核探测与核电子学
核探测与核电子学
摘要：核辐射探测器是核物理、粒子物理研究及辐射应用中不可缺少的工具和手段。核辐射探测器的工作过程大致分为二阶段：一是与辐射反应，生成某种信息，该过程属于核测控内容；二是该信息的记录、收集、处理，该过程属于核电子学内容。
关键字：核辐射、核电子学、核辐射探测器。
1 前言
核辐射探测器，简称为核探测器，也称为核探测设备。是一种辐射射线检测装置。核辐射是原子核从某种能量状态或某种结构向另一种结构或状态发生转变时，在转变过程中释放出来的微观粒子流，这是一个涉及原子或原子核的过程，从原子核中释放出的辐射。γ辐射、中子辐射、α和β辐射等这些辐射都称为核辐射[1]。X，γ射线都是属于电磁辐射范畴，X-ray 是由核外电子在跃迁过程中产生的，γ射线是在核跃迁或粒子湮灭过程的中发出来的电磁辐射[2]。核辐射探测器可以说是粒子物理研究以及核物理研究中最为基础，也是极其重要的一项技术和工具，核辐射探测器的基本工作原理如图。当辐射射线（或粒子）辐照到探测器的电荷灵敏区，而电荷灵敏区内的物质在辐射的激发下会产生出大量电子-空穴对，在外加电场的作用下分别向正负电极移动而产生电学信号，对电学信号的分析整理，从而实现对辐射射线或粒子的探测。高能物理事业、核技术及现代电子学的发展, 带动各种探测器技术不断发展。辐射探测器是通过粒子与适当的探测介质相互作用而产生某种信息，经放大后被记录、分析，以转变为各种形式的直接或间接可为人们感官所能接受的信息，从而确定粒子的数目、位置能量、动量、飞行时间、速度质量等物理量。按照产生信息的方式，探测器大体上可分为计数器和径迹室两大类。本文以探测器原理依据，分别介绍不同探测器原理，以及核电子技术在不同探测器的应用原理
2.计数器类探测器
计数探测器是应用最广泛的辐射探测器。它以电脉冲的形式记录、分析辐射产生有关信息。这种类型探测器的问世，导致了核电子学这一新的分支学科的出现和发展。最常用的计数器类探测器主要有气体探测器、半导体探测器和闪烁探
测器三大类。
2.1气体探测器
气体探测器的主要特点是以气体为探测介质。在核物理发展的早期，它们曾经是应用最广泛的探测器，50年代以后，才逐步被取代然而气体探测器所特有的优点，例如，制备简单、性能可靠、使用方便等,上世纪70年代以后，在高能物理和重离子物理的实验中又获得了新的应用。气体探测器主要有电离室、正比计数器和盖革计数器三种。它们的结构相似，一般都是有两个电极的小室，充有某种气体。它们的结构相似，一般都是有两个电极的小室，充有某种气体。
2.1.1工作原理
当带电粒子进入室内时，和室内气体相互作用，使气体电离形成电子和正离子，离子对的数目不仅与入射带电粒子的能量有关，同时也与气体探测器所加的偏压有关。如下图1，根据所加偏压大小，可以使得气体探测器工作在不同区间，其主要区别是离子对数的收集。探测器处于复合区间时，收集到的离子对数小于初始电离产生的离子对数o N ；处于饱和区时，收集到的离子对数等于o N ；处于正比区时，收集到的离子对数大于o N ，且有N=o N M ，M 为气体放大倍数；处于G-M 工作区与连续放电区，收集到的离子对数完全与入射粒子能量无关。因此可以看出，气体探测器信号载流子的收集
由探测器灵敏体积所加偏压决定。如果
加上电压，这些离子和电子将会在电场
作用下，分别向两极运动,在阳极产生电
信号，离子对收集后产生电流信号，对
于该电流信号的处理，主要进行于探测
器的输出回路。输出电路通常包括探测
器本身的输出部分电路以及和探测器相
连的放大器输入电路。输出电压大小与
入射粒子位置有关，具体探测结果由电
子学测量设备记录。这时不能作能量测
量，只能用作计数，但计数率可较高。
电离室工作电压较低, 没有放大作用，其输出脉冲幅度较小；正比计数器的工作电压较高，有放大作用，输出脉冲幅度较大，脉冲幅度正比于入射粒子损失的能量；盖革计数器的工作电压更高，已不再正比于原始电离的离子对数，可以不经放大直接被记录。
2.1.2主要应用
电离室有各种类型，如用于测量放射源标准的2π电离室；有用于测量中子强度的补偿电离室;有用于测量相当稀少粒子事件的大体积慢脉冲电离室;有用于源强度绝对测量的2π脉冲电离室和用于测量α粒子能量的屏栅电离室等。正比计数管不仅可以用于测量带电重粒子，而且还对低能α、低能γ、和x射线谱的测量都显示出有很大的优越性。盖革计数器在测量放射性的相对强度、测定粒子的方向等方面有着广泛的用途。
2.1.3发展趋势
气体探测器研制出了正比闪烁室、自碎灭流光计数器、液氮电离室、液氢电离室，新的微条气体正比室、微间隙气体探测器、微网结构的气体探测器、气体电子倍增器、高阻板探测器等【3】。液氢电离室可以作为电磁量能器的计数器。随着理论研究的进一步深入以及对新材料的不断探索和制造技术的进步，气体探测器将会得到进一步的发展。
2.2闪烁体探测器
闪烁体探测器(ScintillationDetector)是利用电离辐射在某些物质中产生的闪光来进行探测的，也是目前应用最多、最广泛的电离辐射探测器之一。辐射引起物质发光的现象很早就被人们所关注和利用:早在1903年，威廉·克鲁克斯就发明了由硫化锌荧光材料制成的闪烁镜并用其观察镭衰变放出的辐射;卢瑟福在其著名的卢瑟福散射实验中也曾使用硫化锌荧光屏观测α粒子。不过，由于传统荧光材料在使用上很不方便，闪烁探测器一直没有大的进展。1947年Coltman 和Marshall成功利用光电倍增管测量了辐射在闪烁体内产生的微弱荧光光子，这标志着现代闪烁体探测器的发端。之后随着光电倍增管等微光探测器件的应用和
相关技术的进步，闪烁体探测器得到了非常迅速的发展，各种新型闪烁体材料层出不穷。由于具有探测效率高、分辨时间短、使用方便、适用性广等特点，闪烁体探测器在某些方面的应用已超过气体探测器，并为γ射线谱学的形成和发展提供了可能。
2.2.1闪烁体探测器组成
1)闪烁体
闪烁体是闪烁体探测器的重要能量转换介质，它是指能吸收粒子或射线而发出光子的材料。闪烁体可分为三类：
a)无机闪烁体
常见的有NaI（Ti）和CsI（Ti）晶体, 它们对电子、下辐射灵敏，发光效率高，有较好的能量分辨率，但光衰减时间较长；BGO晶体密度大，发光效率高，因而对高能电子、γ辐射探测十分有效。其他如用银（Ag）激活的硫化锌ZnS（Ag）主要用来探测α粒子；玻璃闪烁体可以测量α粒子，加入载体后可测量中子；氟化钡（BaF）密度大，有荧光成分，既适合于能量测量，又适合于时间测量。
b)有机闪烁体
包括塑料、液体和晶体，前两种使用普遍。由于它们的光衰减时间短（2~3ns，快塑料闪烁体可小于1n），常用在时间测量中。它们对带电粒子的探测效率将近百分之百。
c)气体闪烁体,
包括氮、氦、氢等惰性气体，发光效率不高，但光衰减时间较短（<10ns），常作为记录裂变产物和重粒子的探测器。
2)光电倍增管
它是闪烁探测器的最重要部件之一，由光阴极和倍增电极组成。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 的放大器，光阴极上产生的电子经加速到倍增电极上，每个倍增电极上均发生电子的倍增现象，倍增极的培增系数与所加电压成正比。光电倍增管可分为“聚焦型”和“非聚焦型”两类。
闪烁探测器由闪烁体, 光电倍增管, 电源和放大器、分析器、定标器系统组成, 现代闪烁探测器往往配备有计算机系统来处理测量结果。当射线通过闪烁体时, 闪烁体被射线电离、激发, 并发出一定波长的光, 这些光子射到光电倍增管的光阴极上发生光电效应而释放出电子, 电子流经电倍增管多级阴极线路逐
级放大后或为电脉冲, 输入电子线路部分, 而后由定标器记录下来。光阴极产生的电子数量与照射到它上面的光子数量成正比例, 即放射性同位素的量越多, 在闪烁体上引起闪光次数就越多, 从而仪器记录的脉冲次数就越多。测量的结果可用计数率, 即射线每分钟的计数次数( 简写为 cpm ) 表示, 现代计数装置。
2.2.3主要应用
闪烁探测器的粒子适用范围很广，对能量在leV-10GeV范围内的辐射粒子都适用s探测效率高，分辨时间短，己成为当今应用最多的探测器之一。在高能物理及核物理、地球物理学、放射化学、医学辐射、安全稽查等众多领域都得到了应用。其中又以无机闪烁探测器的应用最为广泛。其应用可以归结为四类:①能谱测量;②强度测量;③时间测量;④剂量测量。其中，剂量测量是强度和能量测量的结合。
2.2.4发展趋势
CsI、BGO等闪烁体的性能不断得到改进提高。最新处于研究热点的Ce3+离子掺杂的新型闪烁晶体由于具有高光输出快衰减的特性，已成为核医学、高能物理等领域关注的焦点【4】;一些新型闪烁探测器材料如LSO, GSO等不断的被开发利用。随着新型闪烁体材料的开发和制作工艺不断进步，闪烁探测器的性能将会进一步完善与提高。
2.3 半导体探侧器
在核辐射探测器领域中，一个最重要的发展，就是半导体探测器的制成和使用。半导体探测器具有其他各种类型探测器所无可比拟的好的能量分辨率，因而自从60年代有商品生产的半导体探测器以后，这种探测器就得到了迅速的发展。
使用时电极K和A上加工作电压, 在固体介质内部形成强电场区。当带电粒子进入介质后，由于电离作用而产生电子一空穴对，在强电场作用下，电子和空穴
上形成信号脉各自向相反的电极方向移动，并在电极上感应产生电荷，在负载R
L
冲输出。产生的电信号与入射粒子的能量损失成正比。这样我们就可以由所测的电信号来确定入射粒子的能量及射线的其他性质。
2.3.2 主要应用
半导体探测器有很多优点：1）非常好的位置分辨率2）很高的能量分辨率；3）很宽的线性范围；4）非常快的响应时间：可达到5ns左右；5）体积可做得很小：半导体探测器可以做得很薄, 典型厚为300μm。因此广泛地应用于各个领域的射线能谱测量。
扩散型和面垒型探测器，可获得很好的带电粒子能谱；锂漂移锗半导体探测器, 可获得γ能谱；锂漂移硅半导体探测器，可获得很好射X线能谱；高纯锗探测器，主要用于测量中、高能的带电粒子和能量在300KeV至400KeV的X射线和低能γ射线；半导体位置灵敏探测器，可同时测量带电粒子的能量和位置；另外还有砷化镓、碲化镉、碘化汞等化合物半导体探测器，可在室温或高于室温下工作，有很强的抗辐照能力。在核医学领域的CT和其他数字化图像方面的应用研究，也有很多新的进展。
2.3.3 发展趋势
半导体探测器是当前国际上研究的热点。硅微条探测器，被认为是80年代核探测器技术方面的重要进展之一。它是采用先进的半导体电子器件平面技术工艺制作的，故有时也称其为平面工艺硅探测器（PPSD），位置分辨率目前能做到好于1.4μm；像素探测器，能够非常快的提供二维信息；还有采用微电子工艺技术研制的硅多条探测器、电荷藕合器件探测器CCD、硅片探测器、硅漂移室等【5】。半导体探测器的主要缺点是：1)对辐射损伤较灵敏，受强辐照后性能变差；2）常用的锗探测器，需要在低温（液氮）条件下工作，甚至要求在低温下保存,使用不便。
目前在国外，对室温、低温半导体探测器的研究取得了不少进展，微量热
器和超导探测器己有较快发展；对非液氮制冷技术进行了探索。国内电制冷的探测器己经出现，但效果不理想。这方面的发展值得关注。
3. 径迹室类探测器
径迹室类探测器是直接记录粒子走过径迹图像的探测器。根据径迹的粗细、疏密、长度、径迹弯曲程度和径迹的数量分布等，获得粒子的各种信息。这类探测器大多用于高能物理实验。
3.1 核乳胶
能记录带电粒子单个径迹的照相乳胶。入射粒子在乳胶中形成潜影中心，经过化学处理后记录下粒子径迹，可在显微镜下观察。它有极佳的位置分辨本领（1μm）。
3.2 云室和泡室
使入射粒子产生的离子集团在过饱和蒸气中形成冷凝中心而结成液滴（云室），在过热液体中形成气化中心而变成气泡（泡室），用照相方法记录，使带电粒子的径迹可见。泡室有较好的位置分辨率（好的可达10μm），本身又是靶，目前常以泡室为顶点探测器配合计数器一起使用。
3.3 火花室和流光室
这些装置都需要较高的电压，当粒子进入装置产生电离时，离子在强电场下运动，形成多次电离，多次电离过程中先产生流光，后产生火花，使带电粒子的径迹成为可见。流光室具有较好的时间特性。它们都具有较好的空间分辨率（约200μm）。固体径迹探侧器。重带电粒子打在诸如云母、塑料、类材料上，沿路径产生损伤，经过化学处理（蚀刻）后，将损伤扩大成可在显微镜下观察的空洞，适于探测重核。固体径迹探测器的材料，按现有情况可分三类：一类是非结晶物质，如各种玻璃、金属和陶瓷等；另一类是结晶物质，如云母、石英、氯化银及氟化锂等；还有一类是聚合物，如聚碳酸醋、硝化纤维、醋酸纤维等。
3. 结束语
探测器技术的飞速发展和应用不仅促进了基础学科一物质结构的究，而且还
推动了高能物理、天体物理、宇宙线物理、核医学数字影像技术等领域的发展。未来不仅在高能物理和天体物理实验中，而且在工业探伤、海关集装箱检测、石油探井、无接触测量（核子秤,测厚议等）、用于诊断和治疗癌症的γ、X射线断层照相（CT）和正电子断层照相PET等很多领域一定还会有更美好的应用前景。
参考文献
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(核电子学)堆工方向答案
第1页 共4页 1． 核辐射探测器电流脉冲信号用理想数学模拟表示为 ) ()(0t t Q t i -?=δ。 2． 核电子学中的噪声主要有三类： 散粒噪声 、 热噪声 和低频噪声。 3． 短路延迟线冲击响h(t)=) (21 )(21d t t τδδ--；其频率响应为 )1(21 )(d j e H ωτω--= 。 4． 从物理测量的要求看， 电荷 和 电压 前置放大器主要用于能谱 测量分析系统； 5． 主放大器的作用是对信号进一步 放大 和 成形 ，且在此过程中须保 持探测器输出的有用信息，尽可能减小失真。 6． 对核脉冲进行幅度和时间分析中，常用计数设备来测量某一类信号的计数率， 常用的计数设备有 定标器 、 计数率计 。 7． 模数变换是一种量化处理，即把连续的的模拟量（幅度）变换为 数字量 。 8． 三种核脉冲计数系统： 简单的计数 系统、 单道计数 系统、 符合计数 系统。 9． 处理单元插件标准化分为 NIM 标准 、 CAMAC 标准 、 快总线标准 。 10． 多道分析器获取数据的三种方式是：脉冲幅度分析(PHA)、多路定标(MCS) 和 列表方式。 二、选择题 （共10小题，共20分） 1. 由n 节放大节组成的放大器上升时间与各放大节上升时间的关系为tr=( B ) (A) 1 2r r rn t t t +++ (C) 12r r rn t t t ?? ? (D) {}12,,r r rn MIN t t t 2. 下面哪种说法是正确的（C ） (A ） 2 ()()m CR RC -双极性滤波成形与()()m CR RC -单极性成形相比信噪比要好。 (B) 2 ()()m CR RC -双极性滤波成形的基线偏移和涨落很大，在高计数率下得到的能量分辨 率低。 (C) ()()m CR RC -单极性滤波成形的基线偏移和涨落都较2 ()()m CR RC -双极性滤波成 形的要小，在高计数率下得到的能量分辨率高。 (D) 2 () ()m CR RC -双极性滤波成形的脉冲顶部较尖，弹道亏损较大，对后接幅度分析器的 测量精度不利。 3. 关于谱仪放大器中采用负反馈的作用，下列哪种情况是错误的（D ） (A) 放大倍数的稳定性增大了(1)o A F +倍。 (B) 放大器的上升时间减少了(1)o A F +倍。 (C) 放大器的频率响应增加了(1)o A F +倍。 (D) 放大器的噪声降低了(1)o A F + 倍。 4. 通常放大器的输出阻抗比较小，以便能适应在不同负载情况下工作，为与输出电缆匹配使用，输出阻抗一般取（ D ）。 (A) 20Ω (B) 30Ω (C) 40Ω (D) 50Ω 5. 双极性高斯成形一般组成为（C ） (A) 一次微分一次积分电路 (B) 两次微分两次积分电路 (C) 两次微分多次积分电路 (D) 两次积分多次微分 6. 一个幅度为3.0伏的输入信号，经过道宽为3mV 的8192模数变换后，得到的道址为（ A ） (A) 1000 (B) 2000 (C) 1550 (D) 3000 7. 极零相消电路的功能是（D ） (A) 基线恢复作用 (B) 消除零基线 (C) 消除信号函数的极点 (D) 消除单极性信号下冲 8. 理想的最佳滤波器是指在理论上来说此滤波器（D ）
核电子技术原理第一章课后答案
i C 试对下图典型的电荷灵敏前置放大器电路在输入冲击电流 Rf Cf A1V o(t) i(t)
∴()f f t R C O f Q V t e C -= （2） R f C f =109×10-12=10-3(S) 2.4 一个低噪声场效应管放大器，输入等效电容C i =10pF ，输入电阻R i =1M Ω，栅极电流I G =0.1μA ，跨导g m =1mA/V ，C gs < ()24823g i m kT kT df eI df C df Ri g ω=++ 2.6 分析快电荷灵敏前置放大器， （1） 画出简化框图 （2） 分别计算电荷和能量变换增益； （ω=3.6ev/电子空穴对，e=1.6×10-19库仑） （3） 估算电路的开环增益 （g m =5mA/V , A 3=0.98） （4） 估算该前放的上升时间 （C a =5pF, C i =5pF ） （2）A CQ =1/Cf=1×1012 V/C A CE =e/(C f ω)=44.4 mv/Mev （3）A 0=g m R 6/(1-A 3)=750 （4）tr 0=2.2R a C a /(1+A 0F 0)=2.2C a (C i +C f )/g m C f =13.2 ns 2017年4月27日 中国科学院 国家重点实验室（2011-至今） ●2011年10月（批准筹建）●2013年11月（正式成立） 总体定位和研究方向：实验室的发展 中科院重点实验室（2008-2011） ●2008年12月（正式成立） ●2009年12月，评为A 类重点实验室 所系联合实验室（2005-2008） ●2005年4月25日（正式成立） ●中国科学院高能物理研究所● 中国科学技术大学近代物理系 2015年通过科技部组织的数理领域专家组评估 总体定位和研究方向： 定位与目标 建设成为“核探测与核电子学”领域的： ?一流的研究基地 ?一流的人才培养基地 ?一流的国内外合作研究和学术交流基地 ?先进核探测技术 ?前端电子学 ?大容量数据获取与处理系统 总体定位和研究方向：研究方向 ?气体探测器?闪烁探测器?半导体探测器 ?ASIC 设计与应用 ?高速波形采样技术和应用研究?高精度FPGA TDC ?高速数据读出和实时处理?触发判选?探测器控制 新思想新方法新技术新工艺设计预研建造运行 大科学工程的建设和运行 1.北京谱仪（BESIII） 2.大亚湾中微子实验 3.中国散裂中子源（CSNS） 4.江门中微子实验（JUNO） 5.高能光源验证装置（HEPS-TF） 6.高海拔宇宙线观测站（LHAASO） 7.高能环形正负电子对撞机（CEPC） 国家重点实验室专项经费 每年800万元 1.自主研究课题：400万 2.开放课题：80万 3.开放运行费：320万，维持实验室正 常运转、完成日常工作、组织学术交 流等 核技术与核安全 核动力技术的核心是反应堆技术,反应堆可用来发电,供热,驱动运载工具等.反应堆还可以产生大量中子,故在有些核技术应用中亦可利用反应堆作为中子源,或利用反应堆中子做活化分析,生产放射性核素等."核能工程与技术"和"辐射防护与环境保护"也是"核科学与技术"之下的二级学科. 实际上核技术与核物理是密不可分的,这两个学科在发展过程中始终是互相依托,互相渗透的.同时,作为核探测技术和射线应用技术的基础,研究各种射线和荷能粒子束与物质的相互作用是十分重要的.其相互作用既可以产生物理的变化,也可以产生化学的变化,还可以产生生物学的变化.相应的研究构成了辐射物理学,辐射化学和辐射生物学的主要内容.在核技术的应用中还经常要对放射性核素进行分离,或用放射性核素标记化合物,这属于放射化学的范畴.因此,核技术及应用这一学科与核物理学,辐射物理学,辐射化学,放射化学等学科有密切的联系,其中辐射物理往往也被纳入核技术的范畴内.近年来核技术在医学中的应用得到迅速发展,相应地又产生了医学物理,核医学等学科.另一方面,核技术的研究经常涉及大型仪器设备的研制,其本身又是物理,机械,真空技术,电子学,射频技术,计算机技术,控制技术,成像技术等多种学科和技术的综合.故此核技术充分体现了多种学科的交叉这一特点,是现代科学技术的重要组成部分,也是当代重要的高技术之一.第二次世界大战之后核技术开始大规模地应用到国民经济之中,形成了许多新兴的产业,如辐射加工,无损检测,核医学诊断设备与9放射治疗设备,同位素和放射性药物生产等.据统计,美国和日本的国民经济总产值(GDP)中核技术的贡献约占3%~4%.美国核技术产生的年产值约为3500亿美元,其中非核能部分约占80%. 现代很多科学技术成就的取得都是与核技术的贡献分不开的.仅以诺贝尔奖为例,1931年美国科学家劳伦斯发明回旋加速器,为此获得了1939年诺贝尔物理奖.1932年英国科学家Cockcroft和Walton制造了第一台高压倍压加速器并用其完成了首次人工核反应,获1957年诺贝尔物理奖.此外还有八项诺贝尔物理奖和化学奖是利用加速器进行实验而获得的.在探测器方面,威尔逊因发明云室探测器而获1927年诺贝尔物理奖,其后布莱克特因改进威尔逊云室实现自动曝光而获1948年诺贝尔物理奖,鲍威尔发明照相乳胶法并用其发现π介子而获1950年诺贝尔物理奖,这之后格拉泽因发明气泡室使粒子探测效率提高1000倍而获1960年诺贝尔物理奖,阿尔瓦雷兹因改进气泡室并用其发现共振态粒子而获1968年诺贝尔物理奖,沙帕克因发明多丝正比室和漂移室而获1992年诺贝尔物理奖.在核分析技术方面,1948年美国科学家利比建立了14C测年方法并为此获得了1960年诺贝尔化学奖,穆斯堡尔因发现穆斯堡尔效应而获1961年诺贝尔物理奖,布罗克豪斯和沙尔因发展了中子散射技术而获1994年诺贝尔物理奖.核技术对于科学发展的重要推动作用由此可见一斑.由于核技术为多种学科的基础研究提供了灵敏而精确的实验方法和分析手段,自20世纪80年代以来各国竞相建造与核技术密切相关的大型科学工程,如大型对撞机,同步辐射装置,自由电子激光装置,散裂中子源,加速器驱动次临界反应堆,大型放射性核束加速器等,其造价动辄数亿美元乃至数十亿美元.美国能源部2003年11月发布研究报告"未来科学的装置",列出了今后20年重点发展的28项大型科学工程,其中基于加速器的有14项,占了一半.我国自改革开放以来先后建造了北京正负电子对撞机,兰州重离子加速器,合肥同步辐射装置等大科学工程,辐照和放疗用电子加速器,大型集装箱探测装置,辐射加工和同位素生产等也已经形成了一定规模的产业. 1 在工业中的应用 核技术的工业应用始于20世纪50年代兴起的辐射加工.辐射加工利用60Co源产生的γ射线或电子加速器产生的电子束照射物料,可引起高分子材料的聚合,交联和 1 第一章 1.1 核电子学与一般电子学的不同在哪里？以核探测器输出信号的特点来说明。 在核辐射测量中，最基本的特点是它的统计特性、非周期性、非等值性，核电子学分析这种信号，经处理得到有用的信息。 1.4 当探测器输出等效电流源/0()t o i t I e τ -=时，求此电流脉冲在 探测器输出回路上的输出波形并讨论R 0C 0<<τ的情况。 V 0(s) = I 0(s)·[R 0∥(1/sc)] = I 0[1/(s+1/τ)]·[R 0(1/sc 0)/( R 0+(1/sc 0)) =( I 0/ c 0)·{1/[(s+1/τ) (s+1/ R 0 c 0)]} ∴ 当R 0 c 0<<τ时，τ－R 0 c 0≈τ ∴ 1.5 如图，设，求输出电压V(t)。 1.6 表示系统的噪声性能有哪几种方法？各有什么意义？输入端的噪声电压是否就是等效噪声电压？为什么？ ENV ENC ENN ENE η(FWHM)NE 不是 1.7 设探测器反向漏电流I D =10-8A ，后级电路频宽为1MHz,计算散粒噪声相应的方根值和相对于I D 的比值。 115.6610A -==? = 35.6610D I -=?= 1.8 试计算常温下（设T=300K ）5M Ω电阻上相应的均方根噪声电压值（同样设频宽为1MHz ），并与1MHz 能量在20pF 电容上的输出幅值作比较。 52.8810V -===? ∵ 2 12 E CV = ∴0.126V V == 1.9 求单个矩形脉冲f （t ）通过低通滤波器，RC=T ，RC=5T ，及RC=T/5，时的波形及频谱。 本科毕业论文题目：核磁测井技术在辽河油田中 的勘探应用 学院：物理与电子科学学院 班级： 2010级物理二班 姓名：吴学玲 指导教师：闫红艳职称：助教完成日期： 2014 年 5 月31 日 核磁测井技术在辽河油田中的勘探应用 摘要：辽河油田是以石油、天然气勘探开发为主、油气深加工等多元开发为辅的大型联合企业，曾是我国第三大油田，在全国500家最大企业中位居前列。目前原油年开采能力1000万吨以上，天然气年开采能力8亿立方米。本文将对核磁共振测井技术在辽河油田实践生产应用方面进行介绍分析。核磁共振测井技术是利用测量地层中的氢核在地磁场的特性，应用于石油地质矿产勘察的一项新兴技术。核磁共振测井技术克服了传统旧有测井技术易受地层、岩性和水矿化度等影响探测结果的问题，有效地解决了油气藏的储层参数计算、储层物性评价、试油层位确定和完井措施的制订等问题。 关键词：核磁共振测井技术可控磁场辽河油田 目录 引言 (1) 1 核磁共振测井技术的原理与应用 (1) 2 核磁共振测井技术在辽河油田的实践应用介绍 (1) 3 核磁共振技术在油气藏储层等测量数据的分析及处理 (2) 3.1核磁共振测井技术在孔隙度参数等数据的分析 (2) 3.2核磁共振测井技术在油层、水层等方面数据的处理 (4) 3.3核磁共振测井技术判断油气藏油水层分布情况 (5) 3.4 核磁共振测井技术在稠油藏中的分析与应用 (7) 4总结 (9) 参考文献 (9) 引言 辽河油田所在地的地质条件复杂，盆地内有多种不同油品类型的含油层系，是一个复试油气田。油田含油气储层的岩性多种多样，不仅有第三系及中生界碎屑岩油气藏、火山岩复杂岩性油气藏，还有碳酸盐岩、石英岩、混合花岗岩等油气藏。多样的岩性、复杂的油水关系、复杂的地质条件，增大了核磁共振测井技术对储层评价、油气识别的工作难度，但与此同时也为各种测井新技术的推广应用提供了广阔的创新与提高空间。 辽河油田测井公司在1996年就已经开始引进核磁共振测井新技术，目前公司拥有1套MRIL-P型核磁共振测井仪和3套阿特拉斯公司产的MRIL-C/TP型测井仪。在油田矿产勘察中对各种类型储层的解释评价中得到了广泛的应用，目前在辽河油田内部已完成各类油气藏核磁共振测井200余口，取得了良好的地质勘察应用成果，为我国石油核磁共振测井技术创造了巨大的经济价值和地质探测技术的宝贵经验。 1核磁共振测井技术的原理与应用 核磁共振测井技术是利用氢原子核自旋形成的磁矩与外加磁场共同作用，氢核发生核磁共振后在自由进动过程中的衰减时间和振幅等特性来测量岩石内部含氢量的一种全新的储层评价及油气识别等方面的测井技术。核磁共振测井技术可以精确的测量、计算地层孔隙度、渗透率、含油饱和度等有关参数。[1]自旋回波法和预极化法是核磁共振测井技术常用的方法。预极化法在井下测量简便易行，自旋回波法可以显示出更为准确的结果，提高了信噪比，极大地增加了矿产勘查的成功率。 核磁共振测井技术在复杂油水关系、低孔低渗、低阻油气层、复杂岩性等疑难油气层问题的解决中可以发挥很大作用,从而达到了评价储层物性、判别流体性质和提高油气水综合符合率等一系列目的。从而为我国油气储藏矿产勘探和开发提供很好的技术支持，为我国的石油矿产能源建设和发展开创新的时代。 2核磁共振测井技术在辽河油田的实践应用介绍 核磁共振测井技术的使用可以预测产能，选择适用的测井参数，得到的核磁测井资料，能够大大推进测井技术在油气勘探、开发生产中的应用。核磁共振测井技术（NMRLT）在辽河油田油气储层解释评价中的实际应用主要体现在以下这几个方面： 1.确定油气储层孔隙结构形态、构成及分布。 2.地层有效孔隙度、自由流体体积等储层参数的分析与处理。 3.划分储层。 1. 核电子学中主要的噪声有三类：散粒噪声 、热噪声 和 低频噪声 。 2. 核辐射探测器输出信号的数学模拟为电流 冲击 函数，从探测器输出的 大量随机分布的信号，可用数学式表示为 ∑-=i i i t t Q t I ) ()(δ。 3. 在时域和频域分析中，当输入信号f(t),网络传输函数为h(t)时该输出信号 g(t)=_f(t)*h(t) ;经过_拉普拉斯________变换后，输入信号为F(S),网络传输函数为H(S)时输出信号G(S)=__F(S).H(S)________________。 4. 改善放大器线性的方法，可以简单归结为：（1）合理选择工作点__。 （2）__采用负反馈_。 5. 谱仪放大器基本上由____放大电路__和滤波成形电路组合而成，对滤波成形 电路来讲，有_弹道亏损_____和__堆积畸变_两种信息畸变。 6. 脉冲幅度甄别器是将__模拟脉冲__转换成__数字逻辑脉冲_输出的一种装置。 7. 定时误差通常按误差产生的原因分为两类：___时移___和___时晃_。 8. 放大器输出信息中，总是由：_信号__,__噪声__,__干扰__组成。 二、选择题：（每题 2 分，共 20 分） 1. 下列探测器中，能量分辨率最佳的是（ B ） A.闪烁体探测器 B.半导体探测器 C.电离室 D.气体探测器 2. CR 微分电路（高通滤波器）的频率响应为（ A ） A.RC j RC j H ωωω+= 1)( B. RC j R H ωω+=1)( C. RC j RC H ωω+= 1)( D. RC j H ωω+=11 )( 3. 已知已知一个电荷灵敏前置放大器反馈电容C f =1pf,对于硅半导体探测器，平 习题解答 第一章绪论 1、核信息的获取与处理主要包括哪些方面的 ①时间测量。核信息出现的时间间隔是测定核粒子的寿命或飞行速度的基本参数，目前直接测量核信息出现的时间间隔已达到皮秒级。 ②核辐射强度测量。核辐射强度是指单位时间内核信息出现的概率，对于低辐射强度的测量，要求测量仪器具有低的噪声本底，否则核信息将淹没于噪声之中而无法测量。对于高辐射强度的测量，由于核信息十分密集，如果信号在测量仪器中堆积，有可能使一部分信号丢失而测量不到，因此要求仪器具有良好的抗信号堆积性能。对于待测核信息的辐射强度变化范围很大的情况(如核试验物理诊断中信号强度变化范围可达105倍)，如测量仪器的量程设置太小，高辐射强度的信号可能饱和；反之，如量程设置太大，低辐射强度的信号又测不到，因此对于这种场合的测量则要求测量仪器量程可自动变换。 ③能谱测量。辐射能谱上的特征是核能级跃迁及核同位素差异的重要标志，核能谱也是核辐射的基本测量内容。精确的能谱测量要求仪器工作稳定、能量分辨力达到几个电子伏特，并具有抑制计数速率引起的峰位和能量分辨力变化等性能。 ④位置测量。基本粒子的径迹及空间位置的精确测定是判别基本粒子的种类及其主要参数的重要手段。目前空间定位的精度可达到微米级。 ⑤波形测量。核信息波形的变化往往反映了某些核反应过程的变化，因此核信息波形的测量是研究核爆炸反应过程的重要手段，而该波形的测量往往是单次且快速(纳秒至皮秒级)的。 ⑥图像测量。核辐射信息的二维空间图像测量是近年来发展起来的新技术。辐射图像的测量方法可分为两类：第一种是利用辐射源进行透视以摄取被测物体的图像；第二种是利用被测目标体的自身辐射(如裂变反应产生的辐射)以反映目标体本身的图像。图像测量利用计算机对摄取的图像信息进行处理与重建，以便更准确地反映实际和提高清晰度。CT技术就是这种处理方法的代表。 2、抗辐射加固主要涉及哪些方面 抗辐射加固的研究重点最初是寻找能减弱核辐射效应的屏蔽材料，后来在电路上采取某些抗辐射加固措施，然后逐渐将研究重点转向对器件的抗辐射加固。 3、核电子学的应用领域主要包括哪些方面 核电子可应用于核与粒子物理基本研究、核辐射探测器电子学、核反应堆电子学、加速器电子学、同位素应用仪表、核医学电子仪器以及剂量测量仪器等。 第一章 1.1 核电子学与一般电子学的不同在哪里？以核探测器输出信号的特点来说明。 在核辐射测量中，最基本的特点是它的统计特性、非周期性、非等值性，核电子学分析这种信号，经处理得到有用的信息。 1.4 当探测器输出等效电流源/0()t o i t I e τ -=时，求此电流脉冲在 探测器输出回路上的输出波形并讨论R 0C 0<<τ的情况。 V 0(s) = I 0(s)·[R 0∥(1/sc)] = I 0[1/(s+1/τ)]·[R 0(1/sc 0)/( R 0+(1/sc 0)) =( I 0/ c 0)·{1/[(s+1/τ) (s+1/ R 0 c 0)]} ∴ 当R 0 c 0<<τ时，τ－R 0 c 0≈τ ∴ 1.5 如图，设，求输出电压V(t)。 1.6 表示系统的噪声性能有哪几种方法？各有什么意义？输入端的噪声电压是否就是等效噪声电压？为什么？ ENV ENC ENN ENE η(FWHM)NE 不是 1.7 设探测器反向漏电流I D =10-8A ，后级电路频宽为1MHz,计算散粒噪声相应的方根值和相对于I D 的比值。 115.6610A -==? = 35.6610D I -=?= 1.8 试计算常温下（设T=300K ）5M Ω电阻上相应的均方根噪声电压值（同样设频宽为1MHz ），并与1MHz 能量在20pF 电容上的输出幅值作比较。 52.8810V -===? ∵ 2 12 E CV = ∴0.126V V == 1.9 求单个矩形脉冲f （t ）通过低通滤波器，RC=T ，RC=5T ，及RC=T/5，时的波形及频谱。 《核辐射探测器与核电子学》期末考试复习题 一、填空题（20分，每小题2分） 1．α粒子与物质相互作用的形式主要有以下两种：激发、电离 2．γ射线与物质相互作用的主要形式有以下三种：康普顿散射、光电效应、形成电子对 3．β射线与物质相互作用的主要形式有以下四种：激发、电离、形成离子对、形成电子-空穴对、轫致辐射 4．由NaI(Tl)组成的闪烁计数器，分辨时间约为：几μs；Ｇ-Ｍ计数管的分辨时间大约为：一百μs。 5．电离室、正比计数管、G-M计数管输出的脉冲信号幅度与入射射线的能量成正比。 6．半导体探测器比气体探测器的能量分辨率高，是因为：其体积更小、其密度更大、其电离能更低、其在低温下工作使其性能稳定、气体探测器有放大作用而使其输出的脉冲幅度离散性增大 7．由ZnS(Ag)组成的闪烁计数器，一般用来探测α射线的强度 8．由NaI(Tl)组成的闪烁计数器，一般用来探测γ、X 射线的能量、强度、能量和强度 9．电离室一般用来探测α、β、γ、X、重带电粒子射线的能量、强度、能量和强度。 10．正比计数管一般用来探测β、γ、X 射线的能量 11．Ｇ-Ｍ计数管一般用来探测α、β、γ、X 射线的强度 12．金硅面垒型半导体探测器一般用来探测α射线的能量、强度、能量和强度 13．Si(Li)半导体探测器一般用来探测α、β、γ、X射线的能量、强度、能量和强度 14．HPGe半导体探测器一般用来探测α、β、γ、X、带电粒子、重带电粒子射线的能量 15．对高能γ射线的探测效率则主要取决于探测器的有效体积 16．对低能γ射线的探测效率则主要取决于“窗”的吸收 17．Ｇ-Ｍ计数管的输出信号幅度与工作电压无关。 18．前置放大器的类型主要分为以下三种：电压型、电流型、电荷灵敏型 19．前置放大器的两个主要作用是：提高信-噪比、阻抗匹配。 20．谱仪放大器的两个主要作用是：信号放大、脉冲成形 21．滤波成效电路主要作用是：抑制噪声、改造脉冲波形以满足后续测量电路的要求 22．微分电路主要作用是：使输入信号的宽度变窄和隔离低频信号 23．积分电路主要作用是：使输入信号的上升沿变缓和过滤高频噪声 24．单道脉冲幅度分析器作用是：选择幅度在上下甄别阈之间的信号 25．多道脉冲幅度分析器的道数（M）指的是：多道道脉冲幅度分析器的分辨率 26．谱仪放大器的线性指标包括：积分非线性INL、微分非线性DNL 二、名词解释及计算题（10分，每小题5分） 1.能量分辨率: 表征γ射线谱仪对能量相近的γ射线分辨本领的参数，可用全能峰的半高宽度FWHM或相对半高宽度表示 2.探测效率：定义为探测器输出信号数量(脉冲数)与入射到探测器(表面)的粒子数之比 3.仪器谱：由仪器(探测器)探测(响应)入射射线而输出的脉冲幅度分布图，是一连续谱 4.能谱：脉冲幅度经能量刻度后就可以得到计数率 5.全能峰：入射粒子以各种作用方式(一次或多次)将全部能量消耗在探测器内而形成的仪器谱峰 6.逃逸峰：若光电效应在靠近晶体表面处发生，则X射线可能逸出晶体，相应的脉冲幅度所对应的能量将比入射光子能量小，这种 1． 核辐射探测器电流脉冲信号用理想数学模拟表示为 ) ()(0t t Q t i -?=δ。 2． 核电子学中的噪声主要有三类： 散粒噪声 、 热噪声 和低频噪声。 3． 短路延迟线冲击响h(t)=) (21 )(21d t t τδδ--；其频率响应为 ) 1(21 )(d j e H ωτω--=。 4． 从物理测量的要求看， 电荷 和 电压 前置放大器主要用于能谱 测量分析系统； 5． 主放大器的作用是对信号进一步 放大 和 成形 ，且在此过程中须保 持探测器输出的有用信息，尽可能减小失真。 6． 对核脉冲进行幅度和时间分析中，常用计数设备来测量某一类信号的计数率， 常用的计数设备有 定标器 、 计数率计 。 7． 模数变换是一种量化处理，即把连续的的模拟量（幅度）变换为 数字量 。 8． 《 9． 三种核脉冲计数系统： 简单的计数 系统、 单道计数 系统、 符合计数 系统。 10． 处理单元插件标准化分为 NIM 标准 、 CAMAC 标准 、 快总线标 准 。 11． 多道分析器获取数据的三种方式是：脉冲幅度分析(PHA)、多路定标(MCS) 和 列表方式。 / 二、选择题 （共10小题，共20分） 1. 由n 节放大节组成的放大器上升时间与各放大节上升时间的关系为tr=( B ) (A) 1 2r r rn t t t +++ (C) 12r r rn t t t ?? ? (D) {}12,,r r rn MIN t t t 2. 下面哪种说法是正确的（C ） (A ） 2 ()()m CR RC -双极性滤波成形与()()m CR RC -单极性成形相比信噪比要好。 (B) 2 ()()m CR RC -双极性滤波成形的基线偏移和涨落很大，在高计数率下得到的能量分辨 率低。 ） (C) ()()m CR RC -单极性滤波成形的基线偏移和涨落都较2 ()()m CR RC -双极性滤波成 形的要小，在高计数率下得到的能量分辨率高。 (D) 2 () ()m CR RC -双极性滤波成形的脉冲顶部较尖，弹道亏损较大，对后接幅度分析器的 测量精度不利。 3. 关于谱仪放大器中采用负反馈的作用，下列哪种情况是错误的（D ） (A) 放大倍数的稳定性增大了(1)o A F +倍。 (B) 放大器的上升时间减少了(1)o A F +倍。 (C) 放大器的频率响应增加了(1)o A F +倍。 (D) 放大器的噪声降低了(1)o A F + 倍。 4. 通常放大器的输出阻抗比较小，以便能适应在不同负载情况下工作，为与输出电缆匹配使用，输出阻抗一般取（ D ）。 】 (A) 20Ω (B) 30Ω (C) 40Ω (D) 50Ω 5. 双极性高斯成形一般组成为（C ） 《核电子学与探测技术》系中国核工业集团公司主管的，由中国核学会、中国电子学会所属核电子学与核探测技术分会主办的会刊，中国核工业集团公司北京核仪器厂承办，原子能出版社出版。《核电子学与探测技术》期刊多年来，来稿数量逐年增多，因此，从1981年创刊以来已5次扩大版面，从16开的64页扩大到现今的A4开本128页，从黑白封面改为彩色封面，内页纸张也从52g普通纸该为70g胶版纸。《核电子学与探测技术》先后被《中国学术期刊（光盘版）》、万方数据（ChinaInfo）系统《科技期刊群》期刊网、中国期刊网、科技部西南信息中心维普信息资源网、国防科工委期刊网收录、《CEPS中文电子期刊服务》、《书生数字期刊》收录，被美国工程信息公司（Ei）、化学文摘（CA）、国际原子能机构（IAEA）的检索刊物INIS和国内多家权威文摘刊物等所收录。被《中国学术期刊（英文版）》即《Chinese Science Abstracts》、《中国学术期刊（中文版）》等文摘刊物收录。据《中国期刊网》和中国科技信息研究所的《万方数据—数字化期刊群》等调查，本刊的Web影响因子在原子能科技类刊物中名列前茅，读者从网上对本刊的点击率和下载率是名列前茅的。 2004年3月《中国知识资源总库》编辑委员会致函本刊，函件中说：通过对《中国期刊全文数据库》中近8000种期刊10年的引文统计分析，筛选出文献引用频次排名在前500名的高水平期刊，进行全面、系统、完整的数字化整合，以期建成我国有代表性的、完备的、系统的国家级期刊精品数据库。函件中告知本刊已被编入国家级期刊精品数据库《中国知识资源总库·科技精品期刊库》。多年来一直被评为全国中文核心期刊，在原子能科技类遴选的15种核心期刊中排名第五位（见北京大学出版社出版的《中文核心期刊要目总览》2004年版（即第四版）第77页。一直被中国科技论文统计与分析（中国科学技术信息研究所受国家科学技术部发展计划司委托项目）、中国学术期刊综合评价数据库和中国科学引文数据库等作为来源期刊。 2003年开始采用著名核科学家、“两弹一星”元勋、两院院士原全国政协副主席朱光亚为本刊题写的刊名。 《核电子学与探测技术》征稿简则 1) 来稿务求论点明确, 文字简练, 数据可靠。 2) 文章题目简明(20个汉字以内); 中英文摘要须包括题目、作者姓名、作者单位、城市名、省名和邮政编码，并应写成叙述性文摘(含有研究目的、方法、结果和结论)；关键词为3～5个，并提供该文的中图分类号。 3) 文稿应采用阿拉伯数字进行分级编号, 最多可用4级。引言不编号,也不写“引言” 字样。 4) 作者简介包括（第1作者姓名（出生年--）、性别（民族，汉族省略）、籍贯、职称、学位、从事研究方向） 5) 基金项目名称及项目编号、需以脚注形式写明。 1．解释：核辐射探测器 辐射探测器是将入射射线的信息(能量、强度、种类等)转换成电信号或者其它易测量信号的转换器，即传感器或换能器。是用来对核辐射和粒子的微观现象，进行观察和研究的传感器件﹑装置或材料。 2．核辐射探测的主要内容有哪些？ 辐射探测的主要内容有：记录入射粒子的数量(射线强度)，测定射线的种类，确定射线的能量等。应用要求不同，探测的内容可能不同，使用的辐射探测器也可能不同。 3．常见的核辐射探测器按工作原理可分成哪几类？ 常见的辐射探测器，按工作原理可分成以下几类: ①利用射线通过物质产生的电离现象做成的辐射探测器，例如，电离室、半导体探测器等。 ②利用射线通过物质产生荧光现象做成的探测器，例如，闪烁计数器。 ③利用辐射损伤现象做成的探测器，例如，径迹探测器。 ④利用射线与物质作用产生的其他现象，例如，热释光探测器。 ⑤利用射线对某些物质的核反应、或相互碰撞产生易于探测的次级粒子做成的探测器，例如，中子计数管。 ⑥利用其他原理做成的辐射探测器。 4．闪烁计数器由哪几个部分组成？答：闪烁计数器由闪烁体和光电倍增管等组成。 5．核辐射探测器输出的脉冲，其哪些参量与射线强弱、能量大小有着什么样的定性关系？ 入射射线强时，单位时间内产生的脉冲数就多一些；入射粒子能量大时，产生的光子就多，脉冲幅度就大一些，从这些情况便可测知射线的强度与能量。 6．对用作核辐射探测器的闪烁体有哪些要求？ ①闪烁体应该有较大的阻止本领，这样才能使入射粒子在闪烁体中损耗较多的能量，使其更多地转换为光能，发出较亮的闪光。为此，闪烁体的密度及原子序数大一些对测量γ射线是合适的。 ②闪烁体应有较大的发光效率(也称转换效率)。 ③闪烁体对自己发出的光应该是透明的，这样，闪烁体射出的光子可以大部分(或全部)穿过闪烁体,到达其后的光电倍增管的阴极上，产生更多的光电子。 ④闪烁体的发光时间应该尽可能短。 闪烁体的发光时间越短，它的时间分辨能力也就越强，在一定时间间隔内，能够观测的现象也就更多，可以避免信号的重叠。 ⑤闪烁体发射的光谱应该与光电倍增管的光阴极光谱响匹配，这样才能使产生的光子 第一题：推导1R=2.58×10-4 C/Kg 伦琴的定义：射线通过0.001293 g 空气，因电离产生正负离子各一个静电单位的电量，那么这些空气的吸收剂量为1R 。 一个静电单位的电量=3.3364×10-10 C 所以1R=3.3364×10?100.001293C/Kg 第二题：论述照射量X 与吸收剂量D 之间的关系与表达式 照射量为单位质量的空气中产生的电荷量，即：X=dQ dm 吸收剂量为单位质量介质中的平均授予能，即：D= d εdm 照射量只能作为X 或γ射线辐射场的量度，描述电离辐射在空气中的电离本领； 吸收剂量则可以用于任何类型的电离辐射，反映被照介质吸收辐射能量的程度。 对于同种类，同能量的射线和同一种被照物质来说，吸收剂量和照射量成正比。 吸收剂量和照射量如果在介质中某点m 处引入小空腔，在m 点中的照射量为X ，吸收剂量和照射量的关系为：D=fx ·X fx 为由照射量到吸收剂量的转换因子为33.85Gy ·kg/c 第三题:如何测量出1伦琴的X 射线 气体探测器包括电离室，正比计数器和G-M 计数器等。他们虽是比较早期的核辐射探测器，但由于它具有其它类型探测器不能取代的结构简单、性能稳定、价格低廉、适应较宽的温度范围等特点，至今仍有广泛应用。由于电离室，正比计数器和G-M 计数器把核辐射转变为电信号的物理过程都是探测器内充特定气体的特定体积中进行的，所以它们统称气体探测器。 气体探测器是利用收集辐射射线与气体相互作用产生的电离电荷来探测辐射的探测器。通常是由高压电极和收集电极组成，电离电荷在收集极积累，在输出回路中形成电离电流，以电流的大小反应辐射射线的能量和强度。 电离：入射带电粒子通过气体时，由于与气体分子的电离碰撞而逐次损失能量，最后被阻止下来，碰撞使气体分子电离或激发，并在粒子通过的路径上生成大量的离子对（电子和正离子）。 电离过程包括入射粒子直接与气体分子碰撞引起的电离（初电离）以及由碰撞打出的高速电子所引起的电离（次电离）。 一、气体原子的电离和激发 带电粒子使气体原子电离而形成电子和正离子对的现象称为气体的电离。电离出来的电子称为次级电子，它们具有不同的动能，其中一些能量较大的电子还可以使气体分子电离。 大量的实验表明：在相当大的能量范围内，入射粒子在气体中产生的总电离粒子对数目N 与它在气体中损失的能量E 成正比，即： N=E/W W 为平均电离能，它表示入射粒子在气体中产生一对离子对所平均消耗的能量。 二、离子对的漂移： 外电场中，电子和正离子从电场中获得了定向的加速度，它们分别向两电极运动。（电 习题答案 核技术及应用概述 1、核技术是以核物理、核武器物理、辐射物理、放射化学、辐射化学和辐射与物质相互作用为基础，以加速器、反应堆、核武器装置、核辐射探测器和核电子学为支撑而发展起来的综合性现代技术学科。 2、广义地说，核技术可分为六大类：核能利用与核武器、核分析技术、放射性示踪技术，辐射照射技术、核检测技术、核成像技术。 3、主要是利用核裂变和核聚变反应释放出能量的原理，开发出能源或动力装置和核武器，主要应用有：核电站、核潜艇、原子弹、氢弹和中子弹。 4、在痕量元素的含量和分布的分析研究中，利用核探测技术、粒子加速技术和核物理实验方法的一大类分析测试技术，统称为核分析技术。 特点： 1.灵敏度高。比如，可达百万分之一，即10-6，或记为1ppm；甚至可达十亿分之一，即10-9，或记为1ppb。个别的灵敏度可能更高。 2.准确。 3.快速。 4.不破坏样品。 5.样品用量极少。比如，可以少到微克数量级。 5、定义：应用放射性同位素对普通原子或分子加以标记，利用高灵敏，无干扰的放射性测量技术研究被标记物所显示的性质和运动规律，揭示用其他方法不能分辨的内在联系，此技术称放射性同位素示踪技术。 有三种示踪方式：1)用示踪原子标记待研究的物质，追踪其化学变化或在有机体内的运动规律。2)将示踪原子与待研究物质完全混合。3)将示踪原子加入待研究对象中，然后跟踪。 6、放射性示踪 7、核检测技术: 是以核辐射与物质相互作用原理为基础而产生的辐射测量方法和仪器。 特点：1）非接触式测量；2）环境因素影响甚无；3）无破坏性：4）易于实现多个参数同时检测和自动化测量。 8、辐射照射技术：是利用射线与物质的相互作用，将物质置于辐射场中，使物质的性质发生有利改变的技术。 辐射交联的聚乙烯有什么优点：热收缩、耐热、机械强度大为提高、耐有机溶剂、不易被溶解、电绝缘性能很好，且不怕潮湿。 9、X射线断层扫描(XCT)、核磁共振显像仪(NMR-CT)、正电子发射显像仪(PECT)，同位素单光子发射显像仪(SPECT)和康普顿散射显像仪(CST)； 10、核医学是当今产值最大、发展最快的核辐射设备。 第一篇核技术基础知识 1、具有确定质子数和中子数的原子核称做核素。 质子数相同而中子数不同的核素互为同位素。 2、结合能是质子和中子结合构成原子核时所释放的能量。 3、7.476Mev 4、结合能是：2.224 Mev 比结合能是：1.112Mev 5、γ衰变特点： 核辐射探测器中的核电子学学院名称核科学技术学院 学号 201321010322 学生姓名张枫 核辐射探测器中的核电子学 摘要：核辐射探测器是指能够指示、记录和测量核辐射的材料或装置。辐射和核 辐射探测器内的物质相互作用而产生某种信息（如电、光脉冲或材料结构的变化），经放大后被记录、分析，以确定粒子的数目、位置、能量、动量、飞行时 间、速度、质量等物理量。核辐射探测器是核物理、粒子物理研究及辐射应用中 不可缺少的工具和手段。核辐射探测器的工作过程大致分为二阶段：一是与辐射 反应，生成某种信息，该过程属于核测控内容；二是该信息的记录、收集、处理， 该过程属于核电子学内容。 关键字：核辐射、核电子学、核辐射探测器。 1.核辐射探测器的工作过程 其工作过程大致分为二个，一是与辐射反应，生成某种信息；二是该信息的记录、收集、处理。 2.与辐射相互作用产生某种信息的过程 核辐射探测器按探测介质类型及作用类型大致分为三种：气体探测器、半导体探测器、闪烁体探测器。它们与辐射相互作用的过程大不相同，但是其基本思想没变，都是辐射粒子射入探测器的灵敏体积；入射粒子通过电离、激发等效应而在探测器中沉积能量；探测器通过各种机制将沉积能量转换成某种形式的输出信息。 2.1气体探测器 气体探测器是内部充有气体、两极加有一定电压的小室。入射带电粒子通过气体时，使气体分子电离或激发，在通过的路径上生成大量的离子对—电子和正离子。带电粒子在气体中产生一电子离子对所需的平均能量称为电离能，电离能只与介质有关，与带电粒子的种类无关；带电粒子能量越高，其所生成的离子对越多，则生成的离子对数可以反应入射带电粒子的能量。 2.2闪烁体探测器 闪烁探测器是利用某些物质在核辐射的作用下会发光的特性探测核辐射的，这些物质称为荧光物质或闪烁体。其工作原理为：带电粒子进入闪烁体中，使原子电离激发，受激原子在退激过程中发光，光子穿过闪烁体、光导，一部分到达光电倍增管的光阴极，在光阴极上打出光电子，被光电倍增光的第一倍增极收集的光电子经过光电倍增管各倍增极的倍增，便产生一个电脉冲信号。 2.3半导体探测器 半导体探测器探测带电粒子的基本原理与气体电离室的十分相似，都是带电粒子在半导体探测器的灵敏体积内产生电子－空穴对，电子－空穴对在外电场的作用下漂移而输出信号。 我们把气体探测器中的电子－离子对、闪烁探测器中被 PMT第一打拿极收集的电子及半导体探测器中的电子－空穴对统称为探测器的信息载流子。 3信号载流子收集、记录、处理过程 第二章 1．解释：核辐射探测器 辐射探测器是将入射射线的信息(能量、强度、种类等)转换成电信号或者其它易测量信号的转换器，即传感器或换能器。是用来对核辐射和粒子的微观现象，进行观察和研究的传感器件﹑装置或材料。 2．核辐射探测的主要内容有哪些？ 辐射探测的主要内容有：记录入射粒子的数量(射线强度)，测定射线的种类，确定射线的能量等。应用要求不同，探测的内容可能不同，使用的辐射探测器也可能不同。 3．常见的核辐射探测器按工作原理可分成哪几类？ 常见的辐射探测器，按工作原理可分成以下几类: ①利用射线通过物质产生的电离现象做成的辐射探测器，例如，电离室、半导体探测器等。 ②利用射线通过物质产生荧光现象做成的探测器，例如，闪烁计数器。 ③利用辐射损伤现象做成的探测器，例如，径迹探测器。 ④利用射线与物质作用产生的其他现象，例如，热释光探测器。 ⑤利用射线对某些物质的核反应、或相互碰撞产生易于探测的次级粒子做成的探测器，例如，中子计数管。 ⑥利用其他原理做成的辐射探测器。 4．闪烁计数器由哪几个部分组成？答：闪烁计数器由闪烁体和光电倍增管等组成。 5．核辐射探测器输出的脉冲，其哪些参量与射线强弱、能量大小有着什么样的定性关系？ 入射射线强时，单位时间内产生的脉冲数就多一些；入射粒子能量大时，产生的光子就多，脉冲幅度就大一些，从这些情况便可测知射线的强度与能量。 6．按不同的分类标准，闪烁体分为哪几类？试列举。 闪烁体的种类很多，有固体的，液体的，也有气体的。可以是有机物，也可以是无机物。闪烁体的外形也可随应用要求而不同。 7．对用作核辐射探测器的闪烁体有哪些要求？ ①闪烁体应该有较大的阻止本领，这样才能使入射粒子在闪烁体中损耗较多的能量，使其更多地转换为光能，发出较亮的闪光。为此，闪烁体的密度及原子序数大一些对测量γ射线是合适的。 ②闪烁体应有较大的发光效率(也称转换效率)。 ③闪烁体对自己发出的光应该是透明的，这样，闪烁体射出的光子可以大部分(或全部)穿过闪烁体,到达其后的光电倍增管的阴极上，产生更多的光电子。 ④闪烁体的发光时间应该尽可能短。 闪烁体的发光时间越短，它的时间分辨能力也就越强，在一定时间间隔内，能够观测的现象也就更多，可以避免信号的重叠。 ⑤闪烁体发射的光谱应该与光电倍增管的光阴极光谱响匹配，这样才能使产生的光子被充分利用起来，使光电倍增管的光阴极产生较多的光电子。否则，将因为光电倍增管对闪烁体发射的光子光谱不敏感，而不能产生良好的响应，得不到大的输出信号。 ⑥闪烁体要有很高的能量分辨本领。 除此以外，其它条件，例如：要求闪烁体易于加工；闪烁体具有适当的折射率和光藕合能力，尽可能避免全反射，使大部分光线都能射到光电倍增管的光阴极上；闪烁体能够长期工作于辐射条件下，闪烁体性能稳定等等，也是人们所期望的。 8．解释：能量分辨本领、能量分辨率、能量分辨力 能量分辨本领是指，针对两种不同能量的入射粒子，探测器所能够测定最小的能量间隔。 我们定义能量分辨率21W 为：21W =%100/021??h h 这样，当脉冲幅度被放大时，21h ?也被放大，分辨率基本保持不变。它表征探测器的相对分辨能力。可见能量分辨率越小，则分辨本领越好。 9．表示分辨本领的高低的方法有哪些？ 一是将如图所示横坐标换算成能量单位(keV 或eV)，21h ?相应为E ?，这时，信号幅度虽然被放大，但引起这些信号的原始射线能量并未改变，可以凭此相互 比较，而不会因为放大倍数等测量条件的改变而产生差错。称E ?为极大值一半处的宽度，简称半高宽(FWHM ，full width at half maximum)，来表征探测器的能量绝对分辨能力。除了用半高宽(FWHM)以外，有时还用FWTM 来表达，即：十分之一高宽(FWTM ，full width at tenth maximum)。 办法之二是，采用能量分辨率来表示分辨本领的高低。我们定义能量分辨率21W 为：21W =%100/021??h h 这样，当脉冲幅度被放大时，21 h ?也被放大，分辨率基本保持不变。它表征探测器的相对分辨能力。可见能量分辨率越小，则分辨本领越好。 10．理想的能谱与实际测得的能谱有何区别？ 实际的测得的有本底 11．解释：脉冲幅度谱、微分谱、仪器谱、半高宽、谱仪的能量分辨率 将闪烁计数器的输出画成一条曲线来看，横坐标表示闪烁体输出的信号幅度，纵坐标为在一段时间内，不同幅度的脉冲在对应的脉冲幅度位置上的累计数(而不是计数率)，这条曲线称为脉冲幅度的微分分布曲线，简称微分谱（仪器谱）。 半高宽21h ?是这样求得的：在最大计数的一半处，画一条平行于横坐标轴的直线，与曲线相交得到的宽度即为21h ?，从图2.3可见，21h ?越小，则分辨本 领越好，理想的情况应接近0，这时分布曲线将接近为一条垂直于横坐标轴的直线。 谱仪的能量分辨率21W 为：21W =%100/021??h h 这样，当脉冲幅度被放大时，21h ?也被放大，分辨率基本保持不变。它表征探测器的相对分辨能力。可见能量分辨率越小，则分辨本领越好。 12．对于分辨率分别为8%和13%的NaI(Tl)晶体，哪个晶体的能量分辨能力高？ 能量分辨率越小，则分辨本领越好，能量分辨能力高。对于能量分辨率分别为8%和13%的NaI(Tl)晶体，则前者的分辨能力优于后者。 13．用好的NaI(Tl)晶体和光电倍增管，能量分辨率可达多大？ 能量分辨率可达6%—7%左右。 14．能量分辨能力与射线能量有何关系？ 能量越高，产生粒子数越多，相对涨落就越小，能量分辨本领就会好些； 能量越低，产生的光子数越少，相对涨落就会越大，能量分辨本领就会差。 15．解释：探测效率 一段时间内，探测器探记录到的粒子数与入射到探测器中的该种粒子数之比。(探测效率是入射粒子通过探测器的灵敏体积时，能产生输出信号的概率) 16．常用的闪烁体有哪些？ (1)碘化钠(铊) (2)硫化锌(银)(3)碘化铯(铊)(4)碘化锂(铊)(5)液体闪烁体 17．为什么NaI(Tl)探测器具有很高的探测效率？ NaI(Tl)晶体是具有很大光输出的闪烁体，广泛应用于探测γ射线的强度和能量。NaI(Tl)晶体的相对密度大，有效原子序数高，碘的含量占85%(碘的原子序数为53)，所以阻止γ射线本领很大。 NaI 闪烁体可以做成很大的尺寸(体积在 200mm 200mm ?φ以上)，由于NaI(Tl)单晶十分透明，利用它来探测γ射线是很有利的，探测γ射线效率很高， 可在百分之几十左右。 18．与NaI(Tl)探测效率有关的因素有哪些？核探测与核电子学国家重点实验室五年工作报告
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