【2019年整理】【清华大学工物系课件】电离辐射探测工程硕士课程(6)1闪烁探测器共112页文档
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电离辐射理论知识ppt课件
个人剂量当量Hp（d）
2、β射线
β射线：高速运动的电子流，贯穿能力很强，电离作用 弱。是指当放射性物质发生β衰变，所释出的高能量电 子，其速度可达至光速的99%。 在β衰变过程当中，放 射性原子核通过发射电子和中微子转变为另一种核， 产物中的电子就被称为β粒子。在正β衰变中，原子核 内一个质子转变为一个中子，同时释放一个正电子， 在“负β衰变”中，原子核内一个中子转变为一个质子， 同时释放一个电子，即β粒子。β射线比α射线更具有穿 透力，但在穿过同样距离，其引起的损伤更小。一些β 射线能穿透皮肤，引起放射性伤害。但是它一旦进入 体内引起的危害更大。β粒子能被体外衣服消减、阻挡 或一张几毫米厚的铝箔完全阻挡。
人工辐射包括医用X射线、来自大气核武器试验的放射性落下灰、 由核工业排接触电离辐射的工作中，如防护措施不当，违反操 作规程，人体受照射的剂量超过一定限度，则能发生 有害作用。在电辐射作用下，机体的反应程度取决于 电离辐射的种类、剂量、照射条件及机体的敏感性。 电离辐射可引起放射病，它是机体的全身性反应，几 乎所有器官、系统均发生病理改变，但其中以神经系 统、造血器官和消化系统的改变最为明显。电离辐射 对机体的损伤可分为急性放射损伤和慢性放射性损伤。 短时间内接受一定剂量的照射，可引起机体的急性损 伤，平时见于核事故和放射治疗病人。而较长时间内 分散接受一定剂量的照射，可引起慢性放射性损伤， 如皮肤损伤、造血障碍，白细胞减少、生育力受损等。 另外，辐射还可以致癌和引起胎儿的死亡和畸形。
3、X射线
X射线是波长介于紫外线和γ射线间的电磁辐射。X射线 是一种波长很短的电磁辐射，其波长约为（20～0.06） ×10-8厘米之间。由德国物理学家W.K.伦琴于1895年发现， 故又称伦琴射线。伦琴射线具有很高的穿透本领，能 透过许多对可见光不透明的物质，如墨纸、木料等。 这种肉眼看不见的射线可以使很多固体材料发生可见 的荧光，使照相底片感光以及空气电离等效应。
【清华大学工物系课件】电离辐射探测_工程硕士课程(1)-原子核物理的基本概念与知识
, ,
Penetration sheet of paper
Charge/Mass +2q/4mp no charge
–q/me or +q/me few mm metal several cm lead
此外，还有中子发射、质子发射、裂变等
24
of
58
原子核自发地发射各种射线的现象，称为放射 性。 能自发地发射各种射线的核素称为放射性核素， 也称为不稳定核素。 放射性现象与原子核的衰变密切相关。 原子核的衰变：
Nobel Prize for chemistry for his work in radioactivity”
其他主要贡献： 14 N 1H 17O 1919年，
1920年，预言中子存在。
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培养了12位诺贝尔奖获奖者 （玻尔，查德威克„„）。
卢瑟福散射实验→原子的核式模型：
清华大学工程物理系工程硕士课程
Ionization Radiation Detection
辐 射 探 测 学
(1)
授课教师：李玉兰
2009.9.21～2008.11.9（7次）
of
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§1.原子核物理的基本概念与知识
§1.1 §1.2 §1.3 §1.4 §1.5 原子核的基本性质 原子核的放射性 什么是致电离辐射？ 一些必要的单位与定义 射线源
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2. 放射性的指数衰减规律
实验发现，放射性核素 Rn 放出一个 粒子，变 222 Po 成 218 ，而 86 Rn 的数目每4天减少一半。 84
222 86
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222Rn的衰变曲线
清华大学工程物理系课程表
课程号：00320012课程名：世界能源的困境与出路 Seek Ways to Solve Energy Crisis学时：32 学分：2 开课院系：工物系开课教师：贾宝山从利用薪炭燃料跨入到利用化石燃料，导致了人类发展史上的第一次工业革命。
人类精神文明和物质文明的推进对能源需求的高速增长，石油、煤、天然气等不可再生化石燃料的快速消耗及显现出的能源短缺，地球上以争夺石油等资源未背景所发生的战争，向人类敲响了必须从根本上解决能源供应问题的警钟。
什么是化石燃料的可替代能源？水能、太阳能、核能、风能、地热能、潮汐能、波浪能、海水温差等，哪个是人类能源供应的顶梁柱？人类能否一劳永逸地解决能源供应地问题？这些将作为新生研讨课地主义内容。
课程说明及先修课要求：新生研讨课课程号：00320021课程名：等离子体技术及应用 Plasma Technology and Applications学时：16 学分：1 开课院系：工物系开课教师：包成玉李和平等离子体的研究在科学研究领域是一个十分活跃的领域，有着广泛的应用。
课程共分8章。
第一章，概论，内容包括等离子体的基本概念，等离子体的特性，等离子体的分类，等离子体的产生方法和等离子体的主要应用领域简介。
本章由教师主讲。
其余7章均为等离子体应用专题，由学生主讲。
第二章，等离子体在能源科学中的应用（包括磁约束和惯性约束核聚变）；第三章，等离子体在消毒灭菌中的应用；第四章，等离子体在环境治理中的应用（包括汽车和工厂排放的尾气治理，核废料处理）；第五章，等离子体在微纳米材料合成中的应用（包括生物相容性材料和储能材料）；第六章，等离子体在材料表面处理（包括喷涂、表面改性）中的应用。
第七章，等离子体在微电子工业中的应用及等离子体显示技术；第八章，航空航天领域中的等离子体推进技术。
课程号：00320032课程名：等离子体、激光与电子束 Plasma,Laser and E-beam学时：32 学分：2 开课院系：工物系开课教师：蒲以康唐传祥该课程以讨论国内外相关领域前沿进展为主线，采用深入浅出的方式讲述相关物理基本概念和基本试验手段。
射线探测原理与技术分析PPT课件
第36页/共53页
2）常用中子探测器简介
常用中子探测器主要有：BF3正比计数器、硼电离室、裂变室、闪烁探测器、 半导体探测器等。
➢ BF3正比计数器
n10B 7Li* n10B 7Li
BF3气体作为探测介质，利用中子和10B发生核反应产生的α粒子和7Li在正 比计数器产生的电离效应来达到探测中子的目的。
前置放大器
多道或单道 高压
闪烁体
光电子 光阴极
阳极
管座
暗盒
第13页/共53页
1）闪烁探测器工作原理（五个相互联系的过程）： ➢ 损失能量 射线进入闪烁题，闪烁体吸收带电粒子能量，而 使原子、分子电离、激发。
第14页/共53页
➢ 能量转换 受激原子、分子退激发时，发射荧光光子。 发出光子→ 射线能量的一部分转化为光能。
换效率）
Qk
第28页/共53页
3. 半导体探测器
工作原理
与气体探测器类似
探测介质 主要优点
半导体材料 Si或Ge
能量分辨率高 时间响应快（10-9秒） 线性范围宽 (300KeV-1.3MeV 线性偏移< 0.2KeV)
主要缺点
对辐射损伤较灵敏 性能随温度变化关系较大
第29页/共53页
时间响应快： 带电粒子在半导
w(X, )
w()
46.00.5 41.50.4 29.9+0.5
35.72.6 36.20.4 28.68
26.30.1 26.20.2
32.30.1 31.80.3 31.52
29.10.1
28.030.0 5
34.980.0 5
27.30.3
26.30.3
33.730.1 5
2）常用中子探测器简介
常用中子探测器主要有：BF3正比计数器、硼电离室、裂变室、闪烁探测器、 半导体探测器等。
➢ BF3正比计数器
n10B 7Li* n10B 7Li
BF3气体作为探测介质，利用中子和10B发生核反应产生的α粒子和7Li在正 比计数器产生的电离效应来达到探测中子的目的。
前置放大器
多道或单道 高压
闪烁体
光电子 光阴极
阳极
管座
暗盒
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1）闪烁探测器工作原理（五个相互联系的过程）： ➢ 损失能量 射线进入闪烁题，闪烁体吸收带电粒子能量，而 使原子、分子电离、激发。
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➢ 能量转换 受激原子、分子退激发时，发射荧光光子。 发出光子→ 射线能量的一部分转化为光能。
换效率）
Qk
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3. 半导体探测器
工作原理
与气体探测器类似
探测介质 主要优点
半导体材料 Si或Ge
能量分辨率高 时间响应快（10-9秒） 线性范围宽 (300KeV-1.3MeV 线性偏移< 0.2KeV)
主要缺点
对辐射损伤较灵敏 性能随温度变化关系较大
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时间响应快： 带电粒子在半导
w(X, )
w()
46.00.5 41.50.4 29.9+0.5
35.72.6 36.20.4 28.68
26.30.1 26.20.2
32.30.1 31.80.3 31.52
29.10.1
28.030.0 5
34.980.0 5
27.30.3
26.30.3
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高中物理 第19章 第3、4节 探测射线的方法 放射性的应用与防护课件 新人教版选修3-5
几种常用的探测器
1.威尔逊云室 (1)结构见教材。 (2)工作原理：粒子从室内气体中飞过，就会使沿途的气体 分子_电__离__产生离子，过饱和汽便以这些离子为核心凝成 _一__条__雾__滴___，于是显示出射线的径迹。 根据径迹的长短和粗细，可以知道粒子的__性__质_；把云室 放在磁场中，从带电粒子运动轨迹的弯曲方向，还可以知道粒 子所带电荷的_正__负__。
2．气泡室 (1)原理：气泡室的原理同云室的原理类似，所不同的是气 泡室里装的是液体，控制气泡室内液体的温度和压强，使室内 温度略低于液体的沸点。当气泡室内压强突然降低时，液体的 沸点变低，使液体过热，此时让射线粒子射入室内，粒子周围 就有气泡形成。用照相机拍摄出径迹照片，根据照片上记录的 情况，可以分析粒子的性质。 (2)气泡室和云室的比较：气泡室的工作原理与云室相类 似，云室内装有气体，而气泡室内装的是液体。相同之处在于 都可以形成射线粒子的运动径迹，通过研究径迹，研究射线的 性质。
二、核反应及核反应方程 1．核反应的条件 用 α 粒子、质子、中子，甚至用 γ 光子轰击原子核使原子 核发生转变。 2．核反应的实质 用粒子轰击原子核并不是粒子与核碰撞将原子核打开，而 是粒子打入原子核内部使核发生了转变。
3．原子核人工转变的三大发现 (1)1919 年卢瑟福发现质子的核反应： 174N＋42He―→187O＋11H (2)1932 年查德威克发现中子的核反应： 94Be＋42He―→162C＋10n (3)1934 年约里奥—居里夫妇发现放射性同位素和正电子 的核反应：2173Al＋42He―→3105P＋10n；3105P―→3104Si＋01e
现代建筑使用的花岗岩石材和家庭装修使用的花岗岩板
材中也存在不同程度的放射性，某同学要测定附近建筑材料
【清华大学工物系课件】电离辐射探测_工程硕士课程(5)_1闪烁探测器
n (t ) nf
f
e
t f
s
ns
e
t s
与delayed fluorescence有关
对有机闪烁体 ns ( ) ns (e) n f ( ) n f (e) 对一些无机闪烁体 ns ( ) ns (e) n f ( ) n f (e)
不同类型辐射激发时stilbene 晶体的发光衰减曲线
e
导带 激带 禁带
纯离子晶体：
退激发出的光子容易被 晶体自吸收，传输出的 光子少； 禁带宽度大，退激发光 在紫外范围，光阴极不 响应。
h
12/112
价带
在晶体中掺杂，叫做 激活剂(activator)，含 量103量级。
杂质形成特殊晶格点， 并在禁带中形成局部 能级。
原子受激产生的电子-空穴迁移到杂质能量的激发态和基态上， 使杂质原子处于激发态。形成发光中心或复合中心 (luminescence centers or recombination centers)
④ 光电子的倍增
——信号的放大
电子运动在PTM的打拿极间运动并倍增（107~1010）。
⑤ 流经外回路
6/112
——信号的形成
决定工作状态：电流、电压？
§5.1 闪烁探测器的基本原理
√
§5.2 闪烁体
§5.3 光的收集与光导 §5.4 光电倍增管 §5.5 闪烁探测器的输出信号 §5.6 闪烁探测器的主要性能
4/112
5/112
闪烁探测器的工作过程
① 射线沉积能量 ——决定探测效率
γ射线的三种效应，中子的核反应，或者带电粒子直接入射
② 电离产生荧光
——影响能量分辨率
快电子（重离子）使闪烁体原子电离或激发，受激原子退激 而发出波长在可见光波段的荧光。
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与delayed fluorescence有关
对有机闪烁体 ns ( ) ns (e) n f ( ) n f (e) 对一些无机闪烁体 ns ( ) ns (e) n f ( ) n f (e)
不同类型辐射激发时stilbene 晶体的发光衰减曲线
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导带 激带 禁带
纯离子晶体：
退激发出的光子容易被 晶体自吸收，传输出的 光子少； 禁带宽度大，退激发光 在紫外范围，光阴极不 响应。
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价带
在晶体中掺杂，叫做 激活剂(activator)，含 量103量级。
杂质形成特殊晶格点， 并在禁带中形成局部 能级。
原子受激产生的电子-空穴迁移到杂质能量的激发态和基态上， 使杂质原子处于激发态。形成发光中心或复合中心 (luminescence centers or recombination centers)
④ 光电子的倍增
——信号的放大
电子运动在PTM的打拿极间运动并倍增（107~1010）。
⑤ 流经外回路
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——信号的形成
决定工作状态：电流、电压？
§5.1 闪烁探测器的基本原理
√
§5.2 闪烁体
§5.3 光的收集与光导 §5.4 光电倍增管 §5.5 闪烁探测器的输出信号 §5.6 闪烁探测器的主要性能
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闪烁探测器的工作过程
① 射线沉积能量 ——决定探测效率
γ射线的三种效应，中子的核反应，或者带电粒子直接入射
② 电离产生荧光
——影响能量分辨率
快电子（重离子）使闪烁体原子电离或激发，受激原子退激 而发出波长在可见光波段的荧光。
清华大学辐射安全与防护培训辐射探测器PPT学习教案
n-type
++ +++ ++ +++ ++ +++
p-type
-------------------------------
a
0
b
ND a NA b
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2、P-N结半导体探测器的类型 1) 扩散结(Diffused Junction)型探测器
采用扩散工艺——高温扩散或离子注入； 材料一般选用P型高阻硅，电阻率为1000； 在电极引出时一定要保证为欧姆接触，以 防止形成另外的结。
nt n0et nph et
τ为发光衰减时间，即发光强度降为1/e所
需时间。
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（二）. 光电倍增管
1. PMT的结构——光电倍增管为电真空器件。
1) PMT的主要部件和工作原理
半透明光阴极 光电子轨
真空
入射光
迹
壳
聚焦电极 打拿极
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阳极
2) PMT的类型
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)。
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半导体探测器的特点：
(1) 能量分辨率最佳； (2) 射线探测效率较高，可与闪烁探测器 相比。
探测器。
电场较高时，漂移速度随电场的增加较慢，最 后达到载流子的饱和速度～107cm/s。
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【清华大学工物系课件】电离辐射探测_工程硕士课程(6)-半导体探测器解析
一． 本征半导体与杂质半导体
二． 半导体作为探测介质的物理性能
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一．本征半导体与杂质半导体
1. 本征半导体(intrinsic semiconductor)
理想的、纯净的半导体。
半导体中的电子和空穴 密度严格相同，由热运 动产生：
价带填满了电子，导带上没有电子
19
n p 10 exp EG 2kT
核辐射物理及探测学
第六章 半导体探测器
(semiconductor detectors)
why semiconductor detector? • 气体：
分辨率较好 探测效率太低
• 闪烁体：
探测效率很好 分辨率不好
载流子的形成环节太多，不断损失
w~30eV
F:0.2~0.5 产生载流子需要的能量 F:~1
n p不变 如果在N型半导体中加入受主杂质， p n
当p > n，N型半导体转化为P型半导体。叫做补偿效应。
当p = n，完全补偿。
我们关心的是射线产生的载流子，数目是多少？
3. 平均电离能
入射粒子在半导体介质中平均产生一对 电子空穴需要的能量。
300K，w(Si)=3.62eV 77K， w(Si)=3.76eV， w(Ge)=2.ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ6eV
(1/ cm )
3
禁带宽度： 室温下的 电子与空 穴密度：
EG (Si@300K) 1.12eV EG (Ge@300K) 0.67eV
金属中的电 子密度： ~1022/cm3
本征硅： n p 2 1010 / cm3 本征锗： n p 2.4 1013 / cm3
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二． 半导体作为探测介质的物理性能
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一．本征半导体与杂质半导体
1. 本征半导体(intrinsic semiconductor)
理想的、纯净的半导体。
半导体中的电子和空穴 密度严格相同，由热运 动产生：
价带填满了电子，导带上没有电子
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n p 10 exp EG 2kT
核辐射物理及探测学
第六章 半导体探测器
(semiconductor detectors)
why semiconductor detector? • 气体：
分辨率较好 探测效率太低
• 闪烁体：
探测效率很好 分辨率不好
载流子的形成环节太多，不断损失
w~30eV
F:0.2~0.5 产生载流子需要的能量 F:~1
n p不变 如果在N型半导体中加入受主杂质， p n
当p > n，N型半导体转化为P型半导体。叫做补偿效应。
当p = n，完全补偿。
我们关心的是射线产生的载流子，数目是多少？
3. 平均电离能
入射粒子在半导体介质中平均产生一对 电子空穴需要的能量。
300K，w(Si)=3.62eV 77K， w(Si)=3.76eV， w(Ge)=2.ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ6eV
(1/ cm )
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禁带宽度： 室温下的 电子与空 穴密度：
EG (Si@300K) 1.12eV EG (Ge@300K) 0.67eV
金属中的电 子密度： ~1022/cm3
本征硅： n p 2 1010 / cm3 本征锗： n p 2.4 1013 / cm3
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