核电子学1(2007)
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核电子学技术原理
核电子学技术原理
核电子学技术是一个广泛的领域。它与核能有关，用于实现发电、医学、环 境卫生和声学等多个领域。让我们一起来探构成原子核的基本粒子，分为质子和中 子。质子和中子的统称为子核。
核子数
原子核内所包含的质子数，在普通物质的元素 中，该数与各元素的位置有关。
控制棒
通过吸收中子来控制反应堆的反应速度。
核燃料
通常采用铀或钚等元素的化合物。原子核裂变 会释放出中子和大量的能量。
冷却剂
负责吸收热能并把它带走，以防止反应堆过热。
核电子学技术的未来发展方向
核聚变研究
研究新的聚变反应，为清洁能源 提供更好的来源。
医学应用
核电子学技术在医学领域有很多 应用，包括放射性同位素治疗和 放射性示踪。
电荷
质子具有正电，中子不带电荷，原子核的电子 数等于质子数。
尺度
原子核尺度非常小，其直径可视为电子云直径 的100,000分之一。
核反应的种类和特点
1
裂变
核裂变是一种将原子核分裂成两个质量接近的核片段的反应。它由中子诱导，释 放出大量能量。
2
聚变
核聚变是一种将轻核聚合成重核的反应。它能释放更多的能量，但需要更高的能 量。
研究技术
核电子学技术可以用于太空探索 和其他科技中。
3
融合
核融合是一种将重核分解成轻核的反应。它需要高能量和高温。
核能的释放和利用方式
核裂变
核聚变
太阳能
用于核发电，其他应用包括放射 性同位素生产、医学和军事领域。
目前正致力于开发核聚变发电站， 以在未来供应清洁能源。
一个免费、可持续的能源来源， 但依赖于气候、地理位置和四季 变化等因素。
核裂变与核聚变的区别与应用
核电子学技术是一个广泛的领域。它与核能有关，用于实现发电、医学、环 境卫生和声学等多个领域。让我们一起来探构成原子核的基本粒子，分为质子和中 子。质子和中子的统称为子核。
核子数
原子核内所包含的质子数，在普通物质的元素 中，该数与各元素的位置有关。
控制棒
通过吸收中子来控制反应堆的反应速度。
核燃料
通常采用铀或钚等元素的化合物。原子核裂变 会释放出中子和大量的能量。
冷却剂
负责吸收热能并把它带走，以防止反应堆过热。
核电子学技术的未来发展方向
核聚变研究
研究新的聚变反应，为清洁能源 提供更好的来源。
医学应用
核电子学技术在医学领域有很多 应用，包括放射性同位素治疗和 放射性示踪。
电荷
质子具有正电，中子不带电荷，原子核的电子 数等于质子数。
尺度
原子核尺度非常小，其直径可视为电子云直径 的100,000分之一。
核反应的种类和特点
1
裂变
核裂变是一种将原子核分裂成两个质量接近的核片段的反应。它由中子诱导，释 放出大量能量。
2
聚变
核聚变是一种将轻核聚合成重核的反应。它能释放更多的能量，但需要更高的能 量。
研究技术
核电子学技术可以用于太空探索 和其他科技中。
3
融合
核融合是一种将重核分解成轻核的反应。它需要高能量和高温。
核能的释放和利用方式
核裂变
核聚变
太阳能
用于核发电，其他应用包括放射 性同位素生产、医学和军事领域。
目前正致力于开发核聚变发电站， 以在未来供应清洁能源。
一个免费、可持续的能源来源， 但依赖于气候、地理位置和四季 变化等因素。
核裂变与核聚变的区别与应用
核电子学习题+答案+课后答案
对A点：
,
噪声均方值：
对B点：
，
噪声均方值：
第二章
2.1电荷灵敏前置放大器比电压灵敏前置放大器有什么优点？为什么把反馈电容称为积分电容，作用是什么？
优点：VOM稳定性高，能用高能量分辨能谱系统
Cf起积分作用，当A很大时，
2.2试对下图典型的电荷灵敏前置放大器电路在输入冲击电流I(t)=Q·δ(t)时，
1
【判断题】
电荷灵敏和电流灵敏析系统。
错
2
【判断题】
要提高放大电路输出稳定性，减小相对变化量，一般要求放大器开环增益A0必须很高。
对
3
【判断题】
信号由基极输入，发射极输出，构成共集电极放大电路，又叫射极跟随器。
对
4
【判断题】
放大电路中的自举电容，从本质上来说起到一种特殊形式的正反馈。
7.定时误差通常按误差产生的原因分为两类：___时移___和___时晃_。
8.放大器输出信息中，总是由：_信号__,__噪声__,__干扰__组成。
二、选择题：（每题2分，共20分）
1.下列探测器中，能量分辨率最佳的是（B）
A.闪烁体探测器B.半导体探测器C.电离室D.气体探测器
2.CR微分电路（高通滤波器）的频率响应为（A）
优点：有源滤波器更接近于理想的微分和积分特性，把放大和滤波成形连在一起，既节省元件，又比无源滤波器级数少，效果好。
4.改善放大器线性的方法，可以简单归结为：（1）合理选择工作点__。
（2）__采用负反馈_。
5.谱仪放大器基本上由____放大电路__和滤波成形电路组合而成，对滤波成形电路来讲，有_弹道亏损_____和__堆积畸变_两种信息畸变。
6.脉冲幅度甄别器是将__模拟脉冲__转换成__数字逻辑脉冲_输出的一种装置。
,
噪声均方值：
对B点：
，
噪声均方值：
第二章
2.1电荷灵敏前置放大器比电压灵敏前置放大器有什么优点？为什么把反馈电容称为积分电容，作用是什么？
优点：VOM稳定性高，能用高能量分辨能谱系统
Cf起积分作用，当A很大时，
2.2试对下图典型的电荷灵敏前置放大器电路在输入冲击电流I(t)=Q·δ(t)时，
1
【判断题】
电荷灵敏和电流灵敏析系统。
错
2
【判断题】
要提高放大电路输出稳定性，减小相对变化量，一般要求放大器开环增益A0必须很高。
对
3
【判断题】
信号由基极输入，发射极输出，构成共集电极放大电路，又叫射极跟随器。
对
4
【判断题】
放大电路中的自举电容，从本质上来说起到一种特殊形式的正反馈。
7.定时误差通常按误差产生的原因分为两类：___时移___和___时晃_。
8.放大器输出信息中，总是由：_信号__,__噪声__,__干扰__组成。
二、选择题：（每题2分，共20分）
1.下列探测器中，能量分辨率最佳的是（B）
A.闪烁体探测器B.半导体探测器C.电离室D.气体探测器
2.CR微分电路（高通滤波器）的频率响应为（A）
优点：有源滤波器更接近于理想的微分和积分特性，把放大和滤波成形连在一起，既节省元件，又比无源滤波器级数少，效果好。
4.改善放大器线性的方法，可以简单归结为：（1）合理选择工作点__。
（2）__采用负反馈_。
5.谱仪放大器基本上由____放大电路__和滤波成形电路组合而成，对滤波成形电路来讲，有_弹道亏损_____和__堆积畸变_两种信息畸变。
6.脉冲幅度甄别器是将__模拟脉冲__转换成__数字逻辑脉冲_输出的一种装置。
核电子学习题解答
习题解答第一章绪论1、核信息的获取与处理主要包括哪些方面的？①时间测量。
核信息出现的时间间隔是测定核粒子的寿命或飞行速度的基本参数，目前直接测量核信息出现的时间间隔已达到皮秒级。
②核辐射强度测量。
核辐射强度是指单位时间内核信息出现的概率，对于低辐射强度的测量，要求测量仪器具有低的噪声本底，否则核信息将淹没于噪声之中而无法测量。
对于高辐射强度的测量，由于核信息十分密集，如果信号在测量仪器中堆积，有可能使一部分信号丢失而测量不到，因此要求仪器具有良好的抗信号堆积性能。
对于待测核信息的辐射强度变化范围很大的情况(如核试验物理诊断中信号强度变化范围可达105倍)，如测量仪器的量程设置太小，高辐射强度的信号可能饱和；反之，如量程设置太大，低辐射强度的信号又测不到，因此对于这种场合的测量则要求测量仪器量程可自动变换。
③能谱测量。
辐射能谱上的特征是核能级跃迁及核同位素差异的重要标志，核能谱也是核辐射的基本测量内容。
精确的能谱测量要求仪器工作稳定、能量分辨力达到几个电子伏特，并具有抑制计数速率引起的峰位和能量分辨力变化等性能。
④位置测量。
基本粒子的径迹及空间位置的精确测定是判别基本粒子的种类及其主要参数的重要手段。
目前空间定位的精度可达到微米级。
⑤波形测量。
核信息波形的变化往往反映了某些核反应过程的变化，因此核信息波形的测量是研究核爆炸反应过程的重要手段，而该波形的测量往往是单次且快速(纳秒至皮秒级)的。
⑥图像测量。
核辐射信息的二维空间图像测量是近年来发展起来的新技术。
辐射图像的测量方法可分为两类：第一种是利用辐射源进行透视以摄取被测物体的图像；第二种是利用被测目标体的自身辐射(如裂变反应产生的辐射)以反映目标体本身的图像。
图像测量利用计算机对摄取的图像信息进行处理与重建，以便更准确地反映实际和提高清晰度。
CT技术就是这种处理方法的代表。
2、抗辐射加固主要涉及哪些方面？抗辐射加固的研究重点最初是寻找能减弱核辐射效应的屏蔽材料，后来在电路上采取某些抗辐射加固措施，然后逐渐将研究重点转向对器件的抗辐射加固。
核电子学第2课探测器ppt课件
低能X射线正比计数器——鼓形正比计数器
特点：有入射窗，常用Be(铍)窗。
多丝正比室和漂移室
多丝正比室的阴极为平板，阳极由平行的细丝组成多 路正比计数器。位置灵敏度达到mm量级，为粒子物理 等作出巨大贡献，于1992年获诺贝尔物理奖。
病原体侵入机体，消弱机体防御机能 ，破坏 机体内 环境的 相对稳 定性， 且在一 定部位 生长繁 殖，引 起不同 程度的 病理生 理过程
一、气体探测器
1.3脉冲电离室
电离室处于脉冲工作状态，电离室的输出信号仅反
映单个入射粒子的电离效应。可以测量每个入射粒
子的能量、时间、强度等。
脉冲电离室的输出信号：电荷信号，电流信号，电
压信号。
Q Ne E e W
电离室是一个理想的电荷源（其外回路对输出量无 影响）。
病原体侵入机体，消弱机体防御机能 ，破坏 机体内 环境的 相对稳 定性， 且在一 定部位 生长繁 殖，引 起不同 程度的 病理生 理过程
一、气体探测器
气体放大过程中正离子的作用 离子漂移速度慢，在电子漂移、碰撞电离等过程
中，可以认为正离子基本没动，形成空间电荷， 处于阳极丝附近，会影响附近区域的电场，使电 场强度变弱，影响电子雪崩过程的进行。 正离子漂移到达阴极，与阴极表面的感应电荷中 和时有一定概率产生次电子，发生新的电子雪崩 过程，称为离子反馈；也可以通过加入少量多原 子分子气体阻断离子反馈。
一、气体探测器
平板型电离室
病原体侵入机体，消弱机体防御机能 ，破坏 机体内 环境的 相对稳 定性， 且在一 定部位 生长繁 殖，引 起不同 程度的 病理生 理过程
一、气体探测器
圆柱型电离室
病原体侵入机体，消弱机体防御机能 ，破坏 机体内 环境的 相对稳 定性， 且在一 定部位 生长繁 殖，引 起不同 程度的 病理生 理过程
特点：有入射窗，常用Be(铍)窗。
多丝正比室和漂移室
多丝正比室的阴极为平板，阳极由平行的细丝组成多 路正比计数器。位置灵敏度达到mm量级，为粒子物理 等作出巨大贡献，于1992年获诺贝尔物理奖。
病原体侵入机体，消弱机体防御机能 ，破坏 机体内 环境的 相对稳 定性， 且在一 定部位 生长繁 殖，引 起不同 程度的 病理生 理过程
一、气体探测器
1.3脉冲电离室
电离室处于脉冲工作状态，电离室的输出信号仅反
映单个入射粒子的电离效应。可以测量每个入射粒
子的能量、时间、强度等。
脉冲电离室的输出信号：电荷信号，电流信号，电
压信号。
Q Ne E e W
电离室是一个理想的电荷源（其外回路对输出量无 影响）。
病原体侵入机体，消弱机体防御机能 ，破坏 机体内 环境的 相对稳 定性， 且在一 定部位 生长繁 殖，引 起不同 程度的 病理生 理过程
一、气体探测器
气体放大过程中正离子的作用 离子漂移速度慢，在电子漂移、碰撞电离等过程
中，可以认为正离子基本没动，形成空间电荷， 处于阳极丝附近，会影响附近区域的电场，使电 场强度变弱，影响电子雪崩过程的进行。 正离子漂移到达阴极，与阴极表面的感应电荷中 和时有一定概率产生次电子，发生新的电子雪崩 过程，称为离子反馈；也可以通过加入少量多原 子分子气体阻断离子反馈。
一、气体探测器
平板型电离室
病原体侵入机体，消弱机体防御机能 ，破坏 机体内 环境的 相对稳 定性， 且在一 定部位 生长繁 殖，引 起不同 程度的 病理生 理过程
一、气体探测器
圆柱型电离室
病原体侵入机体，消弱机体防御机能 ，破坏 机体内 环境的 相对稳 定性， 且在一 定部位 生长繁 殖，引 起不同 程度的 病理生 理过程
核电子学习题答案
1.1核电子学与一般电子学的不同在哪里? 以核探测器输出信号的特点来说明。
在核辐射测量中，最基本的特点是无论在信号的时间 特性上，或是幅度分布上，都具统计特性、非周期性、 非等值性，核电子学分析这种信号，经处理得到有用
的信息。
核探测器输出信号具微秒到皮秒的时间间隔和毫米到 微米级的空间分辨，对后续处理电路的要求高。
C.
d. 反
t<T/2 -T/2≤t≤T/2频谱：
1.10电路中，若输入电压信号V;(t)= δ (t), 求输出电压信号V。(t), 并画出波形图，其中 A-4为隔离用。
隔离作用
解：
a.传递函数：
b.Vi(t)=δ(t) V;(S)=1
c.输出信号在复频域中的表达式
引出问题二
c.根据时域卷积，频域相乘性质，求出输出信号在复 频域中的表达式；
V。(S)=V,(S)H(S)
d.其反拉斯变换，得到输出信号U。(t)在时域中的表 达式。
问题一：传递函数
(1)定义：在零状态下线性非时变系统中指 定输出信号与输入信号的拉普拉斯变换之比。
(2)RC 积分电路(低通滤波器)的传递函 数：
O
b.根据输入信号时域表达式求其拉斯变换：
即：
0≤t≤T t≥T
对其进行拉斯变换得：
c. 根据时域卷积，频域相乘性质，求出输出信号在复频域中 的表达式：
d. 对其反拉斯变换，得到输出信号Uo(t) 在时域中的表达式。
t<O
0≤t≤T
t>T
1.6表示系统的噪声性能有哪几种方法? 各有什么意义?输入端的噪声电压是否就 是等效噪声电压?为什么?
d. 对 域中的表达式。
言号Uo(t) 在时
1.12 设，( 系统的噪考功率谱密度为 ,当此噪声通过下图电路后，求A点与B点 的噪声功率谱密度与噪声均方值。
在核辐射测量中，最基本的特点是无论在信号的时间 特性上，或是幅度分布上，都具统计特性、非周期性、 非等值性，核电子学分析这种信号，经处理得到有用
的信息。
核探测器输出信号具微秒到皮秒的时间间隔和毫米到 微米级的空间分辨，对后续处理电路的要求高。
C.
d. 反
t<T/2 -T/2≤t≤T/2频谱：
1.10电路中，若输入电压信号V;(t)= δ (t), 求输出电压信号V。(t), 并画出波形图，其中 A-4为隔离用。
隔离作用
解：
a.传递函数：
b.Vi(t)=δ(t) V;(S)=1
c.输出信号在复频域中的表达式
引出问题二
c.根据时域卷积，频域相乘性质，求出输出信号在复 频域中的表达式；
V。(S)=V,(S)H(S)
d.其反拉斯变换，得到输出信号U。(t)在时域中的表 达式。
问题一：传递函数
(1)定义：在零状态下线性非时变系统中指 定输出信号与输入信号的拉普拉斯变换之比。
(2)RC 积分电路(低通滤波器)的传递函 数：
O
b.根据输入信号时域表达式求其拉斯变换：
即：
0≤t≤T t≥T
对其进行拉斯变换得：
c. 根据时域卷积，频域相乘性质，求出输出信号在复频域中 的表达式：
d. 对其反拉斯变换，得到输出信号Uo(t) 在时域中的表达式。
t<O
0≤t≤T
t>T
1.6表示系统的噪声性能有哪几种方法? 各有什么意义?输入端的噪声电压是否就 是等效噪声电压?为什么?
d. 对 域中的表达式。
言号Uo(t) 在时
1.12 设，( 系统的噪考功率谱密度为 ,当此噪声通过下图电路后，求A点与B点 的噪声功率谱密度与噪声均方值。
核电子学 Nuclear Electronics
子学各分支技术成就中发展的，同时也作出了自己的贡献。如核电子学中对脉冲幅度 和时间间隔的精密测量和甄别技术，对40年代雷达和电子计算机的发展提供了有益的 经验。在核电子学中还首先发展了纳秒脉冲技术，并在多道脉冲幅度分析技术基础上 发展出高速模-数转换技术等。核电子学的研究对象包括：①各种辐射探测器和与之相 应的电子电路或系统。②针对核信息的随机性、统计性或单次性等特点的电子学测量 技术，时间间隔（微秒到皮秒）、空间分辨（毫米到微米）。③配有在线电子计算机 的核电子系统，用于在核技术和高能物理实验中实时获取并处理巨量核信息，在实验 全过程中对整个系统工作的监测和控制。④核技术在工业、农业、军事、医学、生物 研究等方面应用时所需的各种辐射探测技术和电子技术。例如，20世纪70年代以后， 核医学诊断吸收了核电子学方法，使同位素扫描技术发展成γ照相机技术，又进而发展 成断层照相技术。
主放大器
计数器
前置放大器
信号处理
数据获取和处理
核电子学系统组成框图
探测器 前置放大器
能量信息 时间信息 位置信息
幅度分析 时间分析
探测器 前置放大器
线性放大 滤波成形
堆积判弃 基线恢复
时间检出
快放大器
幅度甄别
至
数
模数变换
据
获
取
和
处
时幅变换
理
系
时间数字变换
统
时间甄别
实验测量系统的组成
探测器
核电子学系统
• 辐射、电磁辐射、核（电离）辐射
• 该输出电流具有一定的形状，即有一定时间特性， 所以可用于时间分析；
• 如在输出电容上取积分电压信号，电压幅度正比
于E，可做入射粒子更能多量的测知量识。 可在《核辐射探测与测量方法》课中学习
主放大器
计数器
前置放大器
信号处理
数据获取和处理
核电子学系统组成框图
探测器 前置放大器
能量信息 时间信息 位置信息
幅度分析 时间分析
探测器 前置放大器
线性放大 滤波成形
堆积判弃 基线恢复
时间检出
快放大器
幅度甄别
至
数
模数变换
据
获
取
和
处
时幅变换
理
系
时间数字变换
统
时间甄别
实验测量系统的组成
探测器
核电子学系统
• 辐射、电磁辐射、核（电离）辐射
• 该输出电流具有一定的形状，即有一定时间特性， 所以可用于时间分析；
• 如在输出电容上取积分电压信号，电压幅度正比
于E，可做入射粒子更能多量的测知量识。 可在《核辐射探测与测量方法》课中学习
《核电子学》习题解答
第一章1.1 核电子学与一般电子学的不同在哪里？以核探测器输出信号的特点来说明。
在核辐射测量中，最基本的特点是它的统计特性、非周期性、非等值性，核电子学分析这种信号，经处理得到有用的信息。
1.4 当探测器输出等效电流源/0()t o i t I e τ-=时，求此电流脉冲在探测器输出回路上的输出波形并讨论R 0C 0<<τ的情况。
V 0(s) = I 0(s)·[R 0∥(1/sc)]= I 0[1/(s+1/τ)]·[R 0(1/sc 0)/( R 0+(1/sc 0)) =( I 0/ c 0)·{1/[(s+1/τ) (s+1/ R 0 c 0)]}∴当R 0 c 0<<τ时，τ－R 0 c 0≈τ∴1.5 如图，设，求输出电压V(t)。
1.6 表示系统的噪声性能有哪几种方法？各有什么意义？输入端的噪声电压是否就是等效噪声电压？为什么？ENV ENC ENN ENE η(FWHM)NE不是1.7 设探测器反向漏电流I D =10-8A ，后级电路频宽为1MHz,计算散粒噪声相应的方根值和相对于I D 的比值。
115.6610A -==⨯=35.6610DI -=⨯=1.8 试计算常温下（设T=300K ）5M Ω电阻上相应的均方根噪声电压值（同样设频宽为1MHz ），并与1MHz 能量在20pF 电容上的输出幅值作比较。
52.8810V -===⨯∵212E CV =∴0.126V V ==1.9求单个矩形脉冲f （t ）通过低通滤波器，RC=T ，RC=5T ，及RC=T/5，时的波形及频谱。
1.10 电路中，若输入电压信号V i （t ）=δ（t ），求输出电压信号V 0（t ），并画出波形图，其中A=1为隔离用。
t1.12 设一系统的噪声功率谱密度为2222()//i S a b c ωωω=++，当此噪声通过下图电路后，求A 点与B 点的噪声功率谱密度与噪声均方值。
核电子学第3课探测器及其输出信号PPT课件
当射线入射到闪烁晶体时，先使闪烁体中的分子或原子激 发，然后退激时发出荧光，此光脉冲射到光电倍增管的光 阴极上转换成光电子，通过管内逐级倍增，最后在阳、光阴极的灵 敏度及光电倍增管的倍 增系数有关。
一、核辐射探测器及其输出信号
1.2核辐射探测器的主要类别和输出信号
线性响应
在一定范围内探测器所给出的信息，与入射粒子相应的 物理量是否成线性的标志。
稳定性
通常，温度和电源的变化会引起探测器性能的不稳定； 因此，探测器对工作环境温度和高压电源供电电压的 稳定性有一定要求。
另外，衡量探测器性能还有抗辐射损伤，粒子鉴别能力 等。
一、核辐射探测器及其输出信号
1.4核辐射探测器的输出电路
一、核辐射探测器及其输出信号
1.4核辐射探测器的输出电路
脉冲电离室
一、核辐射探测器及其输出信号
1.4核辐射探测器的输出电路
脉冲电离室
脉 冲 电 离 室 输 出 波 形
一、核辐射探测器及其输出信号
1.4核辐射探测器的输出电路
半导体探测器
一、核辐射探测器及其输出信号
1.4核辐射探测器的输出电路
1.5核辐射探测器输出信号的数学模拟
各类核辐射探测器通过后接输出电路，将被测量 的核辐射信息转换成具有一定特性形状的波形。 当信号延迟时间与输出电路时间常数相比小得多 时，可以认为核辐射探测器信号主要以脉冲形式 出现，探测到的单个或一群粒子转化成单个或一 系列电脉冲，而且，当电荷收集时间较短时，可 以认为是一种持续时间极短的电流冲击脉冲。
核辐射探测器可以看成为一个电流信号源 i(t)，在 作时间测量时，由于要求保持时间信息，可以直 接利用这种电流源的时间特性。在作能谱分析时， 因为与能量成正比的量是探测器收集的电荷或电 荷在电容上的积分电压，所以要求探测器输出电 荷或电压信号。如果既要作时间测量，又要作能 量测量，则应要求探测器既输出电流信号又输出 电荷信号。
一、核辐射探测器及其输出信号
1.2核辐射探测器的主要类别和输出信号
线性响应
在一定范围内探测器所给出的信息，与入射粒子相应的 物理量是否成线性的标志。
稳定性
通常，温度和电源的变化会引起探测器性能的不稳定； 因此，探测器对工作环境温度和高压电源供电电压的 稳定性有一定要求。
另外，衡量探测器性能还有抗辐射损伤，粒子鉴别能力 等。
一、核辐射探测器及其输出信号
1.4核辐射探测器的输出电路
一、核辐射探测器及其输出信号
1.4核辐射探测器的输出电路
脉冲电离室
一、核辐射探测器及其输出信号
1.4核辐射探测器的输出电路
脉冲电离室
脉 冲 电 离 室 输 出 波 形
一、核辐射探测器及其输出信号
1.4核辐射探测器的输出电路
半导体探测器
一、核辐射探测器及其输出信号
1.4核辐射探测器的输出电路
1.5核辐射探测器输出信号的数学模拟
各类核辐射探测器通过后接输出电路，将被测量 的核辐射信息转换成具有一定特性形状的波形。 当信号延迟时间与输出电路时间常数相比小得多 时，可以认为核辐射探测器信号主要以脉冲形式 出现，探测到的单个或一群粒子转化成单个或一 系列电脉冲，而且，当电荷收集时间较短时，可 以认为是一种持续时间极短的电流冲击脉冲。
核辐射探测器可以看成为一个电流信号源 i(t)，在 作时间测量时，由于要求保持时间信息，可以直 接利用这种电流源的时间特性。在作能谱分析时， 因为与能量成正比的量是探测器收集的电荷或电 荷在电容上的积分电压，所以要求探测器输出电 荷或电压信号。如果既要作时间测量，又要作能 量测量，则应要求探测器既输出电流信号又输出 电荷信号。
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1.探测原理 2.特点 3.闪烁体 4.光电倍增管 5.闪烁计数器性能
常用核探测器——闪烁计数器
闪烁计数器
1.探测原理
利用射线引起闪烁体的发光而进行记录的辐射探测器 。 1947年由J.W. 科尔特曼和 H.P.卡尔曼所发明 。它由 闪烁体、光电倍增管(见光电管)和电子仪器等单元组成。 射线同闪烁体相互作用，使其中的原子、分子电离或激
应用范围： 石油测井、地质勘探、 核医学、环境 监测、高能物理等领域。
常用核探测器——闪烁计数器
3.闪烁体—物理性能
常用核探测器——闪烁计数器
3.闪烁体—光谱特性
常用核探测器——闪烁计数器
3.闪烁体
常用核探测器——闪烁计数器
闪烁计数器
4.光电倍增管
今天我们使用的光电器件中，光电倍增管（PMT）是一种具有极高 灵敏度和超快时间响应的光探测器件。典型的光电倍增管如图1所示， 在真空管中，包括光电发射阴极（光阴极）和聚焦电极、电子倍增极 和电子收集极（阳极）的器件。 当光照射光阴极，光阴极向真空中激发出光电子。这些光电子按聚焦 极电场进入倍增系统，通过进一步的二次发射得到倍增放大。放大后 的电子被阳极收集作为信号输出。 因为采用了二次发射倍增系统，光电倍增管在可以探测到紫外、可见 和近红外区的辐射能量的光电探测器件中具有极高的灵敏度和极低的 噪声。光电倍增管还有快速响应、低本底、大面积阴极等特点。
常用核探测器——闪烁计数器
外部电路
光电倍增管的输出电流流入阻容电路。电 阻为PMT的负载电阻和放大电路的的输入 阻抗的并联，电容为PMT的分布电容和输 入电容的并联。
常用核探测器——闪烁计数器
电信号的形状决定于PMT输出电荷的衰减常数t1 （即，输入光信号的衰减）和放大电路阻容时间 常数t2。
气体探测器
气体探测器
气体探测器的特点： 探测器的灵敏体积大小和形状几乎不受 限制；
没有辐射损伤或极易恢复；
经济可靠。
气体探测器
气体探测器
气体探测器的工 作电压
气体探测器
气体探测器
电离室
气体探测器
气体探测器
电离室 脉冲电离室：记录单个 辐射粒子，主要用于测 量重带电粒子的能量和 强度。 电流电离室：记录大量 粒子平均效应，主要用 于测量X, g, b 和中子的 强度或通量。
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光电倍增管
常用核探测器——闪烁计数器
光电倍增管
常用核探测器——闪烁计数器
4.光电倍增管—光电倍增管的光谱响应
常用核探测器——闪烁计数器
4.光电倍增管
光电倍增管的参数
辐照灵敏度：
• 标准频率和功率的光照射，电信号的输出强度和入射 光强度之比。辐照灵敏度定义为安培／流明
阴极暗电流：在没有光入射的情况下，仍有电流输 出。
• 热电子发射，因此应让光电倍增管工作在较低的温度下 • 残余气体电离：电子电离管内的残余气体，电离出的正离 子会打击在打拿极上产生了新的电子，电子随后被打拿极 放大产生信号，这种噪音出现在正常信号的尾端。 • 玻璃闪烁：环境射线或玻璃内射线，引起的非正常的电信 号输出。 • 漏电流：光电倍增管内结构材料绝缘或表面的电流 • 场发射：工作电压过高时，产生的尖端放电电子引起。
-U0
U 0 rc (r ) ln r ra
rc
A Ne / C
常用核探测器——闪烁计数器
3.闪烁体
NaI(Tl)主要性能： 密度：3.67 g/cm3 熔点：651℃ 莫氏硬度：2.1 热膨胀系数：47.4 x 10-6 K-1 解理面：(100) 最大发射波长处折射率：1.85 最大发射波长：415 nm 衰减常数：250 ns 光产额：38 x 103 Photons / MeV γ
电流放大：
• 相同光强照射下阴极电流和阳极电流之比，这个比值 在光电倍增管工作时保持稳定。
常用核探测器——闪烁计数器
量子效应：
• 产生的光电子数和入射的光子数之比，和辐照 灵敏度直接相关。
光谱效应：
• 辐照灵敏度随光频率的变化而产生的变化，因 此光电倍增管具有仅对某些波段的光灵敏特性
常用核探测器——闪烁计数器
因此需要根据实际需要选择反射方法和组合反方法。
常用核探测器——闪烁计数器
接受均匀性
• 粒子穿过闪烁体的不同位置会造成光传播到光 探测器的衰减不同，波形有变化，因此对作为 量能器的闪烁体探测器，需要进行特殊的设计 使光接收度趋向均匀。 • 闪烁体和探测器的耦合可以使用光导，光导的 使用会进一步弱化所收集的光子。
• 当t2很大时，电荷释放很慢，PMT电荷逐渐积累， PMT的输出电压信号从零逐渐增长至最大值。
• 当t1很大时，电荷得不到积累就被释放掉，因此PMT 的电压信号幅值很小，而且时间宽度窄。
因此PMT的放大电路需要接合实际的需要和闪烁 体的特征参数来设计。
常用核探测器——闪烁计数器
5.闪烁计数器性能
-U0 d z 阳极 ++++++++ - - - - - - - 阴极
0
气体探测器
气体探测器
脉冲波形
0 t
Nez U (t ) Cd
-Nez/Cd -Ne/C -U
Ne Ee U (t ) C Cw
气体探测器
气体探测器
正比计数器：脉冲幅度正比于入射粒子能量。 电场强度： 脉冲电压：
常用核探测器——闪烁计数器
时间特性：
• 脉冲上升时间：电脉冲信号从辐度的10％上升 到90％的时间，约1～30ns。 • 渡越时间：从光进入光电倍增管到电信号输出 的时间，约6～50ns。
• 渡越时间涨落：渡越时间的分布的半宽度， 0.1ns～1ns。
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高压极性：
• 多数高压倍增管，将阳极接地而阴极工作在负高压， 负高压容易和处在地电位的磁屏蔽之间发生放电而引 起噪音。可在两者之间增设一层和阴极同电位的电极 层，将放电排除在真空管以外 • 可以使阴极处于地电位，而阳极处在正高压。但是在 阳极到前端电子学电路之间串接耐高压电容隔直。使 最初的打拿极不会发生放电。
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PET用探测器模块
气体探测器
气体探测器
电离室
正比计数器
多丝正比室
G-M计数管
气体探测器
气体探测器
气体探测器
气体探测器
核辐射引起的气体电离 初级电离：入射粒子与气体分子或原子直接 碰撞而导致的气体电离； 次级电离：直接电离所产生的电子或紫外光 及X射线而导致的气体电离。 复合过程：正离子和电子或负离子复合成中 性粒子的过程。
《常用核电子技术 》
Nuclear Electronics
物理工程学院—赵书俊
第一部分：探测器、信号、噪声和分析方法 常用核探测器 核探测器的信号 信号和噪声分析方法 核电子学噪声 核探测器的高压电源
常用核探测器
常用核探测器
一般将探测器分为两大类，一是“径迹型”探测 器，如照像乳胶、云室、气泡室、火花室、电介 质粒子探测器和光色探测器等，它们主要用于高 能粒子物理研究领域。二是“信号型”探测器， 包括电离计数器，正比计数器，盖革计数管，闪 烁计数器，半导体计数器和契伦科夫计数器等。 闪烁计数器 气体探测器，丝室 半导体探测器
发，被激发的原子、分子退激时发出微弱荧光，荧光被
收集到光电倍增管，倍增的电子流形成电压脉冲，由电 子仪器放大分析和记录 。
常用核探测器——闪烁计数器
闪烁计数器
常用核探测器——闪烁计数器
常用核探测器——闪烁计数器
常用核探测器——闪烁计数器
闪烁计数器
2.探测器特点
闪烁计数器的优点是效率高，有很好的时间分辨率和空间
应用范围： 石油测井、地质勘探、 核医学、环境监测、 高能物理等领域。
常用核探测器——闪烁计数器
3.闪烁体
BGO晶体： BGO是Bi2O3-GeO2系化合物的总称 锗酸铋的缩写，目前又往往特指其中的一 种化合物Bi4Ge3O12。这种BGO是一种 闪烁晶体，无色透明。当一定能量的电子、 γ射线或重带电粒子进入BGO时，它能发 出蓝绿色的荧光，记录荧光的强度和位置， 就能计算出入射电子、γ射线等的能量和 位置。这就是BGO的“眼睛”作用，即可 用作高能粒子的“探测器”。
常用核探测器——闪烁计数器
光衰减长度
• 光子在闪烁体中传播按指数规律衰减，除了对 吸收光谱中光子的吸收外，闪烁体的衰减常数 是闪烁体的一个重要参数。
• 在实际的闪烁体中，闪烁体的边界反射会助长 这种衰减。
常用核探测器——闪烁计数器
探测效率
• 闪烁探测器对带电粒子的探测效率很高，此处 多指对Gamma光子的探测效率。
常用核探测器——闪烁计数器
磁场效应：
• 磁场的存在会影响电子的移动轨迹，而使部分 电子不能被下一级的打拿极接收到，从而降低 了放大倍数。 • 光电倍增管多放置在磁场屏蔽套中，减小磁场 的影响。
常用核探测器——闪烁计数器
线性和饱和：
• 入射光超过一定数值时，光阴极的光电转换达 到饱和。 • 高压过高，放大倍数大造成后几级打拿极之间 的漂移电荷影响了电场分布从而造成电子增益 缩小。