辐射探测学 复习要点
核辐射探测复习资料B.
核技术 核探测复习材料 一、简答题：1．γ射线与物质发生相互作用有哪几种方式？（ 5分）答：γ射线与物质发生相互作用（1）光电效应 （2）康普顿效应（得2分）（3）电子对效应（得2分） 2．典型的气体探测器有哪几种？各自输出的最大脉冲幅度有何特点，试用公式表示。
（5分） 答：典型的气体探测器有（1）电离室（得1分）（2）正比计数管（得1分）（3）G-M 计数管（得1分）脉冲幅度：（1）电离室：C e w E v =（得1分）（2）正比计数管：Cew E M v ∙= （得0.5分）（3）G-M 计数管 最大脉冲幅度一样（得0.5分）3．简述闪烁体探测器探测γ射线的基本原理。
（5分）答：γ射线的基本原理通过光电效应 、 康普顿效应和电子对效应产生次级电子（得1分），次级电子是使闪烁体激发（得1分），闪烁体退激发出荧光（得1分），荧光光子达到光电倍增管光阴极通过光电效应产生光电子（得1分），光电子通过光电倍增管各倍增极倍增最后全部被阳极收集到（得1分），这就是烁体探测器探测γ射线的基本原理。
注：按步骤给分。
4．常用半导体探测器分为哪几类？半导体探测器典型优点是什么？（5分）答：常用半导体探测器分为(1) P-N 结型半导体探测器（1分）(2) 锂漂移型半导体探测器；（1分）(3) 高纯锗半导体探测器；（1分）半导体探测器典型优点是(1) 能量分辨率最佳；（1分）(2)射线探测效率较高，可与闪烁探测器相比。
（1分）5．屏蔽β射线时为什么不宜选用重材料？（5分）答：β射线与物质相互作用损失能量除了要考虑电离损失，还要考虑辐射损失（1分），辐射能量损失率222NZm E z dx dE S radrad∝⎪⎭⎫ ⎝⎛-= 与物质的原子Z 2成正比（2分），选用重材料后，辐射能量损失率必然变大，产生更加难以防护的x 射线（2分）。
故不宜选用重材料。
注：按步骤给分。
6．中子按能量可分为哪几类？中子与物质发生相互作用有哪几种方式。
辐射探测课程要求(2012)
1.中子探测方法的依据、特点； 2.中子与物质相互作用的几种主要形式和特点(核反应法、核反冲法、核裂变法、
中子活化法)； 3.中子活化分析方法基本原理和几个关系式； 4.名词和概念：
中子能量、热中子、快中子、慢中子、切镉能、中子通量密度、饱和放射性。 5.方法的基本原理和基本关系式:
或应注意的问题。
吴丽萍
2012.12.18
6
1
熟悉内容： 1.了解研究射线与物质相互作用的基本方法； 2.布拉格相加法则的计算和适应条件； 3.基本关系式。
了解内容： 1. 重离子与物质相互作用时的电荷交换效应； 2. 重离子的电子阻止本领和核阻止本领。
第三章 气体探测器 掌握内容：
1. 平均电离能； 2. 射线在气体中的电离效应转换成电信号的原理； 3. 离子的收集和电压电流曲线； 4. 几种类型的气体探测器输出脉冲幅度与入射损失能量的关系； 5. 掌握 G－M 计数管特性：
什么？ 3.热释光探测器的基本原理，热释光的测量方法及主要用途：
1) 什么是热释光特性？为什么热释光探测器可以通过测量总光子数来测量核 辐射；
2) 什么是热释光探测器的发光曲线； 3) 热释光探测器加热发光装置主要有几部分组成？
4
了解内容： 1.原子核乳胶、固体径迹探测器的应用； 2.原子核乳胶、固体径迹探测器的种类和特性； 3.热释光探测器的主要参数。
第五章 半导体探测器 掌握内容：
1. 作为探测器应满足的条件； 2. 为什么 PN 结是半导体探测器的灵敏区； 3. 常用的几种半导体探测器适合的测量对象？及所测量的能量范围、常用于衡
量能量分辨率所用的放射源。 1) 金硅面垒探测器特点及用途，金硅面垒α谱仪在使用中的两个特殊问题； 2) HPGe 探测器的特点及用途，HPGeγ谱仪效率刻度曲线的基本测量方法； 3) 硅锂漂移探测器的特点及用途；硅锂漂移探测器的效率曲线及测量的能
核辐射物理及探测学期末总结
核辐射物理及探测学期末考前总结复习重带电粒子与物质的相互作用1、特点重带电粒子均为带正电荷的离子；重带电粒子主要通过电离损失而损失能量；重带电粒子在介质中的运动径迹近似为直线。
2、重带电粒子在物质中的能量损失规律1) 能量损失率(Specific Energy Loss)对重带电粒子，辐射能量损失率相比小的多，因此重带电粒子的能量损失率就约等于其电离能量损失率。
电子的散射与反散射电子与靶物质原子核库仑场作用时，只改变运动方向，而不辐射能量的过程称为弹性散射。
由于电子质量小，因而散射的角度可以很大，而且会发生多次散射。
电子沿其入射方向发生大角度偏转，称为反散射。
对同种材料，电子能量越低，反散射越严重；对同样能量的电子，原子序数越高的材料，反散射越严重。
反散射的利用与避免对放射源而言，利用反散射可以提高β源的产额。
A)A) 对对探测器而言，要避免反散射造成的测量偏差。
B)B) 对γ 射线与物质的相互作用特点：γ光子通过次级效应与物质的原子或核外电子作用，光子与物质发生作用后，光子或者消失或者受到散射而损失能量，同时产生次电子； 次级效应主要的方式有三种，即光电效应、康普顿效应和电子对效应。
γ射线与物质发生不同的相互作用都具有一定的概率，用截面来表示作用概率的大小。
总截面等于各作用截面之和，即：pc ph σσσσ++=作用截面与吸收物质原子序数的关系5Z ph ∝σZ c ∝σ2Zp ∝σ总体来说，吸收物质原子序数越大，各相互作用截面越大，其中光电效应随吸收物质原子序数变化最大，康普顿散射变化最小。
光电效应康普顿散射电子对效应第七章辐射探测中的概率统计问题辐射探测器学习要点：�探测器的工作机制；�探测器的输出回路与输出信号；�探测器的主要性能指标；�探测器的典型应用。
第八章气体探测器Gas－filled Detector•电离室–工作机制：入射带电粒子(或非带电粒子的次级效应产生的带电粒子)使气体电离产成电子－离子对，电子－离子对在外加电场中漂移，感应电荷在回路中流过，从而在输出回路产生信号。
核辐射探测复习资料(卢秉祯版)
核辐射探测第一章 核辐射及其探测原理1.1核辐射基本特性辐射和X 辐射都是电磁辐射。
辐射是核跃迁或粒子湮灭过程中发出的电磁辐射。
X 辐射是核外电子从高能级跃迁过程中产生的电磁辐射。
1.2探测带电粒子的物理性质探测原理：利用带电粒子在物质中对物质原子产生的电离或激发效应或快速轻带电粒子穿过物质时的电磁辐射效应。
带电粒子与物质的作用方式：带电粒子与核外电子的非弹性碰撞——电离与激发；带电粒子与原子核的非弹性碰撞——轫致辐射（带电粒子的速度和运动方向改变产生的电磁辐射）或切连科夫辐射(特定条件下物质产生定向极化而随之发出的电磁辐射)；带电粒子与原子核的弹性碰撞——弹性散射。
带电粒子的能量损失方式：电离损失和辐射损失。
EZ dx dE ion 2)(∝- 辐射长度om x 是电子在物质中由于辐射损失而使其能量减少到原来能量的1/e 时的物质度。
电子的电离损失率和辐射损失率之比：800.1600)()()(22Z E c m z c m E dx dE dx dE ee C ion rad =+≈-- 当电子电离损失率与辐射损失率一样时Z c E 800= 带电粒子与物质作用后不再作为自由粒子而存在的现象叫吸收，其中带电粒子从进入物质到被吸收，沿入射方向所穿过的最大距离叫射程。
对正电子的探测一般是通过探测湮没γ光子间接进行的。
1.3 X 和γ射线的探测原理：利用他们在物质中的光电效应，康普顿散射，电子对产生等产生的次级电子引起物质的电离和激发探测。
光电效应：光子被原子吸收后发射轨道电子的现象。
内层电子（K ）容易些，低能高Z康普顿散射：γ光子与轨道电子相互作用使得γ光子只改变方向而不损失能量。
2c m h e≈ν 外层电子发生概率大。
中能中Z 电子对效应：γ光子与原子核发生电磁相互作用，γ光子消失而产生一个电子和一个正电子（电子对）的现象。
22c m hv e≥且要原子核参加。
高能高Z 1.4中子探测方法两步：1.中子和核的某种相互作用产生带电粒子或γ光子；2.利用这些带电粒子或γ光子的次级带电粒子引起的电离或激发进行探测。
核辐射探测技术知识-第二章
离子对数的方差
2 F E0
W
式中F<1，为法诺因子，可查表得到。
被激发原子的退激方式：
辐射光子。发射波长接近紫外光的光子， 这些光子又可能在周围介质中打出光电 子，或被某些气体分子吸收而使分子离 解。
发射俄歇电子。
上述两过程均在10-9秒内完成。
亚稳原子：某些受激原子处于禁戒的激 发态，不能自发的退回基态，只有当它 与其它粒子发生非弹性碰撞才能退激， 它的寿命约10-4～10-2 s，称为亚稳原子。
对于正离子：
在存在电场的情况下，两次碰撞之间离子从电场获得 的能量又会在碰撞中损失，离子的能量积累不起来。 离子的平均动能与没有电场的情况相似，为：
1 Mv2 3 kT
2
2
离子漂移速度
k为波尔兹曼常数； T为气体的绝对温度。
u
E
P
电场强度 气体压强
离子的迁移率 约化场强
离子的迁移率可表示为：
温度，正负离子的相对速度等有关。
一旦形成了负离子，其运动速度远小于电 子，正离子与负离子的复合系数要比正离 子与电子的复合系数大得多。
复合的结果是把许多有用信号给复合掉， 使有用的信号减少。因此，复合现象在 探测器正常工作中应尽量避免。
4 漂移
离子和电子由于外加电场的作用沿电场方向运 动，这种运动称为“漂移运动”，定向运动的 速度为“漂移速度”。
如果在电场中同一点引入一负电荷 e ，它
将在ab两极板上分别感应一定的正电荷，分
别运极动板为时 上q，感1 则应和电a极荷q板2上q。2感当应减负电少电荷。荷整沿q个1电过增场程加反中，方，而向流b
过外回路的总电荷量为：
q q2
相应在外回路流过电流为i (t)，电流方向与
核辐射物理与探测学复习资料
核辐射物理与探测学复习一、关于载流子1) 无论是气体探测器，还是闪烁、半导体探测器，其探测射线的本质都是将射线沉积在探测器灵敏体积内的能量转换为载流子。
这三种探测器具有不同的载流子，分别是：气体（），闪烁体（），半导体（）；答：气体：电子－离子对；闪烁体：第一个打拿极收集到的光电子；半导体：电子－空穴对；2) 在这个转换过程中，每产生一个载流子都要消耗一定的能量，称之为（），对于三种探测器来说，这个能量是不同的，分别大概是多少？气体（），闪烁体（），半导体（）。
这个能量是大些好，还是小些好？为什么？答：平均电离能；30eV，300eV，3eV；这个能量越小越好，因为平均电离能越小，产生的载流子就越多，而载流子的数目服从法诺分布，载流子越多则其数目的相对涨落越小，这会导致更好的能量分辨率；3) 在这个转换过程中，射线沉积在探测器中的能量是一个（）变量，而载流子的数目是一个（）变量，载流子的数目是不确定的，它服从（）分布，该分布的因子越是大些好，还是小些好？为什么？答：连续型变量；离散型变量；法诺分布；法诺因子越小越好，小的法诺因子意味着小的统计涨落，导致好的能量分辨率；二、关于探测效率1) 对于不带电的粒子（如γ、中子），在探测器将射线沉积在其灵敏体积中的能量转换为载流子之前，还需要经历一个过程，如果没有该过程，则探测器无法感知射线。
以γ射线为例，这个过程都包含哪些反应（）？这个过程的产物是什么（）？对于 1 个1MeV 的入射γ射线，请随便给出一个可能的该产物能量（）？答：对于γ射线，这些反应包括光电效应、康普顿散射以及电子对效应（如果γ射线的能量>1.022MeV）；这些反应的产物都是次级电子；对于 1 个1MeV的γ射线，次级电子的能量可以是几十keV～几百keV，也可以是接近1MeV；2) 这个过程发生将主要地决定探测器的探测效率，那么影响探测效率（本征）的因素都有哪些（）？在选择探测器的时候，为了得到高的探测效率（本征），应该做什么考虑（）？答：影响本征探测效率的因素有：探测器的原子序数、密度、体积、形状，以及γ射线的能量，甚至还包括射线射入探测器的位置、角度；在选择探测器时，为了得到高的本征探测效率，应该选择那些原子序数高、密度大的探测器，探测器的体积要大并且探测器的形状合理（例如正圆柱形）；3) 绝对探测效率和本征探测效率的区别是什么？答：绝对探测效率考虑的是对每一个源发射出的粒子，探测器测量到的计数值；本征探测效率考虑的是对每一个射入探测器的粒子，探测器测量到的计数值。
核辐射探测复习知识点
第一章辐射与物质的相互作用与物质相互作用:1.带电粒子与靶原子核的核外电子非弹性碰撞(电离,激发)2.带电粒子与靶原子核的非弹性碰撞(辐射损失)3.带电粒子与靶原子核弹性碰撞(核阻止)4.带电粒子与核外电子弹性碰撞电离损失能量:入射带电粒子与核外电子发生非弹性碰撞使靶物质原子电离或激发而损失的能量(电离:核外层电子客服束缚成为自由电子,原子成为正离子激发:使核外电子由低能级跃迁到高能级而使原子处于激发状态)辐射损失能量:入射带电粒子与原子核发生非弹性碰撞以辐射光子损失能量轫致辐射:入射带电粒子与原子核之间的库仑力作用使带电粒子的速度和方向改变,并伴随发射电磁辐射阻止本领:单位路径上的能量损失S=-dE/dx=S ion+S rad重:S=S ion=(1/4πε0)2(4πz2e4/m0v)2NBBethe公式结论:1.电离能了损失率和入射带电粒子速度有关,质量无关2.和电荷数平方z2正比3.S ion随粒子E/n变化曲线:a段:入射粒子能量E较低时, S ion与z2成正比,曲线上升b段(0.03MeV-3000MeV):相对论项作用不显著, S ion与E成反比,曲线下降c段:能量较高时,相对论修正项起作用, S ion与B成正比,曲线上升4.高Z 和ρ物质阻止本领高布拉格曲线:随穿透距离增大而上升,接近径迹末端,由于拾取电荷而下降。
同样能量的入射带电粒子经过一定距离后,各个粒子损失的能量不会完全相同,是随机性的,发生了能量离散,即能量歧离. 射程歧离:单能离子的射程也是涨落的为何峰值上升?因为部分粒子已经停止运动,相当于通道变窄,剩余粒子能量集中,导致峰值上升.沿x方向,能量降低,离散程度变大,峰值降低.射程R带电粒子沿入射方向所行径的最大距离路程:实际轨迹长度解释各种粒子的轨迹:重带电粒子质量大,其与物质原子的轨道电子相互作用基本不会导致运动方向有偏差,径迹几乎是直线:由于次级电离,曲线会有分叉:质子和α粒子粗细差别:能量提高,径迹变细.电子的径迹不是直线,散射大. 射程R正比于m/z21.v同两种粒子同物质R1/R2=m1/m2*（z2/z1）22.v同一种粒子两物质R a/R b=√A a/√A b *(ρb/ρa)α粒子空气射程R0=0.318Eα1.5R=3.2*10-4√A/ρ*R air比电离:带电粒子在穿透单位距离介质时产生的离子对的平均数δ射线:带电粒子在穿透介质时产生的电子-离子对中的具有足够能量可以进一步电离的电子电子S rad/S ion=EZ/800快电子S rad正比于z2E/m2*NZ2屏蔽电子材料:当要吸收、屏蔽β射线时,不宜选用重材料:当要获得强的X射线时,选用重材料做靶.电子反散射及效应:电子由原入射方向的反方向反射回来,从入射表面射出.对于放射源,反散射可以提高产额:对于探测器,会产生测量偏差. When反散射严重:对于同种材料,入射电子能量越低反散射越严重:对同样能量的入射电子,原子序数越高的材料,反散射越严重光电效应:光子把全部能量转移给某个束缚电子,使其发射出去而光子本身消失的过程.是光子和整个原子的作用结果,主要集中在内层电子,还会有俄歇电子或特征X射线.(为何不与自由电子-因为入射光子有部分能量传递给原子,使其发生反冲,否则能量不守恒)采用高Z材料可提高探测效率,有效阻挡γ射线:γ光子能量越高,光电效应截面σph 越小. 入射光子能量低时,光电子趋于垂直方向发射:入射光子能量高时,光电子趋于向前发射.康普顿效应:γ射线和核外电子非弹性碰撞,入射光子一部分能量传递给电子,使之脱离原子成为反冲电子,光子受到散射,运动方向和速度改变,成为散射光子. 散射角θ=180时即入射光子和电子对心碰撞,散射光子沿入射光子反方向射出,反冲电子沿入射方向射出-反散射.能量高的入射光子有强烈的向前散射趋势,低的向前向后散射概率相当.康普顿坪:单能入射光子所产生反冲电子的能量为连续分布,在能量较低处反冲电子数随能量变化小,呈平台状:康普顿边缘:在最大能量处,电子数目最多,呈尖锐的边界.峰值Ee=hν-200keV电子对效应:当入射光子能量较高,从原子核旁边经过时,在库伦场作用下转换成一个正电子和一个负电子.电子对效应出现条件:hν>2m0c2=1.022MeV 电子和正电子沿入射光子方向的前向角度发射,能力越高,角度越前倾. 湮没辐射:正电子湮没放出光子的过程.实验上观测到511kev的湮没辐射为正电子的产生标志单双逃逸峰:发生电子对效应后,正电子湮没放出的两个511keV的γ光子可能会射出探测器,使得γ射线在探测器中沉积的能量减小.低能高Z光电,中能低Z康普顿,高能高Z电子对.线形衰减系数μ=σγN 质量衰减系数μm=μ/ρ质量厚度x m=ρx平均自由程: 表示光子每经过一次相互作用之前,在物质中所穿行的平均厚度λ=1/μ 宽束N=N0Be-μd窄束I(x)=I0e-μx半减弱厚度:射线在物质中强度减弱一半时的厚度D1/2= λ ln2第二章气体探测器信息载流子:气体(电子离子对w=30eV,F=0.2-0.5)闪烁体(第一打拿极收集到的光电子w=300ev,F=1)半导体(电子空穴对w=3ev,F=0.1 )平均电离能:带电粒子在气体中产生一对离子对所平均消耗的能量电子和离子相对运动速度:电子漂移速度为离子1000倍,约106cm/s雪崩:电子在气体中碰撞电离的过程. 条件:足够强的电场和电离产生的自由电子非自持放电:雪崩只发生一次自持放电:通过光子作用和二次电子发射,雪崩持续发展R0C0<<1/n脉冲(电子T-<<R0C0n<<T+、离子R0C0n>>T+)、R0C0>>1/n累计(电流、脉冲束)1.仅当正离子漂移时外回路才有离子电流i+(t)2.正离子从初始位置漂移到负极过程,流过外回路电荷量不是离子自身的电荷量e,而是在正极感应电荷量q1 电子电流i-(t)同理本征电流i(t)=i+(t)+i-(t) q1+q2=e电离室构成:高压极,收集极,保护极和负载电阻工作气体:充满电离室内部的工作介质,应选用电子吸附系数小的气体.圆柱型电子脉冲原理:利用圆柱形电场的特点来减少Q-对入射粒子位置的依赖关系,达到利用”电子脉冲”来测量能量的目的.能量分辨率η=ΔE/E*100%=Δh/h*100%=2.36ΔE能谱半高宽FWHM=ηE=2.36=2.36σ探测效率:入射到脉冲探测器灵敏体积内辐射粒子被记录下的百分比总输出电荷量Q=N*e=E/W*e脉冲电离室饱和特性曲线:饱和区斜率成因:灵敏体积增加,对复合的抑制,对扩散的抑制饱和电压V1-对应90%饱和区的脉冲幅度放电电压V2工作电压V=V1+(V2-V1)/3 坪特性曲线:描绘电离室计数率和工作电压关系成因:甄别阈不同电压小于V1时在符合区,但不是每个粒子都能形成一个电子离子对.仅少数可达到计数阈值h,V0上升至饱和电压后电子离子对N基本不变分辨时间(死时间):能分辨开两个相继入射粒子间的最小时间间隔时滞:入射粒子的入射时刻和输出脉冲产生的时间差累计电离室工作状态要求输出信号的相对均方涨落V I2≈1/nT<<1 V V2≈1/2R0C0n<<1 饱和特性曲线斜率:灵敏体积增大,复合的抑制,漏电流灵敏度η=输出电流或电压值/射粒子流强度(采用多级平行电极系统可提高) why曲线后部分离:部分电子离子对复合,未达到饱和电压,引起输出电流信号偏小正比计数器是一种非自持放电的气体探测器,利用碰撞电荷讲入射粒子直接产生的电离效应进行放大,使得正比计数器的输出信号幅度比脉冲电离室显著增大输出电荷信号主要由正离子漂移贡献r处场强E(r)=V0/rlnb/a V T=ET*alnb/a 只有V0>V T才工作于正比工作区,否则电离室区气体放大倍数A=n(a)/n(r0)A仅于V0V T有关,与入射粒子位置无关气体放大过程(电子雪崩)当电子到打距极丝一定距离r0后,通过碰撞电离过程电子数目不断增加电子与气体分子碰撞过程中碰撞电离,碰撞激发(气体退激发射子外光子,阴极打出次级电子,次级电子碰撞电离) 光子反馈:次级电子在电场加速下发生碰撞电离A t=A/1-γA 光子反馈很快;加入少量多原子分子气体M可以强烈吸收气体分子退激发出的紫外光子变成M*,后来又分解为小分子(超前离解) 气体放大过程中正离子作用:1.停止电子倍增2.再次触发电子倍增(离子反馈)输出信号:1.电流脉冲形状一定,与入射粒子位置无关,电压脉冲为定前沿脉冲2.响应时间快3.R0C0>>T+时,获得最大输出脉冲幅度ANe/C0分辨时间/死时间τD与脉冲宽度正比,τD内产生的脉冲不会被记录造成计数损失,死时间可扩展. m=n/1-nτD m真实n测量时滞:初始电子由产生处漂移到阳极时间时间分辨本领:正比计数器对时间测量的精度正比计数器坪特性曲线斜率:由于负电性气体、末端与管壁效应等,有部分幅度较小的脉冲随工作电压升高而越来越多地被记录下来GM放电过程:1.初始电离和碰撞电离:电子加速发生碰撞电离形成电子潮-雪崩 2.放电传播(光子反馈):Ar*放出紫外光子打到阴极上打出次级电子 3.正离子鞘向阴极漂移,形成离子电流4.离子反馈:正离子在阴极表面电荷中和缺点GM死时间长,仅计数A t=A/1-γA自持放电:阴极新产生电子向阳极漂移引起新的雪崩,从而在外回路形成第二个脉冲,周而复始.-实现自熄:改变工作高压,增加猝熄气体-有机(阻断光子,离子反馈;工作机制:1.电子加速发生碰撞电离形成电子潮-雪崩过程 2.Ar*放出紫外光子被有机气体分子吸收3. 正离子鞘向阴极漂移实现电荷交换4.有机气体离子在阴极电荷中和),卤素(工作机制:1.电离过程靠Ne的亚稳态原子的中介作用形成电子潮2.Ne*退激发出光子在阴极打出电子,或被Br2吸收打出新点子3.正离子鞘Br+向阴极漂移4.Br+在阴极表面与电子中和超前解离)GM管和正比计数器区别:GM输出信号幅度和能量无关,只能计数,死时间非扩展型死时间校正:m=n(mτD+1)GM坪特性曲线坪斜成因:随工作电压增高,正离子鞘电荷量增加,负电性气体电子释放增加,灵敏体积增大,尖端放电增加死时间t d:电子再次在阳极附近雪崩的时间复原时间t e:从死时间到正离子被阴极收集,输出脉冲恢复正常的时间分辨时间t f:从0到第二个脉冲超过甄别阈的时间GM计数管离子对收集数N与工作电压关系图:1.复合区(电压上升,复合减少,曲线上升)2.饱和区(电荷全被收集)3.正比区N=N0M(碰撞电离产生气体放大,总电荷量正比于原电荷量)4.有限正比区N>>N0(M过大,过渡区)5.盖格区(随电压升高形成自持放电,总电离电荷与原电离无关,几条曲线重合)第三章闪烁体探测器优点:1.探测效率高,可测量不带电粒子,对于中子和γ光子可测得能谱2.时间特性好,可实现ns的时间分辨工作过程：射线沉积能量,电离产生荧光,荧光转换为光电子,光电子倍增,信号流经外回路闪烁体探测器组成:闪烁体,光电倍增管,高压电源,低压电源,分压器和前置放大器分类:无机闪烁体(无机盐晶体,玻璃体,纯晶体),有机闪烁体(有机晶体,有机液体闪烁体,塑料闪烁体)气体闪烁体(氩、氙)无机闪烁体发光机制:入射带电粒子可以产生电子空穴对,也可以产生激子(相互转化) 有机闪烁体发光机制:由分子自身激发和跃迁产生激发和发光气体闪烁体发光机制:入射粒子径迹周围部分气体被激发,返回基态时发射出光子产生电子空穴对需要三倍禁带宽度能量光能产额Y ph=n ph/E=4.3*104/MeV 闪烁效率C ph=E ph/E=13%闪烁光子传输和收集通道:反射层,光学耦合剂,光导反射层:把光子反射到窗:镜面反射和漫反射耦合剂(折射系数较大的透明介质,周围介质折射系数n1,闪烁体n0,全反射的临界角θc=sin-1n1/n0):排除空气,减少由全反射造成的闪烁光子损失光导:具有一定形状的光学透明固体材料,连接闪烁体和光电倍增管,有效地把光传输到光电转换器件上:具有较高折射系数,与闪烁体和光电转换器光学接触好. 光电倍增管PMT:把光信号转换为电信号并放大;由入射窗,光阴极,聚焦电极,电子倍增极(打拿极,次级电子产额δ=发射的次级电子数/入射的初级电子数),阳极和密封玻璃外壳组成.光谱效应:光阴极受到光照射后发射光电子的几率为波长的函数量子效率Q k(λ)=发射电子数/入射光子数光阴极的光照灵敏度S k=i k/F S a=i a/F S a=g c*M*S k第一打拿极的电子收集系数g c=第一打拿极收集到的光电子数/光阴极发出的光电子数PMT的电流放大倍数M=阳极收集到的电子数/第一打拿极收集到的电子数飞行时间(渡越时间)te:一个光电子从光阴极到达阳极的平均时间渡越时间离散Δte为te的分布函数的半宽度闪光照射到光阴极时,阳极输出信号可能不同-原因:1.光阴极的灵敏度在不同位置不同2.光阴极不同位置产生的光电子被第一打拿极收集的效率不同解决:1.改进光阴极均匀性 2.改进光电子收集均匀性 3.利用光导把光电子分散在整个光阴极输出信号:闪烁体发出闪烁光子数n ph=Y ph E 第一打拿极收集到光电子数n e=n ph T 阳极收集到电子数n A=n e M 输出电荷量Q=n A e=Y ph TMe电压脉冲型工作状态R0C0>>τ优:脉冲幅度大缺:脉冲前沿后沿慢电流脉冲型工作状态R0C0<<τ优: 脉冲前沿后沿快缺:脉冲幅度小小尺寸闪烁体:仅吸收次级电子的能量,大尺寸闪烁体:吸收全部次级电子、次级电磁辐射能量中尺寸闪烁体:吸收次级电子能量,可能吸收次级电磁辐射能量;康普顿边沿与全能峰之间连续部分-多次康普顿散射造成-康普顿效应产生的散射光子又发生康普顿效应;单逃逸峰-正电子湮没辐射时产生的两个511keV的湮没光子一个逃逸而另一个被吸收,双逃逸峰-两个光子都逃逸;全能峰-对应γ射线能量的单一能峰第四章半导体探测器本征半导体:理想的纯净半导体,价带填满电子,导带无电子禁带宽度硅300K-1.115ev 0K-1.165ev锗300K-0.665ev 0K-0.746ev 电子空穴密度硅n=p=2*1010/cm3锗n=p=2.4*1013/cm3半导体探测器分类:均匀型,PN结型,PIN结型,高纯锗HPG,化合物半导体,雪崩半导体,位置灵敏半导体半导体探测器的优点:1.非常好的位置分辨率 2.很高的能量分辨率3.很宽的线形范围4.非常快的响应时间Si:适合带电粒子测量,射程短Ge:纯度高,可以做成较大的探测器:可用于γ能谱测量掺有施主杂质的半导体中多数载流子是电子,叫做N型半导体:掺有受主杂质的半导体中多数载流子是空穴,叫P型半导体补偿效应:当p>n,N型转换为P型半导体p=n时完全补偿平均电离能特点:1.近似与入射粒子种类和能量无关,根据电子空穴对可推入射粒子能量 2.入射粒子电离产生的电子与空穴数目相等 3.半导体平均电离能约3eV,远小于气体平均电离能30eV 陷落和复合使载流子减少半导体探测器材料特性:长载流子寿命(保证载流子可被收集),高电阻率(漏电流小,结电容小)PN型半导体:适合测量α粒子这类短射程粒子,不适合测量穿透力强的射线势垒高度V0=eN d W2/2ε宽度W=(2εV0/eN d)1/2=(2εV0ρnμn)1/2PIN半导体:温度升高,Li+漂移变快;Li+形成PN结,Li+与受主杂质中和,实现自动补偿形成I区(完全补偿区,耗尽层,灵敏体积),形成PIN结why半导体PN结可作为灵敏区？1.在PN结区可移动的载流子基本被耗尽,只留下电离了的正负电中心,具有高电阻率 2.PN结上加一定负偏压,耗尽区扩展,可达全耗尽,死层极薄,外加电压几乎全部加到PN结上,形成高电场 3.漏电流小,具有高信噪比高纯锗:一面通过蒸发扩散或加速器离子注入施主杂质形成N区,并形成PN结,另一面蒸金属形成P+作为入射窗,两端引出电极第五章辐射探测中的统计学f(t)=me-mt t=1/m σt2=1/m2第六章核辐射测量方法符合事件:两个或以上在时间上相关的事件真符合:用符合电路选择同时事件反符合:用反符合电路来消除同时事件,当一个测量道没有输入信号时,另一道的信号才能从符合装置输出符合道计数率nc=Aεβεγ偶然符合:在偶然情况下同时达到符合电路的非关联事件引起的符合(偶然计数n rc=2τs n1n2) 电子学分辨时间τe=FWHM/2符合计数n c=n co+n rc 真偶符合比R=n co/n rc=1/2τs A电压工作状态脉冲幅度⎺h=Ne/C0 E=Κ1⎺h+K2=Gx+E0 G0增益E0零截α能量分辨率FWHMs=2.36√FEαW0探测器选择α:金硅面垒半导体探测器、屏栅电离室、带窗正比计数器β:半导体探测器、磁谱仪γ:单晶γ谱仪全能峰E f=Eγ单Es= Eγ-511keV双E d= Eγ-1022keVy(i)=y(I p)exp[-(i-I p)2/2σ2] η=FWHM/I p FWHM=2.36σ峰康比p=全能峰的峰值/康普顿平台的峰值半导体峰总比f p/T=特征峰面积/谱总面积第七章中子探测反应堆周期T:反应堆内中子密度变化e倍所需时间平均每代时间τ:上一代中子的产生到被吸收后又产生新一代中子的平均时间K=堆内一代裂变中子总数/堆内上一代裂变中子总数T=τ/K-1反应堆功率测量系统功能:为反应堆提供工况控制信息(控制方面),为反应堆的安全保护系统提供安全保护信号(安全方面)中子测量方法:核反冲法,核反应法,核裂变法,活化法中子能谱测量方法：核反应法,核反冲法,飞行时间法中子探测器原理:通过中子与核相互作用产生可被探测的次级粒子并记录这些刺激粒子探测过程:1.中子和辐射体发生相互作用产生带电粒子或感生放射性2.在某种探测仪表记录这些带电粒子或放射性中子探测器种类:1.气体探测器(BF3正比计数管,涂硼正比计数管,长计数管,平行板电离室,圆柱形电离室,γ补偿电离室,长中子电离室)2.固体探测器(硫化锌快中子屏,硫化锌慢中子屏,含锂闪烁体,有机闪烁体)堆芯外仪表:核仪表系统(2个源量程测量通道2个中间量程测量通道4个功率量程测量通道),提供信号,提供控制信号,监测功能堆芯内仪表:堆芯裂变电离室,涂硼室,γ温度计.自给能探测器堆芯中子注量率测量系统:驱动装置,组选择器,路选择器,中子探头。
(1)核辐射探测基础知识共41页文档
Rb-87
T=5.0 X 1010a
Sm-147
T=1.06 X 1011a
20
思考题
1.天然放射性系列 2.Rn及其衰变子体 3.天然放射性主要的谱线及 与核素间的一一对应关系
21
放射性衰变的基本规律
1.基本规律
在 t 到 t + dt 的时间间隔内，原子的衰变数 dN 与存在的原子总数 N 成正比。
30 年
↘
↘ 137
56
Ba
β 0.51 MeV
↘ 92 %
↓γ 0.661 MeV
↘
↓
基态
137 56
Ba
10
放射性衰变种类
２. β衰变
衰变:原子核内，一个质子转变成一个中子，放出 一个正电子
Z AX Z A 1Y
1247S i 1237Al
11
放射性衰变种类
3. K俘获 K-capture 或称轨道电子俘获 EC
基态
14
放射性系列
铀系
uranium series U - 238
钍系
thorium series Th- 232
锕铀系 actinium uranium series U- 235
镎系
neptunium series Np- 237
15
16
17
天然放射性元素射线谱
1.铀系
核素 α 射线
γ 射线
dN Ndt
dN N
dt
N dN
N N 0
t
dt
0
ln N ln N 0 t
N N 0e t
22
放射性衰变的基本规律
1.衰变常数
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
辐射探测学复习要点第一章辐射与物质的相互作用（含中子探测一章）1.什么是射线由各种放射性核素发射出的、具有特定能量的粒子或光子束流。
2.射线与物质作用的分类有哪些重带电粒子、快电子、电磁辐射（γ射线与X射线）、中子与物质的相互作用3.电离损失、辐射损失、能量损失率、能量歧离、射程与射程歧离、阻止时间、反散射、正电子湮没、光子与物质的三种作用电离损失：对重带电粒子，辐射能量损失率相比小的多，因此重带电粒子的能量损失率就约等于其电离能量损失率。
辐射损失：快电子除电离损失外，辐射损失不可忽略；辐射损失率与带电粒子静止质量m 的平方成反比。
所以仅对电子才重点考虑辐射能量损失率：单位路径上，由于轫致辐射而损失的能量。
￥能量损失率：指单位路径上引起的能量损失，又称为比能损失或阻止本领。
按能量损失作用的不同，能量损失率可分为“电离能量损失率”和“辐射能量损失率”能量歧离(Energy Straggling)：单能粒子穿过一定厚度的物质后，将不再是单能的（对一组粒子而言），而发生了能量的离散。
电子的射程比路程小得多。
射程：带电粒子在物质中不断的损失能量，待能量耗尽就停留在物质中，它沿初始运动方向所行径的最大距离称作射程，R。
实际轨迹叫做路程P。
射程歧离(Range Straggling)：由于带电粒子与物质相互作用是一个随机过程，因而与能量歧离一样，单能粒子的射程也是涨落的，这叫做能量歧离。
能量的损失过程是随机的。
阻止时间：将带电粒子阻止在吸收体内所需要的时间可由射程与平均速度来估算。
与射程成正比，与平均速度成反比。
反散射：由于电子质量小，散射的角度可以很大，多次散射，最后偏离原来的运动方向，电子沿其入射方向发生大角度偏转，称为反散射。
正电子湮没放出光子的过程称为湮没辐射光子与物质的三种作用：光电效应（吸收）、康普顿效应（散射）、电子对效应（产生）·电离损失、辐射损失：P1384.中子与物质的相互作用，中子探测的特点、基本方法和基本原理中子本身不带电，主要是与原子核发生作用，与射线一样，在物质中也不能直接引起电离，主要靠和原子核反应中产生的次级电离粒子而使物质电离。
3905.Bethe公式应用对各种带电粒子是有效的，条件是这些粒子的速度保持大于物质原子中电子的轨道运动速度。
重离子治癌，质子刀，“大部分的能量沉积在病灶”Bethe公式是描写电离能量损失率Sion与带电粒子速度v、电荷Z等关系的经典公式。
6. 辐射损失率公式应用【探测学中所涉及快电子的能量E 一般不超过几个MeV ，所以，辐射能量损失只有在高原子序数(大Z)的吸收材料中才是重要的。
7. 自由电子不能发生光电效应光电效应：射线(光子)与物质原子中束缚电子作用，把全部能量转移给某个束缚电子，使之发射出去(称为光电子photoelectron )，而光子本身消失的过程，称为光电效应。
第二章 辐射探测中的统计学 1. 计数统计学的意义2. 随机试验、随机事件、随机变量、概率、数学期望、方差、相对均方偏差、准确度、精确度、系统误差、偶然误差 随机试验：一定条件下的每次观测。
|随机事件：随机试验的各种结果。
随机变量：代表随机事件的数量ξ。
概率：描述在某种随机试验中的各个随机事件出现的可能性数学期望：E(ξ)或E(X)，简称为期望，又称为平均值、均值。
描述的是随机变量的平均值方差： D(ξ)或D(X)，描述的是随机变量偏离其均值的程度。
相对均方偏差：在实用中，我们会经常用到相对均方偏差（与以后将要学习到的能量分辨率有关），也称为相对均方涨落。
2222()()[()][()]X D D X E E X ξξννξ==或准确度(accuracy ：测量值与被测对象真值的一致程度。
可用测量值的平均值与真值的差来描述。
精密度(precision)测量的可重复性或可靠性。
可用测量的均方偏差来描述。
系统误差(systematic errors)由于仪器本身的不精确、或实验方法粗略、或实验原理不完善而导致的测量值与实际值之间的误差。
系统误差难于发现。
无法通过统计的方法来进行分析，因为所有的数据都同时偏大或者偏小。
》偶然误差(random errors)由于各种偶然因素对实验者、测量仪器、测量对象的物理量构成影响而导致的测量误差。
利用大量的实验数据，可以实现对偶然误差的统计分析。
偶然误差可以对通过对大量测量值进行平均的方法来进行削弱。
3. 伯努利试验: 随机试验只有两种可能的结果，非此即彼，这类随机试验称222radraddE z E S NZdx m ⎛⎫=-∝ ⎪⎝⎭作伯努利实验.4.二项式分布、泊松分布、高斯分布及其期望、方差和相对方差对于长寿命的核素，在一定时间段内发射出的粒子数n满足泊松分布分布.泊松分布期望m>>1时，二项式分布可用泊松分布和高斯分布代替5.较简单复杂随机变量的期望、方差和相对方差6.串级型随机变量的期望、方差和相对方差1747.核衰变数与探测器计数的涨落分布8.相邻两个和进位信号脉冲的时间间隔9.一些常见情况下计数统计误差的传递ppt144*在一般的核测量中，常涉及函数的统计误差的计算，也就是误差传递(Error Propagation(1) 和差关系(2) 倍数关系(3) 乘除关系(4) 平均计数的统计误差(5) 不等精度独立测量值的平均(6) 存在本底时净计数率误差的计算(7) 测量时间的选择第三章气体电离探测器1.为什么需要辐射探测器2.辐射探测器的定义与分类将被测的射线转换为可观测信号的特殊器件，称之为电离辐射探测器，简称探测器利用辐射在气体、液体或固体中引起的电离、激发效应或其它物理、化学变化进行辐射探测的器件称为辐射探测器。
3.辐射探测的基本工作过程辐射粒子射入“灵敏体积”入射粒子与灵敏体积内的工作介质相互作用，损失能量并形成电离或激发;探测器通过自身特有的工作机制将入射粒子的电离或激发效果转化为某种输出信号4.原电离、次电离、总电离、电离能、光致电离光致电离：介质中原子吸收一个光子，放出一个电子而电离。
5.被激发原子的退激方式ppt1861) 辐射光子、2) 发射俄歇电子、3) 亚稳态原子的退激。
受激原子处于亚稳态，仅当它与其它粒子发生非弹性碰撞时才能退激。
6.电子与离子在气体中的运动规律气体的电离与激发、气体中电子与离子的漂移和扩散、电子与离子的复合与负离子的形成一．气体的电离与激发——载流子的产生一．`二．气体中离子、电子的漂移与扩散运动——载流子的移动一．气体放电——载流子的“增多”分两种情况来看：没有外加电场的情况、有外加电场的情况7.电离室的工作机制与输出回路工作机制：输出信号产生的物理过程极板a上加高压V0，极板a b间电容量为C1，则两极板的电荷量：`在电离室内某一点引入一单位正电荷+e当+e电荷沿电场向收集极b运动，则上极板a上感应电荷q1减少，下极板b上感应电荷q2增加。
当正电荷快到达极板的前一瞬间，-q1全部由a极板经外回路流到b极板，b极板上的感应电荷为-e输出回路：输出信号电流流过的所有回路。
8.脉冲电离室的输出信号和测量系统框图脉冲电离室的输出信号：电荷信号、电流信号、电压信号脉冲电离室的输出信号需要用电子仪器来测量。
9.脉冲电离室的能量分辨率、饱和特性曲线、坪特性曲线、探测效率、时间特性`2.3552.355 2.355 2.355hhh F FWh N Ehσην∆≡====能量分辨率为：能量分辨率反映了谱仪对不同入射粒子能量的分辨能力饱和特性曲线：ppt2630010Q Q C V+=-=.坪特性曲线探测效率4. 探测效率abs ε=记录下来的脉冲数放射源放出的粒子数定义1：绝对探测效率(absolute detection efficiency)则取决于:➢与介质作用产生次级带电粒子的相互作用截面➢以及次级带电粒子能否进入灵敏体积。
原因：有一部分幅度低于甄别阈的信号脉冲未被记录下来➢带电粒子可能只在灵敏体积内损失一部分能量。
➢电离过程是涨落的。
int 100%ε≤对带电粒子int ε=记录下来的脉冲数射入电离室灵敏体积的粒子数定义2：本征探测效率(intrinsic detection efficiency)对γ、中子等中性粒子：时间特性.5. 时间特性――常用三种指标①分辨时间——能分辨开两个相继入射粒子间的最小时间间隔。
主要取决于输出回路参数的选择和放大器的时间常数的大小。
②时滞——入射粒子的入射时刻与输出脉冲产生的时间差。
③时间分辨本领——由探测器输出脉冲来确定入射粒子入射时刻的精度。
10. 累计电离室的输出信号和性能指标一. 累计电离室的输出信号输出信号可以是：➢直流电流•相当于回路中接入内阻极小的电流计，即R L = 0➢直流电压•在输出回路上的积分电压信号。
若单位时间内射入电离室灵敏体积内的带电粒子的平均值为，每个入射带电粒子平均在灵敏体积内产生个离子对，则电流电离室输出的：nN 直流电压信号的平均值V I R =⋅I nNe=电流信号的平均值累计电离室的主要性能：饱和特性、灵敏度、线性范围、响应时间、能量响应11. 正比计数器的工作原理、光子反馈和离子反馈 工作原理：利用碰撞电离将入射粒子直接产生的电离效应进行放大了，使得正比计数器的输出信号幅度比脉冲电离室显著增大正比计数器属于非自持放电的气体电离探测器。
光子反馈：气体放大过程中的光子作用——光子反馈。
\在电子与气体分子的碰撞中：不仅能产生碰撞电离，同时也能产生碰撞激发气体分子在退激时会发出紫外光子，其能量一般大于阴极材料的表面逸出功 紫外光子在阴极打出次电子。
次电子可以在电场的加速下发生碰撞电离。
这个过程称为光子反馈。
离子反馈21912. G-M 管的工作原理和性能指标228一种利用自持放电的气体电离探测器。
第四章 闪烁探测器1. 为什么要使用闪烁探测器。
闪烁探测器的优点：探测效率高，适合于测量不带电粒子，如γ射线和中子，能够测量能谱。
时间特性好，有的探测器（如塑料闪烁体、BaF2）能够实现ns 的时间分辨2. 什么是闪烁探测器闪烁探测器是利用辐射在某些物质中产生的闪光来探测电离辐射的探测器。
3. 闪烁探测器的工作过程 245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。
荧光光子被收集到光电倍增管(PMT)的光阴极，通过光电效应打出光电子。
电子运动在PTM 的打拿极间运动并倍增（γ射线的三种效应，中子的核反应，或者带电粒子直接入射①射线沉积能量②电离产生荧光③荧光被转换为光电子④光电子的倍增——决定探测效率——影响能量分辨率——能量分辨率基本被决定——信号的放大决定工作状态：电流、电压？⑤流经外回路——信号的形成4. 闪烁体分类、发光效率、光能产额、发光衰减时间248几种闪烁体的发光衰减时间闪烁体τ(ns)τs (μs)fBaF20.60.62CsI(Tl)10 1.0芪 6.20.37蒽330.37液体闪烁体 2.40.20塑料闪烁体 1.3NaI(Tl)0.23也发现有三种发光衰减时间的闪烁晶体(如PbWO…)。