核辐射探测复习知识点
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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=Sion+Srad 重:S=Sion=(1/4πε0)2(4πz2e4/m0v)2NB Bethe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.Sion随粒子E/n变化曲线:a段:入射粒子能量E较低时, Sion与z2成正比,曲线上升 b段(0.03MeV-3000MeV):相对论项作用不显著, Sion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, Sion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/z2 1.v同两种粒子同物质R1/R2=m1/m2*（z2/z1）2 2.v同一种粒子两物质Ra/Rb=Aa/Ab *(ρb/ρa) α粒子空气射程R0=0.318Eα1.5 R=3.2*10-4A/ρ*Rair 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Srad/Sion=EZ/800 快电子Srad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xm=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-μx 窄束I(x)=I0e 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<0C0n<、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%=2.36FWHM=ηE=2.36
ΔE能谱半高宽
=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 VI2≈1/nT<<1 VV2≈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 VT=ET*alnb/a 只有V0>VT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V0VT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 At=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 At=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td:电子再次在阳极附近雪崩的时间 复原时间te: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tf: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Yph=nph/E=4.3*104/MeV 闪烁效率Cph=Eph/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Qk(λ)=发射电子数/入射光子数 光阴极的光照灵敏度Sk=ik/F Sa=ia/F Sa=gc*M*Sk 第一打拿极的电子收集系数gc=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nph=YphE 第一打拿极收集到光电子数ne=nphT 阳极收集到电子数nA=neM 输出电荷量Q=nAe=YphTMe
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=eNdW2/2ε宽度W=(2εV0/eNd)1/2=(2εV0ρnμn)1/2
PIN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nrc=2τsn1n2) 电子学分辨时间
τe=FWHM/2 符合计数nc=nco+nrc 真偶符合比R=nco/nrc=1/2τsA
电压工作状态脉冲幅度h=Ne/C0 E=Κ1h+K2=Gx+E0 G0增益E0零截 α能量分辨率 FWHMs=2.36FEαW0
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Ef=Eγ 单Es= Eγ-511keV双Ed= Eγ-1022keV y(i)=y(Ip)exp[-(i-Ip)2/2σ2] η=FWHM/Ip 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fp/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
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