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粒子探測器大家族
2010-04-19 | 瀏覽次數(shù):|【

粒子探測器是核物理、粒子物理研究及輻射應(yīng)用中不可缺少的工具和手段。當(dāng)粒子和探測器內(nèi)的物質(zhì)相互作用而產(chǎn)生某種信息(如電、光脈沖或材料結(jié)構(gòu)的變化),經(jīng)放大后被記錄、分析,以確定粒子的數(shù)目、位置、能量、動量、飛行時間、速度、質(zhì)量等物理量。

按照記錄方式,粒子探測器大體上分為計數(shù)器和徑跡室兩大類?!?/P>

計數(shù)器類:以電脈沖的形式記錄、分析輻射產(chǎn)生的某種信息?!?/STRONG>

氣體電離探測器——通過收集射線在氣體中產(chǎn)生的電離電荷來測量核輻射。主要類型有電離室、正比計數(shù)器和蓋革計數(shù)器。它們的結(jié)構(gòu)相似,一般都是具有兩個電極的圓筒狀容器,充有某種氣體,電極間加電壓,差別是工作電壓范圍不同。電離室工作電壓較低,直接收集射線在氣體中原始產(chǎn)生的離子對。其輸出脈沖幅度較小,上升時間較快,可用于輻射劑量測量和能譜測量。正比計數(shù)器的工作電壓較高,能使在電場中高速運動的原始離子產(chǎn)生更多的離子對,在電極上收集到比原始離子對要多得多的離子對(即氣體放大作用),從而得到較高的輸出脈沖。脈沖幅度正比于入射粒子損失的能量,適于作能譜測量。蓋革計數(shù)器又稱蓋革-彌勒計數(shù)器或G-M計數(shù)器,它的工作電壓更高,出現(xiàn)多次電離過程,因此輸出脈沖的幅度很高,已不再正比于原始電離的離子對數(shù),可以不經(jīng)放大直接被記錄。它只能測量粒子數(shù)目而不能測量能量,完成一次脈沖計數(shù)的時間較長。 

多絲室和漂移室——是正比計數(shù)器的變型。既有計數(shù)功能,還可以分辨帶電粒子經(jīng)過的區(qū)域。多絲室有許多平行的電極絲,處于正比計數(shù)器的工作狀態(tài)。每一根絲及其鄰近空間相當(dāng)于一個探測器,后面與一個記錄儀器連接。因此只有當(dāng)被探測的粒子進(jìn)入該絲鄰近的空間,與此相關(guān)的記錄儀器才記錄一次事件。為了減少電極絲的數(shù)目,可從測量離子漂移到絲的時間來確定離子產(chǎn)生的部位,這就要有另一探測器給出一起始信號并大致規(guī)定了事件發(fā)生的部位,根據(jù)這種原理制成的計數(shù)裝置稱為漂移室,它具有更好的位置分辨率(達(dá)50微米),但允許的計數(shù)率不如多絲室高。 

半導(dǎo)體探測器——輻射在半導(dǎo)體中產(chǎn)生的載流子(電子和空穴),在反向偏壓電場下被收集,由產(chǎn)生的電脈沖信號來測量核輻射。常用硅、鍺做半導(dǎo)體材料,主要有三種類型: 

在n型單晶上噴涂一層金膜的面壘型; 

在電阻率較高的p型硅片上擴散進(jìn)一層能提供電子的雜質(zhì)的擴散結(jié)型; 

在p型鍺(或硅)的表面噴涂一薄層金屬鋰后并進(jìn)行漂移的鋰漂移型。高純鍺探測器有較高的能量分辨率,對γ輻射探測效率高,可在室溫下保存,應(yīng)用廣泛。砷化鎵、碲化鎘、碘化汞等材料也有應(yīng)用。 

閃爍計數(shù)器——通過帶電粒子打在閃爍體上,使原子(分子)電離、激發(fā),在退激過程中發(fā)光,經(jīng)過光電器件(如光電倍增管)將光信號變成可測的電信號來測量核輻射。閃爍計數(shù)器分辨時間短、效率高,還可根據(jù)電信號的大小測定粒子的能量。閃爍體可分為三大類: 

無機閃爍體,常見的有用鉈(Tl)激活的碘化鈉NaI(Tl)和碘化銫CsI(Tl)晶體,它們對電子、γ輻射靈敏,發(fā)光效率高,有較好的能量分辨率,但光衰減時間較長;鍺酸鉍晶體密度大,發(fā)光效率高,因而對高能電子、γ輻射探測十分有效。其他如用銀 (Ag)激活的硫化鋅ZnS(Ag)主要用來探測α粒子;玻璃閃爍體可以測量α粒子、低能X輻射,加入載體后可測量中子;氟化鋇 (BaF2)密度大,有熒光成分,既適合于能量測量,又適合于時間測量。 

有機閃爍體,包括塑料、液體和晶體(如蒽、茋等),前兩種使用普遍。由于它們的光衰減時間短(2~3納秒,快塑料閃爍體可小于1納秒),常用在時間測量中。它們對帶電粒子的探測效率將近百分之百?!?/P>

氣體閃爍體,包括氙、氦等惰性氣體,發(fā)光效率不高,但光衰減時間較短(<10納秒)?!?/P>

切侖科夫計數(shù)器——高速帶電粒子在透明介質(zhì)中的運動速度超過光在該介質(zhì)中的運動速度時,則會產(chǎn)生切倫科夫輻射,其輻射角與粒子速度有關(guān),因此提供了一種測量帶電粒子速度的探測器。此類探測器常和光電倍增管配合使用;可分為閾式(只記錄大于某一速度的粒子)和微分式(只選擇某一確定速度的粒子)兩種?!?/P>

穿越輻射計數(shù)器——高速帶電粒子穿過兩種介質(zhì)的界面會產(chǎn)生穿越輻射,其輻射能量與粒子能量成正比。在粒子速度極高,十分接近光速時,用飛行時間和契倫科夫計數(shù)器都無法通過分辨速度來鑒別粒子,而穿越輻射計數(shù)器提供了鑒別該能區(qū)高能粒子的新方法?!?/P>

電磁量能器(或簇射計數(shù)器)——高能電子或γ光子在介質(zhì)中會產(chǎn)生電磁簇射,其次級粒子總能量損失與入射粒子總能量成正比。因此,一旦收集到總能量損失即可確定粒子的總能量。電磁量能器分為全吸收型如碘化鈉(鉈)、鍺酸鉍、鉛玻璃等和取樣型兩種。后者由取樣計數(shù)器與鉛板交迭而成。取樣計數(shù)器可以是液氬電離室、塑料閃爍計數(shù)器和多絲室?!?/P>

強子量能器——高能強子在介質(zhì)中會產(chǎn)生強子簇射。收集到總電離電荷即可確定強子總能量,通常采用閃爍計數(shù)器或多絲室與鐵(鈾)板交迭而成?!?/P>

除上述常用的幾種計數(shù)器外,還有氣體正比閃爍室、自猝滅流光計數(shù)器,都是近期出現(xiàn)的氣體探測器,輸出脈沖幅度大,時間特性好。

 

徑跡室類:通過記錄、分析輻射產(chǎn)生的徑跡圖象測量核輻射。 

核乳膠——能記錄帶電粒子單個徑跡的照相乳膠。入射粒子在乳膠中形成潛影中心,經(jīng)過化學(xué)處理后記錄下粒子徑跡,可在顯微鏡下觀察。它有極佳的位置分辨本領(lǐng)(1微米),阻止本領(lǐng)大,功用連續(xù)而靈敏?!?/P>

云室和泡室——使入射粒子產(chǎn)生的離子集團(tuán)在過飽和蒸氣中形成冷凝中心而結(jié)成液滴(云室),在過熱液體中形成氣化中心而變成氣泡(泡室),用照相方法記錄,使帶電粒子的徑跡可見。泡室有較好的位置分辨率(好的可達(dá)10微米),本身又是靶,目前常以泡室為頂點探測器配合計數(shù)器一起使用?!?/P>

火花室和流光室——這些裝置都需要較高的電壓,當(dāng)粒子進(jìn)入裝置產(chǎn)生電離時,離子在強電場下運動,形成多次電離,增殖很快,多次電離過程中先產(chǎn)生流光,后產(chǎn)生火花,使帶電粒子的徑跡成為可見。流光室具有較好的時間特性。它們都具有較好的空間分辨率(約200微米)。除了可用照相記錄粒子徑跡外,還可記錄電脈沖信號,作為計數(shù)器用?!?/P>

固體徑跡探測器——重帶電粒子打在諸如云母、塑料一類材料上,沿路徑產(chǎn)生損傷,經(jīng)過化學(xué)處理(蝕刻)后,將損傷擴大成可在顯微鏡下觀察的空洞,適于探測重核。 

(高能所科技處制作 資料來自“粒子探測器與數(shù)據(jù)獲取”、三思、百科、人民教育出版社、戰(zhàn)略家網(wǎng)站、中國輻射防護(hù)網(wǎng)、鄭志鵬報告“大型磁譜儀簡介”等 )


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