淺析放射性物探中閃爍輻射儀探測器的原理及應(yīng)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(gòu)成，全面分析了工作原理，闡述了放射性物探的本質(zhì)。

關(guān)鍵詞：閃爍輻射儀；探測器；蓋革計數(shù)管；閃爍計數(shù)器

1.概述

放射性物探中探測器是一種將微弱光信號轉(zhuǎn)換成可測信號的光電轉(zhuǎn)換器件，實現(xiàn)了自然界信號轉(zhuǎn)換成可視電信號，具有較高的靈敏度和超快的時間響應(yīng)。在眾多放射性物探儀器中廣泛應(yīng)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(shù)管和閃爍計數(shù)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(yīng)用。

2.閃爍輻射儀探測器的分類

2.1自滅式蓋革計數(shù)管

γ計數(shù)管是目前野外應(yīng)用較少的一種探測器，結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2.1.1γ計數(shù)管結(jié)構(gòu)是計數(shù)管的陽極是一根細(xì)的金屬絲。陰極是一個金屬圓筒或是噴在玻璃內(nèi)壁上的金屬氧化物。管殼一般是玻璃，計數(shù)管內(nèi)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(fù)極，在管內(nèi)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(shù)管陰極上，發(fā)生光電效應(yīng)或康普頓效應(yīng)，從計數(shù)管陰極壁上打出一個電子，電子將管內(nèi)氣體電離產(chǎn)生很多正離子和負(fù)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(chǎn)生新的正離子和電子，又被加速，以此循環(huán)，這樣不斷電離的結(jié)果，出現(xiàn)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(dá)陰極或電子群到達(dá)陽極，便形成電脈沖輸出。自熄式計數(shù)管內(nèi)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(chǎn)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(xù)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(chǎn)生離子，這樣產(chǎn)生一次雪崩放電后就不會連續(xù)產(chǎn)生第二次、第三次的雪崩放電。電場恢復(fù)后，第二個射線射入后才產(chǎn)生新的雪崩放電。產(chǎn)生雪崩放電后正離子到達(dá)陰極這段時間內(nèi)，電場未恢復(fù)，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(shù)管死時間長，會漏記高強度射線。

2.1.3蓋革計數(shù)管的特點

（1）輸出脈沖幅度大，可達(dá)幾伏到幾十伏。

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

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

（4）加在計數(shù)管上的電壓過高時，會引起連續(xù)放電。

（5）有一定的坪區(qū)，蓋革計數(shù)管有一定的坪區(qū)如圖2所示。

坪曲線是衡量計數(shù)管質(zhì)量好壞的重要標(biāo)志，好的計數(shù)管起始電壓低，坪斜小，坪比較長，工作穩(wěn)定。計數(shù)管工作電壓，通常選坪長的前三分之一處。

2.1.5β計數(shù)管

β計數(shù)管與γ計數(shù)管的結(jié)構(gòu)基本相同，只是計數(shù)管管壁較薄，β射線射入β計數(shù)管內(nèi)疚能記錄下來，一般β計數(shù)管只能記錄能量大于0.5Mev的β粒子。β計數(shù)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(shù)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(shù)管。

2.2閃爍計數(shù)器

目前野外放射性計量儀器中，探測器大部分是閃爍計數(shù)器。一個完整的閃爍計數(shù)器是由熒光晶體、光電倍增管和相應(yīng)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(dāng)γ射線穿入熒光體，被熒光體吸收后，熒光體產(chǎn)生閃爍現(xiàn)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(nèi)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(zhì)：閃光體的作用是把入射的γ射線轉(zhuǎn)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(xiàn)很多空穴。當(dāng)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(dāng)?shù)竭_(dá)由鉈產(chǎn)生的空穴便停留下來。這種電子稱為激發(fā)電子。

（3）NaI晶體受射線照射后，發(fā)射光子的數(shù)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(chǎn)生的光子數(shù)目越多，經(jīng)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(zhì)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(fā)射光子的頻率（每秒鐘發(fā)光的次數(shù)）與入射射線的強度成正比。每發(fā)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(jié)構(gòu)及工作原理

光電倍增管結(jié)構(gòu)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(nèi)部涂成半透明薄膜層，當(dāng)光電子射到光陰極上就產(chǎn)生光電子，光電子一旦產(chǎn)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(chǎn)生二次電子，當(dāng)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(chǎn)生出更多的電子。這個過程一直繼續(xù)下去，可以將原先光電陰極上發(fā)射的電子倍增到極大數(shù)目（105～108）最后由陽極收集輸出。

2.2.4放大系數(shù)

光電倍增管的放大系數(shù)

M=mn

式中m-每級放大系數(shù)；

n-打拿極的級數(shù)。

如果m=4，n=10則M=410≈106

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

2.2.5光譜效應(yīng)

光電陰極靈敏度與入射光子波長有關(guān)，如圖5所示。

當(dāng)光電倍增管與閃爍體聯(lián)合應(yīng)用時，要注意使閃光體發(fā)光光譜接近光電陰極靈敏度的波長。如NaI（T1）晶體發(fā)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(lián)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(zhuǎn)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(nèi)所輸出的微弱電流。原因大多為熱電子發(fā)射、漏電、光反饋等因素造成，由于暗電流產(chǎn)生的幅度比閃爍產(chǎn)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(chǎn)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(yīng)當(dāng)避光，更要嚴(yán)禁接入電源后使其曝光。這是因為打拿極發(fā)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(yīng)用

隨著社會對放射性礦物需求日益增大，放射性地質(zhì)勘查在當(dāng)今社會顯得越來越重要，如何能夠?qū)崿F(xiàn)對地底深層的潛藏礦物實現(xiàn)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(xiàn)對某片區(qū)域的勘查工作。鈾礦勘查中采用蓋革計數(shù)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(shù)管作為探測器。儀器探管內(nèi)裝有兩種陰極面積不同的計數(shù)管。通過對某個區(qū)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(shù)器是當(dāng)下放射性物探儀器中使用最多的探測器，如FD-3013B環(huán)境γ輻射監(jiān)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(jié)語

放射性探測器隨著輻射儀表越來越廣泛的應(yīng)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(dāng)下廣泛應(yīng)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(shù)的發(fā)展放射性探測器將朝著更加精密、高效、穩(wěn)定的方向發(fā)展。

參考文獻(xiàn)：

[1]復(fù)旦大學(xué)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）.