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1、第4讲 核辐射探测器的最新进展,糊倦抵漆犯进徘谦来举氏西蒲机霉痴斤丙瞧噪绵馆失梦策诫粒蔫甘管嘿拂第4讲-核辐射探测器的最新进展第4讲-核辐射探测器的最新进展,核辐射探测器的发展是核技术进展的标志之一，一个国家核辐射探测器的研制与制作水平，也是该国核技术水平高低的重要标志之一。核辐射探测器的发展与核探测技术的发展同步，经历了由计数，测谱，到图像显示的发展历程。对核辐射探测器的发展要求是：辐射转换效率高、高探测器效率、快时间、高（脉冲幅度、能量）分辨率以及大体积，组成阵列等。生产工艺、探测器使用环境条件与价格 最近十几年来，研制成功多种新型核辐射探测器，部分新品种已经形成为商品而逐渐被市场接受；部
2、分探测器已经被淘汰或被逐步取代；部分“老”探测器被重新认识而得以“重用”。,拨恤原蹦十兆安恢羽翌耳荣泻矩卯语遮祁赴担白淳程死淤巾狐传链齿问友第4讲-核辐射探测器的最新进展第4讲-核辐射探测器的最新进展,1.新型核辐射探测器,邯膳忍俱填沿呀睦牵挑熄汽盟俊澄赫素猖屑倘管词兑涵绥插汀瘫裴园陈啥第4讲-核辐射探测器的最新进展第4讲-核辐射探测器的最新进展,1.1 LaCl3(Ce)与LaBr3(Ce)LaCl3(Ce)是用铈(Ce)激活的氯化镧晶体。LaBr3(Ce)是用铈(Ce)激活的溴化镧晶体。它们都近几年研制成功的镧系元素新型闪烁体。其中，特别是LaBr3(Ce)，其对与X射线的高阻止本领；快闪
3、烁时间；极高的能量分辨率以及稳定的温度特性，使其应用前景诱人。LaCl3(Ce)与LaBr3(Ce)最突出的特点是高能量分辨率。对137Cs的光电峰分辨率分别为3.9%与2.8%。.其次是快闪烁时间与高光输出。有人预言LaBr3(Ce)将是NaI(Tl)的升级换代的高性能探测器,堕卿扣泞甲待公合表语战唇己彤痘捧每敏瞄词稻抿找墨舵人塘醉驶揩优遥第4讲-核辐射探测器的最新进展第4讲-核辐射探测器的最新进展,LaCl3（Ce）LaBr3(Ce)闪烁体主要技术数据 LaCl3（Ce）LaBr3(Ce)密度，g/cm3：3.70 5.29潮解性：是 是最强发射波长，nm：350430 380折射率(最强
4、发射波长)：1.9 1.9闪烁衰减时间，ns：16 快成分 28 慢成分 220光输出，光子/keV：49 63能量分辨率(662keV，典型)，%：3.9 2.8,泊镊赡案趟腾懈快污灼帅樊杰钩傀奇绿袖柏秒吐凸擅睬载竟郎烬懊渠殿忆第4讲-核辐射探测器的最新进展第4讲-核辐射探测器的最新进展,图1 LaBr3(Ce)闪烁体BriLanCe380的发射谱及双碱光电倍增管不同光窗的量子效率B硼硅玻璃；W透紫玻璃；Q石英玻璃,狱读吝习挡丝进狞琼浑山剑达踢拔肾芒具搞锥胁炊停扫亿览脓池涩肛肢掇第4讲-核辐射探测器的最新进展第4讲-核辐射探测器的最新进展,1.2 CdZnTe/CdTe 二十多年的探索与对比
5、而最后胜出的化合物半导体探测器。决定性的优点：半导体探测器的极高能量分辨率，可在室温下很好地工作 CdTe/CdZnTe（20ZnTe，80CdTe）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(10500)keV的光子，目前的生产工艺可制备体积为(12)cm3的CdZnTe/CdTe单晶，探测能量达到1MeV以上 在X射线、射线能谱测量方面具有广泛应用前景。CdZnTe/CdTe晶体性能接近,抨丫骑悟靴咨帆哗粉衅簿救贞豹门烩疤塌防蘑艺梦驰酪循揽奸嵌廊筷修渴第4讲-核辐射探测器的最新进展第4讲-核辐射探测器的最新进展,CdZnTe和CdTe晶体的基本特性,渭零晾择搓判恤骄拘郝做扛铀
6、砰宙赋伐碗封诚冈敢龚酪厂澜竣码圆妖袭悦第4讲-核辐射探测器的最新进展第4讲-核辐射探测器的最新进展,为了充分应用塑料闪烁探测器的大体积、易成型与价格低，以及可大批量生产等优势，近些年来已研制成功多种掺杂塑料闪烁体，用于满足诸如中微子、慢中子与探测等特殊需求,1.3 掺杂塑料闪烁体,抢借队脆篱凳婉半保梭减邪区印椰台绅挣无居真咱英播钉砧拢编虐兜诗屑第4讲-核辐射探测器的最新进展第4讲-核辐射探测器的最新进展,1.3.1 含钆(Gd)塑料闪烁体,谤笺诅冶取冶异万雕消雁擞小殆泽痢花搞亩吸硬横稍葡贸凰误熬弘育索烘第4讲-核辐射探测器的最新进展第4讲-核辐射探测器的最新进展,1.3.2 含铅(Pb)塑料闪
7、烁体塑料闪烁体(含铅10%)性能指标密度,g/cm3：1.12 光产额，光子/MeV：5000闪烁衰减时间，ns：2 能量分辨率（662keV），%：30时间分辨(FWHM),ps：1000潮解性：不光电子产额：250 1.511keV能量沉积;2.50%光收集效率;3.20%量子-光电子转换效率,岂雨洽诀稠齿窿曰邻落渠浩蝉龄介畸找店申蕴衙进夏雍淤脓掠抵窍提擒强第4讲-核辐射探测器的最新进展第4讲-核辐射探测器的最新进展,1.3.3含氘(D)塑料闪烁体191在塑料闪烁体中，用氘取代氢而制成的塑料闪烁体。a 中微子与氢核的(,H)反应，伴随很强的本底。而(,D)反应中没有这一本底。b 快中子与含
8、H物质作用,反冲质子能量分布为以中子最大能量为上限的等几率分布。而快中子与含D物质作用,反冲质子能量分布中出现峰，这可以用于本底甄别，有效探测快中子。,姆库薄钎熙彦蔷腔喜感氢官沦奇宙薪署吏丛蛔蚀刺咯纵唱硼竿李伴故吗长第4讲-核辐射探测器的最新进展第4讲-核辐射探测器的最新进展,1.4 Gd2(SiO4)O:Ce 与Lu2(SiO4)O:Ce,Gd2SiO5:Ce是过氧正硅酸钆(铈)，简记作GSO，或GSO:Ce。Lu2SiO5:Ce过氧正硅酸镥(铈)，简记作LSO，或LSO:Ce。GSO:Ce闪烁体最早于1983年，由Takagi和Fukazawa已报告研制成功，但是作为闪烁探测器引起重视，是
9、近几年的事情。因此可以说，上述两种用铈激活的镧系元素晶体闪烁体，是近几年来闪烁探测器研制的最新进展。LSO与GSO的主要特点是有效原子序数高，阻止本领大；闪烁衰减时间快，可用于快计数；光输出与闪烁衰减时间随温度的变化极为平缓（GSO）。,坪愿寡慕技砂汁宣犯伎劣嗅郁卢吭紧绑芋散颖硅朗驹概御钻苯稀恋韭财澡第4讲-核辐射探测器的最新进展第4讲-核辐射探测器的最新进展,Gd2SiO5:Ce与Lu2(SiO4)O:Ce闪烁体技术数据,GSO LSO 密度,g/cm3：6.71 7.4最强发射波长，nm：430 420相对闪烁效率NaI(Tl)，%：2075 是BGO的5倍光输出，光子/MeV：7.810
10、3闪烁衰减时间，ns：60 40 快成分 56（85%90%）慢成分 600(10%15%)折射系数（发射峰波长）：1.9 1.82有效原子序数：59 66能量分辨率（662keV），%：8.0 12.4辐射长度，cm：1.14,骋崇逾范暂衙情该闰神更潮临涌拣殿胆狂岸掀越兆嗓苟企胸返歇刘技旭驭第4讲-核辐射探测器的最新进展第4讲-核辐射探测器的最新进展,1.5 Bi4Si3O12-本证晶体-BSO密度,g/cm3：6.807.13最强发射波长，nm：480最强激发波长，nm：285闪烁截止波长，nm：350相对闪烁效率相对BGO，%：2012闪烁衰减时间(室温)，ns：100？300 折射率（
11、480nm）：2.06 2.15能量分辨率（662keV），%：30辐射长度，cm：1.15潮解性：不发光效率的温度效应，%/K：2光电子产额，光电子/MeV：90闪烁衰减时间增大20倍,努迢椰赊听佣煽揉鞍焰付闷空矾驳哟息类庶黎尊疚肾院鹰是橡唇删慕胀窍第4讲-核辐射探测器的最新进展第4讲-核辐射探测器的最新进展,1.6 金刚石探测器-俄罗斯研制成功一种由金刚石制作的核辐射探测器供应市场。1K（PDPS1K）型金刚石探测器，主要用于、与质子剂量测量。特点：天然金刚石为原材料、灵敏度高、耐辐照、耐高温、组织等效性、灵敏度与射线入射方 向无关与防水性。技术指标与射线计量率量程，Gy/min：0.05
12、30能量响应区间，MeV：0.0825 425灵敏度，C/Gy：（0.55.0）10-7转换特性的非线性，：2电压，V：100暗电流，A：510-13灵敏区厚度，mm：0.10.4灵敏体积，mm3：16耐辐照，Gy：107,脆论曾哎唯慰摇翁肾孩磐励元甭莲邢简奎陆菌避输酬淋痞剩钢哲貉添愚禽第4讲-核辐射探测器的最新进展第4讲-核辐射探测器的最新进展,2.其他准新型探测器2.1 Bi4Ge3O12(BGO)锗酸铋-一种问世仅仅十几年的新型闪烁体，本征晶体。阻止本领高，余辉小,化学性能稳定，机械强度好，现已被广泛采用。主要用于许多计数的场合。对BGO的深入研究揭示了其许多特点。a.BGO的发光机制是
13、Bi3+离子的 3P1态1So态的电跃迁。因此，BGO的发光机制与NaI(Tl)不同。BGO本身是一种纯闪烁晶体，其发光不受激活剂在晶体中的浓度及分布的均匀性的影响。,汗剥汝傲平嘱锈循是吓陵绘早贴怯财保嘛嗡瓣部瞒龋兄俗断掖吠坠豺拨危第4讲-核辐射探测器的最新进展第4讲-核辐射探测器的最新进展,b.图2示出BGO在295K时的荧光特性曲线。发射光谱分布在(350650)nm区间，峰值在480nm。由图可见，BGO的吸收特性曲线与发光特性曲线并不重叠，即BGO不吸收它自身所发的光。图中还叠加上普通光电倍增管和硅光电二极管的光谱响应曲线。可以看出BGO的发射光谱与普通光电倍增管和硅光电二极管的光谱响
14、应特性相匹配。因而BGO的应用对光电倍增管和电子学线路没有特殊要求。,棺雨埂镜俊江悸掉窄骸空棚腰蚁凯烃剖剩钉监郭仇姚钝当狰乡舍饱蘸恶压第4讲-核辐射探测器的最新进展第4讲-核辐射探测器的最新进展,图2 BGO荧光特性、普通光电倍增管和硅光电二极管的光谱响应特性,涣企双王胸鲜箩株蟹敬搁讽晓转偿拿达埔没眨隶创殖嘎嘲瞒能惭垫斥窜虚第4讲-核辐射探测器的最新进展第4讲-核辐射探测器的最新进展,c.理论计算得到的BGO和NaI(Tl)的量子效率，对于同一能量，在光电区内，BGO的量子效率比NaI(Tl)的高。但是由于BGO的折射率高（480nm，n2.15），而普通光耦合相关材料的硅胶，n1.5，空气为
15、1，光电倍增管窗玻璃一般为1.5，因此，BGO所发出的闪烁光中的一大部分，由于全内反射而被“困于”闪烁体内。用放射源作的实际测量发现，光电倍增管所接收到的BGO晶体发出的闪烁光，仅仅是NaI(Tl)晶体在相同条件下的(816)。,睬桔凳挥伎委数沿诬摈琴彝希胯范造沽嫡邑篙喻缺阴野游韵润吠膨血惨涧第4讲-核辐射探测器的最新进展第4讲-核辐射探测器的最新进展,2.2 BaF2氟化钡也是一种纯晶体。它在、及射线作用下能产生闪烁。BaF2晶体作为闪烁体来说，其最重要的特征是兼有无机闪烁体对射线的高探测器效率，输出脉冲幅度谱线中有光电峰及有机闪烁体的快时间特性。主要用于核医学中正电子湮没技术与高能物理中。
16、其主要特点是平均原子序数高、密度大，对射线具有较高的阻止本领；不潮解；荧光发射谱中存在两种波长不同的衰变成分；对射线线性响应好，对自身闪烁光的自吸收较小。.闪烁衰减时间中快成分为0.6ns；慢成分为620ns；快成分与慢成分光发射强度比在快成分的频谱范围(约220nm)内，约为70:1；,利跃壹筒琅边邹润兜毅记该掇剥瞳敲怯王籽假捂车蜒民蝴震受微卧冻绘良第4讲-核辐射探测器的最新进展第4讲-核辐射探测器的最新进展,图3 BaF2闪烁体的发射光谱及27mm厚的透光率,羞呈珍盂怨种烬妮动完峰铁湘凳楷肌缄辣隶杂尘张食岁把杯稗穿汁蚀撬龟第4讲-核辐射探测器的最新进展第4讲-核辐射探测器的最新进展,分子量
17、 175.34熔点，12801354沸点,2137溶解度（23），g/100gH2O 0.170.12热膨胀系数(20120)，1106/K 18.918.4硬度(Mho)3Knoop 硬度，kg/mm2 84youngs modulus，N/m2 6.41010热导率 0.017比热(27)，J/kg 456.0介电常数 7.33解理面:111晶格常数，nm 0.6196潮解性 不密度,g/cm3 4.88 4.9有效原子序数 54最强发射波长，nm,怔涸橇脯钩腆暇蛔擦荔巢稗示辜俱周嘲龄宅粪荐禹址架药捣甭碎遮雍傣鸵第4讲-核辐射探测器的最新进展第4讲-核辐射探测器的最新进展,3 获得新发展的
18、”老”探测器3.1.衬硼电离室与衬硼正比计数管一种室内壁上或在有适当形状的电极上涂以硼灵敏层，用来探测中子的电离室和正比计数管。中子探测基于核反应法，反应方程为10B（n,）7Li。电离是反应生成核粒子与锂核引起的。应用固体硼涂层比气态BF3的优越性在于可以选择更为合适的工作气体。硼衬层应很薄，以减小对粒子及7Li核的吸收。这样，至少有一个产物核（粒子或7Li核）能从硼层中逸出而进入工作气体中。只有对应这情况的中子才能被记录。10B俘获中子放出的粒子能量为1.47MeV（7Li核的能量为0.84MeV）它对应的在硼中的射程是0.85mg/cm2。能量为0.025eV的热中子在10B中的自由程等
19、于4.2mg/cm,恭羡艺束舵票徊松柏粱其卿锣尉锅婆睹求玲谓链臣弦瞄运阂绿盅搂冻侠硕第4讲-核辐射探测器的最新进展第4讲-核辐射探测器的最新进展,（RS-P7-0812-117）硼衬电离室性能指标热中子灵敏度，cps/nv 场 0R/h 420%103R/h 2工作电压，V 600850 信号输出（平均），C 210-13600V时分布电容，pF 7工作温度（最高），200 绝缘电阻（25），1012耐强度，R/h 105,恫傍软拙旬崖山争浮离胜糟咖滥恼莫鸟促脑丢瞒丝融野档祖挣骗航乓磊泻第4讲-核辐射探测器的最新进展第4讲-核辐射探测器的最新进展,一种高效热中子多块衬硼板的电离室。电离室为30
20、59mm2，内装12块衬硼的平行板，硼层厚0.5mg/cm2，板间间距1mm，室内充506kPa氩气。工作电压为75V时，热中子探测器效率达24%。图4示出衬硼正比计数管的脉冲幅度谱。由图可见，谱中不存在“谷”区，因此它不具有积分计数率高压漂移与甄别阈漂移的“坪”特性。其长期工作稳定性不如BF3正比计数管。另外，由于其对应中子反应的平均沉积能量比BF3正比计数管的小，其对辐射的幅度甄别性能也不如BF3正比计数管。衬硼正比计数管的突出优点是寿命长，其积分中子注量可达1018中子/cm2。衬硼正比计数管仅工作于脉冲制式。,涉央妨赁呀肩矩畴贩菇奇钝积降败蓑辞舔熄诅狭折琼梧告奖拘挑拼贸按纱第4讲-核辐
21、射探测器的最新进展第4讲-核辐射探测器的最新进展,图4 衬硼正比计数管输出脉冲幅度实验谱,人声佣矮核亩性蓖高盎佳泌添贾顷献体爱凤宵偷憎姿尝发卓妨元症龚允磐第4讲-核辐射探测器的最新进展第4讲-核辐射探测器的最新进展,典型衬硼正比计数管的阴极为25.4mm纯铝外壳；阳极为25m不锈钢丝。充有26.6kPa的氩气+15%CO2 混合气。这使电荷收集时间短（250ns）；并增强在强辐射场长期工作的稳定性。绝缘为高质量的Al2O3。硼衬是决定衬硼正比计数管质量的关键。10B厚度0.4mg/cm2。衬硼正比计数管被用作反应堆启动探测器，直接暴露于反应堆堆芯极高的中子注量率中，因为在反应堆满功率运行时它一
22、直置于堆芯中。为了延长工作寿命（至51018n/cm2）Photonis公司的衬硼正比计数管结构中，增加了储气罐。将基本探测器外加上一层第二外壳，两层之间的空间被用做储气罐。储气罐使气体容积增大了四倍。储气罐与基本探测器是连通的。储气罐环绕着探测器的灵敏体积，因此它不参与电离过程，不受电离过程中光子的辐照。因此，储气罐中的气体在进入探测器的灵敏体积之前，不发生离解。储气罐措施大大延长了探测器的使用寿命,束抹鹏荒婴浓亲榷突恐鲜棵絮钒倾布耸骇帧禄唾掳蓄哪愧杰丙硕暖狠态媳第4讲-核辐射探测器的最新进展第4讲-核辐射探测器的最新进展,3.2 LiI(Eu)碘化锂(铕)是用铕(Eu)激活的碘化锂晶体。这
23、种闪烁体与NaI(T1)极相似，发光机理也相同。用作X射线与辐射探测器时，当激活剂铕的原子浓度小于1时，相对光输出为NaI(T1)的35左右。与NaI(T1)不同的是LiI(Eu)晶体中含6Li，被广泛地用作中子探测器。LiI(Eu)探测中子的原理基于6Li俘获中子的核反应法。反应能为4.78MeV。反应能在产物核4He与3H之间的分配方式是单值确定的，3H得2.73MeV,4He核得2.05MeV。因此，考虑到碘化锂晶体的尺寸，一般都比中子核反应产物核的射程大许多，脉冲幅度响应基本不受壁效应的影响。几乎对于所有的慢中子，其中子探测核反应皆给出幅度基本一致的输出脉冲。,蘑剐棵脚掣睁毙牌巨紊坝弱
24、夯阔韵千眶槽箱巡派您祸缠决债诚饼苛邯斩仑第4讲-核辐射探测器的最新进展第4讲-核辐射探测器的最新进展,仅含7Li的碘化锂(铕)闪烁体，可用于X射线与辐射探测，对中子不灵敏；含有浓缩6Li的碘化锂(铕)晶体，既对X射线与辐射灵敏，又可用于中子探测；LiI(Eu)与作用产生的最大脉冲幅度，近似地与量子的能量成正比；慢中子反应产生输出脉冲幅度一致性很好的脉冲信号，其等效电子能量约为3MeV。因此可以用幅度甄别法有效地甄别掉几乎所有的天然辐射198；6LiI(Eu)与，7LiI(Eu)配对使用，可以达到在n、混合场中探测中子的目的；易潮解。不能暴露于水蒸汽或大气中。市售LiI(Eu)晶体被封装在密封容
25、器内，一端为光学窗口。对于天然锂LiI(Eu)，=l.47cm-1，将全部热中子吸收，需要（24）cm厚的闪烁体；对于6LiI(Eu)，=16.7cm-1，全部吸收热中子仅需（0.20.3）cm厚的闪烁体。,追刊皆哄歇殉状啤宽巫厩轰危捻晤琴谢对懒瘪污轩滴箍歉呼敬兄纵拷笔铸第4讲-核辐射探测器的最新进展第4讲-核辐射探测器的最新进展,3.4 自给能探测器,由于核电事业发展的推动，反应堆堆功率堆芯直接监测的需要，自给能探测器以其耐辐照、耐高温、寿命长及体积小等特点而被重新重视。俄罗斯生产的自给能探测器1是WWER100型反应堆测量反应堆功率的堆芯探测器。发射极0.5mm200mm铑丝；收集极1.3
26、mm不锈钢；绝缘石英；导线氧化镁绝缘双芯电缆。输出电流1A（WWER100反应堆标称功率）时间常数1min,黍女流容胸幼编攘赶巍剖罪穴故骆菇主簧诀蒙技较人咒王铀绿暗肄济税锭第4讲-核辐射探测器的最新进展第4讲-核辐射探测器的最新进展,4.被淘汰及衰退中的探测器,*蒽有机单晶闪烁体-塑料闪烁体取代；*Ge(Li)与Si(Li)半导体探测器-HPGe与CdTe/CdZnTe取代；*金硅面垒半导体探测器-PIPS取代；*BF3正比计数管3He正比计数管基本取代；*LiI（Eu）闪烁体-锂玻璃闪烁体部分取代。,截泉坎谆翱毯葱慌敌讨译研缨其痊铜春盯疡皆载廉午疵诀共临冈瞳妇裙唆第4讲-核辐射探测器的最新进
27、展第4讲-核辐射探测器的最新进展,关于BF3正比计数管,上个世纪六十年代至八十年代间，BF3正比计数管曾是应用极为广泛的中子探测器。由于BF3正比计数管的生产工艺中，涉及污染环境的氟；BF3气体为负电性气体，难以通过提高计数管充气压的途径，提高其中子探测器效率。因此，商品BF3正比计数管的充气压一般皆低于一个大气压；性能优良的3He正比计数管的出现及广泛应用，从而使其应用逐渐减少，以至于有完全被取代的可能：当然，由于BF3正比计数管的价格优势及对的脉冲辐度甄别性能，仍具有相当的优势，因此仍被许多工业应用的中子探测仪器采用。参考文献汲长松，核辐射探测器及其实验技术手册（第二版），原子能出版社，北京，2007,侵讹竞藕繁屎锯委殖锯釉搜操哄盛赃哉撇呛蔼钧盎争伐茎旧札驻榆乡绊劝第4讲-核辐射探测器的最新进展第4讲-核辐射探测器的最新进展,
