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摘要：随着核物理、粒子物理实验和研究的不断深入，核辐射探测器在辐射应用中成为不可缺少的工具和手段。核辐射探测器按其功能分类，核辐射探测器可分为计数器、径迹室、能谱仪和时间探测器等。计数器和径迹室是在不同领域应用较为广泛的两种探测器。本文详细介绍了探测器中计数器类探测器和径迹室类探测器的发展状况，以及各探测器的工作原理、发展趋势及应用。

关键字：气体电离探测器；闪烁探测器；核乳胶；固体径迹探测器

引言

随着高能物理、粒子物理以及现代电子学的快速发展，辐射探测器是通过核辐射与物质相互作用提供有关核辐射信息并对其进行分析处理的实验仪器。它有探测器本身和测量仪器设备两部分组成。射线与物质相互作用发生在探测器内而产生某种信息，经过放大后被记录、分析、以转变为各种形式的直接或间接可为人们所能接受的信息，从而确定待测粒子的数目、位置、能量、速度、质量、漂移时间等物理量[1]。基于核辐射在阻止介质中的电离效应构成的电离型核辐射探测器，包括气体电离室、正比计数器、盖格-米勒计数管、半导体探测器、云室、火花室和径迹探测器[2]。带电粒子在这些探测器中直接产生电离，γ射线，中子等不带电粒子则是先于物质发生相互作用产生带电的次级粒子后在再探测器产生电离。在另外一类的探测器中，核辐射与物质相互作用使阻止介质的原子或分子激发，如闪烁探测器、核乳胶。总之，可以通过任何一种相互作用设计一种核辐射探测器，如目前高能物理方面使用的切伦科夫计数器就是利用高速带电粒子，对大量阻止原子的极化效应，在退极化时产生干涉加强的连续波长可见光[3]。

核辐射探测器按其功能分类，探测器可分为计数器、径迹室、能谱仪和时间探测器等。计数器只能提供核辐射粒子的数目，确定核辐射的有无以及核辐射的强弱，它不能够鉴别核辐射的种类，也不能够确定射线粒子的能量或者能量分布。径迹室可以得出核辐射空间的入射方向或者空间位置分布信息。能谱仪型核辐射探测器可以详细按照能量将核辐射粒子进行分类，给出不同能量的核辐射粒子数目[4]。时间探测器可以得到核辐射到达或者穿过探测器的时间信息或者不同核辐射粒子间的时间顺序以及关联信息。在高能物理的实验中，往往需要各种功能的探测器，在计算机的统一操纵下构成一个多探测器系统。本文主要介绍计数器和径迹室两种类型的探测器。

1.计数器类探测器

这类探测器种类多样，是应用最广泛的辐射探测器。它以脉冲的形式记录，分析核辐射产生的相关信息。这种探测器促进了核电子学这一新的分支学科的快速发展。计数器类探测器包括气体电离探测器、闪烁计数器、多丝室和漂移室、半导体探测器和切伦科夫计数器等。

1.1气体电离探测器

气体电离探测器是一类出现较早的探测器，主要特点是探测器内的工作介质为气体。它具有不能被其他探测器替代的优点：探测器的灵敏体积大小和形状几乎不受限制，没有核辐射损伤或极易恢复以及运行竞技可靠等优点。上世纪70年代之前有过被闪烁探测器和半导体探测器取代的风险，但在70年代之后，在高能物理和中能重离子核物理研究中被广泛使用[5]。气体电离探测器通常包括三类处于不同工作状态的探测器：电离室、正比室和雪崩室。它只是不同电压的三种工作状态，结构相似，一般都是有两个电极的小室，充有工作气体，如图1所示。

1.2气体电离探测器工作原理

在气体电离探测器内充有工作气体，当射线粒子进入探测器小室内，与工作气体分子作用产生电子离子对，在收集电场的作用下，产生的电子和正离子分别向阳极和阴极外壳运动，当电子运动到阳极时，在阳极产生电信号，有输出端的电子学测量设备记录[6]。电离室的工作电压在饱和区，工作电压相对较低，没有放大作用，输出的脉冲幅度较小，电离室对入射核辐射的时间响应受到正离子和电子收集时间的限制，收集时间由正离子和电子在工作气体中的漂移速度决定，具有较慢的时间特性，一般在十几微秒至几百微秒之间。正比室的工作电压在正比区，工作电压相对较高，有放大作用，输出的脉冲幅度较大，脉冲幅度正比于入射粒子损失的能量，由于工作电压较高，粒子在电场的漂移速度变快，探测器的时间响应变快，可以达到几微秒，有益于探测强度更高的核辐射。雪崩室的工作电压在雪崩区，工作电压更高，已经不在正比与原始电离的离子数，不需要放大可以直接用来计数，因比较简单、经济和快的时间响应，在许多场合被广泛用来提供时间信号和触发信号。

1.3气体电离探测器发展趋势及应用

气体电离探测器在多丝正比室和漂移室的基础上发展了许多新式气体探测器，如正比闪烁室、液氩电离室、新的微条气体室、气体电子倍增器、阻性板室、微网结构的气体探测器，它们克服了多丝正比室制造工艺的局限性，且在空间分辨率等方面有很大的提高。微条气体室[7]是1988年法国的A.Oed使用光刻技术制成的，在绝缘或半绝缘基板上通过光刻形成交替布置的两组细金属条，在阳极提供适当高压，阳极附近可以产生电子雪崩，其空间分辨可达到30μm。气体电子倍增器[8]是1997年CERN开发的，在两面覆铜的薄板上通过光刻技术蚀刻高密度小孔，在两面铜板加上电压，在小孔处形成强电场，电子在该处发生雪崩放大，这就是GEM膜的原理。阻性板室[9]是由两块平行的阻性塑料板组成，带电粒子通过气隙时会产生流光放电，在高阻的阻性板上产生瞬时的压降，使气隙内电场强度骤降，放电猝灭，其主要特点是时间分辨好，探测效率高，输出信号大，造价低，在许多大型实验中被大量使用。液氩电离室可以作为电磁量能器的计数器。电离室种类多样应用广泛，如有用于测量中子强度的补偿电离室，有用于测量稀有粒子的大体积脉冲电离室，有用于测量α粒子能量的屏栅电离室，有用于测量γ射线照射量的自由空气电离室[10]，以及在密度计、水位计、厚度计和核子秤均大量选用电流电离室作为辐射探测器。正比室由于存在放大效应，对低能β和低能γ能谱的测量有很大的优越性。随着理论研究进一步的深入以及新材料的发现和制作工艺的不断进步，气体电离探测器会得到进一步发展。

1.4闪烁探测器

闪烁探测器是利用电离辐射在某些物质中产生的闪光来探测电离辐射的，它是目前应用最多、最广泛的电离辐射探测器之一[11]。1947年Coltman和Marsshall成功的用光电倍增管测量了辐射在闪烁体产生的微弱荧光光子，开始了闪烁探测器的发展，随着光电倍增管和微光探测器件技术的进步，闪烁探测器得到了快速的发展[12]。由于具有探测效率高、分辨时间短、使用方便，闪烁探测器在某些方面的应用已经超过了气体探测器，并为γ射线谱学提供了可能。

1.5闪烁探测器工作原理

闪烁探测器由闪烁体、光电转换器和相应的电子学系统三部分组成，如图2所示。闪烁探测器的工作过程可以分解为六个相互联系的过程[13]：

a）闪烁体对核辐射的吸收及其组成原子的电离和激发；

b）在闪烁体中光脉冲的产生即通过荧光过程将射线在闪烁体的损失能量转换成发射光子的能量；

c）闪烁光子尽可能有效的从闪烁体传输到光电倍增管的光阴极；

d）光子被光阴极吸收通过光电效应产生光电子；

e）光电倍增管对电子进行倍增后，在阳极上获得电流或电压脉冲；

f）对光电倍增管输出电信号进行处理分析最终获得测量数据。

1.6闪烁体和光电倍增管

闪烁体是指能吸收粒子或射线发出光子的材料。一般来说闪烁体应该具有能够高效的将核辐射能量转换成荧光辐射能量；对自己发射的荧光辐射是透明的；荧光辐射的时间短；闪烁体的发射光谱与可用的光电倍增管光阴极的响应相匹配，闪烁体还应该具有密度、物理和化学性质的适应性等。常见的闪烁体可分为有机闪烁体、无机闪烁体和气体闪烁体。有机闪烁体大多属于苯环结构的芳香族碳氢化合物，由于其荧光衰减时间为10-9s，常用在时间测量中，对粒子的探测效率接近百分之百。无机闪烁体的发光机制以无机晶体，尤其是掺杂激活剂的卤素碱金属为典型，常见的无机闪烁体有NaI（TI）、CsI（TI）等晶体，它们对电子、γ辐射灵敏，发光效率高、有较好的能量分辨，但光衰减时间比较长。气体闪烁体为一些惰性气体，发光效率不高，常用来记录裂变产物和重离子的探测器[14]。

光电倍增管是一种电真空器件，是闪烁探测器最重要的部件之一。有光阴极和倍增电极组成，其功能是将光信号转换成电信号并将其幅度变大。尽管现在光电倍增管的种类比较多，根据共同的原理所有的光电倍增管都包含一个对光灵敏的光阴极，多个具有高的次级电子发射系数的倍增电极以及一个最后收集所有次级电子的阳极。光阴极将光信号转变电信号，倍增电极充当一个放大倍数大于107的放大器，倍增极的放大倍数与电压成正比[15]。传统的光电倍增管可以分为聚焦型和非聚焦型，聚焦型结构的管子具有电子渡越时间分散小，脉冲线性电流大，总增益对级间电压变化比较敏感，对电压稳定性要求较高等特点，适用于时间响应较快的场合。非聚焦型电子渡越时间及其分散比较大，优点是总增益大、平均输出电流大，暗电流特性好，适用于闪烁能谱测量。近年，又发展了丝网型、光刻微网型和光刻金属微通道型等多种结构的光电倍增管，各具有不同的特点。

1.7闪烁探测器发展趋势及应用

随着闪烁体的性能不断得到提高，目前研究热点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，已经成为核医学、高能物理等领域关注的重点[16]；一些新型闪烁体材料LSO、GSO等也不断被开发利用。闪烁探测器能够确定核辐射的存在、强弱，入射粒子的能量以及入射粒子的种类，目前已经成为最具有广泛适用性的核辐射探测器之一，对入射粒子能量在1eV～10GeV范围内的粒子都适用，其中又以无机闪烁探测器应用最为广泛。其应用可以归为四类：能谱测量、时间测量、强度测量、剂量测量。

2.径迹室类探测器

径迹室类探测器是通过记录、分析辐射产生的径迹图象测量核辐射。根据入射核辐射在工作室内记录的径迹的粗细、长度、径迹弯曲程度和径迹的数量分布，获取入射粒子的信息。径迹探测器主要包括核乳胶、云室和泡室、火花室和流光室、固体径迹探测器等。

2.1核乳胶

核乳胶是辐射探测中的径迹探测器之一，它由普通照相胶片发展而来的，主要成分是溴化银颗粒和明胶的混合物。核乳胶探测器是能够记录带电粒子单个径迹的照相乳胶[17]。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（1μm）。

2.2核乳胶工作原理

与可见光在胶片中发生的过程相似，当带电粒子射入乳胶后，沿其径迹与附近的工作介质发生相互作用，使核乳胶中的工作介质分解为溴原子和银原子，同时入射粒子不断损失能量最后停在乳胶中。在显影的过程中，由电离辐射产生的有一定数量的银原子溴化银颗粒起催化作用，使溴化银还原为银颗粒，而其他的溴化银晶粒保持原来的状态，在经过定影处理，在乳胶中留下由微笑黑色银颗粒组成的粒子径迹。

2.3核乳胶发展趋势及应用

核乳胶具有体积小、轻便、能将高能粒子的径迹永久保存等优点，其独特的空间分辨率用于研究极短寿命粒子，常用于高空宇宙射线和基本粒子的研究，其缺点是根据径迹测量粒子能量时精确度较低。核乳胶技术近几十年来仍然在核探测领域发挥着作用，在高山宇宙线观测站，或者把核乳胶室装载在高空气球或火箭上进行原初宇宙线的测量。1946年，钱三强领导的研究小组（何泽慧是组员之一）利用核乳胶研究铀裂变，经过反复实验和上万次的观测，发现了铀核的三分裂和四分裂现象[18]。1947年10月，鲍威尔等人发表了“关于乳胶照相中慢介子轨迹的观测报告”的论文，全面总结了他们的宇宙射线实验结果，正式宣布他们发现了新粒子，并命名其为π介子[19]。核乳胶成为粒子物理学研究在一段时间内强有力的研究工具给出新发现的得力技术，曾用核乳胶陆续发现了介子﹑K介子﹑超子﹑反超子等新的粒子﹐并对许多基本粒子的性质进行了大量研究。核乳胶除了在核物理和粒子物理研究中的应用外，在生物学、医学、放射性探矿、农业等方面也有一定的应用，如在研究样品中放射性同位素示踪剂的分布的测量，放射性矿床的勘察等。

2.4固体径迹探测器

相比于核乳胶，固体径迹探测器是另一种辐射探测中的径迹探测器，它是用绝缘固体材料来记录质量大于质子的带电粒子径迹的探测器。它具有抗干扰能力强、记录保持时间久、价格便宜、几何尺寸小、显影容易等优点。

2.5工作原理

当带电粒子通过固体径迹探测器时，在它们的路径附近的工作介质产生辐射损伤，形成一条连续的辐射损伤径迹，这种径迹不可用光学显微镜观察。当把带有辐射损伤径迹的材料放入强酸或强碱等蚀刻溶剂时，沿辐射损伤径迹出现一条细长的孔洞，孔洞即为蚀刻后的粒子径迹。当径迹直径扩大到微米数量级时，就可用光学显微镜观察[20]。

2.6发展趋势及应用

由于固体径迹探测器具有抗干扰能力强，能够测量待测粒子的电荷、以及待测粒子的质量和能量，保存径迹时间久，位置灵敏高和工作介质普遍等优点，被广泛应用于各领域。在原子核物理研究中，利用固体径迹探测器抗干扰能力强的特性，被用来在强核辐射中测量裂变几率、裂变寿命、以及寻找裂变同质异能素，测量核反应截面、分支比和角分布等。利用固体径迹探测器记录直接或次级重带电粒子径迹，进行地面和高空辐射剂量测量。在天体物理中，利用固体径迹探测器分辨粒子种类和记录粒子径迹的能力，分析太阳粒子的成分和能谱。固体径迹探测器在分析化学、地球化学、冶金学、结晶学和生物医学等领域中，可以测定铀、钍、钚、硼、锂、铅、铋等多种元素的微小含量和微观分布。

3总结与展望

探测器技术的快速发展和广泛应用不仅促进了微物质结构的研究，而且还推动了高能物理、天体物理、宇宙线物理、核医学等领域的发展。未来探测器不仅能够在高能物理和天体物理中得到广泛的应用，而且在生物学、石油探井、无接触测量（测温计，测厚仪）、农学等很多领域还会有更美好的应用前景。

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