第二講核輻射與探測技術演示文稿1當前1頁，總共66頁。2（優選）第二講核輻射與探測技術當前2頁，總共66頁。問題：核輻射眼睛看不見、耳朵聽不著、雙手摸不到，如何知道它的存在呢？哈爾濱銥-192之謎核探測器是核輻射的耳目！當前3頁，總共66頁。中國日報消息：由于擔心恐怖分子利用海上進行核原料走私，美國與荷蘭政府簽署一項協議，自掏腰包為歐洲最大的海港鹿特丹港口安裝核物質探測器。

這套價值300萬美元的探測系統包括固定和手持的儀器，可以對通過港口的貨物集裝箱進行掃描，檢查集裝箱里是否裝有核原料。

每年大約有數千艘商船通過鹿特丹港口，很多貨物都是從中東和世界其他地區經過這里轉運到美國的。美國安全官員一直擔心，恐怖分子會將核原料藏在集裝箱偷運到美國，然后用這些核原料制造“臟彈”?！芭K彈”是一種大規模破壞性武器，引爆后將放出大量有害的放射性物質，不僅會造成人員傷亡，而且會使遭到攻擊的區域受到嚴重的放射性污染。當前4頁，總共66頁。

核探測器（粒子探測器）：能夠指示、記錄和測量核輻射的材料或裝置。

原理：輻射與核輻射探測器內的物質相互作用而產生某種信息（如電、光脈沖或材料結構的變化），經放大后被記錄、分析，以確定粒子的數目、位置、能量、動量等。

當前5頁，總共66頁。宇觀——宏觀——微觀粒子（無窮大到無窮?。?026m到10-18m；物質的基本結構：由原子到夸克?？淇撕洼p子是物質的最基本組成；微觀粒子肉眼看不到，只能通過探測器探測到人類對物質世界的認識不斷深化，歸功于實驗和理論的相互促進，歸功于粒子加速器和粒子探測器的不斷建造和發展。使對物質世界的探索逐步走上現代實驗科學的軌道。核探測技術隨核物理的發展而發展當前6頁，總共66頁。粒子源種類輻射源天外的：宇宙射線；天然的：自然界自然存在的放射性核素——鈾、釙、鐳、錒等；人工的：用加速器、反應堆產生的放射性核素——锝、钷、镎、钚、镅等。當前7頁，總共66頁。當前8頁，總共66頁。我們要知道有多少粒子，什么樣的粒子，還要知道它們的物理性質，來源。為此，探測器要測量許多物理量。計數和計數率：即粒子的通量或流強；時間：粒子到達探測器時間或相對于某時刻時間間隔；能量：尤其中性粒子（中子，光子，中微子等）的能量；動量：主要是帶電粒子的動量；位置：粒子產生或衰變的位置，帶電粒子在探測器內的位置和飛行的軌跡，中性粒子進入探測器的位置和飛行方向；粒子的分辨：區別不同性質的粒子，特別需要分辨相同動量下不同質量的帶電粒子；核探測器測量的基本物理量當前9頁，總共66頁。測量粒子與射線的基本性質，研究這些粒子之間的相互作用以及它們與宏觀物質的相互作用等。將這些粒子與射線作為微小的探針來研究微觀或亞微觀結構，如晶體結構，物質的表面結構，分子原子及核結構等。因為這些粒子來源不同，有的來自地球，有的來自太陽，月亮或銀河以外，它們會帶有與源有密切關系的信息。通過這些粒子或射線來研究我們達不到的各種天體。粒子與射線在工業，農業，地質，醫療，環保，航天等領域被廣泛地應用，不可替代地獲得對宏觀物質的形態，結構，成分的測量與研究。粒子探測器用途：當前10頁，總共66頁。

6位獲諾貝爾獎的粒子探測器大師發明云室，一種觀測帶電粒子徑跡的方法和技術（1927年）發展Wilson云室技術，在核物理與宇宙線研究中做出貢獻（1948年）發明核乳膠技術，在宇宙線中發現介子（1950年）發明氣泡室（1960年）發展氣泡室及數據處理技術，發現大量共振態（1968年）G.Charpak發明多絲正比室并發展氣體絲室技術（1992年）當前11頁，總共66頁。丁肇中教授中國科大，中科院高能所，上硅所參加當前12頁，總共66頁。TheAlphaMagneticSpectrometerDetector

國際空間站的一個粒子物理實驗（丁肇中教授領導）當前13頁，總共66頁。粒子探測基本原理粒子探測主要是指記錄粒子數目，測定其強度，確定粒子的性質（能量、動量、飛行方向等）。根據粒子的帶電性質分類帶電粒子：、p、e±、±、±、±等電磁輻射：x射線、射線中性粒子：n、0、0、等當前14頁，總共66頁。（一）帶電粒子探測基本原理

入射帶電粒子與物質原子的軌道電子發生庫侖相互作用而損失能量，軌道電子獲得能量。當電子獲得能量足以克服原子核的束縛，則電子就脫離原子成為自由電子。這就是電離。電離的結果形成一對正離子和自由電子。若內殼層電子被電離后，該殼層留下空穴，外層電子躍遷來填補，同時放出特征x射線或俄歇電子。當電子獲得能量較少，不足以克服原子核的束縛成為自由電子，將躍遷到較高的能級。這就是原子的激發。處于激發態的原子不穩定，作短暫停留后，將從激發態躍遷回到基態，這就是退激。退激時，釋放的能量以熒光的形式發射出來。當前15頁，總共66頁。利用電離或激發效應來記錄入射粒子是絕大多數探測器的物理基礎。它們的差別在于記錄方式不同，大致分為：（1）收集電離電荷的探測器主要收集電離效應產生的大量正負離子，記錄它們的電荷所形成的電壓或電流脈沖。這類探測器必須加上適當的工作電壓，形成電場以有效收集電荷。如氣體探測器、半導體探測器。當前16頁，總共66頁。（2）收集熒光的探測器被帶電粒子激發的原子退激時發出熒光。由于熒光很弱，需要通過一定的轉換放大，即把光脈沖轉換成較大的電脈沖——光電倍增管。如閃爍計數器等。（3）利用離子集團作為徑跡中心的探測器，徑跡探測器。如核乳膠、云室、氣泡室、火花室等。（4）收集切倫科夫輻射的探測器，切倫科夫探測器。軔致輻射和同步輻射是附加產物，對高能電子探測器必須考慮它們的影響。當前17頁，總共66頁。（二）射線的探測射線與物質的相互作用主要有三個過程：光電效應康普頓效應電子對效應當前18頁，總共66頁。光電效應光電效應：低能光子被介質原子吸收放出電子的效應。光電子能量

hv為入射光子能量，Ei為第i殼層電子的結合能原子退激發時發射特征X射線或俄歇電子。入射光子原子光電子hv俄歇電子LK原子核當前19頁，總共66頁。散射光子不能直接探測到反沖電子可以被探測到入射光子核外電子出射電子E出射光子康普頓-吳有訓效應當前20頁，總共66頁。電子對效應電子對效應：光子從原子核旁經過，當光子能量超過2個電子靜止質量之和即1.02MeV時，在原子核庫侖場作用下，光子轉化為正負電子對，正負電子能量之和等于入射光子能量。對一定能量的入射光子電子對效應產生的正負電子的動能之和為常數，但就電子或負電子而言其動能從0－2mec2都有可能，動能分配是任意的。入射光子能量越大，正負電子的發射方向越前傾。入射光子原子核正負電子對EE+E-e+e-當前21頁，總共66頁。射線與物質原子發生光電效應的總截面

1）

重元素的光電效應比輕元素強得多；2）低能射線比高能射線強得多；3）當射線能量接近電子的結合能時，光電效應截面最大。當前22頁，總共66頁。光電效應、康普頓效應是光子與核外電子的作用結果，電子對效應是光子與原子核電磁場的作用結果。三種效應的相對重要性

對低能射線和原子序數高的物質光電效應占優勢；對中能射線和原子序數低的物質康普頓效應占優勢；對高能射線和原子序數高的物質電子對效應占優勢。三種效應相互競爭，可能同時存在。當前23頁，總共66頁。在三種效應中，每個光子都是在一次作用中就損失其全部能量或相當大部分能量，并發射出電子。正是這些電子使得探測射線成為可能。光電效應和電子對效應所發射的次級電子的能量單一，因此射線探測器的物質應選用Z盡可能大的材料。入射光子原子光電子hv入射光子核外電子出射電子E出射光子入射光子原子核正負電子對EE+E-當前24頁，總共66頁。（三）中子的探測中子與物質相互作用主要是中子與原子核的強相互作用，即核反應。探測中子就是探測中子與原子核核反應產生的次級粒子。中子不帶電，不受庫侖斥力影響，容易進入原子核發生核反應。不同能量中子的探測原理和探測器不同。中子能量的區分：（1）慢中子（2）中能中子（3）快中子當前25頁，總共66頁。一、核反沖法核反沖法是記錄中子與原子核彈性散射后的反沖核。在彈性散射過程中，中子運動方向改變，能量減少。這減少的能量傳遞給原子核，使原子核以一定的速度運動，該核稱作反沖核。反沖核具有電荷，可以作為帶電粒子記錄。記錄了反沖核，就探測到中子。該方法主要用于探測快中子。由能動量守恒，對En<30MeV的中子，反沖核獲得的動能En入射中子En’散射中子E反沖反沖核M原子核質量反沖角當前26頁，總共66頁。若以質量數代替質量，則mn=1,M=A

由此可見，反沖核越小獲得的能量越大。當＝0，A＝1時，E反沖＝En，最大。反沖質子法選用含氫物質做輻射體，此時反沖核就是質子。實際中常用石蠟、水等含氫物質作為中子慢化劑。核反沖法探測中子時應選擇輕核物質做靶材料。如氫、甲烷等氣體，有機玻璃、有機晶體、塑料等固體。核反沖可以測量快中子能量。當一定時，E反沖正比于En。實際中測量沿入射中子束方向張角為±10度的反沖質子，此時探測器接收到的質子數較多，反沖質子的能量粗略地等于入射中子能量。當前27頁，總共66頁。二、核反應法核反應法主要用于測量慢中子通量。中子通量：單位時間通過單位面積的中子數。原子核反應用方程式表示：

a(入射粒子)+A(靶核)b(出射粒子)+B(剩余核)+Q

或簡寫成A（a，b）B

實驗表明任何一個核反應，箭頭兩邊的總電荷數Z和總質量數A必須相等；反應前后體系的總能量（靜止能量和動能之和）不變，總動量不變。

Q值>0的反應，放熱反應；Q值<0的反應，吸熱反應。當前28頁，總共66頁。目前應用最多的三種核反應：都是放熱反應，反應放出的能量變成次級粒子的動能。0是熱中子的反應截面，都很大。實際應用最廣的是反應。因為硼材料比較容易得到，氣態可選用BF3氣體，固態有氧化硼、碳化硼等。天然硼中10B含量較高，易濃縮。中子與10B反應有兩個過程當前29頁，總共66頁。三、核裂變法核裂變法就是通過記錄中子與重核作用產生的裂變碎片來探測中子的方法。探測不同能量的中子選用不同的裂變材料對熱中子和慢中子選235U(=528b)，239Pu(=743b)

，233U(=531b)。裂變放出能量200MeV，兩個裂變碎片帶走170MeV的能量。入射中子能量遠小于它，故該法不能測量中子能量，主要測中子通量。核裂變法特點：放出反應能很大，所以本底對測量沒有影響，可以在強本底下測量中子。許多重核只有在入射中子能量大于某個閾值后才能發生裂變。利用一系列不同閾能的裂變元素來判斷中子的能量，這種探測器稱為閾探測器。當前30頁，總共66頁。四、活化法活化法是中子與原子核相互作用時，原子核吸收中子后形成一個處于激發態的復合核，復合核通過發射射線或射線回到基態。這種俘獲中子，輻射射線或射線的過程稱為輻射俘獲，亦稱活化。用115In做激活材料，受中子照射后，新生成的核素一般都不穩定，116In就是放射性的，測量經中子輻照后材料的放射性，就可以知道中子強度。當前31頁，總共66頁?？偨Y根據射線的不同類型和能量等參數，選擇不同的探測器內物質與射線相互作用，產生次級粒子，想辦法記錄這些粒子。當前32頁，總共66頁。氣體探測器的基本原理一、氣體的電離

帶電粒子通過氣體時，與氣體原子核外電子發生庫侖作用，入射粒子損失部分能量，氣體原子則電離或激發。軌道電子獲得的能量足以克服原子的束縛成為自由電子，形成電子－離子對。

原初電離：入射粒子和氣體原子直接作用產生的電離對。次級電離：電離的次級粒子再次和氣體原子作用產生的電離對總電離N0：等于原初電離＋次級電離平均電離功：帶電粒子在氣體中產生一對電離粒子所需的平均能量。粒子在氣體中損失的能量平均電離功當前33頁，總共66頁。二、電子和離子在氣體中的運動不加外電場時，電子和離子與氣體分子不斷碰撞，三種運動狀況：

擴散：從密度大的區域向密度小的區域擴散運動

電子吸附：電子被中性氣體原子俘獲形成負離子

復合：電子和正離子復合形成中性原子加外電場時，電子和離子沿電場方向分別向正負電極做漂移運動。漂移運動有利于總電離的收集，是我們需要的。前三種運動不利于總電離的收集，造成能量測量誤差，應設法減小它們的影響。當前34頁，總共66頁。三、外加電場對電離粒子運動的影響0d++++++++--------

-U0z外加電場使電離產生的電子和離子沿電場方向作漂移運動，以利于電荷有效收集。當前35頁，總共66頁。第一區段：復合區外加電壓很低，離子漂移速度很小，電子吸附效應、擴散效應和復合效應起主要作用。復合的結果，電子離子數目減少，所以電極收集到的離子對數目小于總電離數目。當前36頁，總共66頁。第二區段：飽和區（電離室區）隨著外加電壓增大，離子漂移速度增大，電子吸附、擴散效應的影響減小，發生復合的機會減小，被收集的電荷數逐漸增加。當電壓達到某一定值Va時，基本不存在復合，總電離數N0全部被電極收集，達到飽和。在一定電壓范圍內(Va-Vb)，被收集電荷不再增加，達到飽和。當前37頁，總共66頁。第三段區：正比區工作電壓大于Vb后，外加電場很強，電離電子在漂移過程中獲得的能量很大，使氣體分子再電離，又產生次級離子對。次級電子在漂移時又可能加速到足以再產生次級離子對。如此不斷繼續下去，使電離的離子對數目比原總電離對數目N0增加很多，稱作電子雪崩過程。這種現象稱作為氣體放大。經氣體放大得到的電荷數N與原總電離數N0之比叫做氣體放大倍數。氣體放大倍數隨電壓的增加而增加。對確定的探測器，外加電壓一定時，放大倍數一定。電極收集的電荷數N正比于原總電離數N0，正比于入射粒子能量。當前38頁，總共66頁。第四區段：有限正比區當電場強度大到一定程度時，產生的大量離子對中的正離子，由于漂移速度很慢，滯留在氣體空間，形成空間電荷。它們所產生的電場方向與外電場方向相反，從而限制了次級離子繼續增加，這就是空間電荷效應。由于空間電荷效應的影響限制了氣體放大倍數的增長。這一區段稱為有限正比區。當前39頁，總共66頁。第五區段：G－M區進入此區后，隨著電壓的增加，空間電荷效應越來越強，收集到的電荷又一次飽和，與原總電離N0無關。由于空間電荷效應的影響，收集的電荷與入射粒子的種類和能量無關。當前40頁，總共66頁。第六區段：連續放電區電壓增加到該區，收集的離子對數再次急劇增加，氣體連續放電。當前41頁，總共66頁。電離室在核物理發展早期，電離室曾發揮了重要的作用。

1911-1914年Hess和Kolhorster在一系列電離室測量中發現了宇宙射線；

1932年Chadwich利用電離室測量反沖質子，從而證實了中子的存在；

1939年Frish利用電離室證實了核裂變時釋放大量的能量。

……至今仍有廣泛的應用。如：

測厚儀、核子秤、集裝箱CT等等。當前42頁，總共66頁。二、電離室的類型脈沖電離室：記錄單個輻射粒子，主要用于測量重帶電粒子的能量和強度。電流電離室：記錄大量粒子平均效應，主要用于測量X、g、b和中子的強度或通量。當前43頁，總共66頁。三、電離室的構造由兩個處于不同電位的電極組成，電極大多是平行板和圓柱形的，也有球形或其他形狀的。平板電離室的兩個電極通常是圓形金屬板。圓柱形電離室中心的收集極一般是一個圓棒或一根金屬絲。0d++++++++--------

陰極

陽極

-U0z測量輻射劑量的電離室當前44頁，總共66頁。四、電離室的工作氣體電極之間是電離室的有效靈敏體積，充以一定的工作氣體。電流電離室常用的工作氣體有純惰性氣體、氮氣和空氣等，也可用混合氣體。脈沖電離室常用的工作氣體大多是惰性氣體加少量多原子分子氣體。如：Ar+10%CO2，Ar+10%CH4等。測量中子的電離室，根據中子能量分別充BF3、CH4、H2和3He等，或在電極上覆蓋一層濃縮的10B、235U、238U等。當前45頁，總共66頁。正比計數器工作于正比區，發生氣體放大現象，即被加速的原初電離電子在電離碰撞中逐次倍增而形成電子雪崩。收集極上的感生的脈沖信號幅度V是原初電離感生脈沖幅度的M倍。優點：脈沖幅度較大，比電離室大102－104倍；靈敏度高，適合于探測低能電子和X射線；脈沖幅度幾乎與原初電離位置無關。所以，既能用于粒子計數器又能做能譜測量。M：氣體放大倍數N0：原初電離對數C：電容－：負極性脈沖當前46頁，總共66頁。

G-M計數器工作在電離放大曲線的第五區，M>105。電子雪崩持續發展，形成自激放電，增殖的離子對總數與原電離無關。Q0＝MN0e＝常數。特點：1）靈敏度高；2）脈沖幅度大；3）穩定性高4）計數器大小和幾何形狀可以按要求有較大變化；5）使用方便，成本低，制作工藝和儀器電路均較簡單。當前47頁，總共66頁。小結氣體探測器均以氣體作為探測介質。電離室、正比計數器、G－M計數器是工作在電離放大曲線不同區段的探測器。在氣體探測器中雪崩倍增過程起著十分重要的作用。具有制備簡單、性能可靠、成本低廉、使用方便等優點，有廣泛的應用。20世紀70年代以來，氣體探測器有很大發展，在高能物理和重離子物理實驗中獲得新的應用，并廣泛應用于核醫學、生物學、天體物理、凝聚態物理和等離子體物理等領域。當前48頁，總共66頁。1）PN結兩側存在電子和空穴，形成電場。2）PN結加上一定電壓，外加電壓幾乎全部加到PN結上，形成很高電場。3）粒子在PN結電場得到加速，在收集極被收集。二、半導體探測器當前49頁，總共66頁。個人劑量儀個人劑量筆多功能數字核輻射儀當前50頁，總共66頁。三、閃爍探測器的工作原理

典型的閃爍探測器裝置當前51頁，總共66頁。閃爍探測器光電倍增管當前52頁，總共66頁。BGO,LSO&LYSOSamples當前53頁，總共66頁。四、核乳膠工作原理組成：核乳膠由銀鹽顆粒和膠質組成。

溴化銀AgBr大部分常用銀鹽碘化銀AgI少量銀鹽顆粒對帶電粒子靈敏，而對光幾乎不靈敏。膠質：骨膠和明膠2.工作原理：帶電粒子與AgBr晶粒作用，使AgBr分子分解成Ag原子和Br原子，在一定條件下，Ag原子聚集成Ag集團，形成可顯影的核心“潛影”，經化學顯影處理，潛影的晶粒還原成黑色的Ag顆粒，把帶電粒子的徑跡顯示出來。當前54頁，總共66頁。

粒子探測系統一、脈沖計數系統

主要用于放射性計數、強度和劑量的測量，加速器和反應堆的粒子通量的測量等等。當前55頁，總共66頁。幅度甄別器：讓超過一定幅度的脈沖通過，有輸出，去除幅度小的噪聲本底和一些幅度小的不想要的粒子。脈沖形狀甄別器：利用不同粒子在探測器中產生的脈沖幅度相同，但是脈沖形狀不同來甄別。如粒子質量大，脈沖上升時間慢，粒子質量小，脈沖上升時間快，利用脈沖形狀不同來選擇所要的粒子。又如，利用、中子脈沖形狀不同，在強本底下探測中子。定標器預置時間，記錄一定時間內的脈沖數目。高低壓電源探測器高壓供電和電子學儀器低壓供電當前56頁，總共66頁。二、脈沖幅度分析系統探測器的輸出脈沖幅度正比于入射粒子在探測器中損失的能量，如電離室、正比計數器、多絲正比室、半導體探測器、閃爍計數器等。當前57頁，總共66頁。單道脈沖幅度分析器上閾：VU下閾：VL道寬：H=VU-VL用途：選擇一定幅度范圍內的信號當前58頁，總共66頁。計數探測器的選擇

對重粒子：如粒子，選用ZnS(Ag)、金硅面壘半導體射線和電子：正比計數器、G-M計數器、塑料閃爍體。液體閃爍器等探測器高能帶電粒子：塑料閃爍計數器、MWPC和C探測器射線：G-M計數器和NaI