核探测器的发展和现状张虎罗降张全虎何彬(第二炮兵工程学院10 2教研室,西安7 10 025 )摘要:核探测器是核物理、粒子物理研究及辐射应用中不可缺少的工具和手段。本文通过介绍计数器和径迹室这两大类中各种探测器的发展情况,对其工作原理、发展现状作了详细的分析,并讨论了各种探测器的发展趋势。关键字:气体探测器,半导体探测器,闪烁探测器,径迹室,发展趋势高能物理事业、核技术及现代电子学的发展,带动各种探测器技术不断发展。辐射探测器是通过粒子与适当的探测介质相互作用而产生某种信息,经放大后被记录、分析,以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,从而确定粒子的数目、位置、能量、动量、飞行时间、速度、质量等物理量。按照产生信息的方式,探测器大体上可分为计数器和径迹室两大类。1.计数器类探侧器这类辐射探测器已不下百余种,是应用最广泛的辐射探测器。它以电脉冲的形式记录、分析辐射产生有关信息。这种类型探测器的问世,导致了核电子学这一新的分支学科的出现和发展。最常用的计数器类探测器主要有气体探测器、半导体探测器和闪烁探测器三大类。1.1气体探侧器这类探测器的主要特点是以气体为探测介质。在核物理发展的早期,它们曾经是应用最广泛的探测器,5 0年代以后,才逐步被取代。然而气体探测器所特有的优点,例如,制备简单、性能可靠、使用方便等,上世纪7 0年代以后,在高能物理和重离子物理的实验中又获得了新的应用。气体探测器主要有电离室、正比计数器和盖革计数器三种。它们的结构相似,一般都是有两个电极的小室,充有某种气体,如图1所示。1.1.1工作原理当带电粒子进入室内时,和室内气体相互作用,使气体电离形成电子和正离子,如果加上如图l所示电压,这些离子和电子将会在电场作用下,分别向两极运动,在阳极产生电信号,由电子学测量设备记录。这三种类型的探测器在结构、脉冲形状、工作方式上有不少相似之处。但是它们的工作二二二掣图l气体探测器示意图情况是不一样的,电离室工作电压较低,没有放大作用,其输出脉冲幅度较小;正比计数器的工作电压较高,有放大作用,输出脉冲幅度较大,脉冲幅度正比于入射粒子损失的能量;盖革计数器的工作电压更高,已不再正比于原始电离的离子对数,可以不经放大直接被记录。1.1.2主要应用电离室有各种类型,如用于测量放射源标准的2二电离室;有用于测量中子强度的补偿电离室;有用于测量相当稀少粒子事件的大体积慢脉冲电离室;有用于a源强度绝对测量的2兀脉冲电离室和用于测量a粒子能量的屏栅电离室等。正 比计数管不仅可以用于测量带电重粒子,而且还对低能p、低能丫、和x射线谱的测量都显示出有很大的优越性。盖革计数器在测量放射性的相对强度、测定粒子的方向等方面有着广泛的用途。3181.1.3发展趋势气体探测器研制出了正比闪烁室、自 碎灭流光计数器、液氨电离室、液氢电离室,新的微条气体正比室、微间隙气体探测器、微网结构的气体探测器、气体电子倍增器、高阻板探 测器等2。液氢电离室可以作为电磁量能器的计数器。随着理论研究的进一步深入以及对新材料的不断探索和制造技术的进步,气体探测器将会得到进一步的发展。1.2闪烁探侧器核辐射与某些透明物质相互作用,会使其电离、激发而发射荧光,闪烁探测器就是利用这一特性来工作的。典型的闪烁探测器连同电子学仪器的总体装置如图2所示3。闪烁计数器是核辐射探测中应用较广泛的一种探侧器。经过几十年的不断进步,现在它已成为相当完善的一种探测技术。闪烁体光电倍增管日前1级脉冲放大器幅度分析器定标器外壳光导高压电源图2闪烁谱仪方块图1.2.1工作原理:闪烁探测器由闪烁体、光电倍增管和相应的电子仪器三个主要部分组成,现代闪烁探测器往往配备有计算机系统来处理测量结果.闪烁计数器的工作可分为五个相互联系的过程:(l )射线进入闪烁体与之发生作用,闪烁体吸收带电粒子能量而使原子、分子电离和激发;(2 )受激原子、分子退激时发射荧光光子;(3)利用反射物和光导将闪烁光子尽可能多地收集到光电倍增管的光阴极上,由于光电效应,光子在光阴极上击出光电子;(4 )光电子在光电倍增管中倍增,数量由一个增加到104一 1 09个,电子流在阳极负载上产生电信号;(5 )此信号由电子仪器记录和分析。1.2.2闪烁体闪烁体是指能吸收粒子或射线而发出光子的材料。闪烁体可分为三类:无机闪烁体,常见的有N 吐m)和 C sl田)晶体,它们对电子、了辐射灵敏,发光效率高,有较好的能量分辨率,但光衰减时间较长;BGO晶体密度大,发光效率高,因而对高能电子、下辐射探测十分有效。其他如用银( Ag )激活的硫化锌Z nS (Ag )主要用来探测a粒子;玻璃闪烁体可以测量。粒子、低能x辐射,加入载体后可测量中子;氟化钡旧a F z)密度大,有荧光成分,既适合于能量测量,又适合于时间测量4。有机闪烁体,包括塑料、液体和晶体(如蕙、茂等),前两种使用普遍。由于它们的光衰减时间短( 23ns,快塑料闪烁体可小于In s),常用在时间测量中。它们对带电粒子的探测效率将近百分之百。气 体闪烁体,包括氮、氦、氢等惰性气体,发光效率不高,但光衰减时间较短(1 0n s),常作为记录裂变产物和重粒子的探测器。L2.3光电倍增管它是闪烁探测器的最重要部件之一,由光阴极和倍增电极组成。光阴极的作用是将闪烁体的光信号转换成电信号,倍增电极则充当一个放大倍数大于1 06的放大器,光阴极上产生的电子经加速到倍增 电极上,每个倍增电极上均发生电子的倍增现象,倍增极的培增系数与所加电压成正比。光 电倍增管可分为“聚焦型”和“非聚焦型”两类。3191.2.4主要应用 闪烁探测器的粒子适用范围很广,对能量在l ev一loGev范围内的辐射粒子都适用5,探测效率高,分辨时间短,己成为当今应用最多的探测器之一。在高能物理及核物理、地球物理学、放射化学、医学辐射、安全稽查等众多领域都得到了应用。其中又以无机闪烁探测器的应用最为广泛。其应用可以归结为四类:能谱测量;强度测量;时间测量;剂量测量。其中,剂量测量是强度和能量测量的结合。L2.5发展趋势 c sl、Bo o等闪烁体的性能不断得到改进提高。最新处于研究热点的ce 3+离子掺杂的新型闪烁晶体由于具有高光输出快衰减的特性,己成为核医学、高能物理等领域关注的焦点5;一些新型闪烁探测器材料如LSO、G SO等不断的被开发利用。随着新型闪烁体材料的开发和制作工艺不断进步,闪烁探测器的性能将会进一步完善与提高。1.3半导体探侧器在核辐射探测器领域中,一个最重要的发展,就是半导体探测器的制成和使用。半导体探测器具有其他各种类型探测器所无可比拟的好的能量分辨率,因而自从6 0年代有商品生产的半导体探测器 以后,这种探测器就得到了迅速的发展。1.3.1工作原理如图3所示,使用时电极K和A上加工作电日.一一刁 门压,在固体介质内部形成强电场区。当带电粒子进入介质后,由于电离作用而产生电子一空穴对,在强电场作用下,电子和空穴各 自向相反的电极方向移动,并在电极上感应产生电荷,在负载RL上形成信号脉冲输出。产生的电信号与入射粒子的能量损失成正比。这样我们就可 以由所测的电信号来确定入射粒子的能量及射线的其他性质。入射较子图3半导体探测器的输出电路1.3.2主要应用半导体探测器有很多优点:1)非常好 的位置分辨率;2 )很高的能量分辨率;3 )很宽的线性范围;4)非常快的响应时间:可达到s ns左右;5 )体积可做得很小:半导体探测器可以做得很薄,典型厚为30 0卿。因此广泛地应用于各个领域的射线能谱测量。扩散型和面垒型探测器,可获得很好的带电粒子能谱;铿漂移锗半导体探测器,可获得很好了能谱;铿漂移硅半导体探测器,可获得很好射x线能谱;高纯锗探测器,主要用于测量中、高能的带电粒子和能量在30 0k ev至60 0k ev的X射线和低能Y射线;半导体位置灵敏探测器,可同时测量带电粒子的能量和位置;另外还有砷化稼、啼化锡、碘化汞等化合物半导体探测器,可在室温或高于室温下工作,有很强的抗辐照能力6。在核医学领域的c T和其他数字化图像方面的应用研究,也有很多新的进展。1.3.3发展趋势半导体探测器是当前国际上研究的热点。硅微条探测器,被认为是8 0年代核探测器技术方面的重要进展之一7。它是采用先进的半导体电子器件平面技术工艺制作的,故有时也称其为平面工艺硅探测器尸sD)9,位置分辨率目前能做到好于1.4阿8;像素探测器,能够非常快的提供二维信息;还有采用微电子工艺技术研制的硅多条探测器 “、电荷祸合器件探测器CCD、硅片探测器、硅漂移室等。半导体探测器的主要缺点是:1 )对辐射损伤较灵敏,受强辐照后性能变差;2 )常用的锗探测器,需要在低温(液氮)条件下工作,甚至要求在低温下保存,使用不便。320目前在国外,对室温、低温半导体探测器的研究取得了不少进展,微量热器和超导探测器已有较快发展;对非液氮制冷技术进行了探索”。国内电制冷的探测器己经出现 2,但效果不理想。这方面的发展值得关注。这三种常见的探测器,每一种又包含许多不同的类型,适用于不同的测量需要。各种探测器的电压脉冲的上升时间和分辨时间的数量级见表1。表1各种探测器的电荷收集时间和分辨时间概况探测器电荷收集时间(S)气体探侧器电子电离室正比计数器G一M计数器10一610一610一6半导体探测器P N结半导体探测器铿漂移探测器无机闪烁探测器有机闪烁探测器10一s10- 910一710一s10一510一7分辨时间( s)10一410一,10一510,10一710一810一10一710一410, 闪烁探测器10- - 910一8计数器类探测器除了以上三种外,主要还有以下几种:多丝室和漂移室。它们是正比计数器的变型,既有计数功能,还可以分辨带电粒子经过的区域。多丝室有许多平行的电极丝,处于正比计数器的工作状态。漂移室可以确定离子产生的部位,它具有更好的位置分辨率(达 5 0阿),但允许的计数率不如多丝室高。切仑科夫计数器。高速带电粒子在透明介质中的运动速度超过光在该介质中的运动速度时,则会产生切伦科夫辐射,其辐射角与粒子速度有关,因此提供了一种测量带电粒子速度的探测器。此类探测器常和光电倍增管配合使用;可分为阐式(只记录大于某一速度的粒子)和微分式(只选择某一确定速度的粒子)两种。穿越辐射计数器。高速带电粒子穿过两种介质的界面会产生穿越辐射,其辐射能量与粒子能量成正比。在粒子速度极高,十分接近光速时,用飞行时间和契伦科夫计数器都无法通过分辨速度来鉴别粒子,而穿越辐射计数器提供了鉴别该能区高能粒子的方法。电磁t能器(或簇射计数器).高能电子或丫光子在介质中会产生电磁簇射,其次级粒子总能量损失与入射粒子总能量成正比。因此,收集到总能量损失即可确定粒子的总能量。电磁量能器分为全吸收型和取样型两种。强子t能器。高能强子在介质中会产生强子簇射。收集到总电离电荷即可确定强子总能量,通常采用闪烁计数器或多丝室与铁(铀)板交迭而成.2.径迹室类探侧器直接记录粒子走过径迹图象的探测器。根据径迹的粗细、疏密、长度、径迹弯曲程度和径迹的数量分布等,获得粒子的各种信息。这类探测器大多用于高能物理实验。主要有:核乳胶。能记录带电粒子单个径迹的照相乳胶。入射粒子在乳胶中形成潜影中心,经过化学处理后记录下粒子径迹,可在显微镜下观察。它有极佳的位置分辨本领( l卿)。云室和泡室。使入射粒子产生的离子集团在过饱和蒸气中形成冷凝中心而结成液滴(云室),在过热液体中形成气化中心而变成气泡(泡室),用照相方法记录,使带电粒子的径迹可见。泡室有较好的位置分辨率(好的可达10阿),本身又 是靶,目前常以泡室为顶点探测器配合计数器一起使用。火花室和流光室。这些装置都需要较高的电压,当粒子进入装置产生电离时,离子在强电场下运动,形成多次电离,多次电离过程中先产生流光,后产生火花,使带电粒子 的径迹成为可见。流光室具有较好的时间特性。它们都具有较好的空间分辨率(约20 0四).32 1固体径迹探测器。重带电粒子打在诸如云母、塑料一类材料上,沿路径产生损伤,