核辐射探测技术

部件使荧光尽量多地射到光电转换器件的光敏层上并打出光电子。这些光电子可直接或经过倍增后，由输出级收集而形成电脉冲。现代的闪烁探测器由光电倍增管和闪烁体结合起来。

NaI（Tl）闪烁探测器

1、 闪烁体的发光机制

闪烁体的种类很多，按其化学性质不同可分为无机晶体闪烁体和有机闪烁体。有机闪烁体包括晶体闪烁体、液体闪烁体和塑料闪烁体等。

最常用的无机晶体是NaI（Tl）闪烁体。碘化钠晶体在价带和导带之间有比较宽的禁带，如有带电粒子进人到闪烁体中，将引起电离或激发，可能有电子从价带激发到导带或激发到激带，然后这些电子再退激到价带。退激的过程中可能发射光子，这种光子可能被晶体吸收而不能被探测到，为此要在晶体中掺入少量的杂质原子（激活原子），碘化钠晶体中掺入铊原子，其作用是可以在低于导带和激带的禁带中形成一些杂质能级。这些杂质原子会捕获一些自由电子或激子到达杂质能级上，然后以发光的形式退激到价带，这就形成了闪烁过程的发光，而这种光因能量小于禁带宽度而不再被晶体吸收，不再会产生激发或电离。这说明只有加入少量激活杂质的晶体，才能成为实用的闪烁体。 2、 γ射线与物质的相互作用

测量γ射线的强度和能量。

前提条件：假定光子进入探测器是一个一个的，两个光子之间的时间间隔足够长，至少应大于探测器的分辨时间或γ射线测量仪的分辨时间。

γ射线光子与物质原子相互作用的机制主要有以下三种方式：光电效应、康普顿效应与电子对效应。根据γ射线与物质相互作用的过程推出由每一种效应得到的次级电子的能量及数目。探测器的输出脉冲幅度与次级电子的能量成正比。

对于低能γ射线与重物质（原子序数大），主要发生光电效应。 对于高能γ射线与重物质，主要发生电子对效应。

对中等能量的γ射线，在各种介质中，主要发生康普顿效应。

I.光电效应

入射γ光子与物质中原子的束缚电子相互作用时，光子可以把全部能量转移给某个束缚电子，使电子脱离原子束缚而发射出去，光子本身消失。发射出去的电子称为光电子，这种过程称为光电效应。原子内层电子脱离原子后形成空穴，外部壳层的电子会填补空穴并发出特征X射线。这种X射线在闪烁体内很容易再发生光电效应。发生光电效应的几率随原子序数的增加而增大，随入射γ射线能量的增大而减小。 dN dE

hv E 只有光电效应产生的能谱

II.康普顿效应

康普顿效应发生在束缚得最松的外层电子上，是?光子与原子的核外电子发生非弹性碰撞，光子把部分能量转移给电子使其从原子内部反冲出来（成为反冲电子），而能量降低了的光子沿着与原来运动方向不同的角度散射出去。散射γ光子和反冲电子的能量分配依赖于散射角θ：

反冲电子(次级电子)动能为：

EC≈

1+

12????（1?cos??）

????

散射角θ=0时，反冲电子的能量很小，而散射γ光子的能量最大，与入射γ射线的能量几乎相等。

散射角θ=π时。入射γ射线朝它的原方向反散射，而反冲电子却沿着入射方向反冲，反冲电子获最大能量。

一般情况下，所有散射角在探测器中都会出现，入射光子传递给反冲电子的能量连续，能量分布介于0到最大能量之间。

E

入射光子能量与最大反冲电子能量差：

Ec?hv 21?2hv/m0cIII.电子对效应

当大于等于1.02Mev的γ光子有可能在原子核的库仑场作用下转化成为一个正电子和一个负电子，γ光子本身消失，这个过程为电子对效应。当正电子的速度接近于零时，与附近原子中的电子发生相互作用，转化成两个γ光子，这种现象称之为电子对的湮灭。湮灭时放出的γ光子叫湮灭辐射。由于湮灭时，正负电子的动能为零，所以总动量为零。从而湮灭时产生的两个0.51Mev光子的动量相同，且飞向相反的方向。根据能量守恒定律，产生电子对效应的γ光子能量必须要大于1.02Mev。若入射γ射线能量超过了这个值，则过剩的能量将以正负电子对均分的动能形式出现。

γ射线响应过程

当γ射线能量低于1.02Mev时，能谱中只有康普顿效应产生的康普顿连续谱和光电效应产生的光电峰。

光电吸收和单次康普顿散射产生的能谱

当入射γ射线能量足够高(几个MeV)，那么电子对生成的效果在电子能谱中也是明显的。只有负电子和正电子的动能被积存下来，而湮没辐射逃逸掉了，其在低于光电峰 1.02MeV的能谱位置上叠加一个双逃逸峰。若只湮灭辐射产生的光子逃逸掉一个，则在能谱上比全能峰低0.51Mev能量处产生单逃逸峰。光电峰不都是由光电效应的次级电子产生的，还有康普顿效应和电子对效应的贡献。所以称之为“全能峰”。NaI闪烁体的脉冲形成时间是μs量级，因此全能峰中心位置与光电峰中心位置一致，对应于入射粒子的全部能量。

入射γ射线能量较高时电子对效应产生的双逃逸峰

低、中能的γ射线能谱仍是由康普顿连续谱和全能峰组成。在中能区域，多次康普顿散射后产生散射光子，导致多次反冲电子的总能量在探测器中沉淀有可能大于单次散射的最大值。这些多次散射事件可能部分地填充在康普顿边缘和全能峰之间的空隙。

低、中能的γ射线能谱

3.探测器尺寸的影响：

⑴有些次级电子不能把所有能量都损耗在探测器内部，而携带部分能量逸出探测器。 ⑵次级电子虽然全部被阻滞在探测器内，但它的动能通过轫致辐射丢失。这两种效应对高能γ射线更为严重，结果是使全能峰事件减少，康普顿连续谱中的事件增加。

⑶有一部分光电效应发生在闪烁体表面附近，发生光电效应的原子在退激是产生的Kx射线逸出探测器。在能谱上，比γ能量hv少Kx射线能量的位置出现一个峰。如，NaI探测器，产生与碘的Kx射线能量有关的峰，称为碘逸出峰。这种峰在测量低能γ能谱时较为显著，因为低能γ射线不能进入探测器很深。

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光电峰 碘逸出峰 E 4.影响γ谱形的其它因素

γ射线与β射线往往同时发射，β射线可被源的包封物质所吸收，但却能产生轫致辐射。轫致辐射的能量是连续的，它们射入探测器产生本底脉冲。另外，放射源在发射γ射线的同时有一定几率发生内转换现象。内转换的结果产生K层X射线，它们可能进入探测器。137CSγ射线源可产生137BaKx特征X射线，用NaI闪烁探测器测定137CS能谱时出现一个能量为

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