增管倍增系數(shù)的溫度系數(shù)為：(0.1~0.5%)/℃隨電源電壓的變化為:(6~7)