淺析放射性物探中閃爍輻射儀探測器的原理及應用

李金艷

摘要：本文主要介紹放射性物探儀器常用閃爍輻射儀中探測器電路的構成，全面分析了工作原理，闡述了放射性物探的本質。

關鍵詞：閃爍輻射儀；探測器；蓋革計數管；閃爍計數器

1.概述

放射性物探中探測器是一種將微弱光信號轉換成可測信號的光電轉換器件，實現了自然界信號轉換成可視電信號，具有較高的靈敏度和超快的時間響應。在眾多放射性物探儀器中廣泛應用。探測器分為很多種，工作原理也各不相同，最常見的閃爍探測器大體上分為兩類：蓋格計數管和閃爍計數器兩種。本文解析這兩種探測器工作原理、特性，以及對放射性礦物勘查的應用。

2.閃爍輻射儀探測器的分類

2.1自滅式蓋革計數管

γ計數管是目前野外應用較少的一種探測器，結構如圖1所示。

2.1.1γ計數管結構是計數管的陽極是一根細的金屬絲。陰極是一個金屬圓筒或是噴在玻璃內壁上的金屬氧化物。管殼一般是玻璃，計數管內充有一定壓力的惰性氣體（如氬）及少量酒精氣體或鹵素氣體。

2.1.2工作原理

工作時陽極接高壓電源正極，陰極接負極，在管內陽極到陰極之間形成一個很強的電場，并且越靠近陽極，電場越強。γ射線射入計數管陰極上，發生光電效應或康普頓效應，從計數管陰極壁上打出一個電子，電子將管內氣體電離產生很多正離子和負離子（電子）。在電場的作用下，正離子向陰極、電子向陽極運動，并被電場加速獲得很大的能量。這些離子、電子與其他氣體相碰將氣體分子電離，產生新的正離子和電子，又被加速，以此循環，這樣不斷電離的結果，出現大量正離子和電子，這個過程是瞬間完成的，稱為“雪崩放電”。正離子群到達陰極或電子群到達陽極，便形成電脈沖輸出。自熄式計數管內充有猝滅氣體（有機氣體或鹵素氣體）。這種氣體被碰撞后，本身自行分解，不會產生新的正離子和電子。在雪崩放電后，大量正離子在陰極附近形成一層“正離子稍”，它削弱了原來的電場，抑制了繼續放電。而正離子往陰極移動的過程中不斷與熄滅氣體分子碰撞，本身能量慢慢減少，被碰撞的熄滅氣體又不產生離子，這樣產生一次雪崩放電后就不會連續產生第二次、第三次的雪崩放電。電場恢復后，第二個射線射入后才產生新的雪崩放電。產生雪崩放電后正離子到達陰極這段時間內，電場未恢復，這時若打進γ射線，不會引起放電，這段時間叫作死時間。蓋革計數管死時間長，會漏記高強度射線。

2.1.3蓋革計數管的特點

（1）輸出脈沖幅度大，可達幾伏到幾十伏。

（2）輸出脈沖幅度與入射射線能量無關。只要引起電離就能產生雪崩放電，所以產生的電荷與入射射線能量大小無關。因此不能作能譜測量。

（3）自熄滅計數管有衰老現象。因為使用次數多，猝滅氣體分解越多，最后不熄滅作用，管子就連續放電不能使用。同時管內氣體與陰極金屬化學作用而失效。熄滅氣體是有機氣體的稱為有機計數管，熄滅氣體是鹵素的稱為鹵素計數管。前者工作電壓高，后者工作電壓較低。

（4）加在計數管上的電壓過高時，會引起連續放電。

（5）有一定的坪區，蓋革計數管有一定的坪區如圖2所示。

坪曲線是衡量計數管質量好壞的重要標志，好的計數管起始電壓低，坪斜小，坪比較長，工作穩定。計數管工作電壓，通常選坪長的前三分之一處。

2.1.5β計數管

β計數管與γ計數管的結構基本相同，只是計數管管壁較薄，β射線射入β計數管內疚能記錄下來，一般β計數管只能記錄能量大于0.5Mev的β粒子。β計數管記錄的γ+β射線，加上0.5cm厚的鋁屏后測得γ射線，二者之差為β強度。β計數管用于平衡破壞偏鈾時的β方法找礦。目前實驗室進行鈾含量綜合分析時，仍用β計數管。

2.2閃爍計數器

目前野外放射性計量儀器中，探測器大部分是閃爍計數器。一個完整的閃爍計數器是由熒光晶體、光電倍增管和相應的電子線路三部分組成，如圖3所示。

圖中高壓電源是供給光電倍增管用的。當γ射線穿入熒光體，被熒光體吸收后，熒光體產生閃爍現象并放出光子。光子照射在光電倍增管的光陰極上，從光陰極打出光電子，電子在管內得到倍增放大后被陽極收集，形成電脈沖輸出。

2.2.1主要特性：

（1）閃光體的性質：閃光體的作用是把入射的γ射線轉變成光能。

（2）目前野外儀器用的閃爍體有碘化鈉—NaI（T1）閃爍體和硫化鋅（ZnS）閃爍體兩種。

碘化鈉閃爍體是無色透明晶體。晶體中摻有少量的鉈，起激活劑作用。

晶體中摻進少量的鉈之后，晶體中便出現很多空穴。當γ射線射入NaI（T1）晶體并被吸收后，NaI原子中電子得到能量，便脫離晶體束縛，成為自由電子在晶體中運動，當到達由鉈產生的空穴便停留下來。這種電子稱為激發電子。

（3）NaI晶體受射線照射后，發射光子的數目與入射射線的能量成正比。也就是說單個入射射線的能量越大，產生的光子數目越多，經光電倍增管倍增后輸出的脈沖幅度越大。光電倍增管的輸出幅度與單個入射射線的能量成正比。利用這一性質可以通過測量光電倍增管輸出幅度的大小確定入射射線的能量。NaI晶體受射線照射后，發射光子的頻率（每秒鐘發光的次數）與入射射線的強度成正比。每發一次光，光電倍增管輸出一個脈沖，因此光電倍增管輸出的脈沖頻率與入射射線的強度成正比。

2.2.2光電倍增管的結構及工作原理

光電倍增管結構圖如圖4所示。

光電倍增管是由光陰極、打拿極和陽極組成。光陰極是用銻銫化合物把玻璃殼內部涂成半透明薄膜層，當光電子射到光陰極上就產生光電子，光電子一旦產生，就受電場作用向陽極A運動。電極D作用為聚焦，讓光陰極上轟出的光電子聚焦到D1電極上

2.2.3工作過程

D1到D2是相同電極而且遞次加上相等電壓（100V），這些電極稱為打拿極，用以產生二次電子，當電子被這些打拿極轟出時，能打出多余一個的二次電子（一般為3～6個電子）。從每一極上打出的電子立即被加速并聚集到最后一極上去，這樣又產生出更多的電子。這個過程一直繼續下去，可以將原先光電陰極上發射的電子倍增到極大數目（105～108）最后由陽極收集輸出。

2.2.4放大系數

光電倍增管的放大系數

M=mn

式中m-每級放大系數；

n-打拿極的級數。

如果m=4，n=10則M=410≈106

一般光電倍增管的打拿極的級數為9～14，所以光電倍增管的放大系數為105～108左右。但對于同一光電倍增管來說，放大系數隨所加電壓高低而不同，電壓增大，放大倍數增大，輸出幅度也增大。因此要求供給的電壓必須穩定，達0.1%～0.05%穩定度。以保證在使用光電倍增管時放大系數基本不變化。

2.2.5光譜效應

光電陰極靈敏度與入射光子波長有關，如圖5所示。

當光電倍增管與閃爍體聯合應用時，要注意使閃光體發光光譜接近光電陰極靈敏度的波長。如NaI（T1）晶體發光光譜在4100埃GDB型倍增管靈敏度波長最佳為3800～4200埃，兩者聯合使用比較吻合。如果兩者不吻合，波長過長或者過短的光子投射到光電陰極轉換為光電子效率均低。

2.2.6暗電流與可見光的影響

沒有光子射入光電陰極而倍增管內所輸出的微弱電流。原因大多為熱電子發射、漏電、光反饋等因素造成，由于暗電流產生的幅度比閃爍產生的脈沖幅度小很多，故可以用幅度鑒別器消除暗電流脈沖對測量的干擾。暗電流產生的脈沖噪聲。由于光電倍增管對可見光的靈敏度很高，因此使用時應當避光，更要嚴禁接入電源后使其曝光。這是因為打拿極發射二次電子不能過多，否則易于疲勞而使光電管損壞。

3.探測器在放射性物探中的應用

隨著社會對放射性礦物需求日益增大，放射性地質勘查在當今社會顯得越來越重要，如何能夠實現對地底深層的潛藏礦物實現探測，采用各式探測器的放射性物探儀器，使需要大量人力物力的查勘和化驗分析工作變得便捷方便，一臺儀器就能實現對某片區域的勘查工作。鈾礦勘查中采用蓋革計數管的放射性物探儀器有許多，如FD-61K型晶體管測井儀，就是采用G-M計數管作為探測器。儀器探管內裝有兩種陰極面積不同的計數管。通過對某個區域開展鉆探工作，將儀器探棒深入地下進行測量從而獲得地底深層礦物的分布情況。而以閃爍計數器是當下放射性物探儀器中使用最多的探測器，如FD-3013B環境γ輻射監測儀通過地表巖石進行測量從而探測放射性礦物富集位置。

4.結語

放射性探測器隨著輻射儀表越來越廣泛的應用，性能與工藝不斷提高和完善，使得在放射性物探儀器方面也有了更多地選擇，如當下廣泛應用的FD-3022-I便攜式地面多道伽馬能譜儀便采用BGO晶體探測器。隨著技術的發展放射性探測器將朝著更加精密、高效、穩定的方向發展。

參考文獻：

[1]復旦大學出版社，《原子核物理》（第二版）. 2002.

[2]原子能出版社，《放射性物探》（第一版）.