论文—核辐射检测技术综述

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1、毕 业 论 文作 者： 李洪玉 学 号： 0445203 院 系： 自动化工程学院 专 业： 测控技术与仪器 题 目： 核辐射检测技术综述 指导者： (姓 名) (专业技术职务)评阅者： (姓 名) (专业技术职务) 2006 年 6 月 吉 林摘要 随着科学的发展，很多新的能源逐渐发展起来，其中核能就是很重要的一种，随着核能应用范围的扩大，核辐射防护是很必要的。前提是要测出核辐射的存在，因此就有了核辐射探测器的产生。近几年来，核辐射探测器的发展很迅速，其中气体电离探测器、闪烁探测器和半导体探测器这三种探测器是最基础，应用最广泛，也是人们研究的最多的。在核辐射探测器领域内，尤其使用半导体材料的

2、探测器，已经有了许多重大的发展。本文的目的是：介绍气体电离探测器、闪烁探测器和半导体探测器的工作原理以及发展的概况。在实际生活中，核辐射往往给人们带来危害，因此检测出核辐射以及正确的了解和防护核辐射对我们来说是很重要的。本文主要介绍几类常用的核辐射探测器的工作原理、性能和应用，还有核辐射的一些基础知识，让大家更加了解核辐射，并能更好的防护核辐射带来的危害。关键词:核辐射；检测；探测器Title The summary of nuclear radiationdetection technologyAbstractAlong with the science development, very

3、many new energy develop gradually, in which nuclear power is the very important one kind, along with the nuclear power application scope expansion, the nuclear radiation protection is very essential.The premise is must determine the nuclear radiation the existence, therefore had the nuclear radiatio

4、n dector production.In the last few years, the nuclear radiation dector development is very rapid, in which electrification detector, the twinkle detector and semiconductor detector these three kind of detectors are the most foundation, the application are most widespread, also is the people studies

5、 many.In the nuclear radiation dector domain, especially uses the semiconducting material of the detector, already had many significant development.This article goal is: Introduces the electrification detector, the twinkle detector and the semiconductor detector principle of work as well as the deve

6、lopment survey.In the practical life, the nuclear radiation often brings the harm to the people, therefore examines the nuclear radiation as well as the correct understanding and the protection nuclear radiation to us is very important.This article mainly introduces several kind of commonly used nuc

7、lear radiation dectors the principle of work, the performance and the application, but also has the nuclear radiation some elementary knowledge, lets everybody even more understand the nuclear radiation, and can the better protection nuclear radiation bring harm. Keywords:nuclear radiation ;examinat

8、ion ;detector第1章 绪论 人类利用核辐射及核能已有近百年的历史。它给人类带来很大利益，二战后，原子能的和平利用取得了巨大的进展，基于对能源的渴求，各国都在努力探索核能技术。事物总是一分为二的，随着核能利用的不断增长，核辐射的危害也逐渐明显，这些危害也早已为人们认识，并不断采取防护措施，使其危害一面尽可能减小。可以看出，检测出核辐射的存在是必要条件，因此，核辐射探测器的发展是很重要的。核辐射探测器的历史和我们的原子物理、亚原子物理知识的增长是同时发展的。一个实例是1895年伦琴使用照像乳胶发现了X射线。从那时候起，乳胶就广泛地用来作为辐射探测器。第二年，贝克勒尔利用照像底片发现了放

9、射性现象。卢瑟福在他有名的散射实验中，使用荧光屏和望远镜观察粒子在屏上产生的闪光。正是根据这些实验结果，他发现了原子核1。类似的探测器称为“闪烁镜”，是威廉克鲁克斯在1903年研制的。它是现代闪烁探测器的先驱。人们也认识到，辐射在空气中会引起电离现象。验电器和静电计被用来探测辐射产生的电离，并且使用这类仪器发现了宇宙线。玛丽居里使用静电计研究各种物质的放射性现象。利用这些简单的仪器，她得出了这样的结论：放射性强度与放射性物质的数量成比例。由于要数出荧光体闪光的次数有极大的困难，这就促使卢瑟福和盖革去寻找更好的探测器。他们把辐射产生离子以及离子在足够强的电场中的倍增现象用来设计新型的探测器1。1

10、908年，他们宣布制成了一个可以使用的核辐射探测器。从那时起，在核辐射探测方法方面已经有了若干重要的进展。图1-1表示一个典型的脉冲计数器的简化工作原理。核辐射（带电粒子）进入探测器产生一个信号（输出脉冲）。信号幅度（脉冲幅度）和辐射能量之间的比例关系以及计数器的效率、能量分辨率和输出脉冲的时间宽度，这些因素是我们选择探测器时要考虑的2。下面讨论对选择探测器有影响的几个特性。图1-1 脉冲计数器的工作原理图如果信号幅度正比于辐射在探测器中损耗的能量，那么测定信号的幅度，我们就能够测出辐射的能量。效率可以定义为探测器中产生的可探测信号数与入射辐射数的比值。有时，尤其对于低能辐射，所产生的信号幅度

11、可能比噪声小，以致不能探测它们。影响探测器效率的另一因素是，分析信号所用的电子学设备可能有灵敏度的限制，也就是说，低于下限的脉冲将探测不出来。因此，探测器效率是随着探测器后面电子学设备的下限而变化的。探测器的能量分辨率是探测器对于能量很接近的辐射加以区别的能力的量度。能量分辨率取决于相同能量的辐射所产生的脉冲幅度的展宽程度。图1.2表示一种典型的脉冲幅度分布2。以百分比表示的能量分辨率R，定义如下：R = （1.1）最大计数一半处的宽度是峰的一半高度处脉冲分布的宽度，如图1-2所示。探测器分辨射线的能力随R值的减小而增大。图1-2 具有相同能量的核辐射的典型脉冲幅度分布脉冲的时间宽度通常是选用

12、探测器时要考虑的另一重要因素。如果总宽度过大，就会发生脉冲的重叠现象，并会有计数损失。脉冲包含两个部分：（1）上升部分和（2）下降部分。第一部分是由探测器的特性（例如离子收集时间）决定。第二部分取决于测量系统的时间常数RC。减小时间常数可以把总宽度减小。但是，收集时间和衰减时间之间应该维持适当关系，以便保持辐射能量和脉冲幅度之间的比例。时间分辨率好的符合实验要求脉冲的上升时间快。在研究探测器之前，先讲述一些核辐射的基本概念、核辐射的危害以及核辐射的防护的知识。这些内容将作为本文研究探测器的基础。第2章 核辐射2.1核辐射的概述2.1.1 核辐射的概念核辐射，或通常称之为放射性，存在于所有的物质

13、之中，即包括你喝的水和我呼吸的空气，这是亿万年来存在的客观事实，是正常现象。核辐射是原子核从一种结构或一种能量状态转变为另一种结构或另一种能量状态过程中所释放出来的微观粒子流。核辐射可以使物质引起电离或激发，故称为电离辐射。电离辐射又分直接致电离辐射和间接致电离辐射3。直接致电离辐射包括帷、质子等带电粒子。间接致电离辐射包括光子、中子等不带电粒子。核辐射主要是、三种射线：射线是氦核，射线是电子，这两种射线由于穿透力小，影响距离比较近，只要辐射源不进入体内，影响不会太大。射线的穿透力很强，是一种波长很短的电磁波。电磁波是很常见的辐射，对人体的影响主要由功率（与场强有关）和频率决定。通讯用的无线电

14、波是频率较低的电磁波，如果按照频率从低到高（波长从长到短）按次序排列，电磁波可以分为：长波、中波、短波、超短波、微波、远红外线、红外线、可见光、紫外线、X射线、射线。以可见光为界，频率低于（波长长于）可见光的电磁波对人体产生的主要是热效应，频率高于可见光的射线对人体主要产生化学效应。2.1.2 核辐射的活度及其单位一、核辐射的活度（放射性活度）天然核素2000多种中有1700多种是具有放射性的，但它们的放射性强弱是各不相同的，我们用放射性活度（Ac）来表征这一性质。放射性活度（Ac）是指，某一定量核素在单位时间内平均衰变的原子核数目。二、核辐射量的单位1950年国际国际委员会规定，放射性活度单

15、位为：居里（简称居、C或Ci）。1977年国际辐射委员会和测量委员会建议采用国际制单位：1/秒，称为贝可勒尔，简称贝可（Bq）3。换算关系为：1居里（C）=3.71010贝可（Bq）常用的辐射量单位及其换算关系如下：物理量 老单位 新单位 换算关系 活度 居里(Ci) 贝可勒尔(Bq) 1Ci3.71010Bq 照射量 伦琴(R) 库仑/千克(C/kg) 1R2.5810-4C/kg吸收剂量 拉德(rad) 戈瑞(Gy) 1Gy100rad 剂量当量 雷姆(rem) 希沃特(Sv) 1Sv100rem2.2核辐射的剂量2.2.1核辐射剂量的概念戈瑞（Gy）：核辐射剂量国际单位，每1千克受照物质

16、吸收1焦耳核辐射能时，其核辐射剂量称为1戈瑞。2.2.2两种辐射剂量的比较核辐射可分为天然核辐射和人为核辐射两种。天然辐射主要有三种来源：宇宙射线、陆地辐射源和体内放射性物质。陆地辐射又分为外照射和内照射两种形式。体外辐射源对人体的照射称外照射3。进入人体内的放射性核素作为辐射源对人体的照射称内照射。人工辐射源包括放射性诊断和放射性治疗辐射源、放射性药物、放射性废物、核武器爆炸的落下灰尘以及核反应堆和加速器产生的照射等。 下面分别列出了两种辐射所造成的造成的年剂量：天然辐射造成的公众平均年剂量值如表1所列：人工辐射源造成的公众平均年剂量值如表2所列：2.2.3 标准剂量限值国际基本安全标准的剂

17、量限值如下：（注：我国将颁发的标准等效采用国际基本安全标准）4。1、职业照射剂量限值：应对任何工作人员的职业照射水平进行控制，使之不得超过下列限值：1）由监管部门决定的连续5年的年平均有效剂量，20mSv；2）任何一年中的有效剂量，50 mSv；3）眼晶体的年当量剂量，150 mSv；4）四肢（手与足）或皮肤的年当量剂量，500 mSv。 2、 公众照射剂量限值：实践使公众中有关关键人群组的成员受到的平均剂估计值不应超过下述限值：1）年有效剂量，1 mSv；2）特殊情况下，如果5个连续年的年平均剂量不超过1 mSv/a，则某一单一年份的有效剂量可提高到5 mSv；3）眼晶体的年当量剂量，15

18、mSv；4）皮肤的年当量剂量，50 mSv。 3、 潜在照射：设置剂量限值的目的是为了限制实在照射的危害。但潜在照射的发生概率和水平难以确定，应取最优化结果确定其发生概率和水平。2.3 核辐射的危害和防护核爆炸和核事故都会产生核辐射。它有, 和三种辐射形式。辐射只要用一张纸就能挡住，但吸入体内危害大；辐射是高速电子，皮肤沾上后烧伤明显；辐射和X射线相似，能穿透人体和建筑物，危害距离远。宇宙、自然界能产生放射性的物质不少，但危害都不太大，只有核爆炸或核事故泄漏的放射性物质才能大范围地对人员造成伤亡4。 核辐射事故通常是指由于失去控制的放射性物质的辐射释放照射或电离辐射设备的辐射照射，造成人员伤亡

19、、环境污染以及经济损失等方面的事故。核辐射事故造成的放射性危害的作用方式主要表现为外照射危害和内照射危害。 外照射危害主要是泄漏到环境中的放射线从人体外部对人体的照射，危害来源于体外放射源，放射源不与皮肤接触。 内照射危害是放射性物质污染的空气、水、食品及其它物品通过饮食、呼吸、皮肤毛孔、皮肤伤口进入人体内，释放出放射线对人体的照射4。一些微量放射性物质产生的外照射和表面污染虽然没有多大的现实意义，但是如果进入体内，将会连续照射人体，直到放射性物质衰变了或被排出人体为止，因而可能产生可观的剂量。 内、外照射形成放射病的症状有：疲劳、头昏、失眠、皮肤发红、溃疡、出血、脱发、白血病、呕吐、腹泻等。

20、有时还会增加癌症、畸变、遗传性病变发生率，影响几代人的健康。一般讲，身体接受的辐射能量越多，其放射病症状越严重，致癌、致畸风险越大5。2.3.1 核辐射对人体的影响 来自环境的放射源或进入人体内的放射物质的污染，其辐射都会与人体相互作用，导致生物效应。由这些效应所表现的临床症状，其严重程度以及出现的时间，取决于人体吸收的辐射能量和剂量率的大小5。辐射损伤分为两类：躯体效应和遗传效应。一、辐射产生的躯体效应1. 急性效应受大剂量照射后，会产生急性损伤，一般在早期就可显现症状，个别事件会有潜伏期。急性早期效应有三类：（1）造血功能（骨髓）损伤人身接收200500拉德（rad）的吸收剂量的全身照射，

21、可致造血器官受损伤，骨髓造血技能被破坏，白、红细胞减少，红细胞寿命结束又无造血来源时，机体抵抗力下降，最终会因感染而死亡。全身照射的半致死剂量为：400 rad（4Gy）。(2)消化系统（肠、胃）损伤接收6002000 rad辐照剂量时，主要是消化系统受损伤，胃、肠受损后出现呕吐、肠皮细胞剥落、淋巴组织破坏，细菌感染大量便血。剂量大于1000 rad（10 Gy）时谓之死亡剂量。(3)中枢神经（脑）损伤 全身或头部一次接收几千拉德的吸收剂量时，除骨、胃肠损伤外，主要是中枢神经损伤，抽搐、肌肉震颤、瞳孔改变及昏迷，几小时至几天后死亡。表3为急性损伤估计剂量的临床症状。表3 急性损伤估计剂量2.

22、晚期效应晚期效应，是指受辐照后数年后发生症状的效应。当受急性辐照恢复后，或长期接受容许水平的照射，也可能发生晚期效应。晚期效应指辐射损伤诱发的癌症、白血病、血内障及寿命缩短等6。一、辐射产生的遗传效应受辐照者可能造成生殖细胞染色体中脱氧核糖核酸（DNA）分子损伤，生殖细胞与遗传相关联的染色体、基因。染色体是由脱氧核糖核酸组成的，它是一种蛋白质复合体，是遗传物质的主要载体，而基因是染色体中有遗传功能的DNA分子，它们发生病变，会遗传给后代，使后一代人出现某种遗传疾患。基因突变有四种：1. 显性突变：只要父母一方有突变，就会直接显现在子女身上。 2. 隐形突变：只有父母都有突变发生，子女才可能发生

23、突变。 3. 伴性突变：父突变只传给女儿所生的儿子（即外孙），不传给儿子。 母突变只传给儿子所生的女儿（即孙女）。 4. 多基因突变：主要体现在智力和体质上。这四种突变遗传的几率是很小的，但仍需重视。为了防止有害的非随机性效应，并限制其发生几率，使之达到被认为可接受的水平，采用最大容许剂量来限制受辐照量。最大容许剂量的含意是：在现有医学水平下，认为经受这一剂量的辐照，产生严重躯体损伤或遗传损伤的几率是微小的，又是可逆的6。所产生的影响，对众多人群进行统计才能被觉察。最大容许剂量指内、外照射剂量总和，而不包括天然本底及医疗照射，而是专为辐射安全防护制定的限值。对一般人可以借鉴，其目的是保护环境、

24、保障人身健康和安全，以利于原子能事业的发展。2.3.2 核辐射的防护一、辐射防护的概念 辐射防护是研究保护人类(系指全人类、其中的部分或个体成员以及他们的后代)免受或少受辐射危害的应用学科，有时亦指用于保护人类免受或尽量少受辐射危害的要求、措施、手段和方法7。辐射包括电离辐射和非电离辐射。在核领域，辐射防护专指电离辐射防护。二、辐射防护的措施归纳起来，为了控制辐射危害，可采取下列控制措施：屏蔽、封闭、选用优质的材料和设备并做好去污和维修工作、做好事故预防和应急、妥善治理三废、辐射监测等等。外照射的防护方法有受照射时间的控制、增大与辐射源间的距离和采用屏蔽三种方法。内照射防护的基本防护方法是防止

25、或减少放射性物质进入体内，对于放射性核素可能进入体内的途径要予以防范。三、辐射防护的原则辐射防护三原则是指实践的正当性、防护水平的最优化和个人受照的剂量限值7。辐射防护的基本原则：1、 实践的正当性；2、 剂量限制和潜在照射危险限制；3、 防护与安全的最优化；4、 剂量约束和潜在照射危险约束。2.3.3 对核武器的防护 核武器一般是原子弹、氢弹等。一、核爆炸的杀伤性核武器的杀伤力有四种：1.光辐射；2.冲击波；3.贯穿辐射；4.放射性污染。1.光辐射核爆中心区域，集中了巨大的核能，使周围温度可达几百万乃至几千万度。因此所及的几乎所有物质都化为炽热的气体，发出极强的光辐射，光辐射的能量总爆炸能量

26、的35%，且在一秒钟内发生的，可引起大火灾，烧伤生物，严重危害眼睛，引起失明等，其破坏性次于冲击波8。 2.冲击波 核爆产生的高温、高压使大气振荡，气流向四周传递，而形成冲击波，冲击波能约占总核爆能量的50%，它可使物体、建筑在巨大冲力下破坏，是最主要的破坏因素。 3.贯穿辐射贯穿辐射是由中子和射线引起的，占核爆总能量的5%左右。由于中子易被物体吸收，传播距离不远，而射线传播较远，贯穿机体产生各种生物效应。 4.放射性污染核爆后，空气、地面、水源及物体表面，会受到不同程度的污染，在较长时间内连续造成危害。放射性物质的主要来源：裂变产物、感生放射性、未来得及反应的燃料。二、核爆炸的防护 为防止冲

27、击波及光辐射的危害，可预先构筑防御公使及避隐所，禁止直接面向光辐射，尽量不要暴露在辐射场内。做好防火及抢救准备，核爆后要坚持剂量检测，处理放射性废物等。 偶遇核爆炸时，赶快找凹坑、路沟、小丘等隐蔽物躲藏，如附近无隐蔽物，应面朝下卧倒，双手支胸，紧闭眼睛，以尽量减小伤害程度。第3章 核辐射探测器通常，放射性测量装置主要由核辐射探测器和电子仪器所组成。核辐射探测器简称探测器，是指在射线作用下能产生次级效应的器件，而且这种次级效应能被电子仪器所检测。多数探测器是根据射线使物质的原子或分子电离或激发的原理制成的8。它们可以把射线的能量转变为电流、电压的信号以供电子仪器记录。因此，探测器是一种能量转换器

28、件，是测量装置的主要组成部分。根据射线在探测器内和产生的效应和探测器的工作介质，可把探测器分为几种类型。常用的探测器有三类：气体电离探测器（利用射线在气体介质中产生的电离效应）、闪烁探测器（利用射线在闪烁物质中产生的发光效应）和半导体探测器（利用射线在半导体中产生的电子和空穴）。此外，还有其他类型的 探测器，如照相乳胶、固体径迹探测器、切伦科夫探测器和热释光探测器等。在本章中主要介绍集中常用的探测器的原理、性能和应用。3.1气体电离探测器电离室、正比计数管和盖革-弥勒（G-M）计数管统称为气体电离探测器。它们是早期应用最广的探测器8。由于闪烁探测器和半导体探测器的发展，它们已逐步被取代，但是这

29、类探测器的结构简单、性能稳定、使用方便、价格低廉，至今在某些方面仍在应用。这三种气体电离探测器的工作特点虽不完全相同，但都具有一个共同点：首先射线使探测器内的工作气体发生电离，然后收集所产生的电荷而达到记录射线的目的。因此，在分别介绍它们之前，对气体中的电离现象进行简要的讨论。3.1.1气体中的电离现象一、电离带点粒子通过气体时与气体分子不断地碰撞逐步损失能量，而气体分子中的电子在碰撞过程中获得能量。在电子获得的能量足以克服原子核的束缚时，电子就会脱离分子成为自由电子，这时分子就分离成一个自由电子和一个正离子，这种过程称为电离。在电子获得的能量不足以产生电离时，电子可以从低能级跃迁至高能级，使

30、原子处于激发态，这种过程称为激发9。因此，带电粒子在气体中损失的能量，能导致气体分子的电离和激发。通常，带点粒子具有很大的能量，在经过的路程上可以产生大量的离子对（一个自由电子和一个正离子合称为一个离子对）。在电离中产生的次级电子，其中一部分还具有较大的能量，能再使气体分子电离。因此，常把入射粒子和气体分子直接作用产生的电离称为初电离，由次级电子和气体分子作用产生的电离称为次电离。初电离和次电离的总和称为总电离。入射粒子在气体中产生的总电离离子对数N0与它在气体中损失的能量有关。实验结果表明，在相当大的能量范围内，二者成正比，即 N0=E/W （3.1） 式中，E为入射粒子在气体中损失的能量；

31、W为电离能，即入射粒子在气体中产生一个离子对所消耗的平均能量。 应当指出，W和N0都是统计平均值。这是因为入射粒子在经过的路程上所引起的电离过程是随机性的，每次电离碰撞所损失的能量不可能完全相同。因此，同一种粒子在气体中损耗的能量即使相同，所产生的粒子对数也不完全相等，而是存在着一定的统计涨落9。二、 电子和离子在气体中的运动入射粒子在气体中产生的电子和正离子都具有一定的动能。在没有外加电场的情况下，它们和其他气体分子一样，作无规则的热运动，彼此不断碰撞。结果可以产生下列几种现象：1.扩散电离产生的电子和正离子在空间的分布都是不均匀的，由于存在扩散现象，它们从密度高的区域向密度低的区域移动。在

32、探测器中，电子和正离子的扩散会影响电离电荷的收集，而不利于探测器的正常工作。2.负离子的形成自由电子在运动过程中与气体分子碰撞时，有可能被气体分子捕获。这样，就形成了负离子。不同的气体分子捕获电子的几率相差很大。例如,卤素、氧和水捕获电子的几率可达10-410-3，而H2，N2，CH4和惰性气体捕获电子的几率小于10-6。电子与气体分子形成负离子后，其运动速度大大减慢，这对探测器的工作也是不利的，因此在气体电离探测器中必须注意工作气体的选择和纯化。3.复合 正离子和电子（或负离子）碰撞时，可能复合成一个中性原子或中性分子。复合的几率与正离子密度n+和电子（或负离子）密度n-成正比，单位时间单位

33、体积内的复合数目为 （3.2）式中，a称为复合系数。它与气体的性质、压力、温度以及正、负离子的相对速度有关。例如，相对速度越小，复合系数越大。因此，负离子与正离子的复合几率要比电子与正离子的复合几率大得多。显然，复合现象使收集电荷数减少，对探测器的工作甚为不利。3.1.2电离室一、概述电离室是最简单的气体电离探测器，它要求的电场强度不高，可以做成各种形状，并且对所充气体的要求不高，以及充气压力的范围也可以很宽，甚至可直接用大气压下的空气。但是电离室没有气体放大作用，其输出的电离电流很弱，因此在结构上要特别考虑弱电流测量的要求10。常见的电离室结构形式有两种：平行板形和圆柱形。它们的示意图见图3

34、-1。图中K称为高压电极，直接连接高压；A称为收集电极，通过负载电阻R接地。两个电极之间加有高压，并以绝缘体隔开。绝缘体的性能对于弱电流测量的影响很大，因此必须选用绝缘性能良好的材料，如琥珀、聚苯乙烯等，而且要求它们图3-1 电离室结构形式示意图（a）平板形 (b)圆柱形 K高压电极；A收集电极；P保护环的表面光滑、清洁和干燥，以免吸附水汽和杂质而漏电。为了减少从高压电极至收集电极的漏电流，常在它们之间加一个金属的保护环P，其电位与收集电极的相同。保护环有两个作用，一个作用是使漏电流由高压电极经保护环至地，不再通过收集电极；另一个作用是使收集电极边缘的电场保持均匀，保证电离室有确定的灵敏体积。

35、探测器的灵敏体积是指射线在该体积内能产生电离效应（或其它次级效应）。按照工作方式，电离室可分为两类：一类是脉冲电离室，它可用来测量单个粒子的电离效应，即测量单个粒子引起的电流脉冲或电压脉冲；另一类是电流电离室（包括累计电离室），它们测量的是大量入射粒子的平均电离效应。如电流电离室测量的是单位时间内入射粒子所产生的平均电离电流，累计电离室是测量相当长时间内大量入射粒子所累积的电荷10。电流电离室和累计电离室的工作气体可以是氮气、空气或惰性气体。脉冲电离室的工作气体大多是惰性气体和少量多原子分子气体的混合气体，如90%Ar+10%CH4等气体。二、 脉冲电离室1.脉冲的形成图3-2为平行板脉冲电离

36、室的示意图。通常，平行板电离室相当于一个平板电容器，其极间距离为d，电容量以C表示。电容C积累的电荷可以通过负载电阻R放电并输出电压脉冲11。当电离室内无入射粒子时，收集电极的电位V(t)=0。下面讨论下，当有入射粒子时，脉冲信号是如何形成的。图3-2 平行板脉冲电离室工作示意图设在时间t=0时，射线在电离室中距收集电极x处形成一个离子对，正离子和电子所带的电荷分别为正、负基本电荷e。在离子对刚形成的时刻，由于正离子和电子十分靠近，它们在极板上感生的电荷相同，但符号相反，恰好抵消，因而在两个极板上都没有引起任何电压变化。在电场作用下，电子立即向阳极漂移，此时电子在收集电极上的感生电荷比正离子的

37、感生电荷大，能引起微弱的电压变化。在电子向阳极漂移的过程中，电场对电子做功，同时电子在收集电极上引起一定的电压变化，即在电离室电容C上所贮存的能量要发生相应的变化。根据能量守恒定律，这一能量变化值恰好等于电场对电子所作的功12。设电离室两个电极之间的电位差为V，则在电容C上贮存的能量为。在x处与收集电极之间的电位差为，电子由x漂移至收集电极的过程中，电场对它所作的功为。假如由于电子的漂移，在收集电极上引起的电压变化为,则可得到下列等式 （3.3） 上式中，等号左边为电场对电子所作的功，等号右边为电容C上贮存能量的变化。由于很小，项可被忽略，因此电容上贮存能量的变化近似为。因此，上式可写为 或

38、（3.4）由于在气体中电子的漂移速度（约106）比正离子的漂移速度（约103）约快103倍，因此电子漂移至阳极的时间极短，而当电子刚被收集完时，正离子向阴极漂移的距离还极小，只有电子漂移距离的千分之一。可以认为，在电子被收集的时间内，收集电极上总的电压变化仅由电子所贡献，即为。 在收集电子结束至收集正离子的这段时间内，正离子漂移的距离为。与电子的情况相似，正离子在收集电极上引起的电压变化也可用下式表示 = （3.5） 因此，收集电极上总的电压变化为 即 （3.6） 上式说明，当入射粒子在电离室内产生一个粒子对时，从电子和正离子的漂移、收集、直至通过RC电路放电的过程中，收集电极可以输出幅度为的

39、负脉冲信号。当入射粒子在电离室中产生个离子对时，则电离室输出的脉冲幅度为 （3.7）若入射粒子的能量为，并全部损失在电离室内，则产生的平均粒子对数为 (3.8)式中为电离能。若把式（3.8）代入式（3.7），可得 (3.9) 即脉冲幅度与粒子能量成正比13。因此，利用脉冲电离室不仅可以由单位时间内的脉冲数求得射线的强度，而且可以根据脉冲幅度的大小来测定粒子的能量。 2.电子脉冲电离室和粒子脉冲电离室 电离室输出的脉冲波形不仅与离子对的收集过程有关，而且还取决于输出电路的时间常数。电离室的输出电路见图3-2。图中的电阻包括负载电阻和放大器的输入电阻（并联），电容包括电离室的极间电容、放大器的输入

40、电容和线路的杂散电容（并联）。选择的时间常数值不同，输出脉冲的波形有很大的差异，见图3-3。由此电离室可分为电子脉冲电离室和离子脉冲电离室。图3-3 不同RC值时平行板脉冲电离室的输出波形（1）电子脉冲电离室 选择时间常数大于电子收集时间，但比正离子收集时间要小得多时，因为在电容上贮存的电荷通过放电，而正离子尚未明显地漂移，因此输出的脉冲全部是由电子所贡献的，此种电离室称为电子脉冲电离室14。其输出脉冲的宽度较窄，约几十微妙，脉冲幅度可由式（3.4）给出。显然，这种电离室的输出脉冲幅度与形成离子对的初始位置有关，因此只能用于测量带点粒子的强度而不能由于测量它的能量。但采用栅网电离室可以克服这一

41、缺点。（2）离子脉冲电离室选择时间常数大于正离子收集时间时，因为很大，在收集电子和离子过程中，上流过的电荷很少，知道离子收集后，即在脉冲达到最大幅度以后，上的电荷才通过R放电。因此，输出的脉冲由电子和正离子共同贡献，此种电离室称为离子脉冲电离室。其输出脉冲的宽度很大，约为10毫秒，而脉冲幅度与入射粒子的能量成正比。因此，它可用于带点粒子的能量测量。但是由于脉冲的宽度太大，它不能用于测量计数率高于100（为计数率的单位，即每秒钟内的脉冲计数）的射线强度。最后，我们估计一下离子脉冲电离室输出脉冲幅度的大小。设入射粒子为发射的粒子，能量为5.3MeV，并在空气电离室内消耗其全部能量15。若电离能取3

42、5eV，则一个粒子产生的离子对数个离子对。这些离子对全部被收集后的总电荷 ，设总电容量为20pF，则输出脉冲幅度为 。这个结果说明，脉冲电离室的输出信号是很小的，必须经过低噪声、高增益放大器放大后才能记录和分析。三、电流电离室在有些情况下，如需要立即反映辐射场的照射率或测量放射性活度很大的放射源，此时需要测量的不是单个粒子的电离效应，而是单位时间内大量入射粒子的平均电离效应，可采用电流电离室。它同脉冲电离室在工作原理、信号产生过程等方面相同，主要差别在输出电路及测量电路等方面。它记录的是电离电流。1.饱和电离电流我们知道，在外加电场下，正、负电荷的漂移可以形成电流。假定进入电离室的射线的强度是

43、恒定的，则灵敏体积内的粒子对生成率（单位时间内生成的粒子对数）是一个常数，若没有复合和扩散的损失，可形成一稳定电流饱和电离电流。它能精确地反映离子对的生成率。而离子对的生成率又取决于射线的强度。设单位时间内进入灵敏体积的带点粒子数为，如果每个粒子产生的粒子对数为，则在电离室形成的总离子对数为。由它们所形成的饱和电离电流为 （3.10）以式（3.8）代入，得到 （3.11） 式中为基本电荷，为电离能，为射线在电离室灵敏体积内损失的能量。当，为已知时，从测量得到的饱和电离电流，可以求得射线的强度。电离室的电离电流与外加电场有关，电离电流与电压的关系曲线称为电离室的饱和曲线，如图3-4所示。在一定电

44、压下，可忽略复合和扩散的影响，电离电图3-4 不同工作气体、不同射线强度下的饱和曲线流趋于饱和值，即饱和电流。输出电流达到饱和值的90%时所对应的电压称为饱和电压。当电压大于饱和电压时，饱和曲线有一饱和区，区内饱和电流维持恒定。由图3-4可以看出，饱和曲线与电离室的工作气体和射线强度等有关16。由于不同气体分子的电离能不同，射线形成的离子密度也不同，如在Ar中产生的离子对数比在空气中要多三分之一左右，而离子的密度越大越易复合，因此对应于Ar的饱和曲线，其饱和电压较高。射线强度高，生成的离子密度大，也易复合，因而其饱和曲线也更缓慢地趋于饱和。实际上，在饱和区，饱和电流随着电压的升高也有一些增加1

45、7。这是由于电压升高时电极边缘的电场增强，从而灵敏体积扩大而增大电流，以及存在某些负电性气体杂质，它们更易复合，电压增加可消除正、负粒子的复合而使电流增加。因此要获得良好的饱和特性，必须注意气体的纯化，或在惰性气体（如Ar）中加入少量多原子分子气体（如CH4）。2.电离电流的测量 一般情况下，电流电离室的饱和电流在10-810-14A的范围内。测量这样微弱的直流电流，常用测量它在高电阻R上的电压降的方法，然后通过求得电离电流。当测量的电流小于10-12A时，需用10121014的精密电阻，高电阻因表面漏电等原因不易稳定，所以测量是比较困难的18。早期多采用验电器和力学静电计，现在多采用电子管静

46、电计、晶体管静电计以及动电容静电计。 电子管静电计是采用静电计管作输入级的直流放大器。静电计管的栅流很小，可小于10-15A。因此，这种一起可以测量10-910-15A范围内的弱电流，并且具有响应速度快、使用方便的有点，缺点是直流放大容易漂移而不稳定。近年来，由场效应晶体管作输入级的直流放大器有了发展。它的输入阻抗高、栅流小，可测量至10-16A的弱电流。但它同样具有直流放大不易稳定的缺点，而且场效应管容易被击穿。 动电容静电计是一种将直流信号调制成交流信号再进行交流放大的仪器。它可避免直流放大的缺点。它的工作原理是用机械或电磁方法使电容器的一个片发生振动（或用变容二极管），这样电容器变为一个

47、电容量随时间作周期性变化的可变电容19。当电离室输出端接有动电容静电计时，电离电流通过RC输出电路建立一恒定电压 （3.12）则在电容上积聚的电荷与电压的关系为 (3.13) 若电容的变化周期比电路的时间常数小得多，则 (3.14) 以式（3.12）和式（3.13）代入，得到 (3.15)因为电容C在平均值附近作周期性变化，交变电压正比于饱和电流I，这样直流信号就转变为交流信号。动电容的输出信号，经交流放大，模数转换，可直接数字显示。仪器的灵敏度很高，如国产动电容静电计的灵敏度达10-16A。 在弱电流测量中，为了避免时间常数过大，但又要获得最佳的灵敏度，可以采用漂移率法。方法的原理见图3-5

48、20。此法不用负载电阻，静电计直接接至电离室的收集电极，测量的是电离电流通过电容C时的电压变化率。在测量前，静电计输入端先短路（接通开关K），测量时再打开K，然后记录电压变化率。其电离电流为 （3.16）图3-5 漂移率法测量电离电流的原理图 式中C为电容，它包括电离室的极间电容和静电计的输入电容。此法的测量灵敏度由无输入电流时的电压漂移率所决定，用动电容静电计测量时可达10-16A，若,此时，的电压变化率为。 当电离电流太小时，可以测量一定时间内的累积电荷，这是累计电离室所用的测量方法。实际上电离室就是一个电容器，见图3-6。在测量前接通开关K，图3-6 累计电荷的测量原理图使电离室充电至，

49、然后断开开关K。当射线引起电离后，收集电极因放电而产生电位降。若电容量为C，收集电荷为，则 (3.17)若射线照射时间为，则 (3.18)因此从测出的电位降和记录的照射时间，可求得饱和电流。四、电离室的应用 1.电流电离室 电流电离室广泛应用于X射线和射线的剂量测量。因为照射量及吸收剂量这两个剂量学的基本物理量是与射线的电离作用直接地或间接地相联系的，而且电离室具有测量范围宽、能量响应好和工作稳定可靠等优点，因此常用电离室作这方面的测量21。例如，测量X和射线照射量的基准仪器就是一种空气电离室，可测量照射率或吸收剂量率的有各种携带式电离室剂量仪，特别是对于能量低于100的X射线，电离室剂量仪是

50、最常用的。 电流电离室也是测量放射性气体的重要探测器。它的特点是可以将放射性气体直接引入室内或以流气方式通过电离室进行测量。因此可以测量含有核素（如）、低能核素（如3H、14C）的放射性气体22。如流气式电离室是监测空气中3H的主要仪器。 近年来，在医用放射性核素的活度测量中，井型电离室的应用日益增多。它可以测量活度为级的放射源，样品不必预先处理便可直接放入“井”中测量，使用比较方便。其示意图见图3-7。图3-7 井型电离室的示意图 高压充气电离室，充有1040个大气压的惰性气体，测量射线的灵敏度比一般电离室可提高几十倍。它不仅具有测量范围宽、精度高的优点，而且长期稳定性特别好，如几年内饱和电

51、流的变化可小于，不必进行经常的校准。因此，目前世界上许多计量中心都以它作为标定核素的次级标准仪器。 此外，电离室由于结构简单、性能可靠，且能耐受高温、振动等恶劣的环境条件，在工业用的同位素仪表中，也被广泛采用。如在金属镀层的测厚仪、控制纸和塑料薄膜厚度的厚度计中，常用电离室作探测器23。2.脉冲电离室 原则上，离子脉冲电离室可用于带电粒子的强度和能量的测量，但由于其输出脉冲宽度大、幅度小，不太实用。目前只有带栅网的电子脉冲电离室对大面积、低水平放射性核素的能量测量尚有一定应用。此外，电子脉冲电离室在反应堆控制方面也有重要应用。如探测中子通量的裂变电离室，它的电极上涂有235U，当中子通过时，可

52、引起裂变，裂变产生的碎片具有很大的动能，可以产生幅度相当大的脉冲，可以采用电子脉冲电离室输出信号24。它的输出信号很容易与，引起的小脉冲区别，并且电离室可以耐高温、耐强辐照。3.1.3正比计数管一、工作原理 前已提及，正比计数管工作在正比区。在此区内存在气体放大作用，即原电离形成的电子在电场作用下，也会通过多次碰撞电离形成大量次级离子对，并且最后形成的总离子对数仍能保持与原电离的离子对数呈正比关系。参照关于电离室输出信号的讨论，由式（3.7）不难得出，正比计数器输出脉冲幅度为 （3.19）式中，M为气体放大倍数，为原电离形成的离子对数，为基本电荷，C为输出电路的总电容25。 为了获得气体放大，

53、必须有足够强的电场，如在常用的气体电离探测器汇总电场强度至少应为104，如果采用平行板电极结构电场强度很难达到此值。因此正比计数管错采用圆柱形结构。其结果如图3-8，中间是一根金属细丝，作为阳极，外面是一个金属圆筒，作为阴极。管内充有工作气体。与平行板电极图3-8 圆柱形正比计数管的示意图相比，圆柱形结构容易获得强电场区。圆柱形管内的径向电场强度与径向居里的关系如下： （3.20）式中，为外加电压，为阴极半径，为阳极丝的半径26。管内径向电场强度的分布如图3-9所示。由图3-9可见，越靠近阳极丝的区域，电场强度增加得越图3-9 圆柱形正比计数管的电场强度分布快。例如，若外加电压为1000V，为

54、1，为0.002，按式（3.20）可计算出不同径向距离处的电场强度（见表4）。表4 不同径向距离处的电场强度径向距离 r,cm0.0050.010.050.10.51.0电场强度 E,V/cm321821609132181609322161由以上讨论可见，气体放大只有在距阳极细丝很近的区域内才可能发生。这一区域称为增殖区，其半径用表示，在上例中约0.0127。因此电子增殖过程的时间很短，仅1左右，但在这样短的时间内一个电子经过几代增殖可以形成102104个离子对，犹如雪崩一般，这种电子增殖过程常称为电子雪崩。正比计数管中气体放大的另一个特点是：每一个入射粒子形成的电子雪崩只限于阳极丝附近的局部

55、区域，并不沿阳极丝方向继续扩展。因此气体放大倍数在一定外加电压下是常数。正比计数管的气体放大倍数M取决于所充气体的性质和压强、电极半径和工作电压。外加电压对气体放大倍数的影响很大（见图3-10）。当充有单原子气体并充气压力低时，M随外加电压的增长很快28。实验表明，添加少量多原子分子气体（如CH4、CO2等）可以减缓随的剧烈变化，这样正比管的工作可以更加稳定。正比管常用的工作气体为氩、甲烷、90%氩+10%甲烷及96%+4%异丁烷等。图3-10 正比管气体放大倍数M与外加电压的关系曲线二、 工作特性1.输出脉冲波形和分辨时间正比计数管的输出电路见图3-11，其输出脉冲波形如图3-12所示。由图

56、可见，曲线可分为三段：图3-11 正比计数管输出电路图3-12 正比计数管输出脉冲波形（1）0段 此段相应于电子从原电离处漂移至增殖区所需的时间，即0。在正比管中，只要气体放大倍数足够大，原电离形成的粒子对数在最终生成的大量离子对数中占的比例就很小29。因此，在0内的脉冲上升在整个脉冲幅度中是十分微小的。（2）段 此段相应于电子雪崩开始到电子全部被阳极收集的过程，时间由。由于增殖区的半径很小，电子收集时间极短，因此此时的脉冲上升虽然很快，但对总幅度的贡献并不大。 （3）段 此段相应于正离子从增殖区想阴极漂移的过程。由于在增殖区的电场很强，正离子在开始漂移的一段时间（12）内速度很快，相应的输出

57、脉冲不仅上升速度快而且幅度也较大30。当正离子离开增殖区后，由于电场强度迅速下降，因此脉冲上升缓慢，需经约数百微秒的时间，其幅度才能达到饱和值。由上述讨论可知，正离子的漂移，特别是开始一段在强电场中的漂移，对脉冲幅度的贡献最大，而电子漂移的贡献很小。因此，虽然正离子全部被收集要经过相当长的时间，但是输出脉冲的前沿却很陡，在几微秒内，脉冲幅度可达到其饱和值的一半以上。只要选择较小的输出电路时间常数（级），脉冲宽度就可大大变窄，而脉冲幅度损失不多，并且仍能保持脉冲幅度与原电离的离子对数成正比的关系。 探测装置的分辨时间是指能分别记录两个脉冲的最短时间间隔。它包括探测器和电子测量仪器的分辨时间。分辨

58、时间越短，表明探测装置能测量的计数率越高。因此，它是探测装置的一个重要指标31。气体电离探测器的分辨时间由其输出脉冲的宽度所决定，一般它要比测量仪器的长得多，因此这种探测装置的分辨时间主要取决于探测器的分辨时间。正比计数管的分辨时间很短，约微秒级，因此正比计数管能测的最高计数率可达105与其它气体电离探测器相比，正比计数管的这个优点是比较突出的。2.坪特性当单位时间内入射粒子的数目不变时，正比计数管测得的计数率与工作电压的关系曲线，称为坪曲线32。例如，图3-13就是用正比计数管测量一个活度基本不变的混合源时得到的坪曲线。由图可以看出，正比计数管的坪曲线有图3-13 用正比计数管测混合源得到的坪曲线两个计数率基本上不随工作电压改变的区域，称为坪区。在工作电压较低时出现的坪区为坪。这是因为，此时的气体放大倍数较低，只有原电离本领强的粒子所形成的脉冲才有可能被记录。当工作电压升高时，气体放大倍数增大，粒子形成的脉冲也开始被记录33。由于射线的能谱是连续的，能量较大的粒子首先被记录，继续升高工作电压时，越来越多的低能粒子被记录