核探测与核电子学

核探测与核电子学

摘要：核辐射探测器是核物理、粒子物理研究及辐射应用中不可缺少的工具和手段。核辐射探测器的工作过程大致分为二阶段：一是与辐射反应，生成某种信息，该过程属于核测控内容；二是该信息的记录、收集、处理，该过程属于核电子学内容。

关键字：核辐射、核电子学、核辐射探测器。

1 前言

核辐射探测器，简称为核探测器，也称为核探测设备。是一种辐射射线检测装置。核辐射是原子核从某种能量状态或某种结构向另一种结构或状态发生转变时，在转变过程中释放出来的微观粒子流，这是一个涉及原子或原子核的过程，从原子核中释放出的辐射。γ辐射、中子辐射、α和β辐射等这些辐射都称为核辐射[1]。X，γ射线都是属于电磁辐射范畴，X-ray 是由核外电子在跃迁过程中产生的，γ射线是在核跃迁或粒子湮灭过程的中发出来的电磁辐射[2]。核辐射探测器可以说是粒子物理研究以及核物理研究中最为基础，也是极其重要的一项技术和工具，核辐射探测器的基本工作原理如图。当辐射射线（或粒子）辐照到探测器的电荷灵敏区，而电荷灵敏区内的物质在辐射的激发下会产生出大量电子-空穴对，在外加电场的作用下分别向正负电极移动而产生电学信号，对电学信号的分析整理，从而实现对辐射射线或粒子的探测。高能物理事业、核技术及现代电子学的发展, 带动各种探测器技术不断发展。辐射探测器是通过粒子与适当的探测介质相互作用而产生某种信息，经放大后被记录、分析，以转变为各种形式的直接或间接可为人们感官所能接受的信息，从而确定粒子的数目、位置能量、动量、飞行时间、速度质量等物理量。按照产生信息的方式，探测器大体上可分为计数器和径迹室两大类。本文以探测器原理依据，分别介绍不同探测器原理，以及核电子技术在不同探测器的应用原理

2.计数器类探测器

计数探测器是应用最广泛的辐射探测器。它以电脉冲的形式记录、分析辐射产生有关信息。这种类型探测器的问世，导致了核电子学这一新的分支学科的出现和发展。最常用的计数器类探测器主要有气体探测器、半导体探测器和闪烁探

测器三大类。 2.1气体探测器 气体探测器的主要特点是以气体为探测介质。在核物理发展的早期，它们曾经是应用最广泛的探测器，50年代以后，才逐步被取代然而气体探测器所特有的优点，例如，制备简单、性能可靠、使用方便等,上世纪70年代以后，在高能物理和重离子物理的实验中又获得了新的应用。气体探测器主要有电离室、正比计数器和盖革计数器三种。它们的结构相似，一般都是有两个电极的小室，充有某种气体。它们的结构相似，一般都是有两个电极的小室，充有某种气体。

2.1.1工作原理

当带电粒子进入室内时，和室内气体相互作用，使气体电离形成电子和正离子，离子对的数目不仅与入射带电粒子的能量有关，同时也与气体探测器所加的偏压有关。如下图1，根据所加偏压大小，可以使得气体探测器工作在不同区间，其主要区别是离子对数的收集。探测器处于复合区间时，收集到的离子对数小于初始电离产生的离子对数o N ；处于饱和区时，收集到的离子对数等于o N ；处于正比区时，收集到的离子对数大于o N ，且有N=o N M ，M 为气体放大倍数；处于G-M 工作区与连续放电区，收集到的离子对数完全与入射粒子能量无关。因此可以看出，气体探测器信号载流子的收集

由探测器灵敏体积所加偏压决定。如果

加上电压，这些离子和电子将会在电场

作用下，分别向两极运动,在阳极产生电

信号，离子对收集后产生电流信号，对

于该电流信号的处理，主要进行于探测

器的输出回路。输出电路通常包括探测

器本身的输出部分电路以及和探测器相

连的放大器输入电路。输出电压大小与

入射粒子位置有关，具体探测结果由电

子学测量设备记录。这时不能作能量测图1离子对收集数与电压关系

量，只能用作计数，但计数率可较高。

电离室工作电压较低, 没有放大作用，其输出脉冲幅度较小；正比计数器的工作电压较高，有放大作用，输出脉冲幅度较大，脉冲幅度正比于入射粒子损失的能量；盖革计数器的工作电压更高，已不再正比于原始电离的离子对数，可以不经放大直接被记录。

2.1.2主要应用

电离室有各种类型，如用于测量放射源标准的2π电离室；有用于测量中子强度的补偿电离室;有用于测量相当稀少粒子事件的大体积慢脉冲电离室;有用于源强度绝对测量的2π脉冲电离室和用于测量α粒子能量的屏栅电离室等。正比计数管不仅可以用于测量带电重粒子，而且还对低能α、低能γ、和x射线谱的测量都显示出有很大的优越性。盖革计数器在测量放射性的相对强度、测定粒子的方向等方面有着广泛的用途。

2.1.3发展趋势

气体探测器研制出了正比闪烁室、自碎灭流光计数器、液氮电离室、液氢电离室，新的微条气体正比室、微间隙气体探测器、微网结构的气体探测器、气体电子倍增器、高阻板探测器等【3】。液氢电离室可以作为电磁量能器的计数器。随着理论研究的进一步深入以及对新材料的不断探索和制造技术的进步，气体探测器将会得到进一步的发展。

2.2 闪烁体探测器

闪烁体探测器(Scintillation Detector)是利用电离辐射在某些物质中产生的闪光来进行探测的，也是目前应用最多、最广泛的电离辐射探测器之一。辐射引起物质发光的现象很早就被人们所关注和利用:早在1903年，威廉·克鲁克斯就发明了由硫化锌荧光材料制成的闪烁镜并用其观察镭衰变放出的辐射;卢瑟福在其著名的卢瑟福散射实验中也曾使用硫化锌荧光屏观测α粒子。不过，由于传统荧光材料在使用上很不方便，闪烁探测器一直没有大的进展。1947年Coltman 和Marshall成功利用光电倍增管测量了辐射在闪烁体内产生的微弱荧光光子，这标志着现代闪烁体探测器的发端。之后随着光电倍增管等微光探测器件的应用和

相关技术的进步，闪烁体探测器得到了非常迅速的发展，各种新型闪烁体材料层出不穷。由于具有探测效率高、分辨时间短、使用方便、适用性广等特点，闪烁体探测器在某些方面的应用已超过气体探测器，并为γ射线谱学的形成和发展提供了可能。

2.2.1闪烁体探测器组成

1)闪烁体

闪烁体是闪烁体探测器的重要能量转换介质，它是指能吸收粒子或射线而发出光子的材料。闪烁体可分为三类：

a)无机闪烁体

常见的有NaI（Ti）和CsI（Ti）晶体, 它们对电子、下辐射灵敏，发光效率高，有较好的能量分辨率，但光衰减时间较长；BGO晶体密度大，发光效率高，因而对高能电子、γ辐射探测十分有效。其他如用银（Ag）激活的硫化锌ZnS（Ag）主要用来探测α粒子；玻璃闪烁体可以测量α粒子，加入载体后可测量中子；氟化钡（BaF）密度大，有荧光成分，既适合于能量测量，又适合于时间测量。

b)有机闪烁体

包括塑料、液体和晶体，前两种使用普遍。由于它们的光衰减时间短（2~3ns，快塑料闪烁体可小于1n），常用在时间测量中。它们对带电粒子的探测效率将近百分之百。

c)气体闪烁体,

包括氮、氦、氢等惰性气体，发光效率不高，但光衰减时间较短（<10ns），常作为记录裂变产物和重粒子的探测器。

2)光电倍增管

它是闪烁探测器的最重要部件之一，由光阴极和倍增电极组成。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 护的放大器，光阴极上产生的电子经加速到倍增电极上，每个倍增电极上均发生电子的倍增现象，倍增极的培增系数与所加电压成正比。光电倍增管可分为“聚焦型”和“非聚焦型”两类。