核輻射探測器

利用核輻射在氣體、液體或固體中引起的電離效應、發光現象、物理或化學變化進行核輻射探測的元件稱為核輻射探測器。到目前為止，各種套用的核輻射探測器種類很多，工作原理不盡相同。探測器給出的信息能夠直接或間接地確定核輻射的種類、能量、強度或核壽命等參數。

詞條釋義

簡介

nuclear radiation detector

核輻射探測器

又稱核探測元件(nuclear detection element)。是探測輻射射線用的器件。常用的有電離室、計數管和閃爍計數器、原子核乳膠、固體核徑跡探測器和半導體探測器等。

這類探測元件可以測量輻射射線和它們的性質。其原理主要是利用射線與物質相互作用時所產生的多種效應。如套用帶電粒子與物質作用產生電離的原理製作的電離室、計數管，以及α徑跡探測器等；利用其螢光作用做成的閃爍計數器；利用電離和激發所引起的化學反應過程製作原子核乳膠，固體核徑跡探測器等。對帶電離子可直接套用上述性質，對不帶電的粒子(如γ射線)，則套用其與物質作用的三種效應(光電效應、康普頓-吳有訓效應、電子對效應)所產生的二次電子來達到上述目的。

計數器

以電脈衝的形式記錄、分析輻射產生的某種信息。計數器的種類有氣體電離探測器、多絲室和漂移室、半導體探測器、閃爍計數器和切倫科夫計數器等。

氣體電離探測器

通過收集射線在氣體中產生的電離電荷來測量核輻射。主要類型有電離室、正比計數器和蓋革(G-M)計數器(管）。它們的結構相似，一般都是具有兩個電極的圓筒狀容器，充有某種氣體，電極間加電壓，差別是工作電壓範圍不同。電離室工作電壓較低，直接收集射線在氣體中原始產生的離子對。其輸出脈衝幅度較小，上升時間較快，可用於輻射劑量測量和能譜測量。正比計數器的工作電壓較高，能使在電場中高速運動的原始離子產生更多的離子對，在電極上收集到比原始離子對要多得多的離子對(即氣體放大作用)，從而得到較高的輸出脈衝。脈衝幅度正比於入射粒子損失的能量，適於作能譜測量。蓋革計數器又稱蓋革-彌勒計數器或G-M計數器，它的工作電壓更高，出現多次電離過程，因此輸出脈衝的幅度很高，已不再正比於原始電離的離子對數，可以不經放大直接被記錄。它只能測量粒子數目而不能測量能量，完成一次脈衝計數的時間較長。

多絲室和漂移室

這是正比計數器的變型。既有計數功能，還可以分辨帶電粒子經過的區域。多絲室有許多平行的電極絲，處於正比計數器的工作狀態。每一根絲及其鄰近空間相當於一個探測器，後面與一個記錄儀器連線。因此只有當被探測的粒子進入該絲鄰近的空間，與此相關的記錄儀器才記錄一次事件。為了減少電極絲的數目，可從測量離子漂移到絲的時間來確定離子產生的部位，這就要有另一探測器給出一起始信號並大致規定了事件發生的部位，根據這種原理製成的計數裝置稱為漂移室，它具有更好的位置解析度（達50微米），但允許的計數率不如多絲室高。

半導體探測器

輻射在半導體中產生的載流子（電子和空穴），在反向偏壓電場下被收集，由產生的電脈衝信號來測量核輻射。常用矽、鍺做半導體材料，主要有三種類型：①在n型單晶上噴塗一層金膜的面壘型;②在電阻率較高的 p型矽片上擴散進一層能提供電子的雜質的擴散結型;③在p型鍺（或矽）的表面噴塗一薄層金屬鋰後並進行漂移的鋰漂移型。高純鍺探測器有較高的能量解析度，對γ輻射探測效率高,可在室溫下保存,套用廣泛。砷化鎵、碲化鎘、碘化汞等材料也有套用。

閃爍計數器

通過帶電粒子打在閃爍體上，使原子（分子）電離、激發，在退激過程中發光，經過光電器件（如光電倍增管）將光信號變成可測的電信號來測量核輻射。閃爍計數器分辨時間短、效率高，還可根據電信號的大小測定粒子的能量。閃爍體可分三大類：①無機閃爍體,常見的有用鉈(Tl)激活的碘化鈉NaI(Tl)和碘化銫CsI(Tl)晶體，它們對電子、γ輻射靈敏,發光效率高，有較好的能量解析度，但光衰減時間較長；鍺酸鉍晶體密度大，發光效率高，因而對高能電子、γ輻射探測十分有效。其他如用銀 (Ag)激活的硫化鋅ZnS(Ag)主要用來探測α粒子;玻璃閃爍體可以測量α粒子、低能X輻射,加入載體後可測量中子；氟化鋇 (BaF2)密度大，有螢光成分，既適合於能量測量，又適合於時間測量。②有機閃爍體,包括塑膠、液體和晶體(如蒽、茋等),前兩種使用普遍。由於它們的光衰減時間短(2～3納秒,快塑膠閃爍體可小於1納秒)，常用在時間測量中。它們對帶電粒子的探測效率將近百分之百。③氣體閃爍體，包括氙、氦等惰性氣體，發光效率不高，但光衰減時間較短（<10納秒）。

切倫科夫計數器

高速帶電粒子在透明介質中的運動速度超過光在該介質中的運動速度時，則會產生切倫科夫輻射，其輻射角與粒子速度有關，因此提供了一種測量帶電粒子速度的探測器。此類探測器常和光電倍增管配合使用；可分為閾式(只記錄大於某一速度的粒子)和微分式（只選擇某一確定速度的粒子）兩種。

除上述常用的幾種計數器外，還有氣體正比閃爍室、自猝滅流光計數器，都是近期出現的氣體探測器，輸出脈衝幅度大，時間特性好。電磁量能器(或簇射計數器)及強子量能器可分別測量高能電子、γ輻射或強子（見基本粒子）的能量。穿越輻射計數器為極高能帶電粒子的鑑別提供了途徑。

徑跡室

通過記錄、分析輻射產生的徑跡圖象測量核輻射。主要種類有核乳膠、雲室和泡室、火花室和流光室、固體徑跡探測器。

核乳膠

能記錄帶電粒子單個徑跡的照相乳膠。入射粒子在乳膠中形成潛影中心，經過化學處理後記錄下粒子徑跡，可在顯微鏡下觀察。它有極佳的位置分辨本領（1微米），阻止本領大，功用連續而靈敏。

雲室和泡室

使入射粒子產生的離子集團在過飽和蒸氣中形成冷凝中心而結成液滴（雲室），在過熱液體中形成氣化中心而變成氣泡（泡室），用照相方法記錄，使帶電粒子的徑跡可見。泡室有較好的位置解析度（好的可達10微米），本身又是靶，目前常以泡室為頂點探測器配合計數器一起使用。

火花室和流光室

這些裝置都需要較高的電壓，當粒子進入裝置產生電離時，離子在強電場下運動，形成多次電離，增殖很快，多次電離過程中先產生流光，後產生火花，使帶電粒子的徑跡成為可見。流光室具有較好的時間特性。它們都具有較好的空間解析度（約 200微米）。除了可用照相記錄粒子徑跡外，還可記錄電脈衝信號，作為計數器用。

固體徑跡探測器

重帶電粒子打在諸如雲母、塑膠一類材料上，沿路徑產生損傷，經過化學處理（蝕刻）後，將損傷擴大成可在顯微鏡下觀察的空洞，適於探測重核。

由許多類型的探測器、磁鐵、電子儀器、計算機等組成的輻射譜儀，可獲得多種物理信息，是近代核物理及粒子探測的發展趨勢。

工作原理

輻射探測器的工作原理基於粒子與物質的相互作用。當粒子通過某種物質時，這種物質就吸收其全部或部分能量而產生電離或激發作用。

如果粒子是帶電的，其電磁場與物質中原子的軌道電子直接相互作用。

如果是γ射線或X射線，則先經過一些中間過程，發生光電效應、康普頓效應或產生電子對，把部分或全部能量傳給物質的軌道電子，再產生電離或激發。

對於不帶電的中性粒子，例如中子，則是通過核反應產生帶電粒子，然後造成電離或激發。

輻射探測器就是用適當的探測介質作為與粒子作用的物質，將粒子在探測介質中產生的電離或激發，轉變為各種形式的直接或間接可為人們感官所能接受的信息。

手持式核輻射探測器

分類

按照給出信息的方式，輻射探測器主要分為兩類：

一類是粒子入射到探測器後，經過一定的處置才給出為人們感官所能接受的信息。例如，各種粒子徑跡探測器，一般經過照相、顯影或輻射監測儀化學腐蝕等過程。還有熱釋光探測器、光致發光探測器，則經過熱或光激發才能給出與被照射量有關的光輸出。這一類探測器基本上不屬於核電子學的研究範圍。

另一類探測器接收到入射粒子後，立即給出相應的電信號，經過電子線路放大、處理，就可以進行記錄和分析。這一類稱為電探測器。電探測器是套用最廣泛的輻射探測器。這一類探測器的問世，導致了核電子學這一新的分支學科的出現和發展。

能給出電信號的輻射探測器已不下百餘種。最常用的主要有氣體電離探測器、半導體探測器和閃爍探測器三大類。早在1908年，氣體電離探測器就已問世。但直到1931年脈衝計數器出現後才解決了快速計數問題。1947年，閃爍計數器的出現，由於其密度遠大於氣體而大大提高了對粒子的探測效率。最顯著的是碘化鈉（鉈）閃爍體，對γ射線還具有較高的能量分辨本領。60年代初，半導體探測器的研製成功，使能譜測量技術有了新的發展。現代用於高能物理、核物理和其他科學技術領域的各種類型探測器件和裝置，都是基於上述三種類型探測器件經過不斷改進創新而發展起來的。

種類繁多的閃爍體

性能指標

輻射探測器的主要性能指標有探測效率、解析度、線性回響、粒子鑑別能力等。

（1）探測效率

探測器探測到的粒子數與在同一時間間隔內入射到探測器中的該種粒子數的比值。它與探測器的靈敏體積、幾何形狀和對入射粒子的靈敏度有關。一般要求探測器具有高探測效率。但在一些特殊場合，如在極強輻射場下，則要求探測器具有較低的探測效率。

（2）解析度

根據所分辨的內容的不同，核輻射探測器的解析度可以分為能量解析度、空間解析度、時間解析度等。

能量解析度：對於不同能量的同一種輻射粒子，探測器在一定程度上具有將其區分開來的能力。探測器所能區分開的最接近的兩個能量之差，即為探測器對此種粒子的能量解析度；

空間解析度（位置解析度）：對於不同位置入射的輻射粒子，探測器在一定程度上具有將其區分開來的能力。探測器所能區分開的最接近的兩個位置間的距離，即為探測器對此種粒子的空間解析度；

時間解析度：對於在不同時間到達探測器的輻射粒子，探測器在一定程度上具有將其區分開來的能力。探測器所能區分開的到達時刻最接近的兩個粒子的時間間隔，即為探測器對此種粒子的時間解析度；

上述這些指標一般用測出譜線的半高寬(FWHM)或十分之一高寬(FWTM)表示。

（3）線性回響

探測器給出的信息在一定範圍內與入射粒子的能量、強度或位置成線性關係的程度。可分別稱為能量線性回響、強度線性回響或位置線性回響。

（4）粒子鑑別能力

一定類型的探測器只對某些種類的入射粒子靈敏，而對其他粒子不靈敏，或是隨入射粒子種類的不同而給出不同形式的信息，這就是探測器對粒子的鑑別能力。粒子鑑別能力較好的探測器有利於有選擇地探測所需要的粒子而排除其他核輻射的干擾。

（5）靈敏度

又稱回響度，等於探測器輸出信號和入射信號之比。入射信號增大時，如果輸出信號也隨之成正比地增加，則稱探測器是線性的；否則稱探測器是非線性的。

（6）探測率

等於探測器能夠探測到的最小輻射功率的倒數。任何探測器都有噪聲，比噪聲起伏平均值更小的信號實際上探測不出來。產生如噪聲那樣大的信號所需的輻射功率，稱為探測器能探測的最小輻射功率，或稱等效噪聲功率。

（7）其他性能指標

一般還要求核輻射探測器具有抗輻照損傷的能力和對各種環境條件的適應能力，如溫度、濕度、光照、耐腐蝕和機械振動等。現代的一些新型的核輻射探測器，還具有成像功能。這種新型探測器已用於中子照相、γ照相、X衍射和電子顯微鏡等方面。

發展趨勢

中國輻射探測器的研究工作是從50年代初期開展起來的，先後研製成功原子核乳膠、蓋革計數管、碘化鈉（鉈）閃爍體等。到50年代末至60年代初，又先後開展了其他各種閃爍體、光電倍增管和半導體探測器等的研究工作。中國在核武器研究中，已基本上使用本國研製的各種核輻射探測器。

核輻射探測器的發展趨勢主要是：

①研究同時能給出入射粒子位置、能量、時間等多種信息的組合型探測器和探測裝置。

②充分利用電子技術與計算機技術的新成就，提高對探測器所提供的信息進行分析處理的精確度、速度和對信息的利用率。微電子技術正促進微型化探測器的出現。

③尋求更理想的探測介質和探測機制，研製超導探測器，等等。

圖書《核輻射探測器》

基本信息

書名：核輻射探測器 [平裝]叢 書： 國防特色教材·核科學與技術

本書圖片

作 者： 丁洪林

書 號： 9787811334296

出 版 社： 哈爾濱工程大學出版社，北京航空航天大學出版社，北京理工大學出版社，西北工業大學出版社，哈爾濱工業大學出版社

出版日期： 2010-4-1

定 價： 68.0 元

內容簡介

《核輻射探測器》是編著者在幾十年半導體輻射探測器的研究開發和給研究生講授核輻射探測器的基礎上編寫成的。《核輻射探測器》首先介紹了核輻射探測器的發展和近十幾年來的新進展，介紹了輻射源、射線與物質相互作用等基礎知識；重點介紹了核輻射探測器的工作原理、工藝原理和工藝、探測器特性、結構及其套用；然後介紹了核輻射探測器在實驗核物理、粒子物理、堆物理中的套用，能量測量和在不同能量範圍如何正確選擇和使用核輻射探測器；以及在核輻射強度和輻射劑量測量中的套用，陣列探測器構成的核成像探測器及其套用，脈衝輻射探測器和脈衝輻射的探測，核輻射探測器在工業自動化控制、核燃耗測量、核保障和對特殊核素監控中的套用，在x射線螢光分析、環保生態學中的套用，在探測空間輻射、空間物理、天體物理研究中的套用，以及在核廢物處理和核醫學中的套用等。

《核輻射探測器》主要作為與核相關的研究生的教材，也可作為核物理和有關放射性測量等專業的學生學習和參考，也可供從事相關專業的科研、生產、套用的工程技術人員閱讀。

本書目錄

第1章 緒論

1.1 核探測技術在核科學研究、核試驗測試、核技術套用中的作用與地位

1.2 核輻射探測器的發展及其套用簡介

第2章 核輻射和核輻射探測的原理和方法

2.1 核輻射的基本性質

2.2 探測帶電粒子的物理基礎及常用的帶電粒子探測器

2.3 X，y射線的探測原理及常用的核輻射探測器

2.4 中子的探測方法

第3章 氣體探測器

3.1 氣體探測器的原理

3.2 電離室

3.3 電流電離室和累計電離室

3.4 正比計數管及其套用

3.5 G-M計數管

3.6 氣體多絲正比室和漂移室

3.7 高氣壓電離室和高氣壓氙電離室

第4章 閃爍探測器

4.1 閃爍探測器的構成和工作原理

4.2 閃爍體

4.3 閃爍體的特性參數

4.4 無機閃爍體的種類和它的物理參數

4.5 常用的有機閃爍體

4.6 閃爍體的選擇

4.7 光學收集系統

4.8 閃爍探測器的工作特性

4.9 閃爍探測器的坪特性

4.10 閃爍體探測器的套用

第5章 半導體探測器

5.1 半導體的基礎知識

5.2 本徵半導體

5.3 N型半導體和P型半導體

5.4 載流子

5.5 半導體探測器對半導體材料的要求和它的基本工作原理

5.6 用於製備核輻射探測器的矽、鍺和化合物半導體材料

5.7 半導體探測器的工作原理、製備工藝

5.8 半導體探測器的結構和基本類型

第6章 矽探測器

6.1 矽核輻射探測器的種類

6.2 P—N結的形成

6.3 矽半導體探測器的各種特性參數

6.4 核輻射探測特性參數

第7章 矽鋰漂移探測器

7.1 鋰漂移探測器I0區(靈敏區)的形成(補償區的製備)

7.2 鋰漂移探測器的分類

7.3 矽鋰漂移探測器的特性參數

7.4 半導體x射線探測器的選擇及其性能和特點

7.5 x射線能譜測量和數據圖表

7.6 矽鋰漂移x射線譜儀的套用

第8章 特殊類型的半導體探測器

8.1 全耗盡探測器

8.2 位置靈敏探測器

8.3 矽漂移室SDC和電荷耦合探測器(CCD)

8.4 內放大探測器(或雪崩倍增放大器)

8.5 P—I—N電流型探測器

8.6 夾心(夾層)型半導體中子探測器

8.7 勻質體電導型——無結型器件

8.8 MOS—C探測器

8.9 高解析度網柵型Au-si表面勢壘探測器

8.10 光電導探測器和光電二極體探測器

8.11 環形金矽面壘探測器

第9章 高純鍺探測器

9.1 HPGe探測器的結構

9.2 HPGe探測器的電場和電容

9.3 HWGe探測器靈敏區和死層

9.4 HPGe探測器的能量解析度

9.5 HPGe探測器的探測效率

9.6 峰面積、頻譜本底、譜峰極大值和峰康比

9.7 鍺探測器的時間特性

9.8 輻射損傷

9.9 鍺射線探測器的套用

9.10 鍺y射線探測器測試方法

第10章 化合物半導體探測器

10.1 概述

10.2 砷化鎵(GaAs)核輻射探測器

10.3 碲化鎘(CdTe)核輻射探測器

10.4 碲鋅鎘核輻射探測器

10.5 碘化汞(Hgl2)核輻射探測器

第11章 低溫量熱和超導體核輻射探測器

11.1 低溫量熱核輻射探測器

11.2 低溫超導體核輻射探測器

11.3 超導體和低溫量熱核輻射探測器的套用

11.4 展望

第12章 其他核輻射探測器

12.1 切倫科夫探測器

12.2 熱釋光探測器

12.3 徑跡探測器

12.4 康普頓二極體

12.5 自給能探測器

12.6 液體電離室

12.7 氣體正比閃爍探測器

12.8 穿越輻射探測器

第13章 探測器的本底和禁止

13.1 本底來源

13.2 降低本底的方法

第14章 核輻射探測器的套用

14.1 概述

14.2 實驗核物理中用於粒子鑑別的核輻射探測器

14.3 核輻射探測器在反應堆(核電站)上的套用

14.4 核輻射探測器在核能譜(核輻射能量)測量中的套用

14.5 探測和測量脈衝輻射束的探測器

14.6 核輻射探測器在核輻射強度和輻射劑量測量中的套用

14.7 核輻射探測器在核成像和其他研究領域中的套用

14.8 探測器在核保障、核材料生產、加工處理中的監測和核電站燃料燃耗的測量

14.9 x射線螢光分析用核輻射探測器和x射線螢光分析的套用

14.10 核輻射探測器在宇宙空間天體物理領域的套用

14.11 核輻射探測器在核醫學和臨床醫學中的套用

附錄

參考文獻

核輻射探測器是核工業各環節的耳目。輻射（α，β，γ，中子，X射線等）在氣體、液體、固體中引起電離或激發，轉換為電信號，由電子儀器測量其強度或能量。不同性質的核輻射，要用不同的探測器，因此，核輻射探測器是個大家族。

氣體電離探測器：這是發展最早、套用最廣的探測器，具有結構簡單、使用方便、價格便宜等優點，包括蓋革計數管、電暈計數管、正比計數管、電離室等。

閃爍探測器：一般由核輻射閃爍體（如碘化鈉）和光電倍增管組成。按化學成分劃分，可以分為有機閃爍體和無機閃爍體；按形態分，有固體、液體和氣體閃爍體；固體的又分為單晶、塑膠、粉末和玻璃等閃爍體。光電倍增管是按電參數、幾何尺寸和用途而組合分類的。根據核測量的需要，可選擇閃爍體和光電倍增管組合成各式各樣的探測器，這類探測器有探測效率高的優點。

半導體探測器：它是用半導體鍺、矽為主要原材料製成的探測元件具有能量解析度高、上升時間快、線性回響好、抗磁場干擾、結構緊湊等優點。