核輻射探測器

簡介

核輻射探測器

nuclear radiation detector 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。如應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；利用其熒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。對帶電離子可直接應用上述性質，對不帶電的粒子(如γ射線)，則應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、正比計數器和蓋革計數器。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接。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。常用硅、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（或硅）的表面噴塗一薄層金屬鋰后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，應用廣泛。砷化鎵、碲化鎘、碘化汞等材料也有應用。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，加入載體后可測量中子；氟化鋇 (BaF2)密度大，有熒光成分，既適合於能量測量，又適合於時間測量。②有機閃爍體,包括塑料、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，快塑料閃爍體可小於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鑒別提供了途徑。

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，后產生火花，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、塑料一類材料上，沿路徑產生損傷，經過化學處理（蝕刻）后，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。