第4讲-核辐射探测器的进展课件.ppt

第,4,讲,核辐射探测器的最新进展,汲长松,中核（北京）核仪器厂,2009,年,11,月,核辐射探测器的发展是核技术进展的标志之一，一个国家核辐射探,测器的研制与制作水平，也是该国核技术水平高低的重要标志之一。,核辐射探测器的发展与核探测技术的发展同步，经历了由计数，测,谱，到图像显示的发展历程。对核辐射探测器的发展要求是：辐射,转换效率高、高探测器效率、快时间、高（脉冲幅度、能量）分辨,率以及大体积，组成阵列等。,生产工艺、探测器使用环境条件与价格,最近十几年来，研制成功多种新型核辐射探测器，,部分新品种已经形成为商品而逐渐被市场接受；,部分探测器已经被淘汰或被逐步取代；,部分“老”探测器被重新认识而得以“重用”。,1.,新型核辐射探测器,1.1 LaCl,3,(Ce),与,LaBr,3,(Ce),LaCl,3,(Ce),是用铈,(Ce),激活的氯化镧晶体。,LaBr,3,(Ce),是用铈,(Ce),激活的溴化镧晶体。它们都近几年研制成功的镧系元素新型,闪烁,体。其中，特别是,LaBr,3,(Ce),，其对,与,X,射线的高阻止本领；快闪,烁时间；极高的能量分辨率以及稳定的温度特性，使其应用前景,诱人。,LaCl,3,(Ce),与,LaBr,3,(Ce),最突出的特点是高能量分辨率,。对,137,Cs,的,光电峰分辨率分别为,3.9%,与,2.8%,。,.,其次是快闪烁时间与高光输出。,有人预言,LaBr,3,(Ce),将是,NaI(Tl),的升级换代的高性能探测器,LaCl,3,（,Ce,）,LaBr,3,(Ce),闪烁体主要技术数据,LaCl3,（,Ce,）,LaBr3(Ce),密度，,g/cm3,：,3.70 5.29,潮解性：,是,是,最强发射波长，,nm,：,350430 380,折射率,(,最强发射波长,),：,1.9 1.9,闪烁衰减时间，,ns,：,16,快成分,28,慢成分,220,光输出，光子,/keV,：,49 63,能量分辨率,(662keV,，典型,),，,%,：,3.9 2.8,图,1 LaBr3(Ce),闪烁体,BriLanCe380,的发射谱及双碱光电倍增管不同光窗的量子效率,B,硼硅玻璃；,W,透紫玻璃；,Q,石英玻璃,1.2 CdZnTe/CdTe,二十多年的探索与对比而最后胜出的化合物半导体探测器。,决定性的优点：半导体探测器的极高能量分辨率，,可在室温下很好地工作,CdTe/CdZnTe,（,20,ZnTe,，,80,CdTe,）晶体的原子序数高、禁带,能宽大、电阻率高，非常适合探测能量,(10,500)keV,的光子，,目前的生产工艺可制备体积为,(1,2)cm,3,的,CdZnTe/CdTe,单晶，探测,能量达到,1MeV,以上,在,X,射线、,射线能谱测量方面具有广泛应用前景。,CdZnTe/CdTe,晶体性能接近,CdZnTe,和,CdTe,晶体的基本特性,半导体种类,CdTe,CdZnTe,原子序数,48.52,48.30.52,禁带宽度，,eV,1.44,1.6,电阻率，,cm,约,10,9,（,1,5,）,10,10,（,）,e,，,10,3,cm2/V,（,0.1,2,）,（,0.8,9,）,（,）,h,，,10,5,cm2/V,1,10,0.1,1,密度，,g/cm3,5.85,5.81,为了充分应用塑料闪烁探测器的大体积、易成,型与价格低，以及可大批量生产等优势，近些,年来已研制成功多种掺杂塑料闪烁体，用于满,足诸如中微子、慢中子与,探测等特殊需求,1.3,掺杂塑料闪烁体,1.3.1,含钆,(Gd),塑料闪烁体,特,性,Gd,质量份额,，,0,1,2,3,密度，,g/cm3,1.172,1.182,1.195,1.204,折射系数,1.480,1.475,1.456,1.457,Gd,原子数，,1022/cm3,0,0.0047,0.0095,0.0143,H,原子数，,1022/cm3,5.41,5.39,5.38,5.35,C,原子数，,1022/cm3,3.82,3.73,3.64,3.53,最强发射波,长，,nm,424,424,425,425,透度,(max),，,82.8,80.7,78.2,75.2,光输出，,100,79,62,51,热中子,(,E,0.5eV),探,0,9,10.5,12.5,1.3.2,含铅,(Pb),塑料闪烁体,塑料闪烁体,(,含铅,10%),性能指标,密度,g/cm3,：,1.12,光产额，光子,/MeV,：,5000,闪烁衰减时间，,ns,：,2,能量分辨率（,662keV,），,%,：,30,时间分辨,(FWHM),ps,：,1000,潮解性：,不,光电子产额：,250,1.511keV,能量沉积,;,2.50%,光收集效率,;,3.20%,量子,-,光电子转换效率,1.3.3,含氘,(D),塑料闪烁体,191,在塑料闪烁体中，用氘取代氢而制成的塑料闪烁体。,a,中微子,与氢核的,(,H),反应，伴随很强的本底。而,(,D),反应,中没有这一本底。,b,快中子与含,H,物质作用,反冲质子能量分布为以中子最大能,量为上限的等几率分布。而快中子与含,D,物质作用,反冲质子,能量分布中出现峰，这可以用于本底甄别，有效探测快中子。,1.4 Gd,2,(SiO,4,)O:Ce,与,Lu,2,(SiO,4,)O:Ce,Gd,2,SiO,5,:Ce,是过氧正硅酸钆,(,铈,),，简记作,GSO,，或,GSO:Ce,。,Lu,2,SiO,5,:Ce,过氧正硅酸镥,(,铈,),，简记作,LSO,，或,LSO:Ce,。,GSO:Ce,闪烁体最早于,1983,年，由,Takagi,和,Fukazawa,已报告研制成,功，但是作为闪烁探测器引起重视，是近几年的事情。因此可以说，,上述两种用铈激活的镧系元素晶体闪烁体，是近几年来闪烁探测器,研制的最新进展。,LSO,与,GSO,的主要特点是有效原子序数高，,阻止本领大；闪烁衰,减时间快，可用于快计数,；光输出与闪烁衰减时间随温度的变化极,为平缓（,GSO,）。,Gd,2,SiO,5,:Ce,与,Lu,2,(SiO,4,)O:Ce,闪烁体技术数据,GSO,LSO,密度,g/cm3,：,6.71 7.4,最强发射波长，,nm,：,430 420,相对闪烁效率,NaI(Tl),，,%,：,2075,是,BGO,的,5,倍,光输出，光子,/MeV,：,7.8,103,闪烁衰减时间，,ns,：,60 40,快成分,56,（,85%90%,）,慢成分,600(10%15%),折射系数（发射峰波长）：,1.9 1.82,有效原子序数：,59 66,能量分辨率（,662keV,），,%,：,8.0 12.4,辐射长度，,cm,：,1.14,1.5 Bi4Si3O12-,本证晶体,-BSO,密度,g/cm3,：,6.807.13,最强发射波长，,nm,：,480,最强激发波长，,nm,：,285,闪烁截止波长，,nm,：,350,相对闪烁效率,相对,BGO,，,%,：,2012,闪烁衰减时间,(,室温,),，,ns,：,100,？,300,折射率（,480nm,）：,2.06 2.15,能量分辨率（,662keV,），,%,：,30,辐射长度，,cm,：,1.15,潮解性：,不,发光效率的温度效应，,%/K,：,2,光电子产额，光电子,/MeV,：,90,1.6,金刚石探测器,-,俄罗斯研制成功一种由金刚石制作的核辐射探测器供应市场。,1K,（,PDPS,1K,）型金刚石探测器，主要用于,、,与质子剂量测量。,特点：天然金刚石为原材料、灵敏度高、耐辐照、耐高温、组织等效性、灵敏度与射线入射方,向无关与防水性。,技术指标,与,射线计量率量程，,Gy/min,：,0.05,30,能量响应区间，,MeV,：,0.08,25,4,25,灵敏度，,C/Gy,：,（,0.5,5.0,）,10-7,转换特性的非线性，,：,2,电压，,V,：,100,暗电流，,A,：,5,10-13,灵敏区厚度，,mm,：,0.1,0.4,灵敏体积，,mm3,：,1,6,耐辐照，,Gy,：,10,7,2.,其他准新型探测器,2.1 Bi,4,Ge,3,O,12,(BGO),锗酸铋,-,一种问世仅仅十几年的新型闪烁体，本征晶体。,阻止本领高，余辉小,化学性能稳定，机械强度好，现已被,广泛采用。主要用于许多,计数的场合。对,BGO,的深入研,究揭示了其许多特点。,a.BGO,的发光机制是,Bi3+,离子的,3P1,态,1So,态的电跃迁。,因此，,BGO,的发光机制与,NaI(Tl),不同。,BGO,本身是一种,纯闪烁晶体，其发光不受激活剂在晶体中的浓度及分布的,均匀性的影响。,b.,图,2,示出,BGO,在,295K,时的荧光特性曲线。发射光谱分布在,(350650)nm,区间，峰值在,480nm,。由图可见，,BGO,的吸,收特性曲线与发光特性曲线并不重叠，即,BGO,不吸收它自,身所发的光。图中还叠加上普通光电倍增管和硅光电二极,管的光谱响应曲线。可以看出,BGO,的发射光谱与普通光电,倍增管和硅光电二极管的光谱响应特性相匹配。因而,BGO,的应用对光电倍增管和电子学线路没有特殊要求。,图,2 BGO,荧光特性、普通光电倍增管和硅光电二极管的光谱响应特性,c.,理论计算得到的,BGO,和,NaI(Tl),的量子效率，对于同一能量，,在光电区内，,BGO,的量子效率比,NaI(Tl),的高。但是由于,BGO,的折射率高（,480nm,，,n,2.15,），而普通光耦合相关材料的,硅胶，,n,1.5,，空气为,1,，光电倍增管窗玻璃一般为,1.5,，因此，,BGO,所发出的闪烁光中的一大部分，由于全内反射而被“困,于”闪烁体内。用放射源作的实际测量发现，光电倍增管所接,收到的,BGO,晶体发出的闪烁光，仅仅是,NaI(Tl),晶体在相同条,件下的,(8,16),。,2.2 BaF,2,氟化钡也是一种纯晶体。它在,、,及,射线作用下能产生闪烁。,BaF2,晶体作为闪烁体来说，其最重要的特征是兼有无机闪烁体对,射线的高探测器效率，输出脉冲幅度谱线中有光电峰及有机闪烁体,的快时间特性。主要用于核医学中正电子湮没技术与高能物理中。,其主要特点是平均原子序数高、密度大，对,射线具有较高的阻止本,领；不潮解；荧光发射谱中存在两种波长不同的衰变成分；对,射线,线性响应好，对自身闪烁光的自吸收较小。,.,闪烁衰减时间中快成分为,0.6ns,；慢成分为,620ns,；快成分与慢成分,光发射强度比在快成分的频谱范围,(,约,220nm),内，约为,70:1,；,图,3 BaF2,闪烁体的发射光谱及,27mm,厚的透光率,分子量,175.34,熔点，,12801354,沸点,2137,溶解度（,23,），,g/100gH2O 0.170.12,热膨胀系数,(20120,),，,1,10,6/K 18.918.4,硬度,(Mho)3,Knoop,硬度，,kg/mm2 84,youngs modulus,，,N/m2 6.4,1010,热导率,0.017,比热,(27,),，,J/kg,456.0,介电常数,7.33,解理面,:,111,晶格常数，,nm 0.6196,潮解性,不,密度,g/cm3 4.88 4.9,有效原子序数,54,最强发射波长，,nm,3,获得新发展的”老”探测器,3.1.,衬硼电离室与衬硼正比计数管,一种室内壁上或在有适当形状的电极上涂以硼灵敏层，用来探测中子的电离室,和正比计数管。中子探测基于核反应法，反应方程为,10B,（,n,）,7Li,。电离是反,应生成核,粒子与锂核引起的。,应用固体硼涂层比气态,BF3,的优越性在于可以选择更为合适的工作气体。硼衬层,应很薄，以减小对,粒子及,7Li,核的吸收。这样，至少有一个产物核（,粒子或,7Li,核）能从硼层中逸出而进入工作气体中。只有对应这情况的中子才能被记录。,10B,俘获中子放出的,粒子能量为,1.47MeV,（,7Li,核的能量为,0.84MeV,）它对应的,在硼中的射程是,0.85mg/cm2,。能量为,0.025eV,的热中子在,10B,中的自由程,等于,4.2mg/cm,（,RS-P7-0812-117,）硼衬电离室性能指标,热中子灵敏度，,cps/nv,场,0R/h 4,20%,103R/h,2,工作电压，,V 600,850,信号输出（平均），,C 2,10-13600V,时,分布电容，,pF 7,工作温度（最高），,200,绝缘电阻（,25,），,10,12,耐,强度，,R/h 10,5,一种高效热中子多块衬硼板的电离室。电离室为,30,59mm2,，内装,12,块衬硼的平行板，硼层厚,0.5mg/cm2,，,板间间距,1mm,，室内充,506kPa,氩气。工作电压为,75V,时，热,中子探测器效率达,24%,。,图,4,示出衬硼正比计数管的脉冲幅度谱。由图可见，谱中不,存在“谷”区，因此它不具有积分计数率,高压漂移与甄别,阈漂移的“坪”特性。其长期工作稳定性不如,BF3,正比计数,管。另外，由于其对应中子反应的平均沉积能量比,BF3,正比,计数管的小，其对,辐射的幅度甄别性能也不如,BF3,正比计数,管。衬硼正比计数管的突出优点是寿命长，其积分中子注量,可达,1018,中子,/cm2,。衬硼正比计数管仅工作于脉冲制式。,图,4,衬硼正比计数管输出脉冲幅度实验谱,典型衬硼正比计数管的阴极为,25.4mm,纯铝外壳；阳极为,25m,不,锈钢丝。充有,26.6kPa,的氩气,+15%CO2,混合气。,这使电荷收集时,间短（,250ns,）；并增强在强辐射场长期工作的稳定性。绝缘为,高质量的,Al2O3,。,硼衬是决定衬硼正比计数管质量的关键。,10B,厚度,0.4mg/cm2,。衬,硼正比计数管被用作反应堆启动探测器，直接暴露于反应堆堆芯极,高的中子注量率中，因为在反应堆满功率运行时它一直置于堆芯中。,为了延长工作寿命（至,5,1018n/cm2,）,Photonis,公司的衬硼正比计,数管结构中，增加了储气罐。将基本探测器外加上一层第二外壳，,两层之间的空间被用做储气罐。储气罐使气体容积增大了四倍。储,气罐与基本探测器是连通的。储气罐环绕着探测器的灵敏体积，因,此它不参与电离过程，不受电离过程中光子的辐照。因此，储气罐,中的气体在进入探测器的灵敏体积之前，不发生离解。储气罐措施,大大延长了探测器的使用寿命,3.2 LiI(Eu),碘化锂,(,铕,),是用铕,(Eu),激活的碘化锂晶体。这种闪烁体与,NaI(T1),极,相似，发光机理也相同。用作,X,射线与,辐射探测器时，当激活剂铕,的原子浓度小于,1,时，相对光输出为,NaI(T1),的,35,左右。与,NaI(T1),不同的是,LiI(Eu),晶体中含,6Li,，被广泛地用作中子探测器。,LiI(Eu),探测中子的原理基于,6Li,俘获中子的核反应法。反应能为,4.78MeV,。反应能在产物核,4He,与,3H,之间的分配方式是单值确定的，,3H,得,2.73MeV,4He,核得,2.05MeV,。因此，考虑到碘化锂晶体的尺寸，,一般都比中子核反应产物核的射程大许多，脉冲幅度响应基本不受,壁效应的影响。几乎对于所有的慢中子，其中子探测核反应皆给出,幅度基本一致的输出脉冲。,仅含,7Li,的碘化锂,(,铕,),闪烁体，可用于,X,射线与,辐射探测，对中子不,灵敏；含有浓缩,6Li,的碘化锂,(,铕,),晶体，既对,X,射线与,辐射灵敏，又,可用于中子探测；,LiI(Eu),与,作用产生的最大脉冲幅度，近似地与,量子的能量成正比；慢中子反应产生输出脉冲幅度一致性很好的脉,冲信号，其等效电子能量约为,3MeV,。因此可以用幅度甄别法有效,地甄别掉几乎所有的天然,辐射,198,；,6LiI(Eu),与，,7LiI(Eu),配对使,用，可以达到在,n,、,混合场中探测中子的目的；易潮解。不能暴露,于水蒸汽或大气中。市售,LiI(Eu),晶体被封装在密封容器内，一端为,光学窗口。,对于天然锂,LiI(Eu),，,=l.47cm-1,，将全部热中子吸收，需要（,2,4,）,cm,厚的闪烁体；对于,6LiI(Eu),，,=16.7cm-1,，全部吸收热中子仅需,（,0.2,0.3,）,cm,厚的闪烁体。,3.4,自给能探测器,由于核电事业发展的推动，反应堆堆功率堆芯直接监测的,需要，,自给能探测器以其耐辐照、耐高温、寿命长及体积,小等特点而被重新重视。,俄罗斯生产的自给能探测器,1,是,WWER,100,型反应堆测量反应堆功率的堆芯探测,器。发射极,0.5mm,200mm,铑丝；收集极,1.3mm,不锈钢；绝缘,石英；,导线,氧化镁绝缘双芯电缆。输出电流,1A,（,WWER,100,反应堆标称功率）,时间常数,1min,4.,被淘汰及衰退中的探测器,*,蒽有机单晶闪烁体,-,塑料闪烁体取代；,*Ge(Li),与,Si(Li),半导体探测器,-HPGe,与,CdTe/CdZnTe,取,代；,*,金硅面垒半导体探测器,-PIPS,取代；,*BF3,正比计数管,3He,正比计数管基本取代；,*LiI,（,Eu,）闪烁体,-,锂玻璃闪烁体部分取代。,关于,BF3,正比计数管,上个世纪六十年代至八十年代间，,BF3,正比计数管曾是应用极为广泛的中子探,测器。由于,BF3,正比计数管的生产工艺中，涉及污染环境的氟；,BF3,气体为负,电性气体，难以通过提高计数管充气压的途径，提高其中子探测器效率。因此，,商品,BF3,正比计数管的充气压一般皆低于一个大气压；性能优良的,3He,正比计,数管的出现及广泛应用，从而使其应用逐渐减少，以至于有完全被取代的可能：,当然，由于,BF3,正比计数管的价格优势及对,的脉冲辐度甄别性能，仍具有相,当的优势，因此仍被许多工业应用的中子探测仪器采用。,参考文献,汲长松，核辐射探测器及其实验技术手册（第二版），原子能出版社，北京，,2007,