2.10 核辐射式检测元件
核辐射三大探测器-半导体
空穴浓度： p NA 受主杂质浓度
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Doping with valence 5 atoms Doping with valence 3 atoms
N-type semiconductor P-type semiconductor
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2、载流子浓度和补偿效应 1) 载流子浓度
第十章
半导体探测器
Semiconductor
Detector
2021/3/11
1
半导体探测器的基本原理是带电粒子在半导 体探测器的灵敏体积内产生电子－空穴对，电子 －空穴对在外电场的作用下漂移而输出信号。
我们把气体探测器中的电子－离子对、闪烁 探测器中被 PMT第一打拿极收集的电子 及半导 体探测器中的电子－空穴对统称为探测器的信息 载流子。产生每个信息载流子的平均能量分别为 30eV(气体探测器)，300eV(闪烁探测器)和3eV(半 导体探测器)。
方向；
P
IG－ 在结区内由于热运动产 生的电子空穴对；
If
IG gWe
IS－ 少子扩散到结区。
IG，IS的方向为顺内电场方向。
平衡状态时： If IGIS 2021/3/11
N
IG , IS
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(3于结区电阻率很高，电 位差几乎都降在结区。
反向电压形成的电场与内电场方向一致。 外加电场使结区宽度增大。反向电压越高，结区 越宽。
的半导体称为N 型半导体。
电子浓度： n ND
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施主杂质浓度
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4)受主杂质(Acceptor impurities)与受主能级
受主杂质为III族元素，其电离电位 EA很低，受主杂质的能级一定很接近禁 带底部(即价带顶部)，室温下价带中电 子容易跃迁这些能级上；在价带中出现 空穴。所以，此时多数载流子为空穴， 杂质原子成为负电中心。掺有受主杂质 的半导体称为P 型半导体。
核辐射检测仪 常见技术
核辐射检测仪常见技术核辐射检测仪是一种用于检测和测量环境中核辐射水平的仪器。
它主要用于核电厂、医院、科研机构等场所，以确保人员和环境的安全。
核辐射检测仪常见技术包括闪烁探测器、电离室、半导体探测器和荧光体探测器等。
一、闪烁探测器闪烁探测器是核辐射检测仪中常用的一种技术。
它利用某些物质在受到核辐射激发后产生闪光的特性来测量辐射水平。
这种探测器通常由闪烁晶体和光电倍增管组成。
当核辐射进入闪烁晶体时，晶体中的原子被激发并产生光子，光子经过光电倍增管放大后被检测。
通过测量闪烁光子的数量和能量，可以确定核辐射的类型和强度。
二、电离室电离室是一种常见的核辐射检测技术。
它利用核辐射与气体分子的相互作用产生离子对来测量辐射水平。
电离室通常由一个带电电极和一个接地电极组成。
核辐射进入电离室后，与气体分子相互作用产生离子对，离子对被电场吸引到电极上，产生电流。
通过测量电离室中的电流大小，可以确定核辐射的强度。
三、半导体探测器半导体探测器是一种利用半导体材料的电导率变化来测量核辐射的技术。
半导体探测器通常由P型和N型半导体材料组成。
当核辐射进入半导体材料时，会激发半导体中的电子和空穴，导致电导率的变化。
通过测量电导率的变化，可以确定核辐射的强度和能量。
四、荧光体探测器荧光体探测器是利用某些物质在受到核辐射激发后产生荧光的特性来测量辐射水平的技术。
荧光体探测器通常由荧光体和光电倍增管组成。
当核辐射进入荧光体时，荧光体中的原子被激发并产生荧光，荧光经过光电倍增管放大后被检测。
通过测量荧光的强度和能量，可以确定核辐射的类型和强度。
以上所述的闪烁探测器、电离室、半导体探测器和荧光体探测器是核辐射检测仪中常见的技术。
它们各自利用不同的物理原理来测量核辐射的强度和能量。
在实际应用中，根据不同的需求和场景，可以选择合适的技术来进行核辐射检测。
这些技术的不断发展和改进，使得核辐射检测仪在核安全和环境保护方面发挥了重要作用。
通过准确测量和监测核辐射水平，可以及时采取相应的防护措施，保障人员和环境的安全。
2.10 核辐射式检测元件
2
γ射线通过物质时强度衰减
I I0e
x
• 为物质对射线的吸收系数。 • 吸收系数随吸收物质的材料和γ射线的能量 而改变，它是三种效应的综合结果 • • 式中为 光电吸收系数；为康普顿吸收系数； 为电子对生成吸收系数。
粒子的性质
带电量 α粒子 β粒子 ＋2e -e 质量 4u 0.00055u 速度 20km/s 电离 贯穿 能力 能力 很强 很弱
200km/s 较弱 较强
γ射线
0
0
光速
极弱 极强
放射源的强度衰减特性
• 放射源的辐射强度随时间按指数定律而衰减，即
I I 0e
t
• • • •
I0：开始时的放射源强度； I：经过时间t后放射源强度； 为放射性衰变常数，与外界条件无关； T0.5:半衰期,放射性同位素的原子核数衰减到一 半时所需时间
电离曲线
β射线的多电极电离室
1、2—端子；
3、4—圆柱电极；
5、6－圆柱电极
2.闪烁计数器
•射线进入闪烁体时，使闪烁体的原子被电离和激发， 受激原子退激时会发光； •光透过闪烁体射到光电倍增管的阴极上，经过光电 倍增管的倍增，在其阳极上形成电流脉冲； •最后通过输出电路进行显示、分析。
探测原理
闪烁体
• 闪烁体是一类能吸收能量，并能在大约一微秒 或更短的时间内把所吸收的一部分能量以光的 形式再发射出来的物质。 • 闪烁体分为无机闪烁体和有机闪烁体两大类， 闪烁体必需具备的性能是：对自身发射的光子 应是高度透明的。 • 常用的几种闪烁体是：⑴无机晶体，主要是含 杂质或不含杂质的碱金属碘化物；⑵有机晶体， 都是未取代的或取代的芳香碳氢化合物；⑶液 态的有机溶液，即液体闪烁体；⑷塑料溶液中 的有机溶液，即固溶闪烁体。
检测核辐射的仪器
检测核辐射的仪器
检测核辐射的仪器主要包括以下几种：
1. Geiger-Muller计数管：一种最常见的核辐射检测仪器，基于放射性粒子碰撞气体产生电离，通过测量放射性粒子引起的电离事件计数来检测核辐射。
2. 闪烁体探测器：使用闪烁体材料，当核辐射通过闪烁体时，闪烁体会发生电离和激发，产生可见光信号，通过测量闪烁体所发出的光信号强度来检测核辐射。
3. 等离子体放射计：使用带正电的粒子形成等离子体，通过测量等离子体的电荷和电流变化来检测核辐射。
4. 电离室：使用电离室中的空气或其他气体，在辐射通过时产生电离，通过测量电离室内的电离事件计数来检测核辐射。
5. 能谱仪：用于测量放射性核素的能量谱的仪器，通过测量电离辐射在物质中沉积的能量来判断放射性粒子的类型和强度。
这些仪器可以用于检测不同类型的核辐射，如阿尔法粒子、贝塔粒子、伽玛射线等。
在核能、医疗、环境监测等领域都有广泛应用。
《核辐射传感器》课件
核辐射传感器应用举例核能及来自射监测用于核电站、核材料处 理厂和辐射实验室等环 境中的辐射监测。
医学
在放射治疗、核医学和 放射诊断中用于辐射剂 量控制和安全监测。
工业和农业
用于辐射危害评估、环 境监测和食品辐射安全 控制等领域。
核辐射传感器的发展
1
技术进展
2
现代核辐射传感器结合了纳米材料、
先进电子技术和数据处理算法等创
《核辐射传感器》PPT课 件
核辐射传感器是用于检测和测量核辐射的装置。本课件将介绍核辐射传感器 的原理、分类、常见类型以及应用举例，并探讨其发展趋势和社会影响。
核辐射传感器介绍
核辐射传感器是一种用于检测和测量核辐射的设备。它通过测量辐射强度来提供关键信息，可应 用于多个领域。
核辐射传感器分类
按测量方式分类
新技术。
3
历史回顾
核辐射传感器起源于20世纪初，随 着核技术的发展逐渐成熟。
发展趋势
未来的核辐射传感器将更加小型化、 高灵敏度和多功能化，满足不断发 展的应用需求。
核辐射传感器总结
核辐射传感器在核能、医学和工业等领域具有重要作用，随着技术进步，其应用前景仍然广阔。
包括计数器、能量测量器和剂量仪等不同 种类的传感器。
按测量介质分类
包括空气、液体和固体等不同介质中使用 的传感器。
常见的核辐射传感器
Geiger-Muller计数管
基于气体电离原理，广泛用 于核能监测和医学领域。
闪烁体探测器
通过闪烁效应检测并量化核 辐射，常用于放射性物质监 测。
半导体探测器
利用半导体材料的电子结构 检测核辐射，可提供高精度 的测量结果。
射线检测的设备和器材简介
射线检测的设备和器材简介1. 引言射线检测是一种非破坏性检测技术，通过利用射线对物体进行检测，可以获取物体内部的结构、组成以及缺陷等信息。
在工业领域，射线检测被广泛应用于材料品质控制、设备检测、安全检查等方面。
本文将介绍射线检测中常用的设备和器材。
2. 射线源射线源是射线检测中的关键部分，它产生并释放射线用于照射待检测物体。
常见的射线源包括：•X射线管：X射线管通过加高压将电子加速到很高的速度，使其撞击目标金属靶产生X射线。
•放射性同位素：如钴-60、铯-137等放射性同位素可作为射线源，其放射性衰变产生γ射线。
3. 辐射探测器辐射探测器用于测量和记录射线通过待检测物体后的强度变化，从而获得物体内部的信息。
常见的辐射探测器有：•闪烁体探测器：闪烁体探测器由闪烁晶体和光电倍增管组成。
当射线照射到闪烁晶体上时，晶体会发出光信号，光信号被光电倍增管读取并转化为电信号。
•气体探测器：气体探测器包括GM计数器和比例计数器。
GM计数器通过检测射线照射到气体中产生的电离效应来测量射线强度。
比例计数器利用气体中的稀有气体与射线相互作用的特性来区分不同能量的射线。
•固态探测器：固态探测器是一种基于半导体材料的探测器，如硅、锗等。
射线入射到固态探测器中会产生电离效应，产生的电荷被探测器读取并转化为电信号。
4. 图像获取系统图像获取系统用于记录辐射探测器获取的电信号，将其转化为可视化的图像。
常见的图像获取系统包括：•透视系统：透视系统是通过将待检测物体置于射线源和辐射探测器之间，记录射线通过物体的强度变化。
透视系统可以实时观察射线通过物体的情况。
•平板探测器：平板探测器是一种将辐射探测器与数字成像技术相结合的系统。
辐射探测器将获取的电信号转化为数字信号，通过图像处理算法得到高分辨率的二维图像。
5. 数据分析与处理数据分析与处理是射线检测的关键一步，它将图像获取系统获得的数据进行处理和分析，提取出待检测物体的内部结构和缺陷信息。
测核辐射的仪器
测核辐射的仪器
以下是常见用于测量核辐射的仪器：
1. Geiger-Muller计数管：这是一种最常见的核辐射测量仪器，用于测量γ射线和X射线的剂量率和累积剂量。
它基于气体
电离的原理，当核辐射通过计数管时，会导致气体离子化，进而触发电荷放大和计数。
计数管显示的读数可以用来估算环境中的辐射水平。
2. 电离室/离子室：电离室是另一种常用的核辐射测量仪器，
可用于测量γ射线、X射线和质子/α粒子的剂量率和累积剂量。
它由一个气体填充的封闭空间和电极组成。
当核辐射通过电离室时，它会离子化气体并生成电荷，测量仪器会测量出所产生的电离电流，并据此计算出辐射剂量。
3. 闪烁体探测器：闪烁体探测器可用于测量γ射线、X射线和
质子/α粒子的剂量率和累积剂量。
它由一个闪烁晶体或液体
以及一个光电倍增管（或光电二极管）组成。
当核辐射与闪烁体相互作用时，会产生光闪烁。
光电倍增管接收并放大这些信号，从而测量辐射水平。
4. 核辐射剂量仪（dosimeter）：核辐射剂量仪是一种个人佩戴的仪器，用于实时测量和记录个人暴露于核辐射的剂量。
它可以是电离室、Geiger-Muller计数管或闪烁体探测器等的组合体，通常佩戴在身体上。
核辐射剂量仪记录器存储戴者的辐射剂量，并可用于监测个人的辐射暴露情况。
这些仪器在核电厂、医疗机构、核辐射研究实验室以及核事故应急响应中得到广泛应用，有助于监测和保护人们免受核辐射的伤害。
核辐射探测仪器基本原理及及指标课件
这些仪器通过测量放射性药物的分布 和代谢，以及放射性粒子的释放，为 医生提供准确的诊断和治疗方案，提 高治疗效果。
核辐射探测仪器在安全检测领域的应用
核辐射探测仪器在安全检测领域主要用于检测放射性物质、爆炸物和毒品等违禁品，保障公共安全。
研究。
环境监测
用于检测核设施周围的 环境放射性水平，保障
公众健康和安全。
02
核辐射探测仪器基本原理
核辐射基本知识
核辐射定义
核辐射是指由原子核内部 释放出的射线，包括α射 线、β射线和γ射线等。
核辐射来源
核辐射主要来源于放射性 物质、核反应堆、核武器 等。
核辐射特性
核辐射具有穿透性强、能 量高、电离能力强等特点 。
按测量原理分类
可分为计数型和能量型两 类，计数型主要测量射线 的数量，能量型主要测量 射线的能量。
核辐射探测仪器应用领域
医学诊断和治疗
用于检测肿瘤、癌症和 其他疾病，以及放射治
疗中的剂量监测。
工业检测和控制
用于检测产品的放射性 污染、无损检测、工艺
控制等。
科研实验
用于物理、化学、生物 学和医学等领域的实验
核辐射探测仪器基本原理及指标课 件
目录
• 核辐射探测仪器概述 • 核辐射探测仪器基本原理 • 核辐射探测仪器性能指标 • 核辐射探测仪器发展现状与趋势 • 核辐射探测仪器实际应用案例
01
核辐射探测仪器概述
核辐射探测仪器定义
01
核辐射探测仪器是一种用于测量
核辐射的设备，能够检测和测量
放射性物质发出的各种射线，如α
05
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吸收
• 当射线穿过物质时，会发生电离、激发和散射等 现象，其结果就表现为对射线的吸收。 • 当一平行射线穿过物质层时，其强度衰减规律可 表示为
I I 0e
m x
• 式中 I 为穿过厚度为 x 的物质后的辐射强度； I0 为 m为物质的吸收系数 ； 射入物质前的辐射强度； 为物质的密度。
式中t m为测量时间；f n为射入检 为 测元件的粒子的平均频率；
检测元件的效率
1 r t m f n
思考题
• 如何用核辐射式检测元件实现材料厚度、 液体浓度、成份等的测量？
γ射线和物质的作用
• 光电效应 ：γ光子穿过物质时和物质中的原子 发生碰撞，把自己的能量交给原子核外的一个电 子使其成为自由电子，而γ光子本身被吸收。 • 康普顿效应：随着入射γ光子能量的增加 ，入 射γ光子和物质中的电子发生弹性碰撞，γ光子 偏离它原来的运动方向，失去一部分能量，然后 将能量转移给了电子。使电子从原子内部冲出来。 • 电子对的生成：当γ光子的能量大于所形成的电 子对的静止能量，就在物质中转化成一个正电子 和一个负电子，而γ光子则消失
粒子的性质
带电量 α粒子 β粒子 ＋2e -e 质量 4u 0.00055u 速度 20km/s 电离 贯穿 能力 能力 很强 很弱
200km/s 较弱 较强
γ射线
0
0
光速
极弱 极强
放射源的强度衰减特性
• 放射源的辐射强度随时间按指数定律而衰减，即
I I0e
• • • •
t
I0：开始时的放射源强度； I：经过时间t后放射源强度； 为放射性衰变常数，与外界条件无关； T0.5:半衰期,放射性同位素的原子核数衰减到一 半时所需时间
射线与被测物质的相互作用
激发
电离
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
吸收
散射
核辐射检测器
• 将核辐射信号转换成电信号，检测射 线强度的变化，实现被测参数的检测 • 电流电离室 • 闪烁计数器 • 盖格计数器
1. 电流电离室
1－收集电极
2－高压电极
3－保护电极 4－绝缘层
电离曲线
• Ⅰ段是复合区，电流与电 压成正比； • Ⅱ段是电流饱和区，其值 取决于电离作用所产生的 电子离子对数目，即与射 线的强度有关（工作区）； • Ⅲ段是正比区，电子能量 很大使气体进一步电离N ＝M*N0，M随电压增大； • Ⅳ段是自放电区。
• 放射源（放射性同位素） • 核衰变：放射性同位素的原子核是不稳定 的原子核，在无任何外因作用下，它会自 动衰变变为另外的同位素，同时会放出粒 子或射线。 • 核辐射：核衰变中放出不同的带有一定能 量的粒子或射线的放射性现象。 • 核辐射的种类：α，β，γ和中子辐射
常用的放射性同位素
• 钴(C060) ：γ和x射线 • 锶(Sr90) ：β粒子 • 铯(CS134) ：β粒子及γ射线
ln 2 / T0.5
射线与物质的作用
• 带电粒子和物质的作用 • γ射线和物质的作用
带电粒子和物质的作用
• 电离：当入射粒子靠近原子时和物质中的原子发 生静电作用，使原子中的束缚电子产生加速运动 而变为自由电子 。 • 激发：若入射粒子距原子远，束缚电子所获得的 能量还不够使它逃逸出来时，则原子核由低能级 跃迁到高能级而处于激发状态。 • 散射：带电粒子穿过物质因受原子核的电场作用 而改变运动方向称为散射。
第十节 核辐射式检测元件
• 核辐射式检测元件是利用被测物质对射线的吸收、 散射、反射或射线对被测物质的电离作用而工作 的； • 检测参数：厚度、物位、密度、成分等参数； • 优点：非接触式测量，适合于腐蚀、高温、剧毒、 爆炸性等恶劣环境 • 核辐射式检测元件的组成：
–放射源 –检测器及转换电路
基本术语
光电倍增管
• 闪烁探测器的最重要部件之一。其组成成份是 光阴极和倍增电极，光阴极的作用是将闪烁体 的光信号转换成电信号，倍增电极则充当一个 放大倍数大于106的放大器; • 倍增极的培增系数与所加电压成正比，所以光 电倍增管的供电电源必须非常稳定，保证倍增 系数的变化最小; • 在没有入射的射线时，光电倍增管自身由于热 发射而产生的电子倍增称为暗电流。用光电倍 增管探测低能核辐射时，必须减小暗电流。保 持测量空间环境内较低的室温，是减小光电倍 增管暗电流的有效方法。
电离曲线
β射线的多电极电离室
1、2—端子；
3、4—圆柱电极；
5、6－圆柱电极
2.闪烁计数器
•射线进入闪烁体时，使闪烁体的原子被电离和激发， 受激原子退激时会发光； •光透过闪烁体射到光电倍增管的阴极上，经过光电 倍增管的倍增，在其阳极上形成电流脉冲； •最后通过输出电路进行显示、分析。
探测原理
闪烁体
• 闪烁体是一类能吸收能量，并能在大约一微秒 或更短的时间内把所吸收的一部分能量以光的 形式再发射出来的物质。 • 闪烁体分为无机闪烁体和有机闪烁体两大类， 闪烁体必需具备的性能是：对自身发射的光子 应是高度透明的。 • 常用的几种闪烁体是：⑴无机晶体，主要是含 杂质或不含杂质的碱金属碘化物；⑵有机晶体， 都是未取代的或取代的芳香碳氢化合物；⑶液 态的有机溶液，即液体闪烁体；⑷塑料溶液中 的有机溶液，即固溶闪烁体。
1 E mv 2 h A 2
γ射线通过物质时强度衰减
I I 0e
x
• 为物质对射线的吸收系数。 • 吸收系数随吸收物质的材料和γ射线的能量 而改变，它是三种效应的综合结果 • • 式中为 光电吸收系数；为康普顿吸收系数； 为电子对生成吸收系数。
核辐射式检测元件的误差
• 1. 辐射源强度误差 在时间t内，强度衰减为 I I 0 I ，所以由 辐射源本身核衰变引起的相对误差为
I r 1 e t I
放射性同位素的要求
• 半衰期长 • 发射出的粒子流或射线要达到一定能量
2. 核衰变的统计特性引起的误差
• 由于核衰变产生的粒子数是随机的，它服 从于统计规律，检测器测量到的粒子数的 相对误差可按下式计算