各类核物理探测器比较 - 副本

参考文献 近代物理实验 第二版 黄润生
二．探测器的分类和原理
1.气体探测器
气体探测器根据工作电压的不同，主要有电离室、正比计数器和G-M计数器三类。
基本原理：
气体电离：当带电粒子通过气体时，与气体分子的电离碰撞而逐次损失能量，最后被阻止在探测器中。碰撞的结果使气体分子电离或激发，并在粒子通过的径迹上生成大量的电子－离子对。上述电离过程包括入射粒子直接与气体分子碰撞引起的电离，以及由碰撞打出的高速电子（电子）引起的电离。
电离室：
•主体由两个处于不同电位的电极组成。
•电极大多是平行板和圆柱形的，也有球形或其他形状的。
•平板电离室的两个电极通常是圆形金属板。为了减少电场的边缘效应，应使两电极的间距远小于它们的直径，且两极板精确平行。
•圆柱形电离室中心的收集极一般是一个圆棒或一根金属丝。圆柱形外壳是阴极，用不锈钢、铝、黄铜等材料制成。
正比计数器
～6%（β）
适用于低能β谱的测量，但最大一般限于1Mev以下。
闪烁计数器
1.8%（α）
～6%（β）
分辨时间小，适合于符合测量。能测量射程较大的粒子。灵敏面积较大，但分辨率差。
半导体计数器
～0.2%（α及β）
能量分辨率好，小巧，使用方便，线性响应好，时间分辨小。但灵敏面积小，且温度效应和辐射损伤效应较大。
闪烁体：
闪烁体是一类能吸收能量，并能在大约一微秒或更短的时间吧所吸收iud一部分能量以光的形式再发射出来的物质。闪烁体分为无机和有机两大类。闪烁体必须具备的性能是：对自身发射的光子应是高度透明的。闪烁体吸收它自己发射的一部分光子所占的比例随闪烁材料而变化。无机闪烁体[如Nal（Tl），ZnS（Ag）]几乎是100%透明的，有机闪烁体（如蔥，塑料闪烁体，液体闪烁体）一般来说透明性较差。现在常使用的几种闪烁体是：（1）无机晶体，主要是含杂质或不含杂质的碱金属碘化物；（2）有机晶体，在都是未取代的或取代的芳香碳氢化合物；（3）液态的有机溶液，即液体闪烁体；（4）塑料溶液中的有机溶液，即固溶闪烁体。
3.半导体探测器
半导体探测器（semiconductor detector）是 以半导体材料为探测介质的辐射探测器。最通用的半导体材料是锗和硅，其基本原理与气体电离室相类似，但探测介质是半导体。故又称固体电离室。最适合的非注入电极就是半导体的PN结的两个面。当带电粒子射入结区后，通过与半导体材料相互作用，很快地损失掉能量，此能量将使电子由满带跳到空带上去，于是在空带上有了电子，在满带中留下了空穴，形成了所谓的电子-空穴对。在电场作用下，电子和空穴分别向两极移动，于是在输出回路中就形成信号。
单个粒子射到探测器的灵敏体积内就有可能形成一个可以记录的信号，形成信号的概率就是探测效率。输出脉冲信号的幅度、前沿、宽度等直接影响到探测器的能量分辨率和时间特性。实际测量时许多粒子连续不断地进入探测器，只要这些粒子形成的脉冲信号可以彼此分开，就可以把它们当做单个粒子处理。探测器工作在此状态下称为脉冲工作方式。探测器也可以是电流工作方式，即大量粒子产生的平均电流。剂量的测量、反应堆的控制等就是用到这种方式。脉冲方式相对而言使用更普遍，因为它的灵敏度更高，且能给出更多的信息。一下仅对三类最常见的探测器进行简述和比较。
负离子的形成会使脉冲的快成分受损失。所以脉冲电离室要注意气体纯度，减少负电性气体杂质。
2.闪烁探测器
探测原理：
闪烁探测器是主要由闪烁体、光的收集部件和光电转换器件组成的辐射探测器。现代闪烁探测器往往配备有计算机系统来处理结果。当粒子进入闪烁体时，闪烁体的原子或分子受激而产生荧光。利用光导和反射体等光的收集部件使荧光尽量多地射到光电转换器件的光敏层上并打出光电子。这些光电子可直接或经过倍增后，由输出级收集而形成电脉冲。光阴极产生的电子数量与照射到它上面的光子数量成正比例，即放射性同位素的量越多，在闪烁体上引起闪光次数就越多，从而仪器记录的脉冲次数就越多。早在1903年就有人发现 α粒子照射在硫化锌粉末上可产生荧光的现象。但是，直到 1947年，将光电倍增管与闪烁体结合起来后才制成现代的闪烁探测器。很多物质都可以在粒子入射后而受激发光，因此闪烁体的种类很多,可以是固体、液体或气体。闪烁体是其核心，在很大程度上决定了一台计数器的质量。具体装置示意图如下：
3.气体探测器的特点：
1）物质密度小。
2）探测器的灵敏体积大小和形状几乎不受限制；
3)没有辐射损伤或极易恢复；
4)经济可靠，制备简单，使用方便。
闪烁体探测器：
目前较好的闪烁探头分辨时间可优于零点几毫微秒，是核辐射探测器分辨时间最快的一种。
半导体探测器：优点是1.同样能量的带电粒子在半导体中产生的离子对数要比在气体中产生的多约一个量级，因而电荷数的相对统计涨落也就小得多，所以半导体探测器的能量分辨率很高。2.带电粒子在半导体中形成的电离密度要比在一个大气压的气体中形成的高，大约为三个量级，所以当测高能电子或γ射线时半导体探测器的尺寸要比气体探测器小得多，因而可以制成高空间分辨和快时间响应的探测器。3.测量电离辐射的能量时，线性范围宽。缺点是：1.对辐射损伤较灵敏，受强辐照后性能变差。2.常用的锗探测器，需要在低温下工作，甚至要求在低温下保存，使用不便。
三．各类探测器之间的比较
1.各种探测器的电荷收集时间和分辨时间概况
探测器
电荷收集时间（s）
分辨时间（s）
气体探测器
电子电离室
~
正比计数管
~
G-M计数管
~
闪烁探测器
无机闪烁探测器
有机闪烁探测器
半导体探测器
PN结半导体探测器
锂漂移探测器
2.能量分辨率
类型
能量分辨率
其他特点
电离室
0.25%（α）
源的面积可以很大，有利于低比放射性的测量，但换源不方便，不适合电子能量测量。
探测器总结
一．探测器本性能
核物理发展至今，已经出现了各种各样的探测器。最常见的是气体探测器、闪烁探测器和半导体探测器。这之中，为了适应各种需要，每种探测器又有多种不同的类型。事实上，对于探测器的衡量，其基本性能指标为：探测器的效率、能量分辨率、时间分辨率、适用范围等等。这些主要可以通过分析各种探测器的信号形成过程和输出脉冲的形状来了解。
•电极之间用绝缘体隔开，是电离室的关键部件。
带电粒子在电场作用下向两极移动。
电离室及所有气体探测器的输出脉冲都是由于电子和正离子分别在阳极上感应的电荷产生的，它始于离子对生成，终于离子对全部收集。
脉冲的变化率取决于漂移速度。在t< T-时间内，脉冲前沿主要是电子的贡献，构成脉冲的快成分，但它的幅度与电离产生的地点有关；在T-< t < T+时间内，主要是离子贡献，这是脉冲的慢成分。最终脉冲幅度只决定于总电离对数目，与电离地点无关。