核辐射探测器总结篇(3)_探测器基本性能指标

核辐射探测器的基本性能指标包括探测效率、输出幅度大小、分辨率、线性响应以及稳定性这五个方面，下面咱们分别介绍：

 

1，  探测效率

它表示为探测器测到的粒子数与此时实际入射探测器中的该种粒子总数的比值。探测器的探测效率与探测器本身的大小、几何形状以及对入射粒子的灵敏度、能区有关，通常希望探测效率越高越好。

 

2，  输出幅度大小

如下表所示列出了对单位能量(1MeV)的粒子在其能量全部消耗在探测器中时，相应的电离对数和输出幅度值。可以看出，由于输出幅度不大，需要配合电子线路加以放大。

 

探测器	类别	单位能量产生 的电子电荷数	在10pF电容上输出幅值(V/MeV)
气体 探测器	电离室	n=3*104	4.8 *10-4
	正比计数器	n=107	0.16
半导体 探测器	锗(77K) w=2.96eV	n=3*105	4.8 *10-3
	硅(室温)w=3.62eV
闪烁体 探测器	设闪烁体NaI(TI)3000光子/MeV，倍增系数M=3*105	n=108	1.6

 

3，  分辨率

它表示探测器实际分辨核信息的能力，主要包括能量分辨、时间分辨和位置分辨，它们分别给出识别两个相邻的能量、时间、位置之间最小差值的能力。

 

对于能量分辨，通常就定义为对于某一给定能量值，探测器能分辨两个相邻能量之间的最小相对差值的量度。由于探测过程中的统计涨落，对于单一能量，在探测器输出得到计数率与能量的关系不是一条直线，而是一个曲线分布，常用所测曲线的半高全宽(FWHM)来表示分辨率的特性。

                            

在测量数目足够大时，曲线分布近似高斯分布，N代表能量幅度、电子电荷数、时间等实测值，它是围绕平均值N0作统计涨落的高斯型概率密度函数，记作η(N)，数学表达式为：

 

 

其中σN为标志涨落大小的标准偏差，即当N=N0±σN时，η(N)=0.61。若以FWHM来衡量，因η(N)=0.5，则可以算出FWHM=2.36σN。

 

为了区分不同的N0值(能量、幅度、时间值)的相对分辨能力，常定义探测器固有分辨率RD为：

 

将N0代之以被测粒子的能量，则固有能量分辨率为：

 

 

下表列出了各种常用探测器分辨性能的比较值，从能量分辨率来说，以半导体探测器为最佳，气体探测器为其次，闪烁体探测器较差；但从时间分辨率来看，则闪烁体探测器最好，所以必须根据实际物理实验的测量要求来选用合适的探测器，在配合相应的电子学，如果电子学性能不好，分辨能量也会变差。

 

探测器	类别	能量分辨率	时间 分辨率(s)	空间 分辨率(mm)
气体 电离室	电离室	3-5%(0.1MeV) 1%(5.3MeV)，带电粒子	10-2-10-5
	正比计数器	14-20%(5.9KeV,55Fe)	10-6-10-7	1
半导体 探测器	金硅面垒	0.24%(241Am,5.5MeV,α)	10-7-10-8	0.5
	高纯锗	0.14%(60Co,1.33MeV,γ)
闪烁 探测器	闪烁体+PMT	7-8%(137Cs,662KeV) 10-12%(57Co,122KeV) 45-55%(55Fe,5.9KeV)	10-7-10-10	5

 

4，  线性响应

它是衡量在一定范围内探测器所给出的信息，与入射粒子相应的物理量（如能量、位置等）是否成线性关系的标志，有时直接称之为能量线性或位置线性。以能量线性为例，下表列出了三种探测器的能量线性指标，结合能量分辨率，对后面电子学线路的线性度提出了一定要求。

 

探测器	能量线性指标	对后级电子学线性要求
气体探测器	＜0.01%	0.1%
半导体探测器	0.015%	做高能量分辨时，0.01%
闪烁探测器	1-5%	线性要求一般，1%

 

5，  稳定性

通常温度和电源的变化会引起探测器性能的不稳定，因此探测器对工作环境温度和高压电源供电电压的稳定性有一定要求。如下表所示，环境温度的影响不可忽视，一般高压电源要求稳定性好于0.1%~0.01%。对闪烁探测器而言，高压直接影响到PMT的倍增过程，因此高压稳定性不可忽视。

 

探测器	环境温度影响	高压电源的电压电流	稳定性要求
气体探测器	±0.01%/℃	3000V：01mA	10-3
半导体探测器	影响较大，常用77K恒温	100V：0.1mA	10-3
闪烁探测器	±0.1-0.5%/℃	100-1000V：1mA	10-4

 

另外，衡量探测器性能的还有抗辐射损伤，粒子鉴别能力等，有的探测器只能对某些特定的核辐射灵敏，而对其它不灵敏；有的随着入射粒子类型不同，给出的信号特征也不同。

 

到目前为止，还没有一种探测器可以兼备各方面的优点，所以咱们在使用之前，必须根据物理要求，尽可能做出合理选择。

 

比如能谱仪，咱们就选择半导体探测器，配合线性好，分辨性能好的电子学；

 

比如时间谱仪，咱们就选用闪烁体探测器，配以快电子学；而一般性能使用时，可以考虑性能适中，价格便宜的气体探测器。

 

参考文献：

[1]原子核物理实验方法

[2]粒子探测技术及数据获取

[3]核电子学

[4]模拟电子技术基础