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1、东华理工大学毕业设计（论文） 绪论 毕业设计（论文）题 目 几种中子闪烁探测器性能比较研究 英文题 Several Comparative Study of Neutron Organic Scintillation Detector Performance学生姓名 专 业 核工程与核技术 班 级 指导教师 二零一一年六月东华理工大学毕业论文（设计） 摘要摘 要 自30年代末发现了中子轰击铀原子核能引起核的分裂，人类开始利用原子能以来，中子探测就占有者特殊的地位。近年来中子活化分析、中子测井探矿、中子辐射育种和中子致癌等技术有了很大发展。这些工作都要涉及中子的测量。可用于中子探测的闪烁材料种类
2、繁多，按探测器的工作机理分类，可分成气体电离探测器、半导体探测器、闪烁探测器及自给能探测器。其中闪烁探测器中子探测效率高、脉冲衰减快，易用于高计数率场合在中子探测及中子测谱中有很重要的地位。本文在对中子探测技术以及有机闪烁体探测器进行研究和分析的基础上对目前中子探测中常用的有机闪烁探测器进行介绍，对其性能进行研究比较进而了解其特性及原理。关键词：中子； 有机闪烁探测器； 中子探测 东华理工大学毕业论文（设计） ABSTRACTABSTRACT Since th e end of the 30s finding with using neutrons collide uranium nucleu
3、s can cause of the division of nucleus, humans began to use atomic energy, neutron detection is ownership special position. In recent years the neutron activation analysis, neutron log prospecting, neutron radiation breeding and neutron carcinogenic technology had the very big development.All of the
4、se works will involve neutron measurement. There are a lot of flashing materials which can be used for neutron detection,and they can be divided into gas ionization detectors,semiconductor detectors,scintillation detectors and self-sufficiency detector according to the working mechanism of the detec
5、tor.Scintillation detector has a high neutron detection efficiency,pulse decay fast,and has a easy occasion for the high count rate,also it has a very important role in neutron detection and neutron spectrum.This article is about organic scintillation detectors which are used to neutron detection on
6、 the neutron detection technology and the research of the organic scintillation detector.Keyword：neutron；organic scintillation detectors；neutron detection东华理工大学毕业论文（设计） 目录目 录绪 论11.1 课题背景11.2 目前研究现状和发展趋势12 中子与中子探测原理32.1中子与中子源32.2 中子探测的基本原理42.2.1 核反应法42.2.2 核反冲法42.2.3 核裂变法42.2.4 活化法52.3 中子探测器52.3.1 慢中
7、子探测器52.3.2 快中子探测器63 脉冲辐射场及探测器特性83.1 脉冲辐射测量的特殊性83.2 脉冲辐射场的基本参数93.3 脉冲辐射测量对测量系统的要求103.3.1 选择性要求103.3.2 测量系统灵敏度和动态工作范围的要求113.3.3 测量系统线性的要求113.3.4 测量系统时间响应性能的要求113.3.5 测量系统可靠性的要求123.4 脉冲辐射探测器的特性133.4.1 探测效率133.4.2 辐射粒子电流灵敏度143.4.3 时间响应143.4.4 可探测粒子注量率的上下限154 闪烁探测器184.1工作原理184.2 闪烁体194.2.1 闪烁体的分类194.2.2
8、闪烁体的性能204.2.3 闪烁体的选择224.3 光电倍增管的特性224.4 闪烁体探测器244.4.1 光收集244.4.2 探测效率244.4.3 能量分辨率和线性254.4.4 时间测量和时间分辨率254.4.5 闪烁体辐照效应255 几种中子闪烁探测器简介及性能比较275.1 有机晶体闪烁体275.1.1 中子探测玻璃闪烁体285.2 塑料闪烁体285.3 液体闪烁体30结 论33致 谢34参考文献35东华理工大学毕业论文（设计） 绪论 绪 论1.1 课题背景在30年代末，发现了中子轰击铀原子核能引起核的分裂，并释放出大量能量，从而开辟了一条原子能利用的道路。中子探测在核能的释放过程
9、中起着关键的作用。所以，研究中子的性质和研究中子与物资的相互作用，是过去几十年，也是目前的一个重要研究方向。中子本身的特点是不带电，所以中子通过物质时和物质中的电子是不发生作用的，中子在物质中不能直接引起电离，而要靠中子和原子核相互作用产生能引起电离反应的次级粒子才被记录。中子既可以由重核自发裂变产生也可以由核反应或粒子加速器中产生。中子具有很强的穿透力、能识别轻元素特别是氢和锂等元素、分辨近邻元素、实现同位素替换、探测原子磁矩、测定材料内部的动力学特性等独特优点2。随着中子探测在核能的利用、放射性同位素的产生和应用核物理研究等领域的应用日益广泛，对中子探测材料的研究越来越受到世界各国材料和物
10、理学者的重视。中子由于是中性的高能粒子，它不能直接引起物质电离而被探测，探测中子必须借助其与原子核发生的相互作用而产生的次级带电粒子来实现，因此通常的闪烁体材料无法达到探测中子的目的。实现中子探测的方法主要有核反应法、核反冲法、核裂变法与核激活法。 其中核反应法因方法简单，测试精确快速而应用最为广泛。可用于中子探测的探测器种类繁多，按探测器的工作机理分类，可分成气体、半导体探测器、闪烁探测器及自给能探测器等。其中闪烁探测器中子探测效率高、脉冲衰减快，易用于高计数率场合在中子探测及中子测谱中有很重要的地位。二十一世纪是核能应用的能源时代，高速的科技发展唤起了人们对利用更广泛更环保的能源要求，原子
11、能以走进人们的生活。同时在不断扩展的技术领域里核科学技术也将推动许多行业的发展。在不远的将来核科学技术将被更多的人所熟知，中子探测也将发挥更重要的作用。1.2 目前研究现状和发展趋势观测和测量是人类认识世界的主要手段之一。从1896年贝克勒尔（Henri Becquerel)发现放射性到1939年哈恩(Hann)和斯特拉斯曼(Strassman)发现裂变现象，核物理学发展史上几乎每一重大的事件，无不和射线探测与分析相关联。人类对原子核世界的探索和认识，最初以射线探测为主要技术手段，它不仅能够揭示核反应过程特性和核内部结构信息，而且能够给出定量描述，为核科学技术，特别是核能、放射性束流应用提供了
12、技术基础。事实上，探测射线并确定其性质，一直奔视为是核物理研究和核技术应用的中心环节4。目前常用的中子探测器有：半导体探测器、气体探测器、闪烁体探测器。由于几乎所有的中子设备都有射线背景。甚至在脉冲（散射）中子源也会由于设备和环境中的中子激活同位素的放射性衰减而出现射线的背景。所以中子探测要求探测器所用的材料具有低的射线灵敏性，并且耐辐照，也就是小的原子序数，另外又要有高的中子响应截面。不同的中子探测器其特点、用途也不同，气体探测器的特点是：耐高温、耐辐照、对明敏度极低。闪烁探测器的特点是：中子探测效率高、脉冲衰减快，易用于高计数率场合，对高压电源稳定性要求高，耐辐射性能较差，应用较广。总的来
13、说，体积小，携带方便的中子探测器性能还比较差；然而性能好的中子探测器体积相对较大并且对电源要求较高，不适合携带、现场检测。未来的中子探测将朝着精确化、简单化、更具实时性发展。35东华理工大学毕业论文（设计） 中子与中子探测原理2 中子与中子探测原理2.1中子与中子源自由中子是不稳定的中性粒子。其特性见表2.1。表2.1 中子的物理特性5 名 称 特 性 质量（静止） 1.(67495430.0000086）10-27kg =(1.0086650210.000000037)u 电荷10-18ee=(1.60218920.0000046)10-19C 半衰期11.7min 衰变 np+e+ +0.
14、782MeV 衰变粒子最大能量782keV 自旋 磁矩-1.913159核磁子 统计学遵从费米-狄拉克统计学 通常中子按能量分类。表2.2列出了常用的能区及其命名。 表2.2 中子能量的分类序能量区间组别1（00.005）eV慢中子冷中子2(0.0050.5)eV热中子30.5eV1keV超热中子、镉上中子、共振中子4(1500)keV中能中子5(0.510)MeV快中子6(1050)MeV极快中子750MeV相对论中子热中子是一个常用术语，它除了代表能量为（0.0050.5）eV的中子之外，经常用来表示快中子慢化而达到与周围介质原子处于热平衡状态的中子。这类中子的速度（能量）分布近似地服从麦
15、克斯韦分布（见公式2-1）： dn(v)=Av2emv2/-2kTdv （2-1）式中：v中子速度；m中子质量；k波耳兹曼常数；T绝对温度。常见的中子源有：放射性同位素中子源、自发裂变型中子源、模拟裂变中子源、加速器中子源反应堆中子源等。常见的中子源有：放射性同位素中子源、自发裂变中子源、加速器中子源、反应堆中子源。2.2 中子探测的基本原理中子和原子核的相互作用有：产生带电粒子的核反应、核反冲、核裂变、活化等。这4种过程也是探测中子的4种原理。探测中子首先必须了解所测中子的能量。不同能量中子的探测原理和探测器的结构差别都很大。中子能量的区分有很多种，习惯的区分是：（1）慢中子：能量为1keV
16、；（2）中能中子：能量为1100keV；（3）快中子：能量为0.120MeV。2.2.1 核反应法 中子本身不带电，它和物质中原子核之间没有库仑斥力，因此比较容易进入原子核，发生核反应。选择某种能产生带电粒子的核反应，记录带电粒子引起的电离现象就可探测中子。这种方法主要用于探测慢中子的强度，在个别情况下，也可用以测量快中子能谱。2.2.2 核反冲法入射能量为E的中子和原子核发生弹性散射时，中子的运动方向改变，能量也有所减少。中子减少的能量传递给原子核，使原子核以一定速度运动。这个原子核就称为“反冲核”，反冲核具有一定电荷，可以作为带电粒子来记录。记录了反冲核，就是探测到中子。这种方法就称为“反
17、冲法”。它是探测快中子的主要方法。2.2.3 核裂变法 中子与重核作用可以发生裂变，裂变发就是通过记录重核裂变碎片来探测中子的方法。对于热中子、慢中子，总是选用235U，239PU，233U做裂变材料。它们的热中子裂变截面值见表2.2.3 表 2.2.3 三种核裂变材料的热中子裂变截面6核f(10-24cm2)235U583.51.3239Pu744.02.5233U529.91.42.2.4 活化法中子和原子核相互作用时，辐射俘获是很重要的作用过程。中子很容易进入原子核形成一个处于激发态的复合核，复合核通过发射一个或几个光子迅速跃回基态。这种俘获中子，放出辐射的过程为“辐射俘获”，用（ n，
18、）表示。2.3 中子探测器2.3.1 慢中子探测器各种常用的慢中子探测器的基本特点见表2.3.1表2.3.1 慢中子探测器类型中子探测器探测原理主要特点、用途气体电离探测器硼电离室核反应发耐高温、耐辐照、堆芯中子探测233U 裂变室235U 裂变室239Pu 裂变室核裂变法输出脉冲高、耐辐照特性高，堆芯中子探测BF3 正比计数管3HE 正比计数管衬硼正比计数管核反应法对辐射甄别性能较好，主要用于慢中子探测，也可对于中子谱仪。输出脉冲幅度高，对灵敏度极低半导体探测器233U蒸膜半导体探测器核裂变法6LiF夹心半导体探测器核反应法闪烁探测器含10B ZnS（Ag）含6Li ZnS（Ag）LiI（E
19、u）闪烁体载10B（或6Li、Ga）液体闪烁体核反应法中子探测器效率高、脉冲衰减快，易用于高计数率场合，对高压电源稳定性要求高热释光探测器6LiF热释光探测器核反应法体积小、无需电源、不能在线给出数据。主要用于中子剂量测定径迹探测器载10B核乳胶核反应法体积小、无需电源、数据可以长期保存、不能再线给出结果，主要用于核物理研究工作中自给能探测器RH 探测器V 探测器Co 探测器核激活法不需外加偏压，结构简单，体积小，全固体化，电子学设备简单，反应堆芯高中子注量率测量中子激活指示器23Na55Mn59Co113In115In164Dy197Au核激活法测定中子束流的平均效应。不能再线实时提供中子信
20、息。操作简单。主要用于高中子注量率并伴有强辐射的场合进行中子探测2.3.2 快中子探测器见表 2.3.2表2.3.2 快中子探测器类型中子探测器探测原理主要特点、用途气体电离探测器含氢正比计数管核反冲法快中子谱仪用238U裂变室核反冲法快中子阈探测器232Th半导体探测器有机膜半导体探测器核反冲法238U蒸膜半导体探测器核裂变法232Th蒸膜半导体探测器闪ZnS快中子屏核反冲法脉冲衰减快，用于快时间实验烁塑料闪烁体探蒽测萘器液体闪烁体径迹探测器核乳胶核反冲法直观显示径迹，主要用于高能物理塑料蚀刻探测器威尔逊云室中24Mg（n，p）核小巧，使用方便子27Al（n，p）激激（n，）活活31P（n，
21、p）法指32S（n，p）示54Fe（n，p）器53Ni（n，p）东华理工大学毕业论文（设计） 脉冲辐射场及探测器特性3 脉冲辐射场及探测器特性3.1 脉冲辐射测量的特殊性辐射有稳态和脉冲态两种形式，在单位时间内发出的辐射粒子数在统计范围内不随时间改变的物质、器件或装置称为稳态辐射源。而脉冲辐射源则定义为:在有限持持续时间内单位时间间隔产生并发出辐射粒子的数目随时间急剧变化的器件或装置。脉冲辐射场测量的对象是辐射中所含的群粒子。这些粒子的集体统计行为，携带并反映脉冲辐射场的特征。对脉冲辐射场群粒子集体统计行为进行测量并给出反映脉冲辐射场特征的系统称为脉冲辐射场测量系统。脉冲辐射场测量的目的是通过
22、脉冲辐射场特征量测量的结果描述脉冲辐射源的有关特性，因此，脉冲辐射场测量系统应是动态线性模拟测量系统。脉冲辐射探测系统是指在脉冲辐射场中置放的辐射准直器、衰减器、辐射转换器(材料或靶)以及必要的真空系统与探测器组成的结构总体。脉冲辐射场测量中常需要多种类型的不同灵敏度的探测器，这些探测器的适当排列与组合，称为探测器阵列。与稳态辐射场探测相比，脉冲辐射探测有自己的特殊性，由脉冲辐射场的脉冲特性决定，这也是有别于稳态辐射场探测的根本所在。就测量对象而言，稳态或准稳态辐射场测量，总是针对着单个粒子的个体行为及其特性，记录的结果也仅是单个粒子在探测元件中形成的效应，而且还可将这些个体效应在时间上予以分
23、开。而脉冲辐射场测量的对象则是辐射脉冲。在辐射脉冲中，含有大量的粒子，即使是在现代技术水平情况下，用现代的探测手段，也不再能区分和识别辐射脉冲中的每个个体粒子的行为。每个粒子的个体行为及其在探测元件中产生的可传输与记录的效应湮没于辐射脉冲中群粒子的集体统计行为之中，该集体行为是每个个体粒子行为的统计叠加。因此，脉冲辐射场的特征信息，不能再从单个粒子的行为及其特性提取，而只能从辐射脉冲中群粒子的集体行为及其特性获得。就测量方法而言，在稳态辐射场测量中，通过计数率反映辐射场辐射粒子的时间分布和辐射场辐射粒子的强度，通过各单个粒子在探测器中输出的各自脉冲幅度，反映辐射场中粒子的能谱特性。而在脉冲辐射
24、场测量中，由于脉冲持续时间极短(Ps一娜量级)，通量密度可达1护4一1护scm一2.5一量级，在稳态辐射场测量中常用的计数率测量方法、脉冲幅度分析法、中子、丫分辨和符合等方法已无法适用，因此必需采用新型的、具有满足时间响应要求的低灵敏度探测器件，通过其输出的脉冲特征经信号复原处理后，方能给出脉冲辐射场的有关特征量。就粒子鉴别技术而言，稳态辐射场测量时，通常是根据探测器输出的脉冲形状和大小，采用符合或反符合技术鉴别辐射场粒子的能量和种类。但在脉冲辐射场测量情况下，由于在探测器的固有分辨时间间隔内有一群粒子到达探测器有效体积内。这一群粒子，既包含同类型辐射的不同能量的粒子，又包含不同类型、不同能量
25、的其他辐射粒子。因此，使用稳态辐射场的粒子的鉴别技术，既不能鉴别辐射场中粒子的类型，也不能鉴别同类型辐射粒子能量的大小，而必需采用特殊的脉冲辐射场粒子鉴别技术与探测技术。就测量系统的时间响应特性而言，在稳态辐射场测量中，要求的是测量系统时间分辨尽可能好，以期在单位时间内得到更多的计数，减少统计涨落，减少因测量系统的死时间对计数的修正，不涉及记录脉冲信号性状的复原问题。然而，在脉冲辐射场测量中，由于测量系统存在固有的时间响应特性，使得记录的脉冲信号的性状，不再等同于辐射场粒子脉冲的特征。因此，必需首先了解测量系统的时间响应特性，然后利用这已知的时间响应特性和测量出的脉冲信号进行数学复原处理一逆卷
26、积，这样得到的复原脉冲信号的特征，才能表征或反映脉冲辐射场脉冲的性状，使得测量结果变得有意义。就测量结果的统计性而言，稳态辐射场测量中，无论是计数率测量，还是总计数测量，其测量结果的统计性总是表现为单个粒子记录数目及其每个作用粒子对探测器输出贡献的统计性。脉冲辐射场测量中，测量结果的统计性，既有记录数目的统计性，又有群粒子总作用效应的统计性16。另外，稳态辐射场测量的是单个粒子及其形成的离散谱，而脉冲辐射场测量的则是大量粒子及其形成的统计连续谱。更重要的是，在稳态辐射场测量条件不变的情况下，由于辐射场处于稳态或准稳态，因此，人们可以进行多次重复性测量。即使某次测量结果不尽人意或不合理，还可再行
27、测量，并仍能给出反映辐射场特征的测量结果。脉冲辐射场测量则不同，辐射脉冲并非完全周期性，每个辐射脉冲的特征特不尽相同，因此，在针对每个辐射脉冲进行测量时，测量结果必须与之对应。特别是，脉冲辐射场的辐射脉冲是以不重复性、有时是不可再现性的单次状态出现时，测量系统必需具有足够的可靠性，不失机会地捕捉这种脉冲辐射信号。如果测量结果不合理甚至测量失败，则不再有可能得到重新测量的机会。可以看出，脉冲辐射场测量中的许多特殊性，是稳态辐射场测量中所少见甚至没有的。因此，用于稳态辐射场的测量技术便不能简单地推广到脉冲辐射场诊断中7。3.2 脉冲辐射场的基本参数根据己经建立的术语系统，目前使用以下几个物理量来表
28、征脉冲辐射场。粒子（量子） = 量子/厘米2 (3-1)dN是射入面面积为ds的单位小球体体内的粒子或量子数目。脉冲辐射粒子（量子）强度J0（t）= S-1 (3-2) dN0是脉冲辐射源在单位时间内向4空间发射出的所有能量粒子或量子数目。粒子注量率(粒子或量子通量密度) 量子/(厘米2秒) (3-3)d是在dt时间间隔内射入横截面ds的单元小球体体内的粒子或量子数目。 能注两 焦耳/厘米2 (3-4)是射入横截面面积为ds的单元小球体体内的全部粒子或量子的能量总和。能注量率 焦耳/(厘米2秒) (3-5)是在时间内射入横截面积为 ds的单元小球体体内的全部粒子或量子的总和。辐射能谱（粒子或量
29、子的能量分布） 粒子/Mev (3-6)同时为单位能量间隔内的辐射粒子数。以上各参数作为一个整体，足以能完整地反映脉冲电离辐射场的各种性质。3.3 脉冲辐射测量对测量系统的要求对脉冲辐射场测量系统，应提出特殊而且必要的要求，才能适应脉冲辐射场条件下的测量。另一方面，任何一个脉冲辐射场测量系统给出反映脉冲辐射场全部特征的测量结果往往是很困难的，而且在解决实际物理问题时也不一定都是需要的。比如，只需了解脉冲辐射粒子总数和总能量、脉冲辐射场某点处辐射粒子通量密度或能通量密度随时间的变化规律、脉冲辐射峰值的大小及其出现时刻等某些特征量时，就可简化测量系统，降低对测量系统的要求。3.3.1 选择性要求选
30、择包括辐射场中辐射粒子类型的选择和辐射探测位置的选择。测量系统的选择性完全由探测器和探测系统的选择性决定。显然，一个测量系统只能针对辐射场中的某一种类型的脉冲辐射进行测量，其测量结果才有意义。因此，测量系统必须有相当的粒子类型的选择和分辨能力。使作为本底的其他辐射、散射的影响减小到允许水平，以保证有足够的信噪比输出。所谓探测位置的选择，是根据探测器或探测系统的灵敏度及其输出线性范围，在脉冲辐射场中选择适当的探测位置，以便与辐射场粒子通量密度及其变化范围相匹配。此外，还根据测量目的选定探测位置。例如，对脉冲中子能谱测量时，探测位置应在远场处;对脉冲中子时间谱测量时，探测位置应在近场处。应当指出，
31、探测位置的选择性，不是测量系统的固有特性。3.3.2 测量系统灵敏度和动态工作范围的要求测量系统的灵敏度和动态范围由探测器或探测系统的灵敏度、线性工作范围、信号传输线的衰减和记录系统的灵敏度、线性工作范围决定。对测量系统灵敏度的要求是:在欲测的脉冲辐射场粒子通量密度及其变化范围内，测量系统能线性地给出可供分析、处理、复原的脉冲辐射特性测量结果。测量系统的动态工作范围就是在辐射场中选定的探测位置处能够测量的辐射粒子通量密度的变化范围，它不同于探测器和探测系统的动态工作范围。测量系统动态范围的上限就是最低灵敏度探测器的线性输出上限对应的辐射场粒子通量密度;测量系统动态范围下限有干扰电平和高灵敏度探
32、测器输出的统计涨落决定8。3.3.3 测量系统线性的要求这里所指的测量系统的线性仅是某一子系统的线性。因此，测量系统的线性主要由该子测量系统中的探测器或探测系统的输出线性决定。测量系统的线性好坏，决定了测量结果的可复原性和精确性。一般情况下，人们都使测量系统处于线性工作状态。至于测量系统允许偏离线性的程度，则根据对测量结果精确度的要求决定。与测量系统线性有关的是，测量系统要有较好的过载性，即一旦因输入辐射粒子通量密度过大而造成过饱和输出时，测量系统应具有很快恢复到线性工作状态的能力。3.3.4 测量系统时间响应性能的要求如果以脉冲辐射场的时间特性为测量目的，则应对测量系统输出时间响应性能提出要
33、求。原则上可以通过测量系统的时间响应函数和输出的脉冲时间谱，用数值逆卷积方法，复原出输入脉冲辐射的时间特征。但若测量系统的时间响应性能太差，时间响应脉冲半高宽大于、甚至远大于测量的辐射脉冲半高宽时，测量系统输出的脉冲时间特性基本上就是测量系统的时间响应特性，即使采用逆卷积复原方法也难以给出反映输入脉冲辐射时间特征。在这种情况下，要求测量系统的时间响应脉冲半高宽小于、远小于输入辐射脉冲的半高宽。对纳秒和亚纳秒级脉冲辐射场脉冲辐射时间特性测量时，测量系统的时间响应特性尤为重要，要求的程度，可视测量结果精确度和对测量结果复原的可能性而定。但也需要指出，在脉冲辐射粒子通量密度不大的情况下，测量系统的时
34、间响应越快，输出脉冲的统计涨落也越大。3.3.5 测量系统可靠性的要求脉冲辐射场测量系统的可靠性是指它对非周期性的不确定性脉冲辐射信号进行测量时，在规定的范围内，最终给出反映脉冲辐射场特征的测量结果的有效概率。为了给出反映脉冲辐射特征的测量结果，常常需要配置粒子种类选择系统、辐射准直系统、真空系统、辐射转换器件和信号变换设备等，构成整个测量系统的环节很多，又很分散。所以，欲使测量系统的每个组件、每个环节，在规定时间内，按规定的设计状态工作而不发生任何失效是不可能的。尤其在人为的因素影响测量系统可靠性的情况下更是如此。于是，在实践中，人们便采用重复式的测量系统一冗余系统，以减小失效概率。测量结果
35、的真伪性是测量系统可靠性的另一标志。测量结果的真伪性表示测量结果的真实性和有效性。在脉冲辐射场、混合脉冲辐射场的测量实践中，有时会发生对测量到的信号的真伪难以判断的情况，说明测量系统存在某种不可靠因素。在设计脉冲辐射场测量系统时，必须考虑并遵循判断记录信号真伪性的两条原则，即信号的物理因果关系原则和信号时间行为原则。所谓物理因果关系原则，就是记录的脉冲辐射信号的产生、发展和终止过程，必然存在内在的固有因果关系。不能设想，在待测的脉冲辐射信号出现并到达测量系统之前，就会记录到待测辐射信号。如若记录到信号，则是根据物理因果原则可以断定，记录到的这种信号必然是伪信号一在此时刻之前的其他辐射干扰信号或
36、测量系统本身出现自激和偶然放电信号。所谓信号时间行为原则，是指脉冲辐射信号具有自身的时间分布规律，即发生、发展和终止规律。其时间行为是确定的。但从测量角度上看，则是未知的。在一定探测距离条件下，用相同的测量系统，对相同时刻发生的脉冲中子、脉冲Y辐射进行测量时，由于上述两种辐射飞行时间差的缘故，根据信号时间行为原则，脉冲Y辐射信号应该首先被测量，其后才是脉冲中子信号。如果相反，则这种测量结果不具有真实性。说明测量系统本身早已存在不可靠性因素。脉冲电子加速器在运行工作中，产生脉冲信号的时间顺序是:电磁干扰、脉冲电子、脉冲韧致辐射信号。如果测量系统的测量对象是脉冲韧致辐射信号，而测量结果出现颠倒的情
37、况，则根据信号的物理因果关系和时间行为原则，可以判定测量的信号是伪信号，没有真实性。这是测量系统中的触发系统首先被电磁干扰信号启动，并记录到电磁干扰信号的结果，表明触发系统工作失效。为了减小测量系统的失效概率，提高测量结果的真实性和有效性，要求测量系统有良好的辐射粒子选择性、抗干扰性、工作状态的合理性和时间关联的精确性。由于脉冲信号的幅值、持续时间和出现时间的不确定性，因此，还要求设计和使用的测量系统对上述的不确定性信号应具有满足要求的信号捕捉能力。3.4 脉冲辐射探测器的特性大多数脉冲电离辐射探测器的工作原理，是基于粒子在探测器灵敏体积内使原子和分子电离或者激发而产生的效应。带电粒子能够直接
38、引起物质原子的电离和激发，而X射线、Y射线、中子则是通过光电效应、康普顿效应、电子对效应、核弹性散射、核反应等次级过程使原子电离和激发的。为使原子电离或者激发而传输给物质的能量，被转换成电信号，这个转换过程一般由几个连贯的具体转换过程所组成的。电信号在核电子学设备中还要被进一步转换，以便使电离辐射的被测参数能够呈现为便于观察和便于分析的形式3。按照电离辐射能量被转换为电信号的原理，探测器可以分成下列几个基本类型：电离型，其基本原理是利用物质的电离过程；辐射致光型，其中包括闪烁型，其基本工作原理是利用物质在电离辐射作用下发光；切伦科夫型，它是利用物质在电离辐射作用下放出的法维洛夫一切伦科夫辐射；
39、充电型，它是利用电离辐射作用于物体时所产生的电场;量热型，其基本原理是利用电离辐射在物质中造成的热能。探测器类型繁多，形式各异，因此必须选出一些对于所有脉冲辐射探测器来说是共同的、在总体上能决定探测器适用范围的最重要的特性加以研究。脉冲辐射探测器的基本特性至少应包括:探测效率、有效探测面积、电流灵敏度、幅度特性、时间响应、线性电流、疲劳特性和过载能力等。下面简单介绍一下探测器的探测效率、能量响应、可探测粒子注量率的上下限等。3.4.1 探测效率脉冲辐射探测器的一个基本特性是探测效率。平行辐射入射时，脉冲辐射探测器对单能辐射粒子的探测效率为4 (3-1)式中，为能量为E的单能粒子通量(1/cm2
40、);为探测器灵敏体积的横截面积(cm2);为平行入射束与探测器灵敏体积横截面法线方向的夹角;为由的入射粒子与探测器灵敏介质发生作用的辐射粒子数目。探测效率的物理意义是:探测器灵敏体积的单位有效面积上，在能量为E的单位辐射粒子通量辐照下，与探测器灵敏介质相互作用并对探测器输出有贡献的入射辐射粒子数目。探测效率与射线入射到探测器的方向有关，探测器的探测效率具有统计性质。3.4.2 辐射粒子电流灵敏度平行脉冲辐射束垂直入射到探测器灵敏体积的横截面时，脉冲辐射探测器的灵敏度，一般定义为： 灵敏度=输出总量/输入总量 (3-2)物理意义是:单位有效输入总量时探测器对应输出总量的大小。即，探测器对单位有效
41、输入量的敏感程度。在多数情况下，探测器的输出为脉冲电流形式。因此，在脉冲辐射场测量实践中，多用电流灵敏度这一定义： (安培厘米2秒) （3 -3）式中，为探测器位置处辐射脉冲持续时间内时刻能量为E的粒子通量密度的增量（厘米-2秒-1）；为同时刻探测器由引起输出电流增量（安培）。由于粒子的探测过程和探测器输出端电流的形成都具有统计性质，所以只有当探测器输出电流统计涨落同输出电流平均值相比是不太大的情况下，才能讨论探测器的电流灵敏度。探测器的能谱特性也相当重要，它描述灵敏度对入射到探测器上的单能粒子的能量的依从关系。知道辐射能谱和能谱特性，探测器的灵敏度可由下式求出： （3-4）有时候，探测某种给
42、定辐射时的能量灵敏度以及照射量率灵敏度也是十分重要的两个参数，这里是探测器所在位置上的照射量率。探测器的幅度特性，在测量脉冲辐射时起很大作用。幅度特性是指探测器输出电流对照射它的粒子注量率的依从关系。3.4.3 时间响应脉冲辐射场测量系统的时间响应特性是指测量系统对输入辐射脉冲的幅度及其随时间变化行为的动态模拟跟随能力。任何一个输入信号，包括脉冲辐射信号，都可以分解成某些基准信号的叠加，测量系统的输出则是这些基准输入信号通过系统的作用而产生输出信号的叠加。常用的基准信号有两种，一种是函数脉冲，一是单位幅度的正弦波。前者适用于脉冲辐射场测量系统的时间响应特性时域分析，即将输入的脉冲辐射连续性信号分解成不同时刻的函数脉冲辐射信号的叠加;后者则适用于脉冲辐射场测量系统时间特性的频域分析，即将输入脉冲辐射的连续信号分解成不同频率的基准正弦波的叠加。输入脉冲辐射通量密度可表示为： （3-5）不考虑测量系统对能量的响应时，测量系统对单位脉冲辐射输入，测量系统的输出为（未计入测量系统的固有延时）： （3-6）定义为系统的时间响应函数。考虑能量对输出的响应时，由（3.4-6）得测量系统的输出为： (3-7)我们称为测量系统对能量-时间的联合响应函数。只要测量系统选定，其时间响应函数便相应确定。这