γ射线探测器

常用的γ核辐射探测器有正比计数管、盖革-弥勒计数管、闪烁计数器、半导体探测器。

(一)气体探测器

主要包括电离室、正比计数管、盖革-弥勒计数管。电离室的主体由一对电极构成，两极间充以空气或其他气体(空气或氪、氖等情性气体)，电极设计有各种形状，如平行板式、同轴圆柱筒式。在电极间加上电压，当射线射入后，气体被电离，正离子和电子被不同电极收集，产生电流。

外加电压与电离电流的关系如图2-15所示，曲线α和曲线β分别为α粒子和β粒子通过气体物质产生电离作用后，在外电场作用下形成的电离电流随外加电压的变化规律。由工作电压分布在不同的工作区特点，可以作成电离室探测器(Va～Vb)、正比计数管(Vb～Vc)、盖革-弥勒计数管(Vd～Ve)。

图2-15 电离电流与外加电压的关系

1—饱和电流区Va～Vb；2—正比区Vb～Vc；3—准正比区Vc～Vd；4—自激放电计数区Vd～Ve；5—连续放电区>Ve

电离室工作在第一个区域，当加在电离室电极上的电压增加时，探测器体积内电流强度不再增加，这个电流称为饱和电流。在该区域相应的电压下，电离电流的强度只取决于外界的射线强度。根据工作方式又分为积分电离室及脉冲电离室。前者测量由射线电离产生的总电离电流；后者测量单个粒子产生的电流。电离室可以做得很大，这样可以使得探测α射线灵敏度较高。

正比计数管工作在第二个区域。在电场作用下，靠近阳极的电子获得了能量，引起二次电离，由于已经存在比较大的电场梯度，新形成的电子同样也能引起次级电离。这样就发生了电离电流的气体放大雪崩过程。在雪崩过程中产生的离子对的数量比初始的离子对数量大K倍，称K为气体放大倍数，数值可以达到105～106。因此，在探测器的输出端，脉冲具有很大的幅度。在此区K值是个常数，因而，记录的脉冲幅度正比于初始电离，即正比于入射光量子的能量。正比计数管由于有较好的能量分辨率，常用于对X射线及软γ射线进行能谱测量。

*** (BF3)正比计数管能有效地区分γ射线和中子，而去掉γ本底的影响。3He中子计数管适于记录超热中子。

第三区称为准正比区，由于空间电荷效应，K值不再是一个常数，本区并不能用于射线探测。

第四个区称为自激放电计数区，又称为盖革-弥勒区。在这个区域里，电极间的场强很大，气体放大作用急剧上升，以致一对离子对就能引起雪崩过程，导致自激放电的发生。具有自激放电的计数管分为两种类型：自猝灭和非自猝灭。盖革-弥勒计数管属于后者，主要用于记录β射线和γ射线，输出信号较大，但输出脉冲幅度与入射粒子的能量无关，所以不能用它来探测入射射线的能量。此外，这类计数管形成的脉冲的延续时间比正比计数管要大。例如，如果正比计数管每秒最大计数为104个脉冲，那么盖革-弥勒计数管每秒只有103个脉冲。

第五个区是连续放电区，它不能用来作探测器。

(二)闪烁探测器

它由闪烁体(荧光体)和光电倍增管两部分组成。闪烁体有固态、液态、气态三种，可分为有机闪烁体和无机闪烁体。常用闪烁体列于表2-6。

表2-6 常用闪烁体

NaI(Tl)型闪烁体是一种广泛应用的无机晶体，它以微量铊作为激活剂，它的单晶具有非常好的透明度，NaI(Tl)晶体密度大，约3.67g/cm3；平均原子序数较高，为32左右。所以它对γ射线或X射线的阻止本领大，是对γ射线或X射线探测效率极大的一种闪烁体。对于大晶体，若记录能量为1MeV的γ光子，效率可达百分之几十。它的发光时间极短，仅为10-7s。因而最大计数率可达105脉冲/s，常用于测量γ射线。当用于测量X射线时，可将NaI(Tl)做成薄晶体。

碘化铯(CsI(Tl))晶体的密度及有效原子序数比NaI(Tl)大，故其探测效率较NaI(Tl)高，它的发光持续时间比NaI(Tl)长，也是一种探测γ射线(X射线)的闪烁体。它的最大特点是不怕潮解，很适合地质工作，由于CsI(Tl)成本高，实际应用还不普遍。

塑料闪烁体是在一定温度下使用有机闪烁体作溶质、塑料作溶剂聚合而成的。它既具有无机晶体的特点(发光时间短，在空气中不潮解，可探测中子等)，又易制造，易做成各种形状。在射线照射下转换效率稳定。故在多数情况下有机晶体均可用塑料闪烁体代替。因此，它广泛用于探测重粒子及部分γ射线。

液体闪烁体是有机闪烁体溶于甲苯等有机溶液中制成的。它的体积可做得很大，因此其探测灵敏度很高。

锗酸铋闪烁体BGO，密度大，对γ射线的探测灵敏度很高，对于天然放射性核素放射出的1～3MeV的γ射线有特别高的探测效率。对于214Bi的1.76MeVγ射线比相同尺寸的NaI(Tl)高6.6倍；对于钍的2.62MeV高7.5倍。化学稳定性好，不潮解，易加工成型，最大荧光波长为480nm。光输出较低，相当于相同尺寸NaI(Tl)的8%～16%。对于0.661MeV能量的γ射线能量分辨率为13%，NaI(Tl)为9%。受温度影响较大，温度系数为-0.01～0.015/℃。

溴化镧LaBr3(Ce)闪烁体探测器是近几年研制的一种探测器，它对662KeV137Cs的全能峰的能量分辨率约为3%，优于LaCl33.3%的能量分辨率，更远远优于NaI(Tl)晶体6%～7%的能量分辨率；同时相对于传统闪烁体探测器，LaBr3(Ce)闪烁体具有更高的光效率和更好的能量分辨率等优点，是γ能谱仪发展的一个方向。

光电倍增管是闪烁探测器的最重要部件之一。其组成部分是光阴极和倍增电极，光阴极的作用是将闪烁体的光信号转换成电信号，倍增电极则充当一个放大倍数大于106的放大器。光阴极上产生的电子经加速作用飞到倍增电极上，每个倍增电极上均发生电子的倍增现象，倍增极的倍增系数与所加电压成正比例，所以光电倍增管的供电电源必须非常稳定，保证倍增系数的变化最小。在没有入射的射线时，光电倍增管自身由于热发射而产生的电子倍增称为暗电流。用光电倍增管探测低能核辐射时，必须减小暗电流。保持测量空间环境内较低的室温，是减小光电倍增管暗电流的有效方法。

(三)半导体探测器

半导体探测器具有分辨率高、脉冲上升时间短、结构简单等优点。半导体探测器按结构可以分为PN结型、PIN结型；按工艺可以分为面垒型、扩散型、离子注入型、锂漂移型；按材料可分为锗、硅和化合物型；按外形可分平面型、同轴型。

从原理上讲，半导体探测器可以看作是一个电压反接的PN结。PN结的结区就是半导体探测器的灵敏区。当带电粒子或电磁辐射与探测器物质相互作用，产生的次级电子进入灵敏区时，在其内形成电子和空穴对。在高的反向电场作用下，电子、空穴分别向正、负极运动，并被电极收集，而得到一个电脉冲。

目前常用的半导体探测器主要有三种：

1)在锗或硅单晶中制造成PN结，它在反向电压作用下，使PN结形成“耗尽层”，自由载流子流度很低。被探测的射线进入灵敏区(耗尽区)，产生电离，生成大量的电子、空穴对；在电场作用下，电子和空穴分别迅速向正、负两极漂移、被收集，在输出电路中形成脉冲信号。

2)在P型和N型的锗或硅单晶之间形成一层PIN型本征区，电阻率很高，作为探测器的灵敏区。在PIN结两端加上反向电压，内电场将得到增强，本征区即为探测射线产生电离的灵敏区，厚度较大，可以探测高能射线。

3)利用高纯锗材料，其中受主和施主原子的浓度已可降低至10-10个/cm3，即平均每1012个锗原子中仅有杂质原子1个。HPGe(高纯锗)是一种用高纯度锗制成的PN探测器，在一定的工作电压下PN结的耗尽层厚度与材料的电阻率的平方成正比。目前的工艺水平已经能制造体积比较大的探测器，可以分别满足低能X射线和高能γ射线的能谱测量的要求。优点是分辨率高，可在常温下工作。

探测γ射线的半导体主要是硅和锗加上锂作为漂移材料制成锗锂漂移探测器——Ge(Li)或硅锂漂移探测器——Si(Li)。它们是以把高浓度的锂扩散到晶体中，形成很厚的Ⅰ区(即灵敏区)的PIN结探测器。为了稳定Si(Li)和Ge(Li)探测器的PIN结，须将探测器放置在液氮中，在低温下保存及工作。

除常用的Si(Li)或Ge(Li)、高纯锗(HPGe)外，还有CdTe、HgI2等，而且可在常温使用，不用低温，如Amptek生产的CdZnTe型探测器。但总的来讲，使用这些材料的固体探测器应用并不普遍。

在P型半导体中空穴浓度较高，在N型半导体中电子浓度较高。两者结合在一起时，载流子将由高浓度区向低浓度区扩散，结果在两者附近形成一个结区，如图4-3-1所示。在结区基本上不存在自由载流子，只有施主和受主的离子，形成一个空间电荷区，N型一侧带正电，P型一侧带负电，构成一个内部电场，电场将阻止载流子继续扩散。如果在空间电荷区产生电离形成自由载流子，将立即把电子拉向N区，空穴拉向P区。不可能存在自由载流子，所以PN结区称为“耗尽层”。

当给PN外加电压，反向偏置时，即电源正端接N区，负极接P区，使空间电荷电场增强。

电子和空穴分别向正端和负端扩散，结果使“耗尽层”的宽度增大。

耗尽层即为探测器的灵敏区。在电压反向偏置下，耗尽层电阻率极高，相当于外加电压全加在耗尽层端；而P区和N区，自由载流子浓度很高，电阻率很低，相当于两个电极。

探测的射线进入灵敏区(耗尽层)，产生电离，生成大量电子-空穴对。在电场作用下，电子和空穴分别迅速向正、负两极漂移、被收集，在输出电路中形成脉冲电信号。

金硅面垒半导体探测器就是以N型硅单晶作基片。将基片经酸处理后形成一氧化层，并在氧化层上镀一层金膜(约10nm厚)。在靠金膜的氧化层具有P型硅特性，在基片背面镀镍接电源正极，金膜与铜外壳接触接电源负极，氧化层构成PN结耗尽层为金硅面垒探测器的灵敏区。目前金硅面垒探测器灵敏区厚度最大可做到2mm。一般做成圆片状。

金硅面垒探测器，由于耗尽层厚度较薄，主要用于探测带电重粒子(如α、p等)，亦可用作能谱测量，探测效率近于100%。也可用于β射线测量，对γ射线不灵敏。

几种常用金硅面垒探测器特性列于表4-3-1。

图4-3-1 PN结形成及其特性

a—PN结形成过程示意图；b—PN结特性示意图

(a)耗尽层(阴影区)；(b)受主、施主、电子、空穴分布；(c)电子和空穴浓度；(d)施主和受主浓度；(e)净电荷分布；(f)静电电位分布；(g)外加反向偏压时受主、施主、电子和空穴的分布

表4-3-1 几种金硅面垒探测器主要特性

HPGe是用高纯度锗制成的PN探测器。在一定工作电压下PN结的耗尽层厚度与材料的电阻率的平方根成正比。当锗晶体中杂质的原子浓度小于1010/cm3时，即可满足制造HPGe探测器的要求。

目前的工艺水平已能制造体积比较大的探测器，可以分别满足低能X射线和高能γ射线的能谱测量要求。与Ge（Li）和Si（Li）能量分辨率相当。它的优点是可以常温下保存。

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