核辐射探测器及其实验技术手册PDF电子书下载

目 录 1

序言 1

第一篇 核辐射探测的物理基础 1

概念与术语 1

第1章 放射性核素的衰变与天然放射性 6

1.1 放射性与衰变 6

1.2 衰变规律 7

1.3 天然放射系 12

1.4 天然放射系外的天然放射性核素 16

1.5 主要放射性核素表 17

第2章 核辐射与物质的相互作用 24

2.1 重带电粒子与物质的相互作用 24

2.1.1 电离损失 24

2.1.2 射程 25

2.1.3 α发射体表（按能量排列） 26

2.2 β粒子与物质的相互作用 29

2.2.1 电离和激发 29

2.2.2 轫致辐射 30

2.2.3 弹性散射 31

2.2.4 β粒子的吸收 32

2.2.5 β粒子的射程 33

2.2.6 电子与物质相互作用综合示意图 39

2.2.7 放射性核素的β粒子平均能量和最大能量表 40

2.2.8 放射性核素的β辐射的特性 43

2.3 γ射线与物质的相互作用 47

2.3.1 相互作用的种类 47

2.3.3 散射效应 48

2.3.3.1 康普顿效应 48

2.3.2 光电效应 48

2.3.3.2 瑞利散射 60

2.3.4 电子对产生 60

2.3.5 其他相互作用效应 60

2.3.6 衰减与吸收 61

2.3.7 参数表、图 63

2.3.7.1 部分γ辐射体表（按能量排列） 63

2.3.7.2 核素特征X射线表 70

2.3.7.3 各种能量的X射线源 72

2.3.7.4 γ射线与物质相互作用截面和元素的质量衰减系数表 75

2.3.7.5 物质的质量衰减系数表 122

2.3.7.6 γ射线质能、线能吸收系数表 124

2.3.7.7 线衰减系数图 135

2.3.7.8 γ射线吸收、透射列线图 138

2.3.7.9 几种物质的γ衰减特性表 139

第3章 中子物理 145

3.1 中子 145

3.2 获得中子的方法 147

3.2.1 放射性同位素中子源 147

3.2.1.1 （α、n）反应型中子源 147

3.2.1.2 （γ、n）反应型中子源 153

3.2.1.3 自发裂变型中子源 154

3.2.1.4 模拟裂变中子源 158

3.2.2 加速器中子源 158

3.2.2.1 （p,n）反应 158

3.2.2.2 （d,n）反应 160

3.2.2.3 （γ,n）反应 162

3.2.2.4 中子管 163

3.2.3.2 反应堆中子源的特性 164

3.2.3.1 反应堆的分类 164

3.2.3 反应堆中子源 164

3.2.3.3 脉冲反应堆 167

3.3 中子与核的相互作用 168

3.3.1 中子与核作用的分类 168

3.3.2 弹性势散射 168

3.3.3 核反应 170

3.3.4 中子激活 180

3.3.5 裂变 181

3.3.5.1 裂变碎片 181

3.3.5.2 瞬发中子与γ量子 181

3.3.5.3 缓发中子 183

3.4 中子与物质的相互作用 185

参考文献 187

概念与术语 189

第二篇 核辐射探测器 189

第4章 气体电离探测器 190

4.1 基本原理 190

4.1.1 气体的电离与激发 190

4.1.2 电子和离子的运动 192

4.1.3 外加电场与电离粒子的收集 193

4.1.4 坪、坪长与坪斜 194

4.2 气体电离室 194

4.2.1 工作原理 194

4.2.2 典型结构 194

4.2.3 电离室的分类 195

4.2.4 脉冲形状 197

4.2.5 各种形式的电离室 197

4.2.5.1 平行板电离室 197

4.2.5.3 球形电离室 199

4.2.5.2 圆柱形电离室 199

4.2.5.5 电容式电离室 200

4.2.5.4 空气壁电离室 200

4.2.5.6 屏栅（福里斯）电离室 203

4.2.5.7 外推电离室 204

4.2.5.8 空气等效壁电离室 205

4.2.5.9 自由空气电离室 205

4.2.5.10 布喇格－格雷空腔电离室 205

4.2.5.11 指形电离室 205

4.2.5.12 液体壁电离室 205

4.2.5.13 无壁电离室 205

4.2.5.14 组织等效电离室 205

4.2.5.16 高（气）压电离室 206

4.2.5.17 裂变（电离）室 206

4.2.5.15 井形电离室 206

4.2.5.18 三氟化硼电离室 208

4.2.5.19 衬硼电离室 208

4.2.5.20 补偿电离室 208

4.2.5.21 反冲质子电离室 209

4.2.5.22 α粒子电离室 210

4.2.5.23 含放射性气体的电离室 210

4.2.5.24 Ohmart室 210

4.2.6 商品电离室性能简介 211

4.3 正比计数管 214

4.3.1 工作原理 214

4.3.2 气体放大倍数 214

4.3.3 脉冲形状 214

4.3.5 各种特殊用途的正比计数管 217

4.3.5.1 BF3（三氟化硼）正比计数管 217

4.3.4 正比计数管的特性 217

4.3.5.2 衬硼正比计数管 219

4.3.5.3 反冲质子正比计数管 220

4.3.5.4 3He正比计数管 220

4.3.5.5 鼓形正比计数管 221

4.3.5.6 X射线和低能γ射线正比计数管 222

4.3.5.7 流气式4πβ正比计数器 222

4.3.5.8 流气式2π正比计数器 222

4.3.5.9 有限正比计数管 223

4.3.5.10 位置灵敏正比计数器 223

4.3.5.11 多丝正比室 224

4.3.6 商品正比计数管性能简介 225

4.4 盖革－弥勒计数管 234

4.4.1 工作原理 234

4.4.3 分类与原理结构 235

4.4.2 输出脉冲形状 235

4.4.4 各种特殊用途的盖革－弥勒计数管 236

4.4.4.1 端窗（钟罩）计数管 236

4.4.4.2 γ计数管 236

4.4.4.3 针状盖革－弥勒计数管 236

4.4.4.4 大面积收集电极盖革－弥勒计数管 237

4.4.4.5 内辐射源计数器 237

4.4.4.6 光敏盖革－弥勒计数器 238

4.4.4.7 吹气式大面积β有机盖革－弥勒计数管 238

4.4.4.8 强流管 238

4.4.5 商品盖革－弥勒计数管性能简介 238

4.5 连续放电型探测器 240

4.5.1 工作原理 240

4.5.2.1 流光室 241

4.5.2 各种连续放电型探测器 241

4.5.2.3 多板火花室 242

4.5.2.4 闪光室（管） 242

4.5.2.2 多丝火花室 242

4.5.2.5 （慢中子）电晕计数管 243

4.5.2.6 自猝灭流光（SQS）探测器 245

4.5.3 商品电晕管性能简介 245

第5章 半导体探测器 247

5.1 基本原理 247

5.1.1 半导体与禁带宽度 247

5.1.2 本征半导体、P型、N型和补偿半导体 248

5.1.3 PN结 250

5.1.4 法诺因子 251

5.1.5 半导体探测器材料 251

5.2.2 扩散结半导体探测器 253

5.2 结型半导体探测器 253

5.2.1 工作原理 253

5.2.3 面垒半导体探测器 254

5.2.4 离子注入PN结探测器 255

5.2.5 钝化离子注入平面硅（PIPS）探测器 255

5.3 锂漂移型半导体探测器（NIP探测器） 257

5.3.1 工作原理 257

5.3.2 平面型锂漂移锗［Ge(Li)］探测器 258

5.3.3 同轴型锂漂移锗［Ge(Li)］探测器 259

5.3.4 井型锂漂移锗［Ge(Li)］探测器 259

5.3.5 锂漂移硅［Si(Li)］探测器 260

5.4 高纯锗（HPGe）半导体探测器 261

5.4.1 工作原理与性能参数 261

5.4.2 平面锗探测器 263

5.4.3 低能锗（LEGe）探测器 264

5.4.4 同轴型锗探测器 265

5.4.5 倒置电极锗（REGe）探测器 266

5.4.6 井型锗探测器 266

5.5 化合物半导体探测器 267

5.5.1 CdTe探测器 268

5.5.2 GaAs探测器 269

5.5.3 HgI2探测器 270

5.5.4 CdSe探测器 271

5.5.5 SiC探测器 271

5.6 特殊半导体探测器 271

5.6.1 全耗尽探测器 271

5.6.2 位置灵敏硅探测器 271

5.6.3 电流型探测器 273

5.6.4 内放大探测器 274

5.6.5 半导体夹层中子测谱探测器 276

5.6.6 中子测谱半导体质子反冲探测器 279

5.6.7 中子注量率半导体探测器 280

5.7 半导体探测器的主要参量 280

5.7.1 窗厚 280

5.7.2 灵敏区厚度 281

5.7.3 结电容 281

5.7.4 反向电流特性 282

5.7.5 探测效率 283

5.7.6 能量分辨 283

5.7.7 脉冲形状 285

5.7.8 辐射损伤效应 285

5.8 半导体探测器系列表 286

6.1.2 闪烁体发光——无机闪烁体发光机理 293

6.1.1 闪烁体的分类 293

A．闪烁体 293

6.1 基本原理 293

第6章 闪烁探测器 293

6.1.3 闪烁体发光——有机闪烁体发光机理 295

6.1.4 闪烁体的主要特性参数 296

6.2 无机晶体闪烁体 298

6.2.1 NaI（Tl) 298

6.2.2 CsI(Tl)和CsI(Na) 301

6.2.3 ZnS(Ag) 303

6.2.4 LiI(Eu) 304

6.2.5 Bi4Ge3O12(BGO) 305

6.2.6 CdWO4 308

6.2.7 CaF2(Eu) 308

6.2.8 CsF 309

6.2.9 BaF2 311

6.3 有机晶体闪烁体 312

6.3.1 蒽晶体（C14H10） 312

6.3.2 茋晶体（C14H12） 313

6.3.3 萘（C10H8） 314

6.3.4 二苯乙炔（C14H10） 314

6.3.5 三联苯（C18H14） 314

6.3.6 其他 314

6.4 塑料闪烁体 315

6.4.1 普通塑料闪烁体 316

6.4.2 高β/γ塑料闪烁体 318

6.4.3 空气等效塑料闪烁体 320

6.4.4 α、β双闪烁体 320

6.4.5 气流β闪烁球 320

6.4.8 高温塑料闪烁体 321

6.4.6 高发光效率塑料闪烁体 321

6.4.7 塑料切伦科夫闪烁体 321

6.4.9 快时间塑料闪烁体 322

6.4.10 红光塑料闪烁体 322

6.5 玻璃闪烁体 324

6.5.1 玻璃闪烁体 324

6.5.2 主要性能参数 324

6.5.3 部分商品玻璃闪烁体 327

6.6 液体闪烁体 328

6.6.1 工作原理 329

6.6.2 液体闪烁体的组成 329

6.6.3 部分常用的液体闪烁体 335

6.7 气体闪烁体 339

6.8 闪烁体性能表及常用闪烁体表 339

B．光电倍增管 343

6.9.1 光电阴极 345

6.9 工作原理 345

6.9.2 电子光学输入系统 351

6.9.3 电子倍增器 351

6.9.4 阳极 352

6.10 光电倍增管的主要参数 352

6.10.1 光谱响应W与S——命名体系 352

6.10.2 量子效率Q（λ） 352

6.10.3 灵敏度 352

6.10.4 光阴极灵敏度的均匀性 354

6.10.5 第一倍增极光电子收集系数f 354

6.10.6 电流放大倍数（增益）G 354

6.10.7 暗电流 354

6.10.8 噪声 357

6.10.10 脉冲幅度分辨率 358

6.10.9 线性电流 358

6.10.11 时间特性 359

6.10.12 稳定性 359

6.11 通道型光电倍增管 361

6.11.1 通道电子倍增器 361

6.11.1.1 结构和工作原理 361

6.11.1.2 离子反馈 361

6.11.1.3 饱和效应 362

6.11.1.4 特性 362

6.11.1.5 使用 363

6.11.2 微通道板（MCP） 363

6.11.2.1 特点与应用 364

6.11.2.2 电特性 364

6.11.3.2 快响应光电倍增管 368

6.11.3.1 多阳极光电倍增管 368

6.11.3 微通道极光电倍增管 368

6.12 部分商品光电倍增管表 369

第7章 热释光探测器 384

概念与术语 384

7.1 基本原理 385

7.2 热释光材料 385

7.2.1 LiF 387

7.2.2 BeO 388

7.2.3 Li2B4O7 389

7.2.4 CaF2 390

7.2.5 CaSO4 390

7.2.6 Mg2SiO4:Tb 391

7.3.2 热释光（探测器）材料的选择 392

7.3.1 热释光测量仪 392

7.2.7 Mg2B4O7 392

7.3 使用技术 392

7.3.3 元件筛选 393

7.3.4 热释光探测器的刻度 393

7.3.5 热释光探测器的热处理 396

7.3.6 热释光测量 397

7.3.7 热释光照射量测量误差的来源 398

7.4 部分商品热释光探测器简介 399

第8章 径迹探测器 402

8.1 核乳胶 402

8.1.1 工作原理 402

8.1.2 核乳胶的成分 402

8.1.3 核乳胶的特性 403

8.1.4 核乳胶的实用技术 405

8.1.5.1 核2薄乳胶（50μm）的处理方法 406

8.1.5 核乳胶的处理 406

8.1.5.2 溶液配方 407

8.1.5.3 玻璃承托薄乳胶的处理方法 407

8.1.5.4 高注量α、γ或n辐照核乳胶的特殊处理 407

8.1.5.5 温度显影法 409

8.1.6 径迹观测 409

8.1.7 国产核乳胶表 409

8.2 固体径迹探测器 410

8.2.1 工作原理 410

8.2.2 固体径迹探测器材料 410

8.2.3 蚀刻技术 410

8.2.4 固体径迹探测器的性质 411

8.2.5 固体径迹探测器的使用技术 413

8.3.1 工作原理 414

8.3 云室 414

8.3.2 云室的种类 415

8.3.2.1 威尔逊云室（膨胀云室） 415

8.3.2.2 扩散云室 416

8.3.2.3 威尔逊云室与扩散云室的对比 416

8.4 气泡室 416

8.4.1 工作原理 416

8.4.2 气泡室的工作性能 417

8.4.3 气泡室的种类 419

第9章 其他类型探测器 421

9.1 自给能探测器 421

9.1.1 工作原理 421

9.1.3 自给能探测器的分类 422

9.1.2 自给能探测器的主要特性 422

9.1.4 部分商品自给能探测器表 424

9.2 切伦科夫探测器 424

9.2.1 工作原理 424

9.2.2 切伦科夫探测器的分类 426

9.2.2.1 切伦科夫电磁簇射探测器 426

9.2.2.2 铅－有机玻璃簇射探测器 427

9.2.2.3 切伦科夫粒子鉴别探测器 427

9.2.3 部分切伦科夫探测器表 429

9.3 中子激活指示器 430

9.3.1 工作原理 430

9.3.2 部分中子激活指示器 431

核辐射探测器总表 436

参考文献 439

概念与术语 443

第三篇 核辐射探测器实验技术 443

第10章 α、β、γ与n辐射探测器 446

10.1 α辐射探测器 446

10.2 β辐射探测器 448

10.3 γ辐射探测器 452

10.3.1 γ辐射探测原理 452

10.3.1.1 气体电离探测器 452

10.3.1.2 半导体探测器 453

10.3.1.3 闪烁探测器 454

10.3.2 γ辐射探测器 456

10.4.1 中子探测原理 457

10.4.1.1 核反应法 457

10.4 中子探测和中子探测器 457

10.4.1.2 核反冲法 459

10.4.1.3 核裂变法 459

10.4.1.4 核激活法 461

10.4.2 中子探测器 461

10.4.2.1 慢中子探测器 461

10.4.2.2 快中子探测器 462

10.4.2.3 特殊中子探测器 463

10.5 核辐射探测器汇总表 466

第11章 实验技术 468

11.1 闪烁探测器的实验技术 468

A．闪烁体 468

11.1.1 闪烁体尺寸的选取 468

11.1.2 光导 468

11.1.2.2 集光器 470

11.1.2.1 弯光导 470

11.1.2.3 锥台形光导 471

11.1.2.4 光导纤维光导 472

11.1.3 光反射剂 472

11.1.4 液体闪烁体的淬灭校正 473

11.1.5 液体闪烁计数瓶的优选尺寸 476

11.1.6 闪烁探测器输出电压脉冲的形状与参数的选取 477

11.1.7 闪烁探测器的幅度线性 478

11.1.8 闪烁探测器输出电流脉冲的形状 480

11.1.9 使用要点 481

B．光电倍增管 482

11.1.10 光电倍增管的选择 482

11.1.11 光电阴极的稳定性 484

11.1.12 光电阴极的均匀性 484

11.1.14 环境温度的影响与耐温特性 486

11.1.13 增益（电流放大）与电压 486

11.1.15 窗材料的透射率 489

11.1.16 外磁场与外电场屏蔽 490

11.1.17 高压连接 491

11.1.18 高压分压器 491

11.1.19 滤波电容与负载电阻 494

11.1.20 信号输出 494

11.1.21 倍增极链的设计步骤 495

11.2 气体电离探测器的实验技术 504

11.2.1 脉冲电离室输出回路与输出脉冲 504

11.2.2 盖革－弥勒计数管的输入回路 505

11.2.3 盖革－弥勒计数管的探测效率 506

11.2.4 盖革－弥勒计数管的温度效应 508

11.3 半导体探测器的实验技术 509

11.3.1 面垒型探测器的实用技术 509

11.2.5 使用要点 509

11.3.2 带电粒子半导体探测器辐射探测性能的测试方法 513

11.3.3 锗γ射线探测器辐射探测性能的测试方法 515

11.3.4 使用要点 516

11.4 核辐射探测器的分辨特性 516

11.4.1 能量分辨 517

11.4.2 时间分辨 519

11.4.2.1 探测器的分辨时间校正 519

11.4.2.2 闪烁探测器的时间分辨 519

11.4.3 位置分辨 521

11.5 核辐射探测器的坪特性 521

11.5.1 气体电离探测器的坪 522

11.5.2 闪烁探测器的坪特性 523

11.5.3 闪烁探测器的导出坪 523

11.6.1.1 辐射本底 525

11.6 核辐射探测器的本底 525

11.6.1 本底 525

11.6.1.2 噪声本底 526

11.6.1.3 探测器中的杂质放射性 527

11.6.2 降低本底的典型措施 530

11.6.2.1 物质屏蔽 530

11.6.2.2 反符合屏蔽 531

11.6.2.3 探测器结构材料与附属部件材料的选择与纯化 531

11.6.2.4 脉冲形状甄别技术 531

11.6.2.5 噪声本底的消除 531

11.6.2.6 降低串光本底的光学方法 531

11.6.3 样品与本底测量时间的最佳分配 532

11.7 准直器 532

11.8 前置放大器 533

11.9 核辐射探测器件的常用图形符号 535

第12章 核辐射探测的数据统计处理 537

12.1 核辐射探测的误差 537

12.1.1 误差的定义 537

12.1.2 误差的分类 537

12.1.3 精度 538

12.2 核辐射探测的统计分布 538

12.2.1 二项式分布（伯努利分布） 538

12.2.2 泊松分布 538

12.2.3 高斯分布（正态分布） 539

12.2.4 t分布［学生（student）分布］ 539

12.3 置信度 540

12.4 测量数据的检验 544

12.5 可疑数据的舍弃 545

参考文献 547

附录1 化学元素周期表 549

附录2 天然核素表 550

附录3 天然核素丰度表 552

附录4 法定计量单位表 555

附录5 常用物理常数表 557

附录6 基本粒子表 557

附录7 密度表 558

附录8 几种合成物质的等效原子序数Z 559

附录9 希腊字母及其读音 559

附录10 部分常用量的国际单位制单位与非国际单位制单位换算关系表 560

附录11 英制长度单位与法定单位换算表 560

附录12 品质因数Q 561

附录13 我国现行的剂量限值标准 561

附录14 β粒子和中子注量（率）限值 561

附录15 中子注量率－剂量当量率换算表 562