輻射式傳感器第1頁/共74頁圖12–1電磁波譜圖第2頁/共74頁

紅外輻射的物理本質是熱輻射，一個熾熱物體向外輻射的能量大部分是通過紅外線輻射出來的。物體的溫度越高，輻射出來的紅外線越多，輻射的能量就越強。紅外光的本質與可見光或電磁波性質一樣，具有反射、折射、散射、干涉、吸收等特性，它在真空中也以光速傳播，并具有明顯的波粒二相性。

紅外輻射和所有電磁波一樣，是以波的形式在空間直線傳播的。大氣是紅外輻射的主要傳播介質，當紅外線在大氣中傳播時，大氣層對不同波長的紅外線存在不同的吸收帶，紅外線氣體分析器就是利用該特性工作的，空氣中對稱的雙原子氣體，如N2、O2、H2等不吸收紅外線。而紅外線在通過大氣層時，有三個波段透過率高，它們是2～2.6μm、3～5μm和8～14μm，統稱它們為“大氣窗口”。這三個波段對紅外探測技術特別重要，因此紅外探測器一般都工作在這三個波段（大氣窗口）之內。

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2.紅外輻射源發射紅外電磁波的物體和器件，皆稱紅外輻射源。它通常分為以下幾類：①標準輻射源，包括絕對黑體模型、能斯脫燈和硅碳棒等，常用于實驗室中紅外儀器和系統標定；②工業用輻射源，包括碳弧燈、鎢燈、電發光輻射器、電加熱的桿狀和面狀輻射器、氣體加熱輻射器等；③自然紅外源，包括太陽、月球、行星、大氣和云層等；④發光二極管和半導體激光器、固體和氣體激光器等；⑤紅外裝置或系統需要探測的輻射源，包括飛機發動機、機殼或尾噴管的輻射、彈道火箭、航天飛機、人造地球衛星、機動車輛和人體等。

第4頁/共74頁12.1.2紅外探測器紅外傳感器一般由光學系統、探測器、信號調理電路及顯示等組成。紅外探測器是紅外傳感器的核心。紅外探測器是利用紅外輻射與物質相互作用所呈現的物理效應來探測紅外輻射的。紅外探測器的種類很多，按探測機理的物理效應可分為兩大類：一類是器件的某些性能參數隨入射的輻射通量作用引起的溫度變化的熱探測器；另一類是利用各種光子效應的光子探測器，即入射到探測器上的紅外輻射能以光子的形式與光電探測器材料的束縛電子相互作用，從而釋放出自由電子和自由空穴參與導電的器件。

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1.熱探測器熱探測器是基于光輻射與物質相互作用的熱效應制成的器件。熱探測器探測光輻射包括兩個過程，一是吸收光輻射能量后，探測器的溫度升高；二是把溫度升高所引起的物理特性的變化轉化成相應的電信號。熱探測器的主要優點是響應波段寬，響應范圍可擴展到整個紅外區域，可以在常溫下工作，使用方便，應用相當廣泛。按熱電轉換原理的不同，熱探測器器件主要有四類：熱釋電型、熱敏電阻型、熱電阻型和氣體型探測器。而熱釋電探測器在熱探測器中探測率最高，頻率響應最寬，所以這種探測器倍受重視，發展很快，這里我們主要介紹熱釋電探測器。

第6頁/共74頁熱釋電型紅外探測器是根據熱釋電效應制成的，即電石、水晶、酒石酸鉀鈉、鈦酸鋇等晶體受熱產生溫度變化時，其原子排列將發生變化，晶體自然極化，在其兩表面產生電荷的現象稱為熱釋電效應。用此效應制成的“鐵電體”，其極化強度（單位面積上的電荷）與溫度有關。當紅外輻射照射到已經極化的鐵電體薄片表面上時引起薄片溫度升高，使其極化強度降低，表面電荷減少，這相當于釋放一部分電荷，所以叫做熱釋電型傳感器。如果將負載電阻與鐵電體薄片相連，則負載電阻上便產生一個電信號輸出。輸出信號的強弱取決于薄片溫度變化的快慢，從而反映出入射的紅外輻射的強弱，熱釋電型紅外傳感器的電壓響應率正比于入射光輻射率變化的速率。

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2.光子探測器光子探測器是利用光輻射與物質相互作用的光子效應制成的器件。光子探測器利用入射光輻射的光子流與探測器材料中的電子的互相作用，改變電子的能量狀態，從而引起各種電學現象。根據所產生的不同電學現象，可制成各種不同的光子探測器。光子探測器有內光電和外光電探測器兩種，后者又分為光電導、光生伏特和光磁電探測器等三種。光子探測器的主要特點是靈敏度高，響應速度快，具有較高的響應頻率，但探測波段較窄，一般需在低溫下工作。

第8頁/共74頁12.1.3紅外傳感器的應用

1.紅外感應系統前面已闡述，紅外輻射的物理本質是熱輻射，溫度低的物體輻射的紅外線波長長，溫度高的物體輻射的紅外線波長短。在一般常溫下，所有物體都是紅外輻射的發射源，如火焰、汽車、動植物、人體等都是紅外輻射源，但發射的紅外波長不同。紅外感應實際就是根據物體因表面溫度不同會發出不同波段的紅外光這一特性進行檢測的。第9頁/共74頁在紅外感應系統中采用熱釋電紅外傳感器。圖12－2為熱釋電紅外傳感器的結構圖，此傳感器采用金屬外殼封裝，頂部開有窗口，窗口處的濾光片用于濾去無用的紅外線，讓有用的紅外線進入窗口。由于敏感元件的輸出阻抗極高，而且輸出電壓極其微弱，因此在傳感器內部裝有場效應管及偏置厚膜電阻(RG、RS)，構成信號放大及阻抗變換電路，其內部電路如圖12－3所示。

第10頁/共74頁圖12－2熱釋電紅外傳感器結構圖

第11頁/共74頁圖12－3傳感器內部電路

第12頁/共74頁熱釋電紅外傳感器多用于檢測物體發射的紅外線，其檢測區呈球形，視角為70°左右。熱釋電紅外傳感器自身的接收靈敏度較低，一般檢測距離僅2m左右，但熱釋電紅外傳感器表面罩一塊菲涅爾透鏡后，可以提高傳感器的靈敏度，擴大監視范圍，檢測距離可以由原來的2m增加到10m。圖12－4為菲涅爾透鏡檢測示意圖。在防盜報警系統中所采用的熱釋電傳感器為雙元型紅外傳感器，雙元型紅外傳感器由兩個極性相反的熱釋電元件反向串聯。當移動物體發射的紅外線進入透鏡的監視范圍時，就會產生一個交替的“盲區”和“高敏感區”，使傳感器的兩個反向串聯的熱釋電元件輪流感受到運動物體，而物體的紅外輻射以光脈沖的形式不斷改變熱釋電元件的溫度，使它輸出一串脈沖信號。若物體靜止不動地站在熱釋電元件前，極性相反的敏感元件產生的熱釋電信號將相互抵消，它會無輸出，這樣也可以有效地防止因太陽光等紅外線及環境溫度變化而引起的誤差，提高熱釋電紅外傳感器的抗干擾性能。

第13頁/共74頁圖12－4菲涅爾透鏡檢測示意圖

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2.紅外測溫儀紅外測溫儀是利用熱輻射體在紅外波段的輻射通量來測量溫度的。當物體的溫度低于1000℃時，它向外輻射的不再是可見光而是紅外光了，可用紅外探測器檢測其溫度。如采用分離出所需波段的濾光片，可使紅外測溫儀工作在任意紅外波段。圖12－5是目前常見的紅外測溫儀方框圖。它是一個包括光、機、電一體化的紅外測溫系統，圖中的光學系統是一個固定焦距的透射系統，濾光片一般采用只允許8～14μm的紅外輻射能通過的材料。步進電機帶動調制盤轉動，將被測的紅外輻射調制成交變的紅外輻射線。紅外探測器一般為（鉭酸鋰）熱釋電探測器，透鏡的焦點落在其光敏面上。被測目標的紅外輻射通過透鏡聚焦在紅外探測器上，紅外探測器將紅外輻射變換為電信號輸出。

第15頁/共74頁圖12－5紅外測溫儀方框圖

第16頁/共74頁紅外測溫儀的電路比較復雜，包括前置放大、選頻放大、溫度補償、線性化、發射率（ε）調節等。目前已有一種帶單片機的智能紅外測溫器，利用單片機與軟件的功能，大大簡化了硬件電路，提高了儀表的穩定性、可靠性和準確性。紅外測溫儀的光學系統可以是透射式，也可以是反射式。反射式光學系統多采用凹面玻璃反射鏡，并在鏡的表面鍍金、鋁、鎳或鉻等對紅外輻射反射率很高的金屬材料。

第17頁/共74頁紅外測溫儀的電路比較復雜，包括前置放大、選頻放大、溫度補償、線性化、發射率（ε）調節等。目前已有一種帶單片機的智能紅外測溫器，利用單片機與軟件的功能，大大簡化了硬件電路，提高了儀表的穩定性、可靠性和準確性。紅外測溫儀的光學系統可以是透射式，也可以是反射式。反射式光學系統多采用凹面玻璃反射鏡，并在鏡的表面鍍金、鋁、鎳或鉻等對紅外輻射反射率很高的金屬材料。

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3.紅外線氣體分析儀紅外線氣體分析儀是根據氣體對紅外線具有選擇性吸收的特性來對氣體成分進行分析的。不同氣體其吸收波段（吸收帶）不同，圖12－6給出了幾種氣體對紅外線的透射光譜，從圖中可以看出，CO氣體對波長為4.65μm附近的紅外線具有很強的吸收能力，CO2氣體則發生在2.78μm和4.26μm附近以及波長大于13μm的范圍對紅外線有較強的吸收能力。如分析CO氣體，則可以利用4.26μm附近的吸收波段進行分析。

第19頁/共74頁圖12－6幾種氣體對紅外線的透射光譜

第20頁/共74頁圖12－7是工業用紅外線氣體分析儀的結構原理圖。該分析儀由紅外線輻射光源、氣室、紅外探測器及電路等部分組成。

圖12－7紅外線氣體分析儀結構原理圖

第21頁/共74頁光源由鎳鉻絲通電加熱發出3～10μm的紅外線，切光片將連續的紅外線調制成脈沖狀的紅外線，以便于紅外線檢測器信號的檢測。測量氣室中通入被分析氣體，參比氣室中封入不吸收紅外線的氣體（如N2等）。紅外探測器是薄膜電容型，它有兩個吸收氣室，充以被測氣體，當它吸收了紅外輻射能量后，氣體溫度升高，導致室內壓力增大。測量時（如分析CO氣體的含量），兩束紅外線經反射、切光后射入測量氣室和參比氣室，由于測量氣室中含有一定量的CO氣體，該氣體對4.65μm的紅外線有較強的吸收能力，而參比氣室中氣體不吸收紅外線，這樣射入紅外探測器的兩個吸收氣室的紅外線光造成能量差異，使兩吸收室壓力不同，測量邊的壓力小，于是薄膜偏向定片方向，改變了薄膜電容兩電極間的距離，也就改變了電容C。如被測氣體的濃度愈大，兩束光強的差值也愈大，則電容的變化量也愈大，因此電容變化量反映了被分析氣體中被測氣體的濃度。

第22頁/共74頁圖12－7所示結構中還設置了濾波氣室，其目的是為了消除干擾氣體對測量結果的影響。所謂干擾氣體，是指與被測氣體吸收紅外線波段有部分重疊的氣體，如CO氣體和CO2在4～5μm波段內紅外吸收光譜有部分重疊，則CO2的存在對分析CO氣體帶來影響，這種影響稱為干擾。為此在測量邊和參比邊各設置了一個封有干擾氣體的濾波氣室，它能將與CO2氣體對應的紅外線吸收波段的能量全部吸收，因此左右兩邊吸收氣室的紅外能量之差只與被測氣體（如CO）的濃度有關。

第23頁/共74頁12.2核輻射傳感器12.2.1核輻射及其性質眾所周知，各種物質都是由一些最基本的物質所組成。人們稱這些最基本的物質為元素。組成每種元素的最基本單元就是原子，每種元素的原子都不是只存在一種。具有相同的核電荷數Z而有不同的質子數A的原子所構成的元素稱同位素。假設某種同位素的原子核在沒有外力作用下，自動發生衰變，衰變中釋放出α射線、β射線、γ射線、X射線等，這種現象稱為核輻射。而放出射線的同位素稱為放射性同位素，又稱放射源。第24頁/共74頁實驗表明，放射源的強度是隨著時間按指數定理而減低的，即(12-1)式中：J0——開始時的放射源強度；J——經過時間為t以后的放射源強度；λ——放射性衰變常數。第25頁/共74頁

放射性同位素種類很多，由于核輻射檢測儀表對采用的放射性同位素要求它的半衰期比較長(半衰期是指放射性同位素的原子核數衰變到一半所需要的時間，這個時間又稱為放射性同位素的壽命)，且對放射出來的射線能量也有一定要求，因此常用的放射性同位素只有20種左右，例如Sr90（鍶）、Co60（鈷）、Cs137（銫）、Am241（镅）等。第26頁/共74頁

1.α射線放射性同位素原子核中可以發射出α粒子。α粒子的質量為4.002775u(原子質量單位)，它帶有正電荷，實際上即為氦原子核，這種α粒子流通常稱作α射線。放射出α粒子后同位素的原子序數將減少兩個單位而變為另一個元素。一般α粒子具有40～100MeV的能量，平均壽命為幾微秒到1010年。它從核內射出的速度為20km/s，α粒子的射程長度在空氣中為幾厘米到十幾厘米。第27頁/共74頁

α射線通過氣體時，使其分子或原子的軌道電子產生加速運動，如果此軌道電子獲得足夠大的能量，就能脫離原子成為自由電子，從而產生一對由自由電子和正離子組成的離子對，這種現象稱為電離。如在相互作用中，軌道電子獲得的能量還不足以使它脫離原子成為自由電子，僅使電子從低能級躍遷至較高能級，則稱這種相互作用為激發。α離子在穿經物質時，由于激發和電離，損失其動能，最后停滯在物體之中，與其中兩個電子結合，成為中性的氦原子。一般說來，其電離效應較激發效應顯著。第28頁/共74頁

α離子在物質中運動時會改變運動方向，這種現象稱為散射。由于散射效應，按原來方向進行的α粒子的數目將減少，但遠小于電離和激發效應引起的α粒子的數目的減少。在檢測技術中，α射線的電離效應、透射效應和散射效應都有應用，但以電離效應為主，用α粒子來使氣體電離比其它輻射強得多。第29頁/共74頁

2.β射線

β粒子的質量為0.000549u，帶有一個單位的電荷。它所帶的能量為100keV～幾兆電子伏特。β粒子的運動速度均較α粒子的運動速度高很多，在氣體中的射程可達20m。和α粒子一樣，β粒子在穿經物質時，會使組成物質的分子或原子發生電離，但與α射線相比β射線的電離作用較小。由于β粒子的質量比α粒子小很多，因此更易被散射。β粒子在穿經物質時，由于電離、激發、散射和激發次級輻射等作用，使β粒子的強度逐漸衰減，衰減情況大致服從如下的指數規律：J=J0e-μh

(12-2)第30頁/共74頁

式中：J0和J——β粒子穿經厚度為h、密度為ρ的吸收體前后的強度；

μ——線性吸收系數。

β射線與α射線相比，透射能力大，電離作用小。在檢測中主要是根據β輻射吸收來測量材料的厚度、密度或重量，根據輻射的反射來測量覆蓋層的厚度，利用β粒子很大的電離能力來測量氣體流的。第31頁/共74頁

3.γ射線原子核從不穩定的高能激發態躍遷到穩定的基態或較穩定的低能態，并且不改變其組成過程稱為γ衰變（或稱γ躍遷）。發生γ躍遷時所放射出的射線稱γ射線或γ光子。對于放射性同位素核衰變時放射的γ射線，或者內層軌道電子躍遷時發射的X射線，它們和物質作用的主要形式為光電效應。當一個光子和原子相碰撞時，將其能量全部交給某一軌道電子，使它脫離原子，光子則被吸收，這種現象稱為光電效應。光電效應也伴隨有次級輻射產生。當γ射線通過物質時，由于發生光電等效應的結果，它的強度將減弱，它也遵循如式(12-2)所示的指數衰減規律。第32頁/共74頁

與β射線相比，γ射線的吸收系數小，它透過物質的能力最大，在氣體中的射程為幾百米，并且能穿透幾十厘米的固體物質，其電離作用最小。在測量儀表中，根據γ輻射穿透力強這一特性來制作探傷儀、金屬厚度計和物位計等。第33頁/共74頁12.2.2核輻射探測器核輻射探測器又稱核輻射接收器，它是核輻射傳感器的重要組成部分。核輻射探測器的作用是將核輻射信號轉換成電信號，從而探測出射線的強弱和變化。由于射線的強弱和變化與測量參數有關，因此它可以探測出被測參數的大小及變化。這種探測器的工作原理或者是根據在核輻射作用下某些物質的發光效應，或者是根據當核輻射穿過它們時發生的氣體電離效應。當前常用的核輻射探測器有：電離室、正比計數管、蓋革—彌勒計數管、閃爍計數器和半導體探測器等。第34頁/共74頁1.電離室電離室是利用射線對氣體的電離作用而設計的一種輻射探測器，它的重要部分是兩個電極和充滿在兩個電極間的氣體。氣體可以是空氣或某些惰性氣體。電離室的形狀有圓柱體和方盒狀。第35頁/共74頁

如圖12-8所示，在電離室兩側放置相互絕緣的板電極，電極間加上適當電壓，放射線進入電極間的氣體中，在核輻射的作用下，電離室中的氣體介質即被電離，離子沿著電場的作用線移動，這時在電離室的電路中產生電離電流。核輻射強度越大,在電離室產生的離子對越多，產生的電流亦越大。電流I與兩個電極間所加的電壓U的關系曲線如圖12-9所示（曲線1、2和3分別代表不同的輻射強度下的特性曲線）。圖中線段OU1稱為線性段，在這一線段上，當電壓不大時，電離室中的離子的移動速度亦不大，有部分離子在移動時就重新復合，而只有余下的部分離子能夠到達電極上。電極上電壓愈高，離子移動速度越快，離子復合就愈為減少，電流就會增加。線段U1U2稱為飽和段，在這段上的工作電壓很大，所以實際上全部生成的離子都能到達電極上。此時電流將與所加電壓無關。一般電離室工作在特性曲線的飽和段，其輸出電流正比于射到電離室上的核輻射強度。第36頁/共74頁圖12–8電離室的結構示意圖第37頁/共74頁圖12–9電離室的特性曲線第38頁/共74頁圖12–10差分電離室第39頁/共74頁

電離室內所充氣體的壓力、極板的大小和兩極間的距離對電離電流都有較大的影響，例如增大氣體壓力或增大電極面積都會使電離電流增大，電離室的特性曲線也將向增大電離電流的方向移動。在核輻射檢測儀表中，有時用一個電離室，有時用兩個電離室。為了使兩個電離室的特性一樣，以減少測量誤差，通常設計成差分電離室，如圖12-10所示。在高電阻上流過的電流為兩個電離室收集的電流之差，這樣可以避免高電阻、放大器、環境溫度等變化而引起的測量誤差。第40頁/共74頁

電離室主要用來探測α、β粒子。在同樣條件下，進入電離室的α粒子比β粒子所產生的電流大100多倍。利用電離室測量α、β粒子時，其效率可以接近100%，而測量γ射線時，則效率很低。這是因為γ射線沒有直接電離的本領，它是靠從電離室的壁上打出二次電子，而二次電子起電離作用，因此,γ射線的電離室必須密閉。一般γ電離室的效率只有1%～2%。第41頁/共74頁圖12–11正比計數管的結構模型第42頁/共74頁

2.正比計數管正比計數管的結構如圖12-11所示。它是由圓筒形的陰極和作為陽極的中央芯線組成的，內封有稀有氣體、氮氣、二氧化碳、氫氣、甲烷、丙烷等氣體。當放射線射入使氣體產生電離時，由于在芯線近旁電場密度高，電子碰撞被加速，在氣體中獲得足夠的能量，碰撞其它氣體分子和原子而產生新的離子對；此過程反復進行而被放大，人們將此過程稱為氣體放大。放大作用僅限于芯線近旁，所以可得到與放射線的入射區域無關的一定的放大倍數。由于放大而產生的陽離子迅速離開氣體放大區域而產生輸出脈沖。輸出脈沖的大小正比于因放射線入射而產生電子、正離子對的數目，而電子、正離子對數正比于氣體吸收的放射線的能量。因此，正比計數管可以探測入射放射線的能量。第43頁/共74頁

正比計數管大多數是圓柱形或者球形、半球形。其陽極很細，陰極直徑較大，這主要是為了在外加電壓較小的情況下，使陽極附近仍能有很強的電場，以便有足夠大的氣體放大倍數。正比計數管可以在很寬的能量范圍內測定入射粒子的能量，能量分辨率相當高，分辨時間很短，并且可作快速計數。第44頁/共74頁圖12–12蓋革-彌勒計數管第45頁/共74頁

3.蓋革-彌勒計數管蓋革-彌勒計數管也是根據射線對氣體的電離作用而設計的輻射探測器。它與電離室不同的地方主要在于工作在氣體放電區域，具有放大作用。其結構如圖12-12所示。計數管以金屬圓筒為陰極，以筒中心的一根鎢絲或鉬絲為陽極，筒和絲之間用絕緣體隔開。計數管內充有氬、氦等氣體。為了便于密封，計數管常用玻璃作外殼，而陰極用金屬或石墨涂覆于玻璃表面內部或在外殼內用金屬筒作陰極。第46頁/共74頁

在蓋革-彌勒計數管中，陰極和陽極間施加比計數管高的電壓。X射線、α射線、β射線入射使產生比正比計數管激烈的氣體放大，原離子所在區域沿中央絲極傳播到整個計數管內。由于電子漂移速度很快，很快地被收集，于是在中央絲極周圍形成一層正離子，稱為正離子鞘。正離子鞘的形成使陽極附近的電場變弱，直到不再能產生離子的增殖，此時原始電離的放大過程就停止了。放大過程停止后，在電場作用下，正離子鞘向陰極移動，給出一個與正離子鞘的總電荷有關，而與原始電離無關的脈沖輸出。在第一次放大過程停止以及電壓脈沖出現后，計數管并不回到原始的狀態。第47頁/共74頁由于正離子鞘到達陰極時得到一定的動能，所以正離子也能從陰極中打出次級電子。同時由于正離子鞘到達了陰極，中央陽極電場已恢復，因此這些次級電子又能引起新的離子增殖，像原先一樣再產生離子鞘，再產生電壓脈沖，造成所謂連續放電現象。為了克服這個問題，必須采取特殊的方法使放電猝滅。猝滅放電的方法有兩種：一種是采用猝滅電路，用來降低中央絲極的電壓，使其降低到發生碰撞電離所需電壓以下；另一種方法是在計數管中放入少量猝滅性氣體。這種自猝滅型計數管又可分為兩種：一種是充惰性氣體和少量酒精、乙醚或石油醚的蒸氣，稱為有機管；另一種是管內充惰性氣體和鹵素氣體，稱為鹵素管。第48頁/共74頁圖12–13蓋革-彌勒計數管特性曲線第49頁/共74頁

蓋革-彌勒計數管由于有氣體放大作用，所產生的電流比電離室的離子流大好幾千倍，因此它不需要高電阻，其負載電阻一般不超過1ΜΩ，輸出的脈沖一般為幾伏到幾十伏。圖12-13為計數管的特性曲線，在一定的核輻射照射下，當增加二極間的電壓時，在一定范圍內只能增加脈沖的幅度U，而計數率N只有微弱的增加。圖中ab段對應的曲線稱為計數管的坪。J1、J2代表入射的核輻射強度，且J1>J2。由圖可知，在外電壓U相同的情況下，入射的核輻射強度越強，蓋革-彌勒計數管內產生的脈沖數N越多。計數管所加電壓由所加氣體決定，鹵素計數管為280～400V，有機計數管為800～1000V。第50頁/共74頁4.閃爍計數器物質受放射線的作用而被激發，在由激發態躍遷到基態的過程中，發射出脈沖狀的光的現象稱為閃爍現象。能產生這樣發光現象的物質稱為閃爍體。閃爍計數器先將輻射能變為光能，然后再將光能變為電能而進行探測，它由閃爍體和光電倍增管兩部分組成，如圖12-14所示。第51頁/共74頁圖12–14閃爍計數器第52頁/共74頁

閃爍晶體的種類很多，按化學組成成分可分為有機和無機兩大類，按物質形態分則可分為固態、液態和塑料等類型。通常使用固態閃爍體，其中有銀激活的硫化鋅ZnS(Ag)、鉈激活的碘化鈉NaI(T1)、鉈激活的碘化銫CsI(T1)、金激活的碘化鋰LiI(Au)等。有機閃爍體中應用最廣的有蒽、芪、三聯苯和萘等。通常使用的物質列于表12-1。第53頁/共74頁表12–1主要的閃爍晶體及檢測對象第54頁/共74頁

光電倍增管的作用為接受閃爍體發射的光子將其變為電子并將這些電子倍增放大為可測量的脈沖。光電倍增管可以分為電場聚焦型和無聚焦型兩類。在每一類中，按照次陰極的幾何形狀及排列方式的不同又分為幾種。放射性同位素檢測儀表中常用的GDB-19和GDB-10分別為直線聚焦型和百葉窗式無聚焦型。光電倍增管的基本特性有光特性、陽極的電流電壓特性、光陰極的光譜響應等。入射到光陰極上的光通量F與陽極電流ia之間的關系稱為此光電倍增管的光特性，一般光電倍增管的ia與光通量F成正比。在一定的光通量F中，光電倍增管的陽極電流與工作電壓的關系是電流隨工作電壓的增加而急劇上升，上升到某一值后達到飽和。光譜響應是指光陰極發射光電子的效率隨入射光波長而變化的關系。在組合閃爍計數器時，光電倍增管的光譜靈敏度范圍必須和閃爍晶體發出的光譜相配合。第55頁/共74頁

閃爍計數器負載電阻上產生脈沖，其幅度一般為零點幾伏到幾伏，較蓋革-彌勒計數管的輸出脈沖的幅度為小。閃爍計數器的輸出脈沖與入射粒子的能量成正比，它探測γ射線的效率在20%～30%以上，比蓋革-彌勒計數管和離子室高很多；它探測α、β射線的效率接近100%。由于閃爍體中一次閃爍的持續時間很短,故最大計數率一般為106～108數量級。若輸出采用電流法，則記錄的輻射強度不受限制。第56頁/共74頁5.半導體探測器半導體探測器是近年來迅速發展起來的一種射線探測器。我們知道荷電粒子一入射到固體中就與固體中的電子產生相互作用并失去能量而停止。入射到半導體中的荷電粒子在此過程產生電子和空穴對。而X射線或γ射線由于光電效應、康普頓散射、電子對生成等而產生二次電子，此高速的二次電子經過與荷電粒子的情況相同的過程而產生電子和空穴。若取出這些生成的電荷，可以將放射線變為電信號。就半導體而言，主要使用的是Si和Ge，對GaAs、CdTe等材料也進行了研究。目前,開發的半導體傳感器有PN結型傳感器、表面勢壘型傳感器、鋰漂移型傳感器、非晶硅傳感器等。第57頁/共74頁12.2.3核輻射傳感器的應用

1.核輻射厚度計

透射式厚度計如圖12-15所示，它是利用射線穿透物質的能力來制成的檢測儀表。它的特點是放射源和核輻射探測器分別置于被測物體的兩側，射線穿過被測物體后射入核輻射探測器。由于物質的吸收，使得射入核輻射探測器的射線強度降低，降低的程度和物體的厚度等參數有關。如前所述，射到探測器的透射射線強度J和物體厚度t的關系為J=J0e-μρt

(12-3)第58頁/共74頁或(12-4)式中：ρ——被測材料的密度；μ——被測材料對所用射線的質量吸收系數；J0——沒有被測物體時射到探測器處的射線強度。第59頁/共74頁圖12–15透射式厚度計第60頁/共74頁圖12–16零位法透射式厚度計第61頁/共74頁

對于一定的放射源和一定的材料就有一定的μ和ρ，則測出J和J0即可計算確定該材料的厚度t。放射源一般用β、Χ或γ射線。圖12-16所示為零位法的透射式厚度計。放射源的β射線穿過被測物體射入測量電離室1，β射線也穿過補償楔射入補償電離室2。這兩個電離室接成差式電路，流過電阻上的電流為兩個電離室的輸出電流之差。該電流差在電阻上產生的電壓降，使振蕩器振蕩，變為交流輸出，在經放大后加在平衡電動機上，使電動機正轉或反轉，帶動補償楔移動，直到兩個電離室接受的射線強度相等，使電阻上電壓降等于零為止；根據補償楔的移動量可測知厚度。第62頁/共74頁

還可以用散射法測量厚度。散射法是指利用核輻射被物體后向散射的效應制成的檢測儀器。這種儀器的特點是放射源和核輻射探測器可置于被測物質的同一側，射入的被測物質中的射線，由于和被測物質的相互作用，而使得其中的一部分射線反向折回，并進入位于與放射源同側的核輻射探測器而被測量。射到核輻射探測器處的后向散射射線強度與放射源至被測物質的距離，以及與被測物質的成分、密度、厚度和表面狀態等因素有關，因此改變其中一個參數而保持其它參數不變，則測得的射線強度將僅隨該參數而變化。利用這種方法可測量薄板的厚度、覆蓋層厚度、材料的成分、密度等參數。這種方法的優點為非接觸測量，且不損壞被測物質。第63頁/共74頁

后向散射測量厚度的示意圖如圖12-17所示。射線強度與散射體厚度之間的關系式為J散=J飽和（1-e-kρt）(12-5)式中：t和ρ——散射體的厚度和密度；

J散和J飽和——厚度為t和厚度為“無限大”時的后向散射β射線強度；

k——與射線能量有關的系數。第64頁/共74頁圖12–17β散射式厚度測量第65頁/共74頁

2.輻射式物位計可以應用γ射線檢測物位。