6.2.3　辐射探测的应用发展

第6章　辐射测量及定量基础

在我们赖以生存的环境中，电离辐射无处不在。人类无法通过肉眼直接观测到电离辐射，为了能探测到电离辐射，人们要用各种特殊的设备使被测辐射粒子产生相应的可观测信号。辐射测量则是通过使电离辐射在气体、液体或者固体中发生电离效应、发光现象、物理变化或者化学变化来监测可观测信号的过程。

1896年，法国科学家贝可勒尔（H.Becquerel）研究含铀矿物质的荧光现象时，偶然发现铀盐能放射出穿透力很强可使照相底片感光的不可见射线。不久人们在加有磁场的云室中研究这种射线时，证明它由3种射线成分组成：α射线、β射线和γ射线。贝可勒尔在发现放射性现象的同时使用照相底片（最初的核乳胶）实现了人类历史上的第一次核辐射探测。云室、核乳胶等成为最早的核辐射探测方法。1908年，尽管气体电离探测器出现，但是还存在快速计数的问题。而1931年脉冲计数器的出现，解决了快速计数问题。1947年出现的闪烁计数器，利用密度远大于气体的物质提高了对粒子的探测效率。例如，使用的碘化钠（铊）闪烁体，对γ射线具有较高的能量分辨能力。到了20世纪60年代初，半导体探测器的发明，促使了能谱测量技术的发展。现代用于核物理、高能物理等其他科学技术领域的各种探测器件和装置，都是以上面三种类型探测器件为基础经过不断改进创新而实现的。现如今人们对核能利用日益广泛，促进辐射检测能力不断提高。

6.1　电离辐射的可探测性

电离辐射的全部或部分能量转化为可观测的信号（如电流、电压信号）。全部或部分入射粒子通过探测器的灵敏体积，与探测器灵敏体积内的工作介质发生相互作用，在其中损失能量产生电离或激发，探测器通过自身特有的工作机制将入射粒子的电离或激发效果变换成某种形式的输出信号。

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：

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。

6.1.2　探测介质及总体集成

核辐射探测器按探测介质类型及作用类型大致分为三种：气体探测器、闪烁探测器、半导体探测器。它们与辐射相互作用的过程大不相同，但是基本原理没变。首先，辐射粒子射入探测器的灵敏体积；接着，入射粒子通过电离、激发等效应而在探测器中沉积能量；最后，探测器通过各种机制将沉积能量转换成某种形式的输出信息。核辐射探测器的工作过程大致分为两个：一是对于辐射反应，核辐射探测器给出相应的电信号；二是处理和分析核辐射探测器给出的电信号，用电子学方法对信号脉冲的幅度、时间、波形和数目等参量的获取、处理和分析，获得核辐射的能量、电荷量、时间、空间等各种性质。

核辐射探测器信号传输过程可以用图6.2表示。

图6.2　核辐射探测器信号传输过程

核辐射探测器信号传输的特征：

①核辐射探测器实质上就是一个能量-电荷转换器，用于把抽象的核辐射信息转换成具体的电信号；

②对核辐射信息的处理实际上就是对探测器输出信号的处理，从探测器输出信号中提取出核辐射信息，并转换成相应的物理量；

③核辐射探测器通常可以看成是一个电流源；

④不同的探测器，其能量-电荷转换过程及持续时间是不同的，输出信号各有其特点，需要采用不同的处理方法或手段。

（1）气体探测器

气体探测器是内部充有气体、两极加有一定电压的小室。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——电子和正离子。带电粒子在气体中产生一个电子离子对所需的平均能量称为电离能，电离能只与介质有关，与带电粒子的种类无关；带电粒子能量越高，其所生成的离子对越多，故生成的离子对数可以反映入射带电粒子的能量。

入射粒子在电离室中引起电离，电子、离子漂移形成电流；当外加电压升高时，探测器工作于正比区，就成为正比计数器；当气体放大倍数随电压急剧上升，电子雪崩持续发展成自激放电时，则成为G-M计数器。

电流信号I（t）的时间持续过程主要与电子和离子的漂移速度有关。通常，在电离室中电子漂移速度较快，为微秒量级，而离子漂移速度慢得多，为毫秒量级。

（2）闪烁探测器

闪烁探测器利用某些物质在核辐射的作用下会发光的特性探测核辐射，这些物质称为荧光物质或闪烁体。其工作原理为：带电粒子进入闪烁体中，使原子电离激发，受激原子在退激过程中发光，光子穿过闪烁体、光导，一部分到达光电倍增管的光阴极，在光阴极上打出光电子，被光电倍增管的第一倍增极收集的光电子经过光电倍增管各倍增极的倍增，最后在阳极上被收集成为电流脉冲信号I（t）。

（3）半导体探测器

半导体探测器探测的基础是带电粒子在半导体探测器的灵敏体积内产生电子-空穴对，电子-空穴对在外电场的作用下漂移而输出电流信号。常用的半导体探测器包括金硅面垒探测器、Ge（Li）和Si（Li）探测器、高纯锗探测器等，它们都是以半导体材料为探测介质，具有能量分辨率高、线性范围宽等优点。

上述三种主要的辐射探测器输出信号可以看成一个电流信号源I（t）。在做时间测量时，由于要求保持时间信息，可以直接利用这种电流源的时间特性。在做能谱分析时，因为与能量成正比的量是探测器收集的电荷或电荷在电容上的积分电压，所以要求探测器输出电荷或电压信号U（t）。如果既要做时间测量，又要做能量测量，则应要求探测器既输出电流信号又输出电荷信号。探测器通过后接输出电路，将被测量的核辐射信息转换成具有一定特性形状的波形。当信号延迟时间与输出电路时间常数相比小得多时，可以认为核辐射探测器信号主要以脉冲形式出现，探测到的单个或一群粒子转化成单个或一系列电脉冲；而且当电荷收集时间较短时，可以认为其是一种持续时间极短的电流冲击脉冲。

6.2　辐射测量的发展趋势

6.2.1　探测介质的发展

核辐射探测器能够有效地对放射性物质进行监测，核辐射探测技术也是粒子物理和核物理研究中一个不可或缺的重要工具。在辐射探测领域，随着人们对探测材料的认识，探测介质的利用也在不断发展。最早出现的探测器是气体探测器，随着技术的发展，到20世纪50年代左右出现了一种新型的闪烁探测器，它逐渐取代了气体探测器；到了20世纪70年代左右，才出现了各种半导体探测器。以上这些探测器都对核技术的应用及核试验的进行做出了重大贡献。相比于其他材料，半导体材料有其独有的优势，而这些优势使其十分适用于电离辐射的探测领域。同时，半导体材料特别是硅基材料被广泛用于制备其他具有放大功能的微电子集成电路和电子元器件。被用以制造这些集成电路和电子元器件的工艺同样可以用来制备探测器，这就使得外围电路与探测器的集成成为了可能。从20世纪80年代开始，半导体加工工艺技术得到了突飞猛进的进步，同时许多使用新型半导体材料的探测器也被开发出来。像硅漂移室SDC、P-N结CCD、CdZn Te化合物半导体探测器，被广泛应用在辐射探测、核仪器、核医学及环保等诸多领域。

6.2.1.1　气体探测器

气体探测器是在19世纪末20世纪初，核辐射能被发现时最早被使用的一种探测器，当时使用的是空气电离室。它在早期的核物理发展和核科学研究中起到了重要的作用，如G-M（盖革米勒）计数管、电离室、正比计数管三个系列，以及漂移室、平行板雪崩室。虽然其他探测器的发展很快，应用也日益广泛，但气体探测器具有结构简单、使用方便等优点，因此有些气体探测器在今天不仅仍有广泛的应用，而且还有新的发展。

（1）气体电离室

它是基于电离辐射使气体电离的辐射探测器。该类探测器有两个电极并充有工作气体，在两电极间施加工作电压。入射辐射在气体中产生电离，电极上收集的电荷数与电离粒子的性质有关，也与外加电压的大小有关。

（2）电离室

它是内充有适当气体的容器组成的电离探测器，容器内装有两个电极，在电极间施加不足以引起电子雪崩放大的电场，但能将灵敏区内由入射辐射产生的离子对收集在电极上。电离室的种类很多，按结构可分为平板形、圆柱形、球形电离室等；按所探测的辐射种类可分为α、β、γ和中子电离室等；按工作方式可分为电流电离室和脉冲电离室。电离室的用途较广泛，可用于核实验室内的测量、工业核测控仪表（核子秤、测厚仪、密度计及料位计等）、环境辐射本底监测、核反应堆测控及火灾自动报警等。电离室的输出信号较小，它要求记录电子仪器灵敏度高、噪声低，为防止漏电还需要选用绝缘性能好的绝缘材料，并设有保护环等措施。

（3）裂变电离室

它是一种在电极上涂覆裂变物质灵敏层的电离室。中子与灵敏层中的裂变物质（如235 U、238 U、239 Pu、232 Th、252 Cf等）发生裂变反应，产生的裂变碎片使室内气体电离，在电场作用下，电极上收集到电离电荷信号。该信号与入射的中子注量率成正比，涂覆不同的裂变物质可用来探测不同能量的中子。根据入射中子注量率的大小，输出信号的方式也有所不同，在较低中子注量率时，测量脉冲信号；在较高中子注量率时，测量电离电流或均方根电压。因此，这种电离室作为宽量程（可达10个量级）探测器，在核反应堆控制中得到广泛的应用。电极上涂覆的裂变物质本身放出的粒子（如α粒子）和中子场（如核反应堆内）中伴生的γ辐射都会使气体电离，产生本底脉冲或电流，该本底与裂变碎片产生的信号脉冲或电流相对来说是很小的，很容易被甄别掉或者忽略不计，因此这种电离室具有较强的甄别γ本底的能力。

（4）屏栅电离室

它是通常用于测定α粒子或裂变碎片能量的一种脉冲电离室。从结构上讲，它是通过在普通电离室的正、负电极之间附加一个处于某个中间电位的栅网状的第三个电极（屏栅电极）而构成的。α粒子或裂变碎片对气体的电离被限制在阴极和屏栅极之间。在电子以比离子的漂移速度高三个量级的速度穿过栅极而被集电极收集的过程中，由于栅极的屏蔽作用，电子所获得的加速能量只取决于栅极和收集极之间的确定电位差，而不会受到尚未被收集的离子云电场的影响，因此收集到的信号大小只正比于α粒子或裂变碎片所产生的初始电子总数，而与电子产生的地点无关，从而确保了极好的能量分辨本领。与半导体α谱仪相比，由于它的阴极面积可以做得很大（如几百或几千平方厘米），因此可以不经化学浓缩而采用直接物理铺样的办法。这样不仅简化了操作，更重要的是可以避免化学浓缩过程对核素的选择作用，某些不易被化学浓缩的核素在制样过程中被丢失。正是由于屏栅电离室既具有相当好的能量分辨本领，又具有很好的探测灵敏度，因此它和半导体α谱仪一样在很多方面得到十分广泛的应用。

（5）正比计数管

它是工作在气体放电正比区的辐射探测器（简称正比管）。正比管有多种结构，但常用的是同轴圆柱形。其外壁为阴极，阴极材料多为不锈钢、铜或铝；在中心轴上紧拉一根阳极丝，阳极丝一般用钨丝或不锈钢丝制成；圆柱形容器内充以工作气体。探测对象不同，工作气体也各异：测中子用BF3、3 He、H 2或CH 4等气体，测α、X射线等用惰性气体（Ar或Xe）加少量多原子气体（CO2、CH 4等）。辐射进入正比管内，工作电压较大，使得初始总电离产生的次级电子获得足够能量，进一步电离其他气体分子，发生电子雪崩，即使气体电离得到放大（简称气体放大），通常将气体放大后的电离总数N与初始电离数N 0之比叫作气体放大系数（用M表示）。在正比放电区内，M值大于1，它与初始总电离生成的离子对数无关。在某一工作电压下，正比管的输出脉冲幅度与初始总电离的离子对数成正比。正比管的坪特性较好，能有效地用于辐射强度的测量；正比管的信噪比较大，能量分辨较好，用于α、β、中子及X射线的能量测量；正比管的放电空间有严格的局限性，较广泛地用于辐射的定位。

（6）平行板雪崩室

它是由两平行平面电极构成的，并工作在正比放电区的气体电离探测器中。两个电极间的距离较窄（1～3 mm），工作气体的气压较低（666.61～3 999.66 Pa），在两电极间形成很高的约化电场E/P（E为电场强度，P为气压）。当射线进入室内灵敏区时，气体分子电离，在窄小的电极间形成电子雪崩，电子漂移速度很高，输出信号的信噪比很大，所以这种雪崩室的时间分辨能力比一般正比计数管要高很多，时间分辨率可达亚纳秒数量级，它是较理想的快定时探测器。由于结构简单、成本低及辐射损伤小，它在核物理实验中提供精确定时和高计数率的测量工作，尤其在重离子实验物理中受到重视。如果它的电极平面由若干位置灵敏单元构成，这种雪崩室还可以作既定时又定位的辐射探测器，或与其他探测器组成多参数测量系统。

（7）BF3正比计数管

它是一种充有BF3气体的正比计数管。计数管的初始电离是由慢中子与10 B进行核反应产生的α粒子和锂核引起的，因而它被用来记录单个中子脉冲，由于它的中子脉冲幅度大而γ射线产生的脉冲幅度小，因而它能有效地将中子脉冲与γ射线脉冲区分开。计数管内充以含有浓缩或天然硼的BF3气体，由于BF3气体的化学性质很活泼，容易与计数管的结构材料起化学作用，因而必须选用化学性质稳定的结构材料。在充气过程中还须采取一系列有效工艺，才能制作出性能长期稳定可靠的BF3正比计数管。由于BF3正比计数管造价相对低廉，性能稳定可靠，探测效率较高，在核试验及工业中（如中子水分计、公路路基湿密度计等）得到较广泛的应用。

（8）X射线正比计数管

它是一种带有能透过X射线的入射窗的正比计数管。计数管的初始电离是由入射的低能X射线或软射线与计数管所充气体相互作用产生的。入射窗一般为侧窗或端窗，部分计数管还有出射窗。入射窗的材料和厚度根据X射线的能量来选择，常用材料为有机薄膜、铝箔、铍片和云母。计数管的形状一般为圆柱形、长方形和鼓形。计数管有密封式和流气式两种，所充气体为惰性气体（如Ne、Ar、Kr、Xe）加少量的猝灭气体（如CH 4、CO2、N2等）。与闪烁探测器相比，计数管的能量分辨率较好，能量线性范围宽、信噪比高、温度效应较小。射线正比计数管广泛应用于天文、地质、冶金、医学、材料科学、机械加工和环保等领域。

（9）3 He正比计数管

它是一种充有3 He气体的正比计数管。在管中产生的起始电离是由中子与3 He进行核反应后产生的质子和氚核引起的，由于其反应截面较大，所以它对热中子和超热中子的探测效率较高，在核反应启动、核物理测量、石油工业的测井等方面有较广泛的应用。3 He气体的纯度对计数管的性能影响很大，必须消除3 He中的微量氚。3 He气体价格昂贵，制备设备中必须有剩余气体的回收装置。

（10）盖革计数管

它是工作在盖革放电区的气体电离探测器（又叫盖革-米勒计数管）。其大多为圆柱形结构，即用金属圆筒作阴极，轴线上用一根细金属丝作阳极，管内常充以惰性气体和少量多原子气体。入射辐射使管内气体分子电离，电子向阳极丝漂移，经雪崩放电大量离子沿阳极丝发展，在阳极丝周围形成正离子鞘。正离子鞘在电场作用下，到达阴极附近时得到一定的动能，它可以从阴极打出二次电子，产生假计数，所以要用猝灭的方法来消除这种可能产生的假计数。这种计数管制作工艺较简单、结构形式多样、输出脉冲幅度大，广泛用于α、β、γ射线的强度测量。

（11）高气压电离室

它是一种内充高气压气体的电离室。电离室壁通常由钢材制作，充以2.026 5～3.039 75 MPa（20～30大气压）高纯氩气或氮气，体积一般为4～8 L。高气压电离室具有较高的灵敏度和长期稳定性，对环境陆地辐射与宇宙射线电离成分的空气吸收剂量率响应近似相同。为得到对入射辐射各向的同性响应，高气压气体电离室常采用球形结构。高气压电离室于20世纪30年代初研制成功，20世纪80年代后期研究人员采用能量补偿法进一步改善了能量响应特性。其早年曾用于海平面宇宙射线空气电离量测量，20世纪70年代初用于环境辐射照射量率测量以及核设施气载流出物的连续监测。高气压电离室除在核技术领域内的应用外，也被作为传感器在工业自动化方面广泛应用。

（12）气体闪烁正比计数管（GSPC）和高压Xe电离室

到20世纪80年代末，Xe气体纯化技术的提高促进了Xe闪烁正比计数管的发展，构成了新型的X射线Xe气体闪烁正比计数管。与一般的正比计数管相比，GSPC能量分辨率高。例如，对55 Fe 5.9 ke V的X射线，Xe GSPC的半宽高（FWHM）为472 eV；对0.15 keV的X射线，FWHM为85 eV，噪声仅为50 eV，可鉴别硼的KX射线，比一般正比计数管的能量分辨率提高了一倍。Xe气体的法诺因子为0.17，电荷倍增没有产生空间电荷效应，所以计数率可高达90×103/s，并可用于穆斯堡尔实验、荧光X射线谱的测量、环境放射性的监测等。另外，球形电离室、重离子电离室等新产品的相继研制成功，使其越来越受到了人们的重视。高压Xe电离室线性阵列探测器的一致性较好，并可做到很高的排列密度，是近十年来在我国首先应用于集装箱安检成像系统的核辐射线性阵列探测器，其缺点是气体对射线的吸收（衰减）效率低，探测效率小于60%，一般用于能量较低的场合。

6.2.1.2　闪烁探测器

闪烁探测器利用某些物质在核辐射的作用下会发光的特性来探测核辐射，这些物质称为荧光物质或闪烁体。光电器件（光敏元件）将微弱的闪烁光在光电倍增管的光阴极转变为光电子，光电子经过光电倍增管的多次倍增放大后输出一个电脉冲（对Si光电二极管来说是闪烁光在Si光电二极管中转变为电子-空穴，在Si光电二极管上的电场作用下被收集输出一个电脉冲，装置没有放大作用），这种装置叫作闪烁探测器。闪烁探测器能探测各种类型的带电粒子和中性粒子，其主要特点是探测效率高、时间分辨力好。它是一种应用较广泛的核辐射探测器。(https://www.daowen.com)

（1）塑料闪烁体

塑料闪烁体是一种有机闪烁物质在塑料中的固溶体，它通常由基质闪烁物质及移波剂组成。塑料闪烁体的发射波长在390～820 nm区间，相对于蒽晶体闪烁体的光输出为30%～70%，其主要特点是闪烁衰减时间很短（1～3.5 ns），不潮解，透明度好，较容易制备和加工，可以制成各种形状及大体积的闪烁体，易加入必要的灵敏物质，耐辐照性能好，此外，塑料闪烁体价格低廉。现今，它是制备特大型闪烁探测器的优选闪烁体之一。塑料闪烁体基质的性质、纯度及聚合程度，对闪烁体的能量转换效率有显著影响。常用来作闪烁体基质的是聚乙烯基甲苯和聚苯乙烯。塑料闪烁体通常含有一种闪烁物质，或者含有一种闪烁物质和移波剂，后者是用来吸收闪烁光子并发射波长更长的光子的一种荧光化合物。塑料闪烁体的主要特性在很大程度上取决于闪烁物质和移波剂的性质、含量及纯度等。加入重金属有机化合物的塑料闪烁体对γ射线有较高的探测效率。塑料闪烁体广泛用于探测α、β、X、γ射线，以及快中子、裂变碎片、高能粒子、宇宙射线等。塑料闪烁体的缺点是能量分辨能力较差，一般仅用作射线强度或时间信号测量。

（2）液体闪烁体

液体闪烁体是一种由有机闪烁物质溶在芳香族溶剂中构成的有机闪烁体。液体闪烁体的溶剂通常为一至两种，最常用的溶剂有甲苯、二甲苯等。液体闪烁体的溶质是一种闪烁物质，或者是一种闪烁物质和一种移波剂的混合物。加料液体闪烁体则含有一至两种溶质。液体闪烁体的主要特点是闪烁衰减时间短，透明度好，制备容易，成本低，体积、形状不受限制，易引入必要的灵敏物质。液体闪烁体的种类很多，成分各异，性能也有较大差别。液体闪烁体按用途主要分为α、β内计数用闪烁体，中子、γ波形甄别用闪烁体，含氢多的快中子闪烁体，不含氢且对中子不灵敏的闪烁体，用于测量不溶性试样或水悬浮液的凝胶闪烁体，含有重金属元素以提高对射线探测效率的闪烁体，以及含有中子灵敏物质以提高对热中子探测效率的闪烁体等。后面两种统称为加料液体闪烁体。灵敏物质的引入往往会降低能量转换效率。氧是最常遇到的闪烁猝灭物质。在制备液体闪烁体时，有效地除氧是极为重要的。液体闪烁体广泛应用于探测α、β、γ及中子和宇宙射线等，特别是对低能β辐射能得到较高的探测效率。

（3）NaI（Tl）闪烁体

NaI（Tl）闪烁体是一种由无色透明的碘化钠（NaI）晶体构成的无机闪烁体，它通常以铊（Tl）作激活剂。除了拉制单晶外，还可将NaI晶体碎块加热，加压制成热锻压多晶NaI（Tl）闪烁体。在光学与闪烁性能方面，热锻压多晶NaI（Tl）闪烁体和单晶NaI（Tl）闪烁体相同。热锻压多晶闪烁体可以做得很大，制成各种形状，而且各种形状一次成型，不必像单晶那样进行复杂加工。为了防止潮解，通常用铝等金属盒将NaI晶体密封起来使用，和光电倍增管耦合的一面采用光学玻璃等作光窗，晶体与盒之间填充氧化镁粉一类的光漫反射层材料。晶体和光窗之间采用硅油或其他耦合剂作光学耦合。NaI（Tl）闪烁体的平均原子序数高、密度高，适用于测量γ、X射线，对γ射线具有较高的探测效率，能量分辨本领较好。NaI（Tl）闪烁体是当今探测射线应用最广的闪烁探测器器件。

（4）CsI（Tl）及CsI（Na）闪烁体

该类闪烁体是由无色透明的碘化铯（CsI）晶体构成的无机闪烁体，通常以铊（Tl）或钠（Na）作激活剂。和NaI（Tl）闪烁体相比，该类闪烁体具有更高的原子序数及密度，因此其单位体积对γ射线的探测效率较高，但其能量转换效率较NaI（Tl）闪烁体低[若用硅光二极管作为光敏元件，转换效率比NaI（Tl）闪烁体高]。CsI（Tl）闪烁体不易潮解，使用时可以不密封，除用于测量γ射线外，还可用于测量重带电粒子，具有较好的能量分辨率的CsI（Tl）闪烁体还能经受较猛烈的震动、冲击及大的温度梯度，其可代替NaI（Tl）闪烁体，广泛用于测井、空间探索和军事科学等环境条件比较苛刻的场合。

（5）BGO闪烁体

BGO闪烁体是一种由无色透明的纯锗酸铋本征晶体构成的无机闪烁体，分子式为Bi4 Ge3 O 12（简称BGO）。BGO闪烁体的主要特点是平均原子序数高、密度大，因而对γ射线的阻止本领大，其对1～10 MeV的射线的吸收系数是NaI（Tl）闪烁体的2.5倍左右。这表明，为了获得对γ射线的相同的吸收效率（探测器效率），BGO闪烁体的线性尺寸仅为NaI（Tl）闪烁体的40%左右，而前者的几何体积仅为后者的6.4%。BGO闪烁体可以用于任何空间有限而要求对γ阻止本领大的场合，特别适合于高能γ辐射探测的场合。另外，这种闪烁体还具有化学性能稳定、机械强度好、不潮解等优点。其缺点是能量分辨率较差。

（6）ZnS（Ag）闪烁体

它是一种用银（Ag）作激活剂的由硫化锌（ZnS）制成的无机闪烁体。它是粒度为几微米到几十微米的多晶粉末，对重带电粒子阻止本领大，能量转换效率高，是探测重带电粒子的一种较好的闪烁体，具有探测效率高和易甄别β、γ射线等优点。内壁涂有ZnS（Ag）的闪烁室常用于测量氡浓度。ZnS（Ag）粉末与中子灵敏物质混合在一起，可做成慢中子或快中子闪烁体。ZnS（Ag）闪烁体的缺点是闪烁衰减时间较长，不易用于快计数，能量分辨率差，透明度很差，不能做得很厚。ZnS（Cu）也可用作闪烁体，但使用不多。

（7）玻璃闪烁体

它是以二氧化硅（Si O2）为主要成分的无机闪烁体，用铈（Ce）作激活剂，同时也都含有锂（Li）。玻璃闪烁体通过6 Li俘获中子，被用作中子探测器，具有闪烁衰减时间短、温度性能好、对慢中子的探测效率高等许多理想的特点。其绝对发光效率约为每个光子500～700 e V。5 mm厚、6 Li丰度达90%左右的玻璃闪烁体的折射率已接近100%。玻璃闪烁体适用于中子束强度绝对标定、飞行时间谱仪、中子照相及石油测井中，也可用于α粒子、裂变碎片及γ射线探测。它具有耐酸、耐碱、不潮解及耐温度骤变等优点，因此适用于在恶劣环境下探测射线。

（8）气体闪烁体

它使用高纯度的惰性气体，发光机制简单，入射粒子使气体分子激发，随后退到基态而发射光子，这种光子的波长位于紫外光区域，使用对紫外光灵敏的光敏器件（如紫外光光电倍增管、Ga As和Si紫外光二极管）。它的特点是时间响应快，一般为几纳秒或更快，能量响应线性好，光输出与入射粒子的电荷质量无关。

（9）LaCl3（Ce）与LaBr3（Ce）闪烁体

LaCl3（Ce）与LaBr3（Ce）闪烁体为近年来研制成功的镧系元素新型γ闪烁体，其对γ射线具有高的光输出，响应时间快，有较好的能量分辨和时间分辨、较高的探测效率和对能量较好的线性响应。所以，它们在核医学成像、核物理、X射线衍射、非破坏性测试评估、核条约核查、安全防护、环境监测及地质探测等领域将发挥重要的作用。

6.2.1.3　半导体探测器

半导体核辐射探测器就发展时间来说，还是一类比较新的核辐射探测器。从结构上看，半导体探测器有晶体电导型、P-N结型、PIN结型等几种。按P-N结的制备工艺，探测器又可分为面垒型、扩散结型、离子注入型等。半导体探测器可用来探测带电粒子、X射线、γ射线及中子等。制造半导体探测器的材料有硅、锗等。半导体探测器具有能量分辨率高、能量线性范围宽、脉冲上升时间快及体积小等优点，在精密能谱测量方面明显优于气体电离探测器和闪烁计数器。缺点是耐辐照损伤能力较差、性能对环境温度变化较灵敏，以及有些半导体探测器必须在低温下使用或保存。

（1）硅P-N结探测器

硅P-N结探测器在1960年就有几家公司生产并作为商品销售，但真正实现硅探测器系列化、商品化是在20世纪60年代末至70年代初。其中有金-硅面垒探测器、全耗尽探测器DDX探测器、PSD（位置灵敏）探测器等。另外，采用离子注入技术研制成的探测脉冲辐射的探测器，具有波形响应好、时间响应快、线性输出电流大、动态变化范围宽等特点。国外现在大部分硅面垒探测器，除薄的dE/d X探测器外，基本上都可以用平面工艺硅探测器来替代。

（2）Si（Li）漂移探测器

Si（Li）探测器在20世纪70年代构成高分辨的X射线探测器，在X射线的能谱分析、X射线的荧光分析、中子活化分析中一直是一枝独秀，但它必须用液氮制冷到77 K，所以真正的便携式的X射线能谱仪和X射线荧光分析谱仪系统很难实现。在20世纪90年代，用半导体制冷（制冷到-90℃）的便携式的X射线荧光分析系统被研制出来，这是一种全新的Si（Li）探测器的应用研究。它要求探测器有较高的计数率、良好的能量分辨力，不用液氮制冷而采用半导体温差制冷，这样既可实现低温冷却探测器，又可实现装置小型化，从而实现可在野外或恶劣环境下工作的便携式X、γ射线谱仪和X射线荧光分析谱仪系统。其主要应用领域有对核燃料进行非破坏性分析，确定核燃料同位素的组成，浓缩铀的测量，乏燃料的能谱测量，包括贫铀弹的环境污染测量，燃耗的测量和冷却时间的确定，武器级钚的鉴定，等等。

（3）硅平面工艺PIN探测器（PIP硅探测器）

20世纪80年代，硅平面工艺应用到硅探测器的制备工艺中，使硅探测器增加了新的系列——硅PIP（硅化离子注入平面工艺）探测器系列，用这种工艺制备的硅PN光电二极管探测器，不仅可单独地作为硅核辐射探测器，还可作为光敏元件与CsI（Tl）、Cd WO4等闪烁体耦合在一起构成闪烁探测器和闪烁体阵列探测器，其线性阵列探测器已用于安检成像系统。目前由平面工艺制备的硅光二极管和CsI（Tl）或Cd WO4闪烁体一起构成的探测器线性阵列是安检成像系统中主要使用的探测器阵列之一。另外，硅漂移室探测器（SDC）也被开发出来，这种探测器有很好的能量分辨和空间分辨力。20世纪90年代，在Si-PIN光电二极管探测器的基础上，硅光电二极管阵列探测器和Si-APD（硅雪崩倍增光电二极管）及Si-APD阵列也被开发出来。其采用硅平面工艺，不仅可制备出高质量的对低能X射线有较高能量分辨力的Si-APD，而且也可根据应用要求制备成大面积的Si-APD阵列，用于宇宙空间的X射线的检测。硅探测器制造技术的发展，研制出的Si-APD和Si-CCD，为空间粒子辐射的探测，空间低能X射线的探测，以及空间X、γ射线的探测提供了十分重要的探测器，这些探测器在空间辐射的探测中都取得了很好的结果。

（4）高纯锗探测器（HPGe探测器）

20世纪50年代，NaI（Tl）闪烁计数器的商品化使γ射线能谱测量成为一般实验室内均能做的常规实验。20世纪60年代，Ge（Li）探测器的研发和应用，使X、γ射线能谱学在能量分辨率等方面较20世纪50年代的闪烁γ射线能谱学有了本质的提高，使原先分不清或分不开的谱线可被清晰地分辨，为核衰变纲图的精确测量提供了高分辨的探测器。20世纪70年代，HPGe探测器的研制成功是射线探测器的又一重大进展，它解决了Ge（Li）探测器工艺周期长，存放时一旦液氮干枯，Ge（Li）探测器就受严重影响的缺点。HPGe探测器在γ射线和高能带电粒子领域开辟了新的应用。在近十几年中，研究人员开展了探测器技术的智能化、网络化、小型化的研究，研制成电制冷的便携式HPGe X、γ射线谱仪系统。

（5）化合物半导体探测器

化合物半导体探测器最大的特点是它可在室温下工作，又有较高的探测效率和较好的能量分辨力，填补了闪烁探测器和HPGe探测器之间的空隙，使许多应用领域发生了明显的变化。如Ga As、Cd Te/Cd Zn Te、SiC、TIBr3探测器。Cd Te/Cd Zn Te（20%Zn Te，80%Cd Te）晶体的原子序数高、禁带能宽大、电阻率高，非常适合探测能量在10～500 ke V的光子，目前的生产工艺可制备体积为1～2 cm3的CdZn Te/Cd Te单晶，探测能量达到1 MeV以上。像素面积为1 mm2的TBr3探测器对Cs 662 ke V的FWHM为1.3%。像素面积为1 mm2的SiC探测器在303 K（30℃）温度下，对Fe 5.9 keV X射线的FWHM为196 e V，且不需要低温冷却，可在室温或高于室温温度下工作，对55 Fe 5.9 keV和241 Am 59.5 keV的低能X射线和低能γ射线有很好的能量分辨力和较高的探测效率；如灵敏面积≥10 mm2，则在X射线荧光分析和X射线粉末衍射分析中可替代硅锂漂移和平面工艺硅探测器，从而大大简化实验（测试）装置和降低测试成本。它们可以构成十分轻便的便携式仪器，在环境监测、现场监测、核成像、空间核辐射的探测及核医学等方面有较好的应用。

6.2.1.4　热释光探测器

热释光探测器自20世纪60年代初以来得到较为迅速的发展。它具有很多优点，如体积小、灵敏度高、量程宽、测量对象广泛，可测X、γ、α、β、中子和质子等射线，特别是在剂量测量领域中占有日益重要的地位。此外，在核医学、放射生物、地质研究中也是一种有效的工具。

（1）热释光探测器基本原理

图6.3　离子晶体的电子能带

由固体能带理论可知，晶体中电子的能量状态已不是分立的能级，而成为能带，如图6.3所示。电子分别处在各个容许能带上，各容许能带被禁带分开。晶体的基态是指容许能带被电子所占据的状态。固体可以有几个满带被禁带分开，最上面的一个满带称价带。当带电粒子穿过介质时，电子获得足够能量使原子电离，亦即电子由价带进入导带。但若电子获得的能量不足以使它到达导带，而只能到达激子带，这就是激发过程，这种电子-空穴对就叫激子。激子可以在晶格中运动，但不导电。电子或空穴在晶格内运动的过程中，可能被陷阱俘获而落入深度不同的陷阱能级中或落入杂质原子在禁带所形成的能级（图6.3中F、G能级）中。陷阱是指磷光体内晶格的不完整性所引起的一些与导带底部能距小的级（图6.3中A、B能级）。这些被俘获的电子，只有通过热起伏而重新被激发到导带，才能同发光中心复合而发光。显然，提高磷光体的温度，可以使贮存于其中的辐射能加速地释放出来，这一现象称为热释发光。加热放出的总光子数与陷阱中释放出的电子数成正比，而总电子数又与磷光体最初吸收的辐射能量成正比。因此，可以通过测量总光子数来探测各种核辐射。

加热磷光体可以使落在陷阱能级上的电子释放出来，在不同的温度下释放出来的光能不同；光强峰值对应的温度近似地反映了陷阱的深度。图6.4表示了LiF逐渐升温加热的发光强度曲线，低温处出现的发光峰对应较浅的陷阱，前五个发光峰对应的陷阱深度分别为0.9 e V、1.04 e V、1.11 eV、1.19 e V及1.25 eV。俘获的在较浅陷阱中的电子，在室温下将有较大的概率逸出陷阱并释放出贮存的能量。由此可见，热释光磷光体经辐照后，其所贮存的能量在室温下会自行衰退。实际使用时可以采取措施，在一定程度上消除衰退对测量结果的影响。

（2）热释光磷光体

许多天然矿石和人工合成的物质都具有热释光特性。但要作为探测元件使用，还应满足一定要求，如陷阱密度高、发光效率高、在常温下被俘获的电子能长期贮存，即自行衰退性小、发光曲线比较简单、最好是有效原子序数低的材料。

上述要求实际上不可能全部满足，只能根据不同实验目的来选择较为满意的材料。常用的材料有氟化锂（LiF）、氟化钙（CaF2）、硼酸锂[Li2 B4 O7（Mn）]、氧化铍（BeO）、硫酸钙[CaSO4（Dy）]等。其中，最常用的是LiF，它衰退性较小、能量响应好，但制备工艺较复杂。

热释光材料可以重复使用，只是重复使用前，必须经过低温退火和高温退火。低温退火消除低温峰，高温退火消除潜在的发光中心及残剩剂量。

（3）加热发光测量装置

图6.4　LiF的发光曲线

加热发光测量装置可分为三部分：加热部分、光电转换部分、输出显示部分。加热和光电转换部分组成测量探头。加热发光的测量是通过光电倍增管将光信号转变为电信号的，因此光电倍增管是探头的核心部分。对探头的要求是：收集磷光体所发光的效率尽可能高；尽可能降低其他因素产生的噪声，如热噪声、光电倍增管噪声等；探测效率稳定。探头一般包括以下几部分（图6.5）：

①加热盘。

通常由厚为0.2 mm左右的不锈钢片、钽片或电阻钢带按一定形状冲压而成。要求加热盘在高温下不变形，不易氧化及金属表面的光泽基本不变，也可在加热盘上镀上一层银。

②温度传感器。

图6.5　光电倍增管探头示意图

温度传感器通常用热电偶。常用的有镍铬-镍铝，镍铬-青铜或铜-康铜等热电偶。它通常被点焊在加热盘下面的中心处。

③滤光片。

各种滤光片具有各自特定的透射光谱曲线，它基本上要与所用的磷光体的发光光谱一致，使磷光体发出的光大部分透过，其他光谱则被滤去。

④光导。

光导用透明的光学玻璃或有机玻璃做成。它使光电倍增管和加热盘之间有一定距离，以减少加热盘的电磁干扰及高温对光电倍增管工作的影响，并能使磷光体发出的光能够有效地输送至光电倍增管的光阴极。

⑤光电倍增管。

光电倍增管是探头的重要部件，其性能好坏和其工作状况对测量结果有很大影响。因此，一般应选择光阴极具有高的光量子效率的光电倍增管，其光谱特性与磷光体的热释发光光谱相匹配，暗电流要极低。

此外，为了降低光电倍增管的暗电流，应在避光筒外装上冷却水套或半导体致冷器。由于光电倍增管对电磁场敏感，除避光铁筒可以起磁屏蔽作用外，还可以在铁筒内加一层高导磁系数坡莫合金做成的圆筒，以得到更好的电磁屏蔽作用。

（4）热释光探测器的应用

热释光探测器主要用在剂量监测方面，是目前应用最广泛的一种个人剂量计。热释光探测器通常由一个或多个热释光探测器（探测元件）和一个便于佩带的适宜的剂量盒组成。其测量原理为加热使磷光体受照时所储存的能量以光子的形式释放出来，光子的强度（或释放陷阱中电子的数量）直接与材料受到的辐射剂量有关。其优点为：TLD材料的组织等效性好、灵敏度高和量程宽（一般为10-5～103 Gy）；作为小型固体探测器，商业可用性强，可重复使用；不受电磁干扰。目前最常用的LiF（Mg、Cu、P）热释光探测器有极高的信噪比和灵敏度，探测下限为1μGy，线性范围跨8个数量级，是理想的个人辐射剂量和环境探测器。

热释光个人监测一般分为躯干（全身）剂量计和局部（手足）剂量计。躯干剂量计通常佩戴于人体左胸前，用于全身剂量监测。局部剂量计通常佩戴于人体头部、手部、足部等部位，用于局部剂量监测。按监测对象（场所）分类，热释光个人剂量计分为：X、γ个人剂量计，β个人剂量计，β-γ个人剂量计、手足剂量计和反照中子剂量计等。

①X、γ个人剂量计。

目前，国内在外照射个人监测中，采用热释光个人剂量计进行X、γ射线监测较为普遍，佩戴盒也是多种多样，有圆形、方形、圆柱形和笔式剂量计等。按监测的射线能量考虑，个人剂量计分为两种：一种用于低能（≤100 keV）组分较多的情况下；另一种用于能量高于300 ke V的X、γ场，或β-γ混合场中放射工作人员的γ剂量测量。

②β个人剂量计。

β外照射主要是对皮肤造成损伤。由于皮肤基底层深度约为7 mg/cm2，因此β个人剂量计是测量裸露皮肤7 mg/cm2处组织的吸收剂量。目前，用于β剂量测量的探测器多采用聚四氟乙烯薄膜和石墨热释光探测器。

③β-γ个人剂量计。

单一辐射场的剂量监测较为简单，但实际剂量监测中多是混合辐射场的监测。要求估算出皮肤和全身的剂量当量。为了满足这些要求，剂量计应包括两个组织等效的热释光探测器，它们应具有不同的屏蔽层。目前，用于混合辐射场的剂量计一般采用多探测器，在β-γ混合辐射场中就是采用两个剂量计来区分两种辐射组分的剂量当量值的：一个是滤掉β射线并只对γ射线灵敏的γ剂量计；另一个是对β和γ射线都灵敏的剂量计，称β剂量计。

④手足剂量计。

手部剂量的监测对于从事同位素操作、放射性厂矿设备的维修、钠元件的加工等工作的人员是非常重要的。在有些情况下，手部不但要接受较大的剂量，而且还存在着β射线烧伤的可能。对手部的βγ剂量监测，可以用对β、γ同样灵敏的LiF聚四氟乙烯膜制成的指环剂量计。

⑤反照中子剂量计。

反照中子剂量计是用来测量中子混合场中的剂量计，由一对或几对6 LiF和7 LiF热释光探测器元件及佩戴盒组成。根据反照原理，当快中子入射到人体后，一部分被人体慢化，变成中能中子和热中子，反射后被探测到。反照中子剂量计，主要测量反散射出来的热中子和部分中能中子，这种反散射出来的中子称为反照中子。剂量计内的探测器元件是6 LiF和7 LiF，其中6 LiF（n、α）3 H反应产生的α和3 H粒子被探测器元件吸收。7 LiF是用来扣除n、γ混合场中γ射线对6 LiF的响应的。

此外，热释光探测器在考古、地质方面也有很重要的应用。一般陶瓷都具有热释光特性，由热释光测量可推算出陶瓷的年代。这种方法为出土文物的年代鉴定提供了科学的测量手段。

6.2.1.5　其他探测器

（1）径迹探测器

20世纪50年代末，人们在天然云母中用电子显微镜观察到核裂变碎片使云母片受到损伤的痕迹，痕迹直径约为10-10 m，称“潜迹”；20世纪60年代，人们用化学方法使损伤的痕迹受腐蚀而扩大成一个“蚀坑”，直径约为10-6 m，称之为“径迹”。研究发现，α径迹、质子径迹和裂变碎片径迹各有特征。

径迹探测器则是直接记录粒子走过径迹图像的探测器。这类探测器或是直接给出能够长久保持的径迹图像，如核乳胶和固体径迹探测器，或是把径迹拍成照片，再进行自动分析和处理，如云室、气泡室、火花室、闪光室等，从而得到有关粒子的信息。

①核乳胶径迹探测器。

核乳胶是指能记录进入其中的单个带电粒子径迹的照相乳胶。与照相乳胶一样，核乳胶液是由银的卤素化合物微晶体均匀分散于明胶中而制成的。核乳胶的特点：微晶体极小（0.01～0.5μm）；对带电粒子灵敏度高，且可根据需要选择不同灵敏度的乳胶，从只对裂变碎片灵敏到对电子灵敏。核乳胶径迹探测器在核物理、宇宙线与粒子物理研究，放射性地质矿床研究，核试验中的快中子能谱测量，生命科学与材料科学中的自射线照相与电子显微镜自射线照相中，都有着重要应用。由于乳胶径迹测量是用显微镜做三维跟踪测量，全面自动化很难，目前还只能在某些特定条件下进行自动化测量，这也限制了它的广泛应用。

②固体径迹探测器。

固体径迹探测器是一种利用辐射损伤效应记录重带电粒子径迹的探测器。当重带电粒子通过探测器，在它的路径上探测器材料会产生直径3～5 nm的辐射损伤。这种带有潜伏径迹的探测器用蚀刻剂蚀刻处理后，对于辐射损伤密度超过阈值的潜伏径迹，其孔间直径可达微米量级，故可用光学显微镜观察和测量，可测定重带电粒子的数目、飞行方向及原子序数、质量和能量。固体径迹探测器可分为晶体、玻璃和塑料三类，各种材料的记录特性不同。固体径迹探测器适于在特殊核环境（即强本底辐射场）中进行核数据和核事件测量，如测量核爆炸中辐射的强度、能谱及空间分布、核爆炸燃耗，野外布点普查铀矿资源，测量核燃料元件破损等。此外，它在核物理、核辐射剂量防护、天体物理及生物医学等方面也得到较广泛的应用。

（2）切仑科夫探测器

自20世纪50年代起，随着高能加速器的发展，切仑科夫探测器被广泛用于高能粒子的探测。切仑科夫探测器与普通的闪烁器探测有些相似，因为它也是通过与切仑科夫介质保持光学接触的光电倍增管将所发射的光转换成电信号的。为了产生切仑科夫辐射，粒子在给定的介质中必须具备最低值以上的速度。因此，切仑科夫探测器具备一种固有的甄别能力。

切仑科夫辐射光子产额很小，对单个入射粒子的测量精度往往因统计涨落大而较差。这种探测器比较适合测量一群粒子（粒子束）的特性。

（3）液体电离室

使用液体作探测器介质的电离室称为液体电离室，它具有半导体探测器所具有的较高的密度，而尺寸又可以做得比半导体探测器的大得多。自20世纪70年代以来，这种探测器发展很快，主要用作高能量探测器。

液体电离室的基本原理和气体电离室相同，通过两极上的高压在液体介质上形成电场，入射粒子在液体介质中产生电离，在电场的作用下电离的电子和正离子分别向两极漂移而产生输出信号。

液体电离室常用惰性元素作液体介质，主要是使用液氩和液氙。其中，液氩用得最多，因为它有较为合适的性能，如密度较大（1.48 g/cm3）、不吸附电子、有较高的电子迁移率、不易燃烧，氩比氙更不容易被负电性杂质污染，易于纯化，故能得到较纯的液氩，且费用较低。液氙电子迁移率也大，且和NaI（Tl）的原子序数和密度大致相同，故两者体积相同时对γ射线有大致相同的探测效率。

6.2.2　探测技术的发展趋势

近半个多世纪以来，核辐射探测技术一直在军事、社会需求的牵引下，在基础理论与应用技术进步的推动下不断地发展。总体趋势是一机多能、高可靠度、宽量程和平台综合集成，并向核化生一体化与信息化方向发展。

①向高灵敏度、高分辨率方向发展。国外宽量程γ辐射探测技术已发展得很成熟，并已应用于科研。例如，国外研制出高灵敏电荷直接贮存型核辐射探测器，它探测的γ射线的输出信号比一般半导体探测器高1 000倍。核辐射探测技术要求量程宽、准确度高、可靠性高及小型化，可从测量环境本底γ辐射到核事故、核爆炸水平的探测。

②将多种传感器结合在一起，能够在一个探测装置内并入多种现有技术，从而拓宽量程，增加功能，使性能稳定可靠，如将传统的G-M技术与其他技术相结合，又如多功能数字化γ谱仪将NaI（Tl）或LaBr（Ce）闪烁探测器与G-M计数管相结合，既实现了现场剂量与剂量率测量，又能快速判别核素种类，实现定量测量分析。

③核电子技术有了新的发展。探测技术最显著的进步之一就是信号处理和显示技术。核电子学的进步已经能够在一个探测装置内并入多种现有技术。其能够精确控制探测器件的高压，减少时间的影响，使得先进的算法得以实现。这拓宽了探测器的测量范围，延长了探测器件的使用寿命等。探测器智能化，高压电源、前置放大器、放大器、信号甄别器和信号处理器，以及与主机的通讯、接口关系及与控制这些部件相关联的功能，包括关键参数的控制和存储、设置、刻度和警报设置等都集成于智能化探测器中。电缆对测量结果没有任何影响，开机状态下探测器与主机之间可随意插接或断开。把探测器连接到运行智能探头软件的计算机可以直接用探测器执行刻度。

④能快速判别核辐射种类的装备有所发展。这些设备包括在核辐射爆炸装置爆炸之前就能将其发现的更有效、更灵敏的探测器，以及一旦发生爆炸就能快速判别核辐射种类的装备。

⑤新型探测器件的应用。核技术发展突飞猛进，使许多新型的探测器被开发出来。例如，硅探测器，有平面工艺硅探测器，包括PIP-硅探测器、硅漂移室SDC、P-N结CCD、混合像素探测器、微条带探测器等；化合物半导体探测器，包括Cd Te、Cd Zn Te、Ga As、HgI2和SiC等；X射线荧光分析谱仪系统，不需要液氮制冷，仅需要简便的热电制冷就能正常工作；核辐射成像探测器，包括γ射线成像探测器和X射线成像探测器。这些成像探测器的出现和应用，开创了数字探测器代替传统胶片的新时代。

6.2.3　辐射探测的应用发展

随着国民经济和科学技术的发展，辐射探测的应用日益广泛，如医学、生物防护、食品检测、受控核反应等。另外，随着各种探测器和探测技术取得突破，人类利用辐射探测的视野也在不断地拓展。

（1）宇宙空间辐射探测应用

空间粒子辐射主要是空间的带电粒子（银河宇宙线、太阳宇宙线、太阳风等离子体和磁层粒子等）、空间X射线（太阳X射线、宇宙X射线和极光带X射线）、空间γ射线（太阳射线、宇宙射线和大气中的射线）、空间中性粒子（太阳中子及大气中中性原子和分子）和宇宙尘埃。空间粒子辐射探测技术是指用气球、火箭、卫星和飞船装载的探测系统。除高能宇宙辐射的地面观测外，空间粒子辐射的探测起始于20世纪40年代末期用火箭探测宇宙射线和太阳X射线，此后用气球观测有了很大的发展。人造卫星和飞船不仅运行时间较长，而且飞越空间大。它们既可避开地球大气的影响，又可以飞出地球磁场作用范围之外，这为空间粒子的辐射探测开辟了广阔的前景。

近十年来，X、γ射线空间测量的发展，揭示了人们以前不知道的一系列新天体、新过程，大大开阔了人们在天文学方面的眼界。到目前为止，研究人员已经发现了数以百计的X射线源及若干辐射脉冲X射线的X射线星，发现了能够发射γ射线的各类型的天体，并由此开辟了新型的X射线和γ射线天文学。空间粒子辐射探测技术促进了空间物理学、高能天文学的发展。

空间X射线的通量小，而宇宙X射线的通量更小，因为对空间X、γ射线进行探测要求探测器有较高的灵敏度，所以研究人员希望探测器有较大的面积和较薄的入射窗。随着科学技术的发展，不仅核辐射探测器的种类增加了许多，而且探测器的性能（能量分辨、空间分辨、角分辨、成像性能等）也有很大的提高。

如要提高测量灵敏度和测量精度，就要增大探测的面积，研究人员常采用增大探测器的直径、长度或采用多个探测器系统的方法。另外，高层大气物理（空间物理和天文物理）领域的测试环境可能存在高的快中子通量、强的磁场和其他的高能辐射，并且具有高能辐射的活度高和种类变化大等特点。所以，在这些物理领域进行核辐射探测，对探测器有抗磁的要求，并要求有高的探测灵敏度，希望探测器是结实的小巧结构。Cd Te和CdZn Te的原子序数高、密度大、电阻率高、噪声小、受磁场的影响小，所以是比较适合于空间物理和天体物理等领域应用的探测器。

（2）天体物理辐射探测应用

最近通过天文纬度卫星测量表明，宇宙中存在高能辐射源，其能量范围在0.5～10 Me V，源的强度和数目变化很大，而且具有令人感兴趣的频谱特性。这些初步结果表明，要得到天体物理学中令人感兴趣而又较详细的信息，必须使用具有下列特性的第二代高性能仪器：在较宽的能带范围内有好的能量分辨；具有角分辨力好的成像性能（1 Me V，0.5°）。为实现这一目标，到目前为止研究人员已提出既可成像也可构成谱仪的独立实验系统——使用Cd Te、CdZn Te核辐射探测器阵列。实际以现有的技术和实验条件，形成具有上千个灵敏元件的阵列是完全可能的。这既克服了仪器相互排斥的问题，提高了角分辨力，又具有位置灵敏探测器的性质，为天体物理学的应用提供了新的实用技术。

（3）极深地下辐射探测

暗物质探测是目前国际科研的最前沿领域之一。迄今的研究和分析表明，暗物质在宇宙中所占的份额远远超过目前人类可以看到的物质，通常人类所观测到的普通物质只占宇宙质量的5%。暗物质涉及宇宙产生和演化的一些最基本问题。

21世纪以来，国际上相继开展了暗物质探测实验，利用各种技术来寻找暗物质。2010年12月，中国首个极深地下实验室“中国锦屏地下实验室”投入使用。锦屏地下实验室垂直岩石覆盖达2 400米，是目前世界岩石覆盖最深的实验室。它的建成标志着中国已经拥有了世界一流的、洁净的低辐射研究平台，能够自主开展像暗物质探测这样国际最前沿的基础研究课题。我国暗物质实验构建了包括聚乙烯、铅、无氧铜等在内的优良的被动屏蔽系统，并且采用碘化钠探测器搭建了反康普顿主动屏蔽系统。为了获得低的能量阈值，实验室以20 g V超低能量阈高纯锗探测器为主体建立了包括探测器及液氮灌装系统、电子学信号处理及数据获取系统、数据采集软件系统三大部分的实验测量装置。经过调试与测试，该实验测量装置在9 ke V以下能区的线性偏离小于0.2%；在5 ke V的能量分辨率（半高宽）达到约200 e V；噪声水平（半高宽）达到约120 e V，可以实现220 eV的能量阈值。这些性能基本满足低质量区暗物质实验研究的要求。暗物质粒子质量在2～4 Ge V/c2区域的测量灵敏度达到了国际最好的水平。同时，为了实现更高的灵敏度，中国暗物质实验正在升级质量更高的锗探测器。

1.简述闪烁探测器的工作过程？

2.核辐射探测器信号传输有哪些特征？3.NaI（Cl）闪烁体有哪些优点？

4.化合物半导体探测器有哪些优点？

5.探测技术的发展趋势有哪些？

[1]张玉敏.国外放射性探测装备和技术的发展现状与趋势[J].舰船防化，2009，1（1）：1-5.

[2]吕玉琴，曾光宇.核辐射探测器的研制[J].机械工程与自动化，2009，2（2）：173-174，177.

[3]丁洪林.核辐射探测器[M].哈尔滨：哈尔滨工程大学出版社，2010.

[4]陈伯显，张智.核辐射物理及探测学[M].哈尔滨：哈尔滨工程大学出版社，2011.

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[6]郝云霄.半球型CdZn Te核辐射探测器的制备与性能[J].核电子学与探测技术，2012，32（7）：766-768.

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（杨小勇　王　进　党　鹏）