实验一 探测器输出信号波形的观测 核电子学实验讲义.doc

实验一 探测器输出信号波形的观测 一、实验目的 1、通过实验，了解G-M计数管、闪烁探测器及金硅面垒半导体探测器输出的电压波形及其特点； 2、掌握三种探测器输出的电压波形的测试方法。 二、实验内容 1、G-M计数管输出电压波形的观测； 2、γ闪烁探头输出波形的观测； 3、面垒型半导体探测器输出波形的观测。 三、实验原理 核电子学研究的是如何测量、分析和处理核辐射探测器给出的模拟电信号，这些信号携带着核辐射的各种信息。例如，信号的幅度可能代表粒子能量，信号的形状可能反映粒子的类别，信号的时间关系可能代表核激发态寿命，或者反映出粒子飞行速度和径迹的空间分布，信号的计数率则反映了核辐射强弱。对核探测器输出信号波形进行研究，有助于我们选择适当的电子学系统来测量和分析这些信号，完成核物理研究的目的。 本实验将着重观察和研究G-M计数管、闪烁探测器及半导体探测器输出电压波形的特点。 1、G-M计数管 圆柱形G-M计数管主要用于γ射线的探测。在入射的γ射线作用下，从计数管的金属阴极上打出次级电子。这些次级电子使管内气体发生电离，产生的正负离子在电场作用下向两电极运动。负离子(电子)被阳极收集，在阳极产生负脉冲信号。脉冲信号幅度与计数管结构、特性和工作电压有关，而与射线能量无关。 图1-1 G-M计数管的死时间和恢复时间示意图 计数管在每次电离放电后，由于正负离子向两极迁移的速率不相等，当电子迅速到达阳极并被阳极中和时，正离子尚未到达阴极，从而在阴极附近形成一个正离子鞘。正离子鞘的存在，使阳极附近的电场减弱，此时若又有粒子进入计数管，亦不能引起雪崩放电，因而不能进行新的计数。随着正离子鞘趋向阴极，阳极附近的电场逐渐恢复。从计数管雪崩放电到管内电场刚刚恢复而可以产生新的电离过程需一定的时间，这段时间称为计数管的死时间或失效时间，用符号表示。经过时间后，计数管虽然可以开始进行新的计数，但由于阳极附近的电场仍很弱，形成的脉冲幅度仍很小，见图1-1。随着正离子鞘的逐渐消失，输出脉冲的幅度逐渐增大。再经过时间后，计数管内电场恢复正常，输出脉冲幅度也重新达到正常值。这段时间称为计数管的恢复时间。图1-1给出了示波器观察到的死时间和恢复时间的示意图。(要观察到此现象，对放射源的活度有何要求？) 计数管的分辨时间是指能探测两个接踵而至的射线粒子并被后接的记录仪器（如定标器）所分别记录时，两射线粒子间的最短时间间隔。显然，分辨时间的大小除与计数管的死时间有关外，也与后接定标器的灵敏度有关。若定标器的灵敏度足够高，则分辨时间近似等于计数管的死时间。 图1-2 G-M计数管探头 图1-2画出了G-M计数管探头的一种接线图，计数管所需的工作电压由定标器的正高压电源()通过了2MΩ电阻后供给。计数管输出的负脉冲经过隔直流电容后加到由两只三极管（3DG6）构成的怀特输出器，经连接电缆送到定标器进行计数，由于我们需要研究计数管输出电压波形，可在定标器的输入端引出信号进行观测。 2、γ闪烁探头 FJ-366型γ闪烁探头是由NaI(TL)闪烁体、光电倍增管及前置放大器组成。它可配合FH-408型通用定标器进行放射性计数，也可配合线性放大器及幅度分析器进行能谱测量。FJ-366型γ闪烁探头的原理电路图示于图1-3。闪烁探头内所用的晶体为Φ40×40的碘化钠晶体。当γ射线进入闪烁体后，损失能量而使晶体原子中的电子受到激发，形成在晶格中运动的自由电子。受激的电子运动到晶体中由于掺铊而形成的空穴处，将退激返回基态并发出荧光，把其激发能量转换为发射的光子能量，发光时间约为。闪烁体发出的荧光被光电倍增管的光阴极收集，从阴极上打出光电子。这些电子再受到光电倍增管中各打拿极的倍增放大，最后在阳极上形成电压脉冲输出。FJ-366型γ闪烁探头中所用光电倍增管是GDB—44型，属于百叶窗式非聚焦型。各打拿极电压采用均匀分压，分压电阻均为Ω。最后几个打拿极间再并联电容，以保证电压的稳定。光电倍增管采用正高压供电，所需高压由定标器的高压电源来提供。 光电倍增管输出的负极性电压脉冲经4700电容耦合至前置放大器。由于脉冲幅度较大，前置放大器就由具有很好跟随特性的怀特射极输出器担任。这里，怀特输出器主要用作阻抗变换。3、金硅面垒半导体探测器 当在金硅面垒半导体探测器上加以反向偏压后，若有(射线从入射面进入，穿过金面和P型区在PN结区产生电离。电离形成的电子-空穴对被加在结上的电场所收集，在结电容上形成一个电压讯号，其幅度为 这里为电离产生的总电荷，见图1-4。 图1-4 图中箭头所示为电荷对的充电方向。 但是，半导体探测器的结电容随温度及外加偏压的变化而改变。这样，对能量一定的入射粒子，虽然电荷是相同的，由于的不稳定，使得输出信号的幅度也随之发生变化。这将给能谱测量带来很大困难。为解决这个