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第一章、探测器信号与前置放大器 §1、 核辐射探测器概述 核辐射与物质的相互作用； 电离、激发、光电效应 能量?电荷； 核辐射粒子通过介质时沉积部分或全部能量产正、负电荷对。 收集电荷，形成电信号； 测量电信号，可获得核辐射粒子所携带的信息。 常用探测器 脉冲电离室（电离） 正比计数器 （电离） 半导体探测器 （电离） 闪烁探测器 （激发，光电效应） 脉冲电离室 探测带电粒子 气体的平均电离能: ~ 20 - 40eV 非带电粒子？ 正比计数器 电离 ? 气体放大 气体放大倍数 ~ 101-103 探测更低能量粒子 半导体探测器 “固体电离室” 电子-空穴对 平均电离能: Si(室温） 3.61eV Ge(77K) 2.96eV 闪烁探测器 原子激发?发射光子?光电转换?倍增 平均光能输出额 3000//MEV 光阴极灵敏度 f(l) 倍增系数 探测器等效电路 探测器输出信号的基本特性 输出信号的幅度 探测器的固有能量分辨 探测器的线性和稳定性 时间特性（电流波形） 探测器信号幅度 输出信号的幅度取决于： 探测器中的介质 粒子沉积的能量 入射粒子在探测器介质中产生电荷对的平均对数为： 其中 E为入射粒子在介质中沉积的能量， 为平均电离能 ， A为探测器次级效应的倍增系数。 探测器信号幅度 定义 单位能量（如1Mev）产生的平均电荷对数 探测器的能量-电荷转换系数 对于1MeV的能量沉积，各探测器中产生的电荷： 脉冲电离宝：3×104 电子离子对 正比计数器：3×104×A 电子离子对 半导体探测器：3×105 电子空穴对 闪烁计计数器： 固有能量分辨 电荷产生过程存在着随机性，产生的电荷对数N的分布 ： 从测量的角度考虑 V的分布f(V)与f(N)相同，也是高斯分布 从实际测量的电压幅度谱得到的能量分辨： 几种探测器能量分辨的典型值： 脉冲电离宝：3～5%(0.1Mev) 正比计数器：14～20%(5.9Kev) Ge(Li)半导体探测器：0.1%(1.33Mev) Nal闪烁探测器：7～8%(662Kev) 探测器的线性和稳定性 线性 电荷对数平均值与所消耗粒子能量的线性程度 电离室和半导体探测器具有较好的线性 0.015% 闪烁体 1% 稳定性 受环境温度和电源电压变化的影响 探测器的时间特性 电荷的收集过程 ? 电流波形 基本原理，电荷在外电场作用下漂移 受探测器的介质，结构和机理影响 电离室输出波形 含有快慢两种成分分别在ms和ms量级 波形和粒子入射位置有关 正比计数器输出波形 iD(t)主要成分为倍增离子电流。 A为常数(外加电压、探测器内部气压等有关) a,b 为几何尺寸，b2约为a2的105倍 T一般为0.1～1ms 持续时间近似取从最大到1%这部分，即为0.1?s～1?s，与粒子入射位置无关 信号的产生时刻相对与粒子入射时刻有延迟,最大约为0.1?s～1?s 闪烁探测器的电流波形 其中Ti为光电倍增管电子平均渡越时间，sT为渡越时间涨落的偏差。t0为闪烁体荧光衰变时间常数。 电流持续时间取决于sT 和t0，两者都在1～100ns量级，因而电流持续时间在1～100ns量级。 电流波形的近似 当外电路的时间常数 电流持续时间， 进一步近似:Dt?0 d(t)函数的性质： ⑴采样性：对于任意函数 ⑵频谱为常数，即为“白谱” 探测器性能比较 * 为一个辐射粒子在探测器中产生的电流信号， CD为探测器输出电容,一般从几个 pF到几十 pF， RD为探测器输出电阻,一般从几百千欧姆至几百兆欧姆， Q为一个粒子产生的电荷量，正比于辐射粒子沉积在探测器中的能量。 对于闪烁探测器 其中 为光电倍增管的平均倍增系数， 为光电倍增管光阴极得到的电子数与入射粒子沉积在闪烁体中能量之比： 脉冲电离宝：0.25mV 正比计数器：25mV(设A = 100) 闪烁计数器：0.25V(设M = 105) 半导体探测器：2.5mV 输出信号的幅度为： 若探测器输出端电容CD=20pF，可估算得到上述四种探测器输出电压信号幅度大致为： 探测器的固有能量分辨定义为： *