《探测系统》PPT课件.ppt
2023/7/15,中国科大 汪晓莲,1,9.1 粒子探测系统 9.2 粒子探测器的输出回路 9.3 计数测量 9.4 能量测量,第九章 粒子探测系统,2023/7/15,中国科大 汪晓莲,2,9.1 粒子探测系统,一、脉冲计数系统 主要用于放射性计数、强度和剂量的测量，加速器和反应堆的粒子通量的测量等等。,2023/7/15,中国科大 汪晓莲,3,一、脉冲计数系统,1）探测器各种电子学计数器，常用的有：G-M计数器、正比计数器、闪烁计数器、金硅面垒半导体探测器。2）前置级阻抗匹配：由射极跟随器完成。射极跟随器输入阻抗大，输出阻抗小，起阻抗转换阻抗匹配作用。预放大：有的探测器输出信号很小，如电离室、半导体探测器。前置放大器进行预放大，M1020。,2023/7/15,中国科大 汪晓莲,4,3）放大器 放大倍数1010000可调 闪烁计数器和G-M计数器：10100倍 半导体探测器：1000倍 电离室：10000倍4）甄别器 幅度甄别器：让超过一定幅度的脉冲通过，有输出，去除幅度小的噪声本底和一些幅度小的不想要的粒子。脉冲形状甄别器：利用不同粒子在探测器中产生的脉冲幅度相同，但是脉冲形状不同来甄别。如 粒子质量大，脉冲上升时间慢，粒子质量小，脉冲上升时间快，利用脉冲形状不同来选择所要的粒子。又如，利用、中子脉冲形状不同，在强 本底下探测中子。,2023/7/15,中国科大 汪晓莲,5,5）定标器 预置时间，记录一定时间内的脉冲数目。6）高低压电源 探测器高压供电和电子学仪器低压供电要求：（1）最高（和最低）电压及其正负特性特性；（2）电源可供的最大电流；（3）对温度和电网电压变化引起的长时间漂移的调整率；（4）消除电网频率波动或其它低频噪声的滤波的程度。,2023/7/15,中国科大 汪晓莲,6,二、脉冲幅度分析系统,1）探测器：探测器的输出脉冲幅度正比于入射粒子在探测器中损失的能量，如电离室、正比计数器、多丝正比室、半导体探测器、闪烁计数器等。,2023/7/15,中国科大 汪晓莲,7,2）脉冲幅度谱积分谱：定义幅度超过某个阈值的计数。连续改变阈值，测量不同阈值时幅度超过该阈值的脉冲计数所得到的分布谱线。微分谱：定义幅度位于某一范围A0 到A0A的计数。连续改变阈值A0，道宽 A不变，所得到的分布谱线。微分谱直接显示入射粒子的各种能量。对于单一能量的入射带电粒子只有一个峰。测量方法：用单道测量微分谱，一次只能测一道的计数；用多道测量，一次同时测量所有道的计数。对仪器要求：前置级、放大器、幅度分析器的线性好，高压电源稳定以保证整个脉冲幅度分析系统工作稳定。,I：微分谱II：积分谱,II,I,2023/7/15,中国科大 汪晓莲,8,单道脉冲幅度分析器,上阈：VU下阈：VL道宽：H=VU-VL用途：选择一定幅度范围内的信号,2023/7/15,中国科大 汪晓莲,9,三、符合测量系统,为了确定几个事件的同时性或它们在时间上的关系，需要符合测量系统。符合法就是利用符合电路来甄选符合事件的方法。符合分辨时间：是符合系统的一个重要参量，它确定了两个事件能被区分开的最小时间间隔。两个事件的时间间隔必须小于，就认为是同时事件。符合：两个或两个以上同时发生的事件称作符合事件，用两个或两个以上探测器记录下来送到符合电路便有一个符合脉冲输出。例如一个原子核级联衰变时接连放射和射线，则和便是一对符合事件。这一对和如果分别进入两个探测器，将两探测器输出的脉冲送到符合电路时便可输出一个符合脉冲。,2023/7/15,中国科大 汪晓莲,10,符合测量,真符合和偶然符合1）真符合：两个或两个以上在时间上有内在联系的事件所产生的符合。2）偶然符合：无时间相关性事件间的符合。,t,2023/7/15,中国科大 汪晓莲,11,偶然符合计数率,设第一道的平均计数率n1 第二道的平均计数率n2则在t0时刻，第一道的一个脉冲可能与从 t0-到 t0+时间内进入第二道的脉冲发生偶然符合。其平均符合率为2n2，则第一道n1个计数 的偶然符合计数率为测量偶然符合计数率便可以确定符合装置的分辨时间。例如：则可得=1s,2023/7/15,中国科大 汪晓莲,12,反符合：与符合相反，反符合是利用反符合电路来消除符合事件的脉冲。输入两个同时事件，反符合电路没有输出。可应用于消除同时发生的无关事件，如减少本底、减少噪声等。,2023/7/15,中国科大 汪晓莲,13,瞬时符合谱和偶然符合谱,存在偶然符合,2023/7/15,中国科大 汪晓莲,14,延迟符合：有些相关事件不同时发生，而是继第一事件发生之后，经过一段固定时间延迟才发生第二事件。主要用于进行核与粒子的寿命测量和其他具有时间间隔的事件的测量。快慢符合：除了考虑事件的时间关联外还要根据能量的大小对事件进行判选，通常时间选择由快符合电路担任，能量判选由慢符合电路完成。,2023/7/15,中国科大 汪晓莲,15,例1：MWPC效率测量系统,用闪烁计数器望远镜选择通过MWPC的粒子。S1、S2为闪烁计数器，B为束流或源，C为准直孔。射线通过S1、S2时，必然通MWPC。,2023/7/15,中国科大 汪晓莲,16,例2、MWPC时间测量系统,定义：入射粒子进入MWPC的时间与阳极丝产生信号的时间之间的时间延迟的最大晃动称为室的时间分辨率。它是由于入射粒子径迹的位置和角度不同，电子漂移到阳极丝附近的时间不同，以及电子学线路的时间晃动引起的。测量装置,2023/7/15,中国科大 汪晓莲,17,9.2 粒子探测器的输出回路,一、RC成形回路,C是探测器电容、放大器输入电容、其他各种电容的并联。R是探测器负载电阻、放大器输入电阻等电阻的并联。,2023/7/15,中国科大 汪晓莲,18,探测器可看作是一个电流源：能量电荷电流脉冲 其形式取决于探测器的工作机制。1、电离室的电流脉冲：一般情况下，约为的103倍，所以电子电流脉冲比正离子电流脉冲高103倍。,2023/7/15,中国科大 汪晓莲,19,2、正比计数管的电流脉冲：1）圆柱形正比管的电场分布：2）电流脉冲主要是重离子贡献：3）数量级估算：设：,2023/7/15,中国科大 汪晓莲,20,3、MWPC的电流脉冲1）丝室的电场分布：2）离子在阳极丝附近（rs）运动时，在阳极丝输出回路形成的电流脉冲幅度按1/t关系衰减；当离子进入均匀电场区（ys）运动时，阳极丝回路的电流以恒定值持续到离子漂移到阴极。3）典型值：,2023/7/15,中国科大 汪晓莲,21,4、闪烁计数器的输出电流脉冲,假设粒子击中闪烁体的瞬间，闪烁体的荧光达到某一极大值，然后发光强度以荧光衰减时间按指数规律衰减。忽略闪烁光在闪烁体中传播时间的统计涨落，则光阴极的光电子产生率随时间的变化和荧光具有同样的衰减规律。PMT的渡越时间和渡越时间分散的影响。典型值：快PMT的渡越时间分散1ns NaI(Tl)的发光衰减时间约为：250ns 有机闪烁体的发光衰减时间为：1-5ns,2023/7/15,中国科大 汪晓莲,22,电流脉冲在RC回路上形成电压脉冲，拉普拉斯变换是电路分析的一个重要方法。,2023/7/15,中国科大 汪晓莲,23,电压脉冲波形由RC回路的充放电时间常数RC和闪烁体发光衰减时间决定。电压脉冲达到最大值的时间tm：最大电压脉冲Um:,2023/7/15,中国科大 汪晓莲,24,几点结论,1、输出电压脉冲幅度与电荷Q0成正比，即与粒子能量成正比。这样的输出电路可用于脉冲幅度分析系统。2、输出脉冲的 tm仅由闪烁体的 和回路的 RC 值决定。对一个确定的闪烁体而言仅由RC决定，改变R改变 tm，tm与入射粒子的能量无关，因而即使脉冲波形幅度不同，但上升时间一样，这点有利于时间测量。3、当 RC 时，Um=Q0/C，与 R及 无关，C越小幅度越大，脉冲较宽。当 RC 时，Um=Q0R/，与C无关，R越小，幅度越小，脉冲前沿较快脉冲较窄，有利于时间测量，但幅度较小。4、作能量测量时，R适当取大，此时脉冲幅度较大，宽度较宽，但R大到一定程度脉冲幅度达到饱和，且脉冲幅度太宽，造成漏记数，不能用于高计数率场合，一般R取10100K。5、作时间测量时，R取小些，一般为几十，1K。6、对气体探测器和半导体探测器而言，其电流脉冲不是指数形式，其脉冲形状与入射粒子的种类、能量、入射地点等有关。在大多数情况下可以近似为指数形式，应用以上结果。,2023/7/15,中国科大 汪晓莲,25,二、前置放大器,作用：提高系统信噪比,减小信号经电缆传送时外界干扰的影响三种前置放大器：电压灵敏、电流灵敏、电荷灵敏1、电压灵敏放大器：用于能量测量，信噪比最好。,2023/7/15,中国科大 汪晓莲,26,2、电流灵敏放大器,电流灵敏放大器：用于快速时间测量、高计数率场合或探测器必须远离测量仪器的场合。电流脉冲宽度窄，电流灵敏放大器输入电阻小，大电容对电流脉冲影响较小。,2023/7/15,中国科大 汪晓莲,27,3、电荷灵敏放大器,电荷灵敏放大器：用于面垒型半导体探测器进行能量测量，可消除结电容的影响。,2023/7/15,中国科大 汪晓莲,28,9.3 计数测量,一、探测效率 指放射源发出的粒子被计数系统记录下来的百分数。探测效率越高越好。由4部分组成。,2023/7/15,中国科大 汪晓莲,29,1、几何效率,探测器的尺寸越大，离放射源的距离越近，几何效率就越高。探测器对放射源所张立体角：,以探测器轴为圆心的圆环面积,圆环周长,环宽,2023/7/15,中国科大 汪晓莲,30,2、边界效率,由于粒子在探测器的入射窗和放射源到探测器之间路程上被吸收及被散射掉一部分造成。要求吸收、散射越少越好。吸收效应与入射粒子的类型和能量，路程的距离和介质的性质，以及窗材料的性质和厚度有关。入射粒子能量越大，质量越小，所带电荷越少，则吸收越少，射程越长。1）电子射程很长，容易穿过窗进入探测器；2）质子、粒子射程很短，吸收效应很强；3）射线和中子几乎无损失地通过窗。吸收介质的密度和原子序数越小，射程越长；窗越薄吸收越少。1）记录带电粒子的气体探测器用低原子序数的材料如云母片、聚酯薄膜和铍等；2）金硅面垒探测器的窗极薄。3）源至探测器之间的介质，一般是空气，密度小，吸收少，可不考虑；某些情况下不能忽略时，可以抽真空。如粒子的探测。,2023/7/15,中国科大 汪晓莲,31,散射效应：探测器和窗材料的密度和原子序数越小，入射粒子能量越大，散射效应就越小。因此也要选择密度和原子序数小的材料做窗。电子的散射效应较突出。如靠近蒽晶体表明的粒子约有8因散射而逃出晶体，而NaI(Tl)因原子序数大则有8090逃出。所以往往用有机闪烁体和硅半导体探测器探测电子。实际工作中为了减少散射的影响，还可以把探测器做成井型，源夹在中间。对准直的和射线对质子、粒子等重带电粒子只要(d1+d2)小于它们的射程，就可以使边界效率达到100。,d1源到探测器之间的距离d2探测器的窗厚1源到探测器之间介质吸收系数2探测器窗的吸收系数,2023/7/15,中国科大 汪晓莲,32,射线由于窗吸收造成的边界效率,2023/7/15,中国科大 汪晓莲,33,3、物理效率,是粒子进入探测器后能使探测器有输出脉冲的几率，亦称探测器效率。要求粒子入射探测器被吸收越多越好。探测器的密度和原子序数越大越好。对能量不是很高的带电粒子，各种探测器都可以达到物理效率为100。对射线 可用于半导体探测器和闪烁探测器，实际测量值比这个估计值略低。对气体探测器，物理效率与阴极材料有关，应选用Z大的重金属；选用Z大的气体并增加气压和探测器灵敏体积。,2023/7/15,中国科大 汪晓莲,34,气体探测器的探测效率,薄NaI(Tl)和气体探测器的探测效率与X射线的能量关系,2023/7/15,中国科大 汪晓莲,35,4、电效率,由电子学线路的分辨时间、甄别器的阈值、幅度分析器的道宽等因素决定。各种物理实验的具体要求对电子学线路有不同调节方式和要求，电子学效率亦不同。总的探测效率是以上4部分共同的贡献，要提高效率必须提高各个部分的效率。,2023/7/15,中国科大 汪晓莲,36,二、坪特性,帮助了解探测器的工作电压，使之工作在较好的状态下。三种坪曲线描述探测器坪特性：计数率坪曲线、甄别阈坪曲线和效率坪曲线。1、计数率坪曲线：当甄别器的甄别阈固定以后，改变工作电压，测量计数率随高压的变化曲线，即得到计数率坪曲线，亦称高压坪曲线。希望坪长长，坪斜小。探测器工作电压选在坪区的中间靠前1/3处。影响计数率坪曲线的因素：1）与甄别阈大小有关；2）与脉冲幅度分布有关；3）与噪声大小有关。,2023/7/15,中国科大 汪晓莲,37,2、效率坪曲线：,是物理效率和电效率的乘积随高压变化的曲线。即仪器记录的粒子数与进入探测器的粒子数之比。由效率坪曲线可以直接得到探测效率，这对位置灵敏的探测器如MWPC等是很重要的，这些探测器的整个体积内有一部分是不灵敏的，不灵敏空间与高压及其他因素有关，随高压增加而减小，在高能物理实验中有接近于100 的效率是很重要的。可以由效率坪确定探测器的工作电压。,2023/7/15,中国科大 汪晓莲,38,效率坪曲线,2023/7/15,中国科大 汪晓莲,39,三、计数率线性和分辨时间的影响,1、分辨时间对计数率线性的影响各种探测器都有一定的分辨时间正比计数器 10-610-8 sG-M计数器 10-410-5 s半导体探测器 10-710-8 s塑料闪烁计数器 10-810-9 sNaI(Tl)计数器 10-6 s电子学线路如放大器、幅度分析器、定标器等也有分辨时间整个计数系统的分辨时间由探测器和电子学线路的分辨时间决定。分辨时间越大造成漏记数越多，源越强漏记数也越多。,2023/7/15,中国科大 汪晓莲,40,分辨时间与计数率有如下关系式：,2023/7/15,中国科大 汪晓莲,41,四、计数探测器的选择,要求探测器：1）探测效率高；2）当源较强时要求探测器分辨时间小。对重粒子：如粒子，选用ZnS(Ag)、金硅面垒半导体探测器。射线和电子：正比计数器、G-M计数器、塑料闪烁体、液闪等探测器。高能带电粒子：塑料闪烁计数器、MWPC和切伦科夫探测器射线：G-M计数器和NaI(Tl)计数器。低能和X射线：正比计数器、薄窗MWPC、Si(Li)等中子：BF3正比计数器、裂变室、ZnS+H快中子屏、ZnS+B慢中子屏。,2023/7/15,中国科大 汪晓莲,42,9.4 能量测量,一、能量线性和刻度测量粒子能量的基本条件：探测器输出脉冲幅度和粒子在探测器中损失的能量有线性关系。探测器的非线性由两部分组成：探测器固有的无法消除的；另一部分是由于电荷饱和、窗的吸收和边界效应等造成的高能和低能部分的非线性。电子学线路的非线性，如射极跟随器的非线性、放大器的过载、幅度分析器甄别阈或道数的非线性等，其中关键的是不过载的线性放大器。,2023/7/15,中国科大 汪晓莲,43,能量刻度：用几种已知能量的放射源测量能量与脉冲幅度（以全能峰峰位代表）之间的关系作能量刻度线。选择单能且寿命较长的源作能量刻度。,NaI(Tl)闪烁谱仪的能量刻度曲线A是低能段B是高能段,2023/7/15,中国科大 汪晓莲,44,能量刻度常用的射线源,241Am59.57KeV55Fe5.9KeV109Cd22.1KeV,87.8KeV99mTc141KeV203Hg279KeV198Au412KeV湮灭辐射511KeV137Cs662KeV54Mn835KeV65Zn1116KeV60Co1173KeV,1333KeV,2506KeV(迭加峰)24Na1369KeV,2754KeV,2023/7/15,中国科大 汪晓莲,45,二、能量分辨率,1、能量分辨率的表示方法和物理意义能谱仪在整个幅度范围内是线性时，可用幅度分辨率表示能量分辨率。用半宽度能量E半表示能量分辨率，单位是KeV，必须说明是对什么能量的粒子得到的。,2023/7/15,中国科大 汪晓莲,46,能量分辨率的物理意义能谱仪的能量分辨率越小越好，表示能谱仪能分开不同能量粒子的本领。实际测量的能量分辨率包括探测器固有能量分辨率和电子学和其他附加的会造成脉冲幅度分散一切因素，如统计涨落、噪声、道宽、脉冲堆积、窗厚、源支架和屏蔽物的散射等等。,2023/7/15,中国科大 汪晓莲,47,2、影响能量分辨率的因素,1）电离粒子数N0的统计涨落造成探测器的固有分辨率1考虑探测器本身的放大，对正比计数器对闪烁计数器,2023/7/15,中国科大 汪晓莲,48,2）探测器和电子学仪器的噪声影响造成的能量分辨率2探测器噪声，半导体探测器的噪声最突出，其他输出信号小的探测器，低能、低本底精密测量中也要考虑噪声的影响。采取有效措施，尽量降低噪声，提高信噪比。电子学噪声，白噪声，时正时负，有大有小，迭加在信号脉冲上，引起脉冲幅度大小不一，使脉冲幅度分布展宽。噪声有一定的频谱分布。电阻的热噪声在低频段，场效应管的热噪声在高频段。在放大器线路中加入微分电路可以减少低频噪声，加入积分电路可以减少高频噪声。,2023/7/15,中国科大 汪晓莲,49,噪声的三种表示方法a）噪声电压：不能用噪声电压的平均值表示，因为噪声时正时负，有大有小，其平均值为零，而用均方根表示b）等效噪声电荷ENC：直接用放大器输入端的等效电荷数ENC表示，它使输出脉冲幅度正好是噪声电压的均方根值。有时也用电荷量Q表示。C）噪声能量：直接用能量分布展宽的半宽度半表示。三者的关系：与探测器材料有关。必须指明是对什么探测器而言的。,2023/7/15,中国科大 汪晓莲,50,噪声测量方法：用多道分析器测量脉冲幅度分布。a)单源法：放大器成形电路时间常数为1s。精密脉冲发生器通常使用水银开关脉冲产生器。用已知能量放射源校准，将发生器脉冲幅度调节到与校准源光电峰一致：,Cc,Vg,2023/7/15,中国科大 汪晓莲,51,b)双源法：脉冲发生器分别给出两个幅度的脉冲Vg1和Vg2，相应测得谱峰道数N1和N2，N取两个峰中较宽的一个，且N5道。也可用两种已知能量放射源来校准。,2023/7/15,中国科大 汪晓莲,52,尾堆积 峰堆积,3）脉冲堆积对能量分辨率的影响3,2023/7/15,中国科大 汪晓莲,53,4）入射窗厚对能量分辨率的影响4,对重粒子和低能粒子的影响很大，主要由窗厚的不均匀和粒子入射角度不同，造成粒子在窗中的能量损失不同，引起产生的电荷数有起伏。例如垂直探测器表面入射和与探测器表面成300角入射的粒子在窗内走过的路程相差一倍，因而在窗内损失的能量也差一倍以上，当入射粒子能量很低时，可能相差几倍。这种能量起伏有几个KeV几十KeV，使能量分辨率变坏。解决办法：加准直器。对5MeV的粒子由于入射窗厚度造成的能量分辨率,2023/7/15,中国科大 汪晓莲,54,5）幅度分析器道宽对能量分辨率的影响5,脉冲幅度分析器的道宽不为零，测量的是某个小幅度区间内的脉冲，因而是测量的脉冲幅度分布展宽。,2023/7/15,中国科大 汪晓莲,55,6）总的能量分辨率,影响能量分辨率的各个因素彼此独立无关，则在实验中能够测量到的是a）能谱系统的总的能量分辨率Esb）去掉放射源包括探测器在内的系统总噪声Etc）去掉探测器后系统总噪声Ee,2023/7/15,中国科大 汪晓莲,56,三、能谱,1、谱射线能量是分立的。单能射线谱不对称，低能端下降缓慢高能端下降较快。源自吸收和窗吸收,241Am的能谱,2023/7/15,中国科大 汪晓莲,57,2、谱,谱是连续谱。内转换电子的能量是单一的，其能谱是分立谱。,2023/7/15,中国科大 汪晓莲,58,3、能谱,射线是单能，但不能直接被记录，而是通过三种效应产生次级电子间接被记录。所以单能射线能谱除了峰之外还有较大的连续谱。,2023/7/15,中国科大 汪晓莲,59,能谱由全能峰、康普顿连续谱、反散射峰、逃逸峰、迭加峰、X射线峰等组成。全能峰：射线与探测器物质发生光电效应、电子对效应、康普顿效应产生的次级粒子没有跑出探测器都被探测器所吸收，构成全能峰，所以全能峰的能量精确等于射线的能量。康普顿连续谱：由康普顿效应形成，被散射的光子逃出探测器，反冲电子被记录，其能量随散射角变化。反散射峰：由于康普顿效应，当散射角为9001800时，散射光子进入探测器被吸收形成不大的反散射峰，迭加在康普顿连续谱上。,2023/7/15,中国科大 汪晓莲,60,逃逸峰：是次级效应产生的X射线、电子和湮灭光子逃出探测器造成的。a）X射线逃逸峰：Ee=E Exb）次级电子逃逸峰：0 E 连续谱c）湮灭光子逃逸峰 单逃逸峰：Ee=E 0.511MeV 双逃逸峰：Ee=E 1.022MeV迭加峰：级联发射的两个射线都进入探测器，被探测器同时吸收探测产生迭加峰。Ee=E1 E2X射线峰：由放射源产生，放射源核的内转换效应或衰变是经电子俘获完成的，处于激发态的原子将发射X射线。,2023/7/15,中国科大 汪晓莲,61,湮灭光子逃逸峰,X射线逃逸峰,2023/7/15,中国科大 汪晓莲,62,迭加峰,2023/7/15,中国科大 汪晓莲,63,四、探测器的选择,要求：除了考虑探测效率核允许最大计数率以外还要求能量线性好，能量分辨率高。带电粒子：无论是电子还是重带电粒子能量分辨率最好的是磁谱仪，=0.010.1%。粒子：金硅面垒半导体谱仪，=0.2%；电离室 和电子：低能 时用正比计数器、MWPC、Si(Li)高能时用NaI(Tl)、Ge(Li)和高纯锗射线：一般用NaI(Tl)闪烁谱仪，=10%同轴Ge(Li)谱仪，=0.11%低能射线和射线：薄窗NaI(Tl)、MWPC、正比计数器和半导体。高能粒子：电磁量能器和强子量能器,2023/7/15,中国科大 汪晓莲,64,半导体谱仪测得的241Am 谱,同轴Ge(Li)谱仪测得的60Co谱,
