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辐射探测器

辐射探测器
radiation detector
  用以对核辐射和粒子的微观现象进行观察和研究的传感器件、装置或材料。
  辐射探测器的工作原理基于粒子与物质的相互作用。当粒子通过某种物质时,这种物质就吸收其一部或全部能量而产生电离或激发作用。如果粒子是带电的,其电磁场与物质中原子的轨道电子直接相互作用。如果是γ射线或 X射线,则先经过一些中间过程,产生光电效应、康普顿效应或电子对,把能量部分或全部传给物质的轨道电子,再产生电离或激发。对于不带电的中性粒子,例如中子,则是通过核反应产生带电粒子,然后造成电离或激发。辐射探测器就是用适当的探测介质作为与粒子作用的物质,将粒子在探测介质中产生的电离或激发,转变为各种形式的直接或间接可为人们感官所能接受的信息。
  辐射探测器给出信息的方式,主要分为两类:一类是粒子入射到探测器后,经过一定的处置才给出为人们感官所能接受的信息。例如,各种粒子径迹探测器,一般经过照相、显影或化学腐蚀等过程。还有热释光探测器、光致发光探测器,则经过热或光激发才能给出与被照射量有关的光输出。这一类探测器基本上不属于核电子学的研究范围。另一类探测器接收到入射粒子后,立即给出相应的电信号,经过电子线路放大、处理,就可以进行记录和分析。这第二类可称之为电探测器。电探测器是应用最广泛的辐射探测器。这一类探测器的问世,导致了核电子学这一新的分支学科的出现和发展。
  能给出电信号的辐射探测器已不下百余种。最常用的主要有气体电离探测器、半导体探测器和闪烁探测器三大类。
  早在1908年,气体电离探测器就已问世。但直到1931年脉冲计数器出现后才解决了快速计数问题。1947年,闪烁计数器的出现,由于其密度远大于气体而大大提高了对粒子的探测效率。最显著的是碘化钠(铊)闪烁体,对γ射线还具有较高的能量分辨本领。60年代初,半导体探测器的研制成功,使能谱测量技术有了新的发展。现代用于高能物理、核物理和其他科学技术领域的各种类型探测器件和装置,都是基于上述三种类型探测器件经过不断改进创新而发展起来的。辐射探测器的主要性能是探测效率、分辨率、线性响应、粒子鉴别能力。
  探测效率  探测器探测到的粒子数与在同一时间间隔内入射到探测器中的该种粒子数的比值。它与探测器的灵敏体积、几何形状和对入射粒子的灵敏度有关。一般要求探测器具有高探测效率。但在一些特殊场合,如在极强辐射场下,则要求探测器具有较低的灵敏度。
  分辨率  ①能量分辨:分辨其能量非常接近的粒子的能力;②空间分辨(位置分辨):精确给出粒子入射位置的能力;③时间分辨:能精确给出粒子到达时间的能力。上述这些指标一般用测出谱线的半高宽(FWHM)和十分之一高宽(FWTM)表示。
  线性响应  探测器给出的信息在一定范围内与入射粒子的能量、强度或位置成线性关系的程度,一般称为能量线性、强度线性或位置线性。
  粒子鉴别能力  一定类型的探测器只对某些种类的入射粒子灵敏,而对其他粒子不灵敏,或是随入射粒子种类的不同而给出信息的形式不同,这样就便于有选择地探测所需要的粒子而排除其他不必要的核辐射干扰。
  一般还要求辐射探测器具有抗辐照损伤和对各种环境条件的适应能力,如温度、湿度、光照、耐腐蚀和机械振动等。具有成像功能,是现代新型探测器的一个特点。这种探测器已用于中子照相、γ照相、X 衍射和电子显微镜等方面。因此,它的应用范围也早已超出核科学领域,而扩展到其他学科研究和有关国民经济部门。
  中国辐射探测器的研究工作是在50年代初期开展起来的,先后研制成功原子核乳胶、盖革计数管、碘化钠(铊)闪烁体等。到50年代末至60年代初,又先后开展了其他各种闪烁体、光电倍增管和半导体探测器等的研究工作。中国在核武器研究中,已基本上使用本国研制的各种辐射探测器。
    核辐射探测器发展趋势主要是:①研究同时能给出入射粒子位置、能量、时间等多种信息的组合型探测器和探测装置。②充分利用电子技术与计算机技术的新成就,提高对探测器所提供的信息进行分析、处理的精确度,速度和对信息的利用率。微电子技术正促进微型化探测器的出现。③寻求更理想的探测介质和探测机制,研制超导探测器。
辐射探测器
radiation detector
将辐射能转换为可测信号的器件。探测器的基本原理是,辐射和探测介质中的粒子相互作用,将能量全部或部分传给介质中的粒子,在一定的外界条件下,引起宏观可测的反应。对于光学波段,辐射可以看作光子束,光子的能量传给介质中的电子,产生所谓光子事件,辐射能转变为热能(如热电偶)、电能(如光电流和光电压)、化学能(感光乳胶中银颗粒的生成),或者另一种波长的辐射(荧光效应)。根据这些能量和辐射,设计各种不同器件,以测量天体的辐射能量。辐射探测器的主要性能是:
①探测量子效率 指光子和探测器在作用的初始过程中,产生的光子事件数和入射光子数之比。它描述探测器接收和记录信息的能力。入射光子有可能穿透介质或被介质反射。有时介质要吸收几个光子引起一次光子事件,有时产生的光子事件未被检测,所以一般探测器的量子效率小于1。
②响应度 又称灵敏度,等于探测器输出信号和入射辐射功率之比。辐射功率增加时,输出信号也成正比地增加,这样的探测器称为线性的,否则称为非线性的。
③分光响应 又称分光灵敏度,指单色辐射作用时探测器的灵敏度。它表征探测器对不同波长辐射的响应特性。分光响应随波长变化的探测器,称为选择性的,反之称为非选择性的。以探测器最敏感波长处的响应为单位的分光响应,称为相对分光响应。
④探测率 等于探测器能探测的最小辐射功率的倒数。任何探测器都有噪声,比噪声起伏平均值更小的信号实际上检测不出来。产生如噪声那样大的信号所需的辐射功率,称为探测器能探测的最小辐射功率,或称等效噪声功率。有时用探测率描述探测器的灵敏度。
天文探测器要求具有宽敏感波段、高量子效率、高探测率、高分辨率和快速响应度。人眼是最早的天文探测器。十九世纪照相术发明后,照相底片一直是天文学研究的重要工具。二十世纪中叶起,广泛采用光电探测器,现今已有适用于从红外线到γ射线的各种光电器件。高空探测和行星际航行开展以来,核物理研究的各种高能探测器也相断应用于天文观测。

 

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