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粒子探测器大家族
文章来源:   |  发布时间:2016-10-19  |  【打印】 【关闭】  |  浏览:
 

  粒子探测器是核物理、粒子物理研究及辐射应用中不可缺少的工具和手段。当粒子和探测器内的物质相互作用而产生某种信息(如电、光脉冲或材料结构的变化),经放大后被记录、分析,以确定粒子的数目、位置、能量、动量、飞行时间、速度、质量等物理量。

  按照记录方式,粒子探测器大体上分为计数器和径迹室两大类。 

  计数器类:以电脉冲的形式记录、分析辐射产生的某种信息。  

  气体电离探测器——通过收集射线在气体中产生的电离电荷来测量核辐射。主要类型有电离室、正比计数器和盖革计数器。它们的结构相似,一般都是具有两个电极的圆筒状容器,充有某种气体,电极间加电压,差别是工作电压范围不同。电离室工作电压较低,直接收集射线在气体中原始产生的离子对。其输出脉冲幅度较小,上升时间较快,可用于辐射剂量测量和能谱测量。正比计数器的工作电压较高,能使在电场中高速运动的原始离子产生更多的离子对,在电极上收集到比原始离子对要多得多的离子对(即气体放大作用),从而得到较高的输出脉冲。脉冲幅度正比于入射粒子损失的能量,适于作能谱测量。盖革计数器又称盖革-弥勒计数器或G-M计数器,它的工作电压更高,出现多次电离过程,因此输出脉冲的幅度很高,已不再正比于原始电离的离子对数,可以不经放大直接被记录。它只能测量粒子数目而不能测量能量,完成一次脉冲计数的时间较长。 

  多丝室和漂移室——是正比计数器的变型。既有计数功能,还可以分辨带电粒子经过的区域。多丝室有许多平行的电极丝,处于正比计数器的工作状态。每一根丝及其邻近空间相当于一个探测器,后面与一个记录仪器连接。因此只有当被探测的粒子进入该丝邻近的空间,与此相关的记录仪器才记录一次事件。为了减少电极丝的数目,可从测量离子漂移到丝的时间来确定离子产生的部位,这就要有另一探测器给出一起始信号并大致规定了事件发生的部位,根据这种原理制成的计数装置称为漂移室,它具有更好的位置分辨率(达50微米),但允许的计数率不如多丝室高。 

  半导体探测器——辐射在半导体中产生的载流子(电子和空穴),在反向偏压电场下被收集,由产生的电脉冲信号来测量核辐射。常用硅、锗做半导体材料,主要有三种类型: 

  在n型单晶上喷涂一层金膜的面垒型; 

  在电阻率较高的p型硅片上扩散进一层能提供电子的杂质的扩散结型; 

  在p型锗(或硅)的表面喷涂一薄层金属锂后并进行漂移的锂漂移型。高纯锗探测器有较高的能量分辨率,对γ辐射探测效率高,可在室温下保存,应用广泛。砷化镓、碲化镉、碘化汞等材料也有应用。 

  闪烁计数器——通过带电粒子打在闪烁体上,使原子(分子)电离、激发,在退激过程中发光,经过光电器件(如光电倍增管)将光信号变成可测的电信号来测量核辐射。闪烁计数器分辨时间短、效率高,还可根据电信号的大小测定粒子的能量。闪烁体可分为三大类: 

  无机闪烁体,常见的有用铊(Tl)激活的碘化钠NaI(Tl)和碘化铯CsI(Tl)晶体,它们对电子、γ辐射灵敏,发光效率高,有较好的能量分辨率,但光衰减时间较长;锗酸铋晶体密度大,发光效率高,因而对高能电子、γ辐射探测十分有效。其他如用银 (Ag)激活的硫化锌ZnS(Ag)主要用来探测α粒子;玻璃闪烁体可以测量α粒子、低能X辐射,加入载体后可测量中子;氟化钡 (BaF2)密度大,有荧光成分,既适合于能量测量,又适合于时间测量。 

  有机闪烁体,包括塑料、液体和晶体(如蒽、茋等),前两种使用普遍。由于它们的光衰减时间短(2~3纳秒,快塑料闪烁体可小于1纳秒),常用在时间测量中。它们对带电粒子的探测效率将近百分之百。 

  气体闪烁体,包括氙、氦等惰性气体,发光效率不高,但光衰减时间较短(<10纳秒)。 

  切仑科夫计数器——高速带电粒子在透明介质中的运动速度超过光在该介质中的运动速度时,则会产生切伦科夫辐射,其辐射角与粒子速度有关,因此提供了一种测量带电粒子速度的探测器。此类探测器常和光电倍增管配合使用;可分为阈式(只记录大于某一速度的粒子)和微分式(只选择某一确定速度的粒子)两种。 

  穿越辐射计数器——高速带电粒子穿过两种介质的界面会产生穿越辐射,其辐射能量与粒子能量成正比。在粒子速度极高,十分接近光速时,用飞行时间和契伦科夫计数器都无法通过分辨速度来鉴别粒子,而穿越辐射计数器提供了鉴别该能区高能粒子的新方法。 

  电磁量能器(或簇射计数器)——高能电子或γ光子在介质中会产生电磁簇射,其次级粒子总能量损失与入射粒子总能量成正比。因此,一旦收集到总能量损失即可确定粒子的总能量。电磁量能器分为全吸收型如碘化钠(铊)、锗酸铋、铅玻璃等和取样型两种。后者由取样计数器与铅板交迭而成。取样计数器可以是液氩电离室、塑料闪烁计数器和多丝室。 

  强子量能器——高能强子在介质中会产生强子簇射。收集到总电离电荷即可确定强子总能量,通常采用闪烁计数器或多丝室与铁(铀)板交迭而成。 

  除上述常用的几种计数器外,还有气体正比闪烁室、自猝灭流光计数器,都是近期出现的气体探测器,输出脉冲幅度大,时间特性好。

  

  径迹室类:通过记录、分析辐射产生的径迹图象测量核辐射。  

  核乳胶——能记录带电粒子单个径迹的照相乳胶。入射粒子在乳胶中形成潜影中心,经过化学处理后记录下粒子径迹,可在显微镜下观察。它有极佳的位置分辨本领(1微米),阻止本领大,功用连续而灵敏。 

  云室和泡室——使入射粒子产生的离子集团在过饱和蒸气中形成冷凝中心而结成液滴(云室),在过热液体中形成气化中心而变成气泡(泡室),用照相方法记录,使带电粒子的径迹可见。泡室有较好的位置分辨率(好的可达10微米),本身又是靶,目前常以泡室为顶点探测器配合计数器一起使用。 

  火花室和流光室——这些装置都需要较高的电压,当粒子进入装置产生电离时,离子在强电场下运动,形成多次电离,增殖很快,多次电离过程中先产生流光,后产生火花,使带电粒子的径迹成为可见。流光室具有较好的时间特性。它们都具有较好的空间分辨率(约200微米)。除了可用照相记录粒子径迹外,还可记录电脉冲信号,作为计数器用。 

  固体径迹探测器——重带电粒子打在诸如云母、塑料一类材料上,沿路径产生损伤,经过化学处理(蚀刻)后,将损伤扩大成可在显微镜下观察的空洞,适于探测重核。 

  (高能所科技处制作 资料来自“粒子探测器与数据获取”、三思、百科、人民教育出版社、战略家网站、中国辐射防护网、郑志鹏报告“大型磁谱仪简介”等 )

原文链接:http://cloud.kepu.cn/space/gaonengwuli/cs_lztm/201506/t20150617_13846.html

 

 
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