核輻射探測器是什么？

2017/3/23 13:26:06

能夠指示、記錄和測量核輻射的材料或裝置。輻射和核輻射探測器內(nèi)的物質(zhì)相互作用而產(chǎn)生某種信息（如電、光脈沖或材料結(jié)構(gòu)的變化），經(jīng)放大后被記錄、分析，以確定粒子的數(shù)目、位置、能量、動量、飛行時間、速度、質(zhì)量等物理量。核輻射探測器是核物理、粒子物理研究及輻射應(yīng)用中不可缺少的工具和手段。按照記錄方式，核輻射探測器大體上分為計數(shù)器和徑跡室兩大類。

 
核輻射探測器
核輻射探測器

 
 
計數(shù)器 　
以電脈沖的形式記錄、分析輻射產(chǎn)生的某種信息。計數(shù)器的種類有氣體電離探測器、多絲室和漂移室、半導(dǎo)體探測器、閃爍計數(shù)器和切倫科夫計數(shù)器等。 
　　氣體電離探測器 　通過收集射線在氣體中產(chǎn)生的電離電荷來測量核輻射。主要類型有電離室、正比計數(shù)器和蓋革計數(shù)器。它們的結(jié)構(gòu)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，差別是工作電壓范圍不同。電離室工作電壓較低，直接收集射線在氣體中原始產(chǎn)生的離子對。其輸出脈沖幅度較小，上升時間較快，可用于輻射劑量測量和能譜測量。正比計數(shù)器的工作電壓較高，能使在電場中高速運(yùn)動的原始離子產(chǎn)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沖。脈沖幅度正比于入射粒子損失的能量，適于作能譜測量。蓋革計數(shù)器又稱蓋革-彌勒計數(shù)器或G-M計數(shù)器，它的工作電壓更高，出現(xiàn)多次電離過程，因此輸出脈沖的幅度很高，已不再正比于原始電離的離子對數(shù)，可以不經(jīng)放大直接被記錄。它只能測量粒子數(shù)目而不能測量能量，完成一次脈沖計數(shù)的時間較長。 
　　多絲室和漂移室 　這是正比計數(shù)器的變型。既有計數(shù)功能，還可以分辨帶電粒子經(jīng)過的區(qū)域。多絲室有許多平行的電極絲，處于正比計數(shù)器的工作狀態(tài)。每一根絲及其鄰近空間相當(dāng)于一個探測器，后面與一個記錄儀器連接。因此只有當(dāng)被探測的粒子進(jìn)入該絲鄰近的空間，與此相關(guān)的記錄儀器才記錄一次事件。為了減少電極絲的數(shù)目，可從測量離子漂移到絲的時間來確定離子產(chǎn)生的部位，這就要有另一探測器給出一起始信號并大致規(guī)定了事件發(fā)生的部位，根據(jù)這種原理制成的計數(shù)裝置稱為漂移室，它具有更好的位置分辨率（達(dá)50微米），但允許的計數(shù)率不如多絲室高。 
　　半導(dǎo)體探測器 　輻射在半導(dǎo)體中產(chǎn)生的載流子（電子和空穴），在反向偏壓電場下被收集，由產(chǎn)生的電脈沖信號來測量核輻射。常用硅、鍺做半導(dǎo)體材料，主要有三種類型：①在n型單晶上噴涂一層金膜的面壘型;②在電阻率較高的 p型硅片上擴(kuò)散進(jìn)一層能提供電子的雜質(zhì)的擴(kuò)散結(jié)型;③在p型鍺（或硅）的表面噴涂一薄層金屬鋰后并進(jìn)行漂移的鋰漂移型。高純鍺探測器有較高的能量分辨率，對γ輻射探測效率高,可在室溫下保存,應(yīng)用廣泛。砷化鎵、碲化鎘、碘化汞等材料也有應(yīng)用。 
　　閃爍計數(shù)器 　通過帶電粒子打在閃爍體上，使原子（分子）電離、激發(fā)，在退激過程中發(fā)光，經(jīng)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(shù)器分辨時間短、效率高，還可根據(jù)電信號的大小測定粒子的能量。閃爍體可分三大類：①無機(jī)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(fā)光效率高，有較好的能量分辨率，但光衰減時間較長；鍺酸鉍晶體密度大，發(fā)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，既適合于能量測量，又適合于時間測量。②有機(jī)閃爍體,包括塑料、液體和晶體(如蒽、茋等),前兩種使用普遍。由于它們的光衰減時間短(2～3納秒,快塑料閃爍體可小于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(fā)光效率不高，但光衰減時間較短（＜10納秒）。 
　　切倫科夫計數(shù)器 　高速帶電粒子在透明介質(zhì)中的運(yùn)動速度超過光在該介質(zhì)中的運(yùn)動速度時，則會產(chǎn)生切倫科夫輻射，其輻射角與粒子速度有關(guān)，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(只記錄大于某一速度的粒子)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(shù)器外，還有氣體正比閃爍室、自猝滅流光計數(shù)器，都是近期出現(xiàn)的氣體探測器，輸出脈沖幅度大，時間特性好。電磁量能器(或簇射計數(shù)器)及強(qiáng)子量能器可分別測量高能電子、γ輻射或強(qiáng)子（見基本粒子）的能量。穿越輻射計數(shù)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(chǎn)生的徑跡圖象測量核輻射。主要種類有核乳膠、云室和泡室、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(jīng)過化學(xué)處理后記錄下粒子徑跡，可在顯微鏡下觀察。它有極佳的位置分辨本領(lǐng)（1微米），阻止本領(lǐng)大，功用連續(xù)而靈敏。 
　　云室和泡室 　使入射粒子產(chǎn)生的離子集團(tuán)在過飽和蒸氣中形成冷凝中心而結(jié)成液滴（云室），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。泡室有較好的位置分辨率（好的可達(dá)10微米），本身又是靶，目前常以泡室為頂點探測器配合計數(shù)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(dāng)粒子進(jìn)入裝置產(chǎn)生電離時，離子在強(qiáng)電場下運(yùn)動，形成多次電離，增殖很快，多次電離過程中先產(chǎn)生流光，后產(chǎn)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分辨率（約 200微米）。除了可用照相記錄粒子徑跡外，還可記錄電脈沖信號，作為計數(shù)器用。 
　　固體徑跡探測器 　重帶電粒子打在諸如云母、塑料一類材料上，沿路徑產(chǎn)生損傷，經(jīng)過化學(xué)處理（蝕刻）后，將損傷擴(kuò)大成可在顯微鏡下觀察的空洞，適于探測重核。