6.1.1 辐射能量沉积的产物和后果
辐射的种类很多，一般我们只关注能量在10 e V量级以上的辐射粒子。这个能量下限是辐射或辐射与物质相互作用的次级产物使空气等典型材料发生电离所需的最低能量。能量大于这个最低能值的辐射称作致电离辐射。慢中子本身的能量可能低于上述能量下限，但由于其特殊重要性，以及它们引发的核反应（包括核裂变）产物具有相当大的能量，因而也被归入这一范畴。电离辐射探测涉及的四类辐射见表6.1。
表6.1 电离辐射探测涉及的四类辐射
表6.1中快电子包括核衰变中发射的β粒子及其他过程产生的具有相当能量的电子。重带电粒子包括质量为一个或多个原子质量单位并具有相当能量的各种离子，如α粒子、质子、裂变产物和核反应产物等。所涉及的电磁辐射包括原子的壳层电子重新排列时发射的X射线、高速带电粒子（电子）轰击靶物质而产生的轫致辐射及原子核能级跃迁时发射的γ射线。它们都是静止质量为零的光量子，但轫致辐射具有连续的能量分布，而特征X射线与γ射线则具有独立的、与原子及原子核能级差对应的能量。各种核转变过程（如核反应、核裂变等）中产生的中子不带电但具有与质子相似的静止质量。中子通常按能量分为快中子、慢中子及热中子等。
带电粒子辐射由于带电荷而借助库仑力不断地与所经过的物质中的电子相互作用，在物质中留下自己的信息。而非带电（粒子）辐射不带电，因此不受库仑力作用，这些辐射在穿过物质时与物质的相互作用是一种随机事件，可能发生也可能不发生。当发生相互作用时，辐射会将其全部或部分能量传递给物质原子的电子或核及核反应产生的带电粒子；当未发生相互作用时，这些非带电辐射可以贯穿物质而丝毫不留任何踪迹。X射线或γ射线可以通过与物质的相关作用将其全部或部分能量传递给物质中的电子，产生带有电荷的次级电子，次级电子受到库仑力作用而在物质中损耗能量，留下其信息。所以，探测X或γ射线的探测器都应尽量使这些相互作用发生的概率较大，并将次级电子阻挡在其介质内，以使它们的全部能量都可以贡献给输出信号。中子几乎总是以产生次级重带电粒子的方式与物质相互作用，因而可以重带电粒子作为探测器信号的依据。
6.1.1.1 空气电离
（1）气体的电离
入射带电粒子通过气体时使气体分子电离或激发，在通过的路径上生成大量的离子对，包括电子和正离子。入射粒子直接产生的电离叫作初电离或直接电离。电离后产生的电子和正离子叫作次级粒子，如果他们具有的能量较大，足以使气体产生电离，这种电离叫作次级电离。电离发生只须有很小的能量，通常把能够引起次级电离的初电离电子叫作δ电子。
带电粒子在气体中产生的一对离子，所需的平均能量称为平均电离能，以ω表示。若能量为E 0的入射粒子在气体中总共产生了N 0对离子对，则产生一对电子或正离子所需的平均能量（电离能）为
实验表明，对于不同能量的同种粒子，或不同类的粒子在同一种气体中的电离，其粒子电离能都很相似，大多在30 e V左右，大于原子的电离电位1倍左右。这是因为一部分能量消耗仅使气体分子激发而没有产生电离的缘故。常见气体的电离能和最低电离电位见表6.2。
表6.2 常见气体的电离能ω（eV）和最低电离电位I 0（eV）
在电离碰撞中，被激发的原子有以下三种可能的退激方式。
①辐射光子。
发射波长接近紫外光的光子，可能在周围介质中打出光电子或被某些气体分子吸收而使分子离解。
②发射俄歇电子。
原子退激的能量直接转移给自身的内层电子，使电子脱出，这种电子称为俄歇电子。内层电子的空位在很短时间内（10-13 s）被外层电子所填充，在填充过程中发射X射线。
③亚稳态原子。
原子以上述两种辐射方式受激后，在10-9 s内完成退激，但某些受激原子处于禁戒的激发态，不能自发地退回基态，只有当它与其他粒子发生非弹性碰撞时才能退激，这种原子的寿命较长，一般为10-4～10-2 s，称为亚稳态原子。
（2）电离生成的电子和正离子在气体中的运动
电离产生的电子和正离子从入射粒子俘获动能，它们在气体中运行并和气体分子碰撞，其结果会发生包括以下几类的物理过程。
①扩散。
在气体中电离粒子的密度是不均匀的，电离处密度大。电子和正离子从密度大的地方移向密度小的地方，这种现象叫作扩散。由气体动力学可知，若电离粒子的速度遵循麦克斯韦分布，则扩散系数D与电离粒子的杂乱运动速度μ之间的关系为
。其中λ为平均自由程，即连接两次碰撞之间所经过的路程的平均值。温度越低，气压越高，扩散进行得越慢。电子的质量小，所以它的漂移速度V比正离子大，平均自由程也比正离子大，因此，电子扩散的影响比正离子的扩散要大得多。
②吸附。
电子在运动过程中与气体分子碰撞时可能被分子俘获形成负离子，这种现象称为电子吸附效应。每次碰撞中电子被吸附的概率称为吸附系数，用h表示。h大（h＞10-5）的气体称为负电性气体，例如，O2和水蒸气的h为10-4，卤素气体的h为10-3，负离子的速度比电子慢得多，这增加了复合的可能性，从而导致电子数减少，所以气体探测器应使用h值小的气体，并使负电性气体的含量降到最低。
③复合。
电子与正电离子相遇或负离子与正离子相遇能复合成中性原子或中性分子，电子和正离子复合称为电子复合，负离子与正离子复合称为离子复合，复合概率与电子（负离子）或正离子区的密度n-或n+成正比。
单位体积单位时间内，正、负离子的复合数为：
式中，α为复合系数，它与气体的性质、压力、温度、负离子的相对速度等因素有关，在一般情况下，只要不含负电性气体，复合效应是很小的。
④漂移。
由于探测器外加有一定的电压，探测器气体空间内形成了电场，电子和正离子在电场作用下分别向正、负电极方向运动，这种定向运动叫作漂移运动。
电子在电场作用下，一方面会和气体分子碰撞损失能量，另一方面又能从电场获取能量。电子的能量低于气体分子的最低激发能时，每次碰撞损失的能量较小。只有电子的能量大于分子的激发能时，发生非弹性碰撞，才能引起较大的能量损失。当它损失的能量和它从电场获得的能量相等时达到平衡状态，电子的平均能量为：
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式中，v e为电子在电场中的运动速度（漂移运动和热运动）；
为热运动能量；k为常数；T为气体的绝对温度；η为电子温度，它是电子在电场中运动能量和热运动能量的比值。
（3）电离室
电离室是最早应用的辐射电信号的电离辐射探测器。带电粒子在射入电离室灵敏体积内的工作气体中时，将沿其径迹产生一系列离子对。在灵敏区内的电场作用下，电子、离子进行漂移，从而使电离室输出电流信号。
电离室的基本结构如图6.1所示。它的主要构件是两个平板形或同心圆筒形（以及球形或其他形状）的电极，它们相互绝缘并分别连到电源的高压端与地。电极间的空间内是气体，这是电离室的工作介质。外加电源（V 0）通过两电极在气体介质中产生电场。变换电极的间距、形状及所加电压，可以实现不同的合乎要求的电场。
与测量仪器相连的电极称作收集极（图6.1中的C），一般处于与地接近的电位。另一电极称作高压极（图6.1中的K）。电离室的灵敏体积是指通过收集极边缘的电力线所包围的两电极间的区域。只有这个区域内有由射线产生的离子对才能引起输出信号及被收集极收集到。灵敏体积外的环形电极（在圆柱形电离室中呈管状）称作保护环，它处于与收集极相同的电位。保护环的主要作用是使灵敏体积边缘处的电场保持均匀，同时还起着使绝缘子漏电流不流经负载电阻从而不影响信号测量的作用。图中用阴影线画出的都是绝缘子，起着支撑电极或穿引导线的作用。由于一般要求灵敏体积内充有一定压力和成分的纯净气体，因此常需要一个密封外壳将整个电极系统包起来。在电离室外壳上应有引入导线的密封绝缘子以及为排气、充气用的排气管等。某些特殊用途的电离室壁上还要开窗以便低穿透本领的射线能进入电离室灵敏体积。
6.1.1.2 材料发光
（1）电离辐射致材料发光
电离辐射产生的辐射粒子入射到特定的物质中，使得物质中的原子（分子）电离、激发，在退激过程中会产生光，通常称之为荧光。这种依靠在某些物质中产生的闪光来探测电离辐射的技术，也是一种历史十分悠久的探测技术。经过几十年的发展改进，利用材料发光制作探测器已是各种类型的闪烁体与多种光探测器件的组合。可探测带电粒子或中性粒子（如中子、γ射线），可满足短时间响应、高探测效率、大面积灵敏度高、能量分辨率高和位置分辨率好等不同的物理要求。经过不断发展，电离辐射致材料发光已成为目前应用最广泛的核辐射探测手段之一。
辐射粒子进入闪烁体中，使原子或分子激发，受激原子在退激过程中发出荧光，光子穿过闪烁体，通过光耦合剂和光导，一部分到光电器件（光电倍增管的光阴极，在光阴极上打出光电子），然后经光电倍增管各倍增电极倍增放大，经收集极输出便产生一个电脉冲信号。闪烁探测器的工作过程，也就是入射粒子的能量转变为输出电脉冲的过程，可以分为如下几个阶段。
①粒子进入闪烁体，使闪烁体的原子或分子激发和电离，粒子损失能量。设入射粒子的能量为E 0，若其全部损失在闪烁体中，则闪烁体吸收能量E=E 0；若入射粒子仅损失一部分能量，则闪烁体吸收能量E＜E 0。
②受激发或者电离后又复合并处在激发态的原子和分子，在退激过程中大部分发射光子，这是对探测有用的；另一部分不发射光子则是将能量转化为晶格振动或热运动的动能，这部分能量对探测来说是探测不到的。转化为光子的能量的转换效率为C发光，光子的平均能量为h v，则闪烁体中产生的光子数为
，K 1为入射粒子在闪烁体内能量损失的份额。
图6.1 电离室的基本结构
③光子产生后，一部分穿过闪烁体和光导耦合到光电器件的光阴极上，另一部分会被吸收或散射而不能到达光阴极。若闪烁体的透明度为T透明，定义为物质对光不吸收的概率，光阴极的收集因子为G（G又称为收集效率），则到达光阴极的光子数目n′光子为
④光阴极将光子转换为光电子，光阴极的光电转换效率为C光电，即光阴极发射的光电子数为n电子=n′光子C光电，从光阴极到第一倍增极的传输系数为K 2，则到第一倍增极上的光电子数n′电子为
⑤光电子经多级倍增极倍增放大，最后被阳极收集形成电脉冲。设光电倍增管的倍增放大系数为M，则在阳极输出的电子数为Mn′电子，相应的电荷Q 0=Mn′电子。
（2）无机闪烁体的发光机制
无机闪烁体是含有少量激活剂的无机盐晶体，如NaI（Tl）、CsI（Tl）、CsI（Na）和ZnS（Ag）等，还有BGO（锗酸铋，Bi4 Ge3 O12），它们都是绝缘体和离子型晶体。
核辐射进入闪烁体后，损失能量，晶体的原子获得能量足以使其电离时，电子从满带跃迁到导带，在满带留下空穴。原子获得的能量不足以使其电离时便被激发，在晶体中产生的电子-空穴对仍被束缚着，称为激子，电子和空穴在晶体中运动。完全纯的晶体由于禁带较宽，电子从导带中跳回满带时，退激发射的光子能量在紫外光范围（不是可见光），而且退激出来的光子容易被晶体自吸收，传输到晶体界面外的光子很少。为了能使晶体发射可见光而且减少自吸收，可在纯晶体中掺入少量杂质（激活剂），其激发能级的能量比晶体的导带低，而基态比满带高，它们处在禁带中，成为俘获中心。核辐射产生的电子、空穴和激子在晶体中运动时发生如下三种过程。
①当遇到俘获中心时，电子从激发态立即跳回到基态并放出光子，这叫作荧光过程，时间在10-7 s左右。退激发射的这种光称为荧光，是可见光，它是闪烁光中的快成分。
②电子也可能将激发能传递给周围的晶格产生振动以热能形式消耗掉而不发射光子，这种过程叫作猝灭过程，这对探测来说是不利的。
③晶体中的其他杂质和晶体缺陷，也可能在晶体中形成陷阱，运动的电子遇到陷阱处于亚稳态，有的电子可从晶格振动中获得能量，重新跃迁到导带再重复荧光过程或猝灭过程。如果按荧光过程，则这样发出的光叫作磷光，衰减时间为10-6 s，这种光是闪烁光中的慢成分。在无机晶体中掺入适量的激活剂，将会大大增加闪烁体的光输出。
（3）有机闪烁体的发光机制
带电粒子穿过有机闪烁体时使运动轨迹近处的闪烁体物质的分子电离、激发和离解，从而损失一部分能量。这一过程的强弱与比电离有关，即与粒子的运动速度有关。激发能可能再传递给其他分子，或使分子振动，变成热量而散失。依据现代科学对荧光过程的认识，由受激的高能级跃回低能级的跃迁速度很快，约为10-12 s。尽管某些好的闪烁体，其分子的量子产额可达90%，但其探测带电粒子的能量转换效率或光输出也只有4%（如有机蒽晶体）。
6.1.1.3 电子空穴对
（1）带电粒子与晶体的相互作用
带电粒子入射晶体后，将通过与晶体中电子的相互作用而很快损失能量。带电粒子所损耗的能量用来使得电子由满带激发到空带，使满带中留下空穴，而空带中有了电子。这不仅可以从最高的满带（第一满带）把电子激发到最低空带（第一空带），也可以从更深的满带（甚至把未公有化的电子）激发到更高的空带。但是，在约10-12 s极短的时间内，所有处于高激发带的电子都升至第一空带中去，而所有处于更深的满带中的空穴都上升至第一满带去了。在这些过程中释放的能量又可以在第一满带及第一空带中产生一些电子-空穴对。带电粒子入射后，经过10-12 s左右，就沿其径迹在第一满带及空带内产生一定数目的电子空穴对。
与气体中产生离子对的情况类似，在晶体中入射带电粒子每产生一对电子-空穴，平均花费的能量是一个常数，也称“平均游离功”，用W 0表示。对我们所采用的那些半导体材料，这一常数W 0与入射带电粒子的性质及能量无关。对于室温下的硅（Si），W 0≌3.61 eV；而对于77 K下的锗（Ge），W 0≌2.96 e V。考虑到气体中产生一对离子约需30 e V，同样能量的带电粒子在固体中产生的电子-空穴对数要比在气体中产生的离子对数大一个数量级左右。因此，半导体探测器输出电荷要比气体电离室的大得多。
_当入射带电粒子能量相同，而且全部损耗在灵敏体积内时，由于在晶_体中产生的电子空穴对数要比在气体中产生的离子对数大十倍左右，所以晶体中电子空穴对数的相对均方涨落也就小很多。这样，半导体探测器有可能获得比气体电离室好得多的能量分辨率。
（2）半导体探测机制
半导体探测器相当于一个固体电离室。在晶体的两面加以金属电极，通过所加电压使晶体内产生一足够强的电场。带电粒子射入时，将在晶体内产生一定数目的电子-空穴对。在所加电场作用下，电子和空穴分别向正极和负极漂移，从而在输出电路中产生电流信号。当所产生的电子和空穴全部被电极收集以后，输出电荷量将等于电子-空穴对数同电子电荷的乘积，即正比于带电粒子在晶体中损耗的能量。由于固体的阻止本领要比气体大1 000倍以上，因而虽然这种晶体探测器的体积较小，其探测效率也要比气体探测器高。此外，还可以加高电压及产生强电场，使得电子、空穴的收集时间比较短，约10-7 s。
过去，都采用像金刚石那样的绝缘晶体来作探测器。这类晶体的电阻率很高，但是晶体内包含许多杂质和晶格缺陷，陷阱很多，使得载流子寿命很短。因此，入射粒子产生的电子、空穴中有不少在被电极收集以前就复合掉了，还有一部分则被陷阱陷住而在固体内形成空间电荷。当这种空间电荷越积越多时，会产生一个越来越强的与外加电场方向相反的附加电场，这称作“极化效应”。当入射粒子数目足够多以后，由于极化效应而产生的附加电场可能强烈得使计数器不能再正常工作。若采用硅、锗等半导体材料，就可以有长得多的载流子寿命，从而能避免极化效应及复合损失等问题。