對于輻射是不能感知，所以人們必須借助于輻射探測器探測各種輻射，給出輻射類型、強度(數量)、能量及時間等特征。即對輻射進行測量。

輻射探測器定義：利用輻射在氣體、液體或固體中引發電離、激發效應或其它物理、化學改變進行輻射探測器件稱為輻射探測器。為何需要輻射探測器？

探測器按探測介質類型及作用機制主要分為：

氣體探測器；

閃爍探測器；

半導體探測器。第1頁輻射探測器學習關鍵點（研究問題）：探測器工作機制；探測器輸出回路與輸出信號；探測器主要性能指標；探測器經典應用。輻射探測基本過程：

輻射粒子射入探測器靈敏體積；入射粒子經過電離、激發等效應而在探測器中沉積能量；

探測器經過各種機制將沉積能量轉換成某種形式輸出信號。第2頁第八章

氣體探測器Gas－filledDetector第3頁電離室正比計數器蓋革-彌勒計數器氣體探測器：以氣體為工作介質，由入射粒子在其中產生電離效應引發輸出電信號探測器。第4頁電離損失——與核外電子非彈性碰撞過程

入射帶電粒子與靶原子核外電子經過庫侖作用，使電子取得能量而引發原子電離或激發。

8.1氣體中離子與電子運動規律1、氣體電離與激發入射粒子直接產生離子對稱為原電離。初電離產生高速電子足以使氣體產生電離稱為次電離。總電離=原電離+次電離第5頁

電離能W：帶電粒子在氣體中產生一電子離子對所需平均能量。對不一樣氣體，W大約為30eV

若入射粒子能量為E0，當其能量全部損失在氣體介質中時，產生平均離子對數為：A.NumberofIonPairsFormed第6頁

幾個氣體電離能ω(eV)和最低電離電位I0(eV)第7頁氣體分子被電離后,生成電離電子和正離子存在以下幾個運動情況:因為外加電場加速作用,電子與正離子將被電場拉開而沿電場方向漂移;2.電子和離子因空間分布不均勻而由密度大處向密度小處擴散;4.正負離子復合,形成中性分子。3.電子被中性氣體分子俘獲,形成負離子;二.電子和離子在氣體中運動(外加電場下)第8頁A、離子和電子在外加電場中漂移因為外加電場作用沿電場方向定向漂移。

這種運動稱為“漂移運動”，定向運動速度為“漂移速度”。第9頁對于離子：在存在電場情況下，兩次碰撞之間離子從電場取得能量又會在碰撞中損失，離子能量積累不起來。離子平均動能與沒有電場情況相同，為：離子漂移速度離子遷移率電場強度氣體壓強約化場強第10頁對于自由電子：電子與氣體分子發生彈性碰撞時，每次損失能量很小，所以，電子在兩次碰撞中由外電場加速能量可積累起來。直到使它彈性碰撞能量損失和碰撞間從電場取得能量相等，或發生非彈性碰撞為止。到達平衡狀態時，即損失能量等于從電場取得能量時，電子平均能量為:

稱為電子溫度，是場強函數。第11頁電子漂移速度與約化場強不成正比，可用函數表示：這個函數關系均由試驗測定。普通給出是試驗曲線(如圖)。

電子漂移速度對氣體成份很敏感，少許某種氣體混入就可顯著提升電子漂移速度。第12頁下列圖給出了電子在幾個氣體中漂移速度。第13頁(1)電子漂移速度普通為：離子漂移速度普通為：

電子與離子在氣體中在外電場作用下漂移速度主要區分為：這是因為電子質量比離子小約103倍，而其平均自由程比離子大數倍，因而在平均自由程內電子將取得較大動能，從而有更大漂移速度。第14頁(2)電子漂移速度對組成氣體組分極為靈敏在單原子分子氣體中（如鹵素）加入少許多原子分子氣體（如CO2、H2O等）時，電子漂移速度有很大增加。這是因為多原子氣體分子激發電位很低，因而在單原子分子氣體中加入少許后，電子做雜亂運動程度降低，從而漂移速度對應增大。第15頁B.擴散(Diffusion)

在氣體中電離粒子密度是不均勻，原電離處密度大。因為其密度梯度而造成離子、電子定向運動叫擴散。由氣體動力學，可得到擴散方程：電子或離子粒子流密度電子或離子擴散系數電子或離子密度第16頁若電離粒子速度恪守麥克斯韋分布，則擴散系數

D

與電離粒子雜亂運動平均速度之間關系為：平均自由程

電子平均自由程和亂運動平均速度都比離子大，所以其擴散系數比離子大，因而電子擴散效應比離子嚴重。第17頁C.電子吸附和負離子形成

電子在運動過程中與氣體分子碰撞時可能被氣體分子俘獲，形成負離子，這種現象稱之為吸附效應。Electronattachmente-Negativeion第18頁比如O2、H2O，，鹵素達

每次碰撞中被電子俘獲概率稱為吸附系數h。h大(h>10-5)氣體稱為負電性氣體。電子吸附現象對氣體探測器產生是正面or負面影響？

氣體探測器工作氣體應盡可能選擇吸附系數小氣體，在不得已采取時，將會影響探測器性能。第19頁D.復合(Recombination)

有兩個過程：電子與正離子，或負離子與正離子，相遇時可能復合成中性原子或分子。Recombinatione-＋—＋第20頁

為復合系數

復合結果是把許多有用信號給復合掉，使有用信號降低。所以，復合現象在探測器正常工作中應盡可能防止。

復合引發離子對數目損失率：

一旦形成了負離子，其運動速度遠小于電子，正離子與負離子復合系數要比正離子與電子復合系數大得多。第21頁8.2電離室工作機制與輸出回路電離室工作方式可分為：1)脈沖型工作狀態2)電流型或累計型工作狀態

統計單個入射粒子電離效應，處于這種工作狀態電離室稱為：脈沖電離室

統計大量入射粒子平均電離效應或總電離效應，處于這種工作狀態電離室稱為：電流電離室或累計電離室。第22頁1、電離室基本結構不一樣類型電離室在結構上基本相同.經典結構有平板型和圓柱型。高壓極(K)：正高壓或負高壓；均包含：搜集極(C)：與測量儀器相聯電極，處于與地靠近電位；保護極(G)：又稱保護環，處于與搜集極相同電位；負載電阻(RL)：電流流過時形成電壓信號。第23頁高壓極搜集極保護極高壓負載電阻外殼靈敏體積絕緣子平板型電離室第24頁圓柱型電離室第25頁靈敏體積：

由經過搜集級邊緣電力線所包圍兩電極間區域。保護環G作用：1)使靈敏體積邊緣處電場保持均勻；2)若無G，當高壓很大時，會有電流經過絕緣子從負載電阻RL上經過，從而產生噪聲，即絕緣子漏電流。第26頁

氣體壓力：從10-1~10大氣壓。2、工作氣體

充滿電離室內部空間，是電離室工作介質；

如Ar

加少許多原子分子氣體CH4。

需要確保氣體成份和壓力，所以普通電離室均需要一個密封外殼將電極系統包起來。第27頁第一步：假設回路中沒有負載電阻

極板a上加高壓V0，極板ab

間電容量為C1，則兩極板電荷量：3、輸出信號產生物理過程

即電離室工作機制。第28頁第二步：在電離室內某一點引入一單位正電荷e+

它將在兩極板上分別感應出一定負電荷，設分別為-q1、-q2高斯定律：第29頁

即正電荷靠哪個極板近，那個極板上產生感應電荷多。

這就相當于感應電荷從外回路流過，即在外回路流過電流i+(t)。第三步：當電荷沿電場向搜集極運動，則上極板a上感應電荷

降低，下極板b上感應電荷

增加。且第30頁

正離子漂移所引發負感應電荷在回路中流過電荷量為：第31頁第四步：當正電荷快抵達極板前一瞬間，-q1全部由a極板經外回路流到b極板，b極板上感應電荷：

當e+抵達b極板，e+與b極板上感應電荷中和。外回路電流結束，流過外回路總電荷量為：考慮：假如在電極之間引入是負電荷，解釋一下整個物理過程。產生結果是否與正電荷有共同之處？第32頁

電子(負離子)漂移所引發正感應電荷在回路中流過電荷量為：第33頁假如在電場中同一點引入一負電荷，它將在ab兩極板上分別感應一定正電荷，分別為和。當負電荷沿電場反方向運動時，則a極板上感應電荷

增加，而b極板上感應電荷

降低。整個過程中，流過外回路總電荷量為：

對應在外回路流過電流為，電流方向與相同。第34頁同一點引入正負電荷：

當同時在同一位置引入一離子對，則在外回路流經電流：i(t)=i+(t)+i

–(t)

流過外回路總電荷量：△q++△q-

=e第35頁(1)只有當空間電荷在極板間移動時，在外回路才有電流流過，此時i(t)=i+(t)+i

–(t)，正、負電荷感應電流方向相同，在探測器內部從陽極流向陰極。電荷漂移過程結束，外回路感應電流消失。當負電荷被搜集后，外回路中就只有正電荷感應電流。結論：(2)當+e、

e電荷在同一位置產生時，它們在極板上感應電荷量分別相同；

+e、

e電荷漂移結束，流過外回路總電荷量為e；該電荷量與這一對電荷產生位置無關。第36頁(1)當入射粒子在探測器靈敏體積內產生N個離子對，它們均在外加電場作用下漂移，這時，產生總電流信號是：引伸結論：(2)當N個離子對全部被搜集時，流過外電路總電荷量為：第37頁

輸出回路定義：輸出信號電流全部流過回路都包含在輸出回路中。①感應電荷在外回路上形成電流，在負載電阻RL上形成電壓，有信號輸出；②測量儀器有內阻、電容；③探測器電容C1。輸出回路簡化過程：4、電離室輸出回路④

線路雜散電容C′。第38頁測量儀器總電阻總電容RL

：負載電阻；C1：探測器電容；R入

：測量儀器輸入電阻；C入

：測量儀器輸入電容；：雜散電容；如,電纜電容~100pF/m。第39頁三.電離室類型

1.脈沖電離室經過統計單個入射粒子與氣體作用產生電離電荷在搜集電極上所引發電壓脈沖來實現.因為電子漂移引發脈沖改變率遠大于正離子所引發,所以電子脈沖組成電壓脈沖快成份,而離子脈沖組成電壓脈沖慢成份.但它最終到達幅度只決定于總電離,而與電離產生地點無關.第40頁平行板電離室電壓脈沖和電流脈沖第41頁離子脈沖電離室:搜集一個入射粒子引發全部正負離子電離室,脈沖延續時間比較長(約為10-3s),可用來測定入射粒子能量;電子脈沖電離室:只統計電子脈沖電離室,脈沖延續時間較短(約μs量級),可用作對入射粒子進行快計數,但普通不能用來測定入射粒子能量.

脈沖電離室分類離子脈沖電離室缺點：脈沖延續時間太長(~ms)，當計數率大于102cps時，脈沖就可能發生重合。怎樣使得電子脈沖電離室既能做快計數又能測能量？屏珊電離室和圓柱形電離室第42頁(a)屏珊電離室屏珊電離室克服了電子脈沖電離室脈沖幅度與電離產生地點相關缺點；

脈沖開始出現時刻（第一個電子抵達G時刻）與電離發生時刻有一段時延；

屏珊電離室顯然不適合用于氣態放射源第43頁(b)圓柱形電離室當b/a很大時，搜集電極附近場強遠大于高壓電極附近場強，所以大部分電位降集中在搜集電極周圍。所以，在靠近高壓電極占大部分空間里，電離產生電子所經過電位差均靠近于V0，因而在電離室內大部分空間里產生電離，其電子脈沖近似地與產生地點無關。第44頁3、脈沖電離室輸出信號測量脈沖電離室輸出信號所包含信息：1）入射帶電粒子數量；2）入射帶電粒子能量；3）確定入射粒子間時間關系。經過對輸出脈沖數進行測量。經過對輸出電壓信號幅度進行測量。經過對輸出電壓信號時間進行測量。第45頁脈沖電離室輸出信號需要用電子儀器來測量。氣體電離室高壓前置放大器放大器單道或多道脈沖分析器第46頁4、脈沖電離室性能1)脈沖幅度譜與能量分辨率脈沖電離室慣用來測量帶電粒子能量。

對單能帶電粒子，若其全部能量都損耗在靈敏體積內，則脈沖電離室輸出電壓脈沖幅度反應了單個入射帶電粒子能量大小。第47頁能量分辨率：半寬度多道測量脈沖幅度譜：

能量分辨率反應了譜儀對不一樣入射粒子能量分辨能力。FWHME0h=E0=E0Δ

EY能量分辨率越小，則可區分更小能量差異。這是譜儀最主要指標。第48頁2)電離室飽和特征曲線----脈沖幅度h與電離室工作電壓V0關系影響原因：離子和電子復合或擴散效應。飽和特征曲線形成物理過程：

飽和區斜率原因：隨工作電壓升高而使靈敏體積增加及負離子釋放。V0hV1飽和電壓第49頁

電離室坪特征在強度不變放射源照射下，測量計數率隨工作電壓改變，稱為坪曲線。第50頁

坪特征曲線主要參數起始電壓Va：開始計數時探測器上所加電壓；坪斜：曲線平坦部分稱為坪區，而坪區并不是絕對平，有一定斜率，通常以V1開始，每增加1V（或100V）時計數率增加百分率來表示；坪長：坪區電壓范圍即稱為坪長。第51頁4)探測效率定義：原因：A帶電粒子可能只在靈敏體積內損失一部分能量；B電離過程是漲落。這么必將有一部分幅度低于甄別閾信號脈沖未被統計下來。γ粒子等中性粒子則取決于與介質作用產生次級帶電粒子相互作用截面，以及次級帶電粒子能否進入靈敏體積。對帶電粒子第52頁

關于脈沖電離室脈沖電離室所能統計帶電粒子數目不能過大,不然脈沖將重合,甚至無法分辯。所以，在大量入射粒子情況下，只能由平均電離電流或累積總電荷來測定射線強度。這就是電流電離室和累計電離室。第53頁2.電流電離室在大量入射粒子時，若電離強度不變或改變得很遲緩，只要外加電壓足夠大，電離電流便能到達飽和值，此時擴散和復合損失比起電離電流來能夠忽略。假定在每單位時間內產生總電離N0相等，則飽和電流為：

電離室飽和電流曲線與所充氣體、電極幾何條件和電離強度相關。電極間距大，有負電性氣體雜質或電離