第2讲核辐射探测器的发展.ppt

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1、第2讲 核辐射探测器的发展,汲长松中核（北京）核仪器厂 2009年11月,第2讲 核辐射探测器的发展,1 前言2 核辐射探测器体系的初始阶段3 核辐射探测器体系的中期阶段4 核辐射探测器体系的完善阶段,1 前言,1895年，伦琴借助照相乳胶发现了X射线；1896年，贝克勒尔又用照相底片发现了放射性现象。乳胶成为核辐射探测器的先驱 核辐射是不可见，任何核物理实验都离不开核辐射探测器 实验核物理与核辐射探测器，在发展过程中同步发展。卢瑟福在散射实验中借助ZnS闪烁屏观察粒子在屏上产生的闪光点发现了原子核 40年代钱三强、何泽慧发现铀核三裂变；50年代吴剑雄实验验证的杨振宁、李政道提出的宇称不守恒定

2、律；王淦昌发现反负超子的实验，都是借助各类核辐射探测器完成的,2 初始阶段,众多科学家从已有的材料，或新研制的材料中，探寻可用于核辐射探测器的信息，出现研制核辐射探测器的热潮 气体电离、半导体、闪烁、热释光、径迹探测器、自给能探测器、切伦科夫探测器及中子激活指示器 八类探测器体系,从第一种探测器乳胶，到形成八大类探测器体系，经历了六、七十年的时间。实验核物理的发展，对核辐射探测器的需求极为迫切。几乎所有早期从事核物理研究的科学家都曾参与核探测器的研制 核物理发展早期，核物理研究，与核探测器的研制很难以分离 研制核探测器热潮，1953年，一位物理学家曾讲过“那一时期，每当核物理学家观察到一种由核

3、辐射导致的新效应，人们都试图利用这一新效应制成一种核辐射新探测器”。现有的核辐射探测器绝大多数都是在那一时期研制成功的,2.1 几种早期探测器的问世,硫化锌闪烁屏是最早的闪烁体。人们发现粒子（或质子）射到硫化锌闪烁屏上，硫化锌晶粒会产生荧光，用放大镜或低倍显微镜，甚至用已适应了黑暗的眼睛，可以观测到这一荧光。这样便可计数单个粒子。在1903年，伊尔斯特和盖伊太尔就利用ZnS荧光屏观察了由放射性引起的单个闪光。用这种方法，观察者非常吃力，且粒子来得多了，就来不及计数。后来发明了光电倍增管，代替人眼，并用电子学方法自动计数，逐步完善成为现代的闪烁探测器。利用荧光物质的闪烁现象探测核辐射是最早的核探

4、测方法之一。,2.2 NaI（Tl）的成功1948年3月，Robert Hofstadters进行了一个类似于居里夫人发现镭的实验。他在黑暗中将蒽、萘、NaI（Tl）、KI（Tl）、NaCl（Tl）、KBr（Tl）及CaWO4等样品依次排列在照相底片上，然后用黑纸把它们包起来，再把它们放入薄纸板箱内。用镭源从纸箱上方半米处照射半小时。移走放射源，然后将照相底片冲出，在原先放置NaI（Tl）粉末的位置下面，底片很黑。而其它样品下面，即便是KI（Tl）下面也几乎未受到影响。之后，用NaI（Tl）在试管中制出多晶，外面又包上铝箔，留出光学窗与光电倍增管相接。接上高压、放大器，第一次在示波器上得到了很

5、大的脉冲。就这样，NaI（Tl）闪烁探测器便问世了。有趣的是“Phys.Rev”发表文章报道这一激动人心的成果时，编辑部将第一个NaI（Tl）闪烁计数器配置图示的文字说明，与另外一个图颠倒了。一个星期以后才又登文更正。NaI（Tl）闪烁体，核辐射探测器的中流砥柱在问世时竟闹出了这样的笑话。后来，用发现NaI（Tl）相同的设备，在意、美发现了液体闪烁体。晚些时候又研制出Ge（Li）半导体探测器。,2.3 玻璃闪烁探测器玻璃闪烁体是现今的重要中子探测器之一。有人曾把锂玻璃闪烁探测器与3He正比计数管评价为上世纪60年代中子探测技术的重大进展。现在用铈激活的锂玻璃闪烁体的配方，工艺及其核性能已基本稳

6、定。然而，在其研制过程中，曾出现过大量的锂玻璃闪烁探测器品种。例如，早期报道的不是锂玻璃，而是含硼玻璃闪烁体。作为激活剂，Sm、Cu、Pb、Eu、Tl、U、Sn与Mn都曾应用过。现今，国内外，用作中子探测的玻璃闪烁体，皆为铈激活的锂玻璃闪烁体。其他激活剂的，或基质含硼的玻璃闪烁体皆已绝迹。,3 中期阶段,多类别、多品种的核辐射探测器体系建立后 在中期阶段具有三方面的主要特征：探测器探测机理的探索与研究；探测器性能指标的测定；部分探测器的新老更迭。,3.1探测器探测机理的探索与研究 到上世纪七、八十年代，经过几十年的长期实验探索与理论研究，借助带电粒子在电场中的行为规律，最先完成了对气体电离探测

7、器，从电离室、正比计数管到盖革弥勒计数管探测机理的解释。后借助固体能带论，给予以NaI（Tl）为代表的无机晶体闪烁体受激发光过程完美的解释。对于半导体探测器，从“施主与受主”，电子与空穴的概念，其对核辐射的探测机制的描述也令人满意。,3.2探测器性能指标的测定 所有核辐射探测器在研制成功之后，随即便开始对其性能，诸如坪特性、壁效应、效率、寿命、幅度分辨、时间与能量分辨、能量响应、温度效应及耐辐照等的系统、全面的测量，并累积了大量实验结果1。此处不可能一一列举。应当指出的是，这其中不乏难度、容量很大、周期很长的复杂实验。,3.3 部分探测器的新老更迭,核辐射探测器研制发展到中期阶段之后，形成了各

8、种核探测器横向竞争的局面。经过较量，其中部分已研制成功的探测器最终被淘汰，而另一部分探测器逐步发展成公认的支柱探测器。还有一部分核探测器被性能改进后的新型探测器替代,4 完善阶段,4.1 探测器取舍-舍弃的“成功”探测器 电解质晶体探测器、结型半导体探测器、硼玻璃闪烁体、有机晶体闪烁体等 BaF2、6LiI(Eu)闪烁体,4.2 性能指标的改善 Au-Si面垒探测器-Pa-Si面垒-表面易损 Ge(Li)、Si(Li)-HPGe-低温条件 塑料闪烁体-闪烁效率、衰减时间、衰减长度、耐温、兼测慢中子 NaI(Tl)CsI(Na,Tl)-BGO-能量分辨率、闪烁效率、探测器效率、闪烁衰减时间、潮解 气体电离探测器-低能响应等,4.3光电倍增管-位置灵敏、抗外磁场、耐高温,谢谢,