核辐射探测器的发展.pptx

第第2讲讲 核辐射探测器的发展核辐射探测器的发展汲长松汲长松中核（北京）核仪器厂 2009年11月第第2讲讲 核辐射探测器的发展核辐射探测器的发展1 前言前言2 核辐射探测器体系的初始阶段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核辐射探测器体系的完善阶段 1 前言前言 1895年，伦琴借助照相乳胶发现了年，伦琴借助照相乳胶发现了X射线；射线；1896年，贝克勒尔又用照相底片发现了放射性现象。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。实验核物理与核辐射探测器，在发展过程中同步发展。卢瑟福在卢瑟福在散射实验中借助散射实验中借助ZnS闪烁屏观察闪烁屏观察粒子在屏上产生的闪粒子在屏上产生的闪光点发现了原子核光点发现了原子核 40年代钱三强、何泽慧发现铀核三裂变；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律；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律；王淦昌发现反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几种早期探测器的问世硫化锌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测方法之一。2.2 NaI（Tl）的成功）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探测机理的探索与研究；探测器性能指标的测定探测器性能指标的测定；部分探测器的新老更迭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，并累积了大量实验耐辐照等的系统、全面的测量，并累积了大量实验结果结果1。此处不可能一一列举。应当指出的是，这。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 完善阶段完善阶段4.1 探测器取舍探测器取舍-舍弃的舍弃的“成功成功”探测器探测器 电解质晶体探测器、电解质晶体探测器、结型半导体探测器、结型半导体探测器、硼玻璃闪烁体、硼玻璃闪烁体、有机晶体闪烁体等有机晶体闪烁体等 BaF2、6LiI(Eu)闪烁体闪烁体4.2 性能指标的改善性能指标的改善 Au-Si面垒探测器面垒探测器-Pa-Si面垒面垒-表面易损表面易损 Ge(Li)、Si(Li)-HPGe-低温条件低温条件 塑料闪烁体塑料闪烁体-闪烁效率、衰减时间、衰减长度、耐温、闪烁效率、衰减时间、衰减长度、耐温、兼测慢中子兼测慢中子 NaI(Tl)CsI(Na,Tl)-BGO-能量分辨率、闪烁效率、能量分辨率、闪烁效率、探测器效率、闪烁衰减时间、潮解探测器效率、闪烁衰减时间、潮解 气体电离探测器气体电离探测器-低能响应等低能响应等 4.3光电倍增管光电倍增管-位置灵敏、抗外磁场、耐高温位置灵敏、抗外磁场、耐高温 谢谢谢谢