李金艳

摘要：本文主要介绍放射性物探仪器常用闪烁辐射仪中探测器电路的构成，全面分析了工作原理，阐述了放射性物探的本质。

关键词：闪烁辐射仪；探测器；盖革计数管；闪烁计数器

1.概述

放射性物探中探测器是一种将微弱光信号转换成可测信号的光电转换器件，实现了自然界信号转换成可视电信号，具有较高的灵敏度和超快的时间响应。在众多放射性物探仪器中广泛应用。探测器分为很多种，工作原理也各不相同，最常见的闪烁探测器大体上分为两类：盖格计数管和闪烁计数器两种。本文解析这两种探测器工作原理、特性，以及对放射性矿物勘查的应用。

2.闪烁辐射仪探测器的分类

2.1自灭式盖革计数管

γ计数管是目前野外应用较少的一种探测器，结构如图1所示。

2.1.1γ计数管结构是计数管的阳极是一根细的金属丝。阴极是一个金属圆筒或是喷在玻璃内壁上的金属氧化物。管壳一般是玻璃，计数管内充有一定压力的惰性气体（如氩）及少量酒精气体或卤素气体。

2.1.2工作原理

工作时阳极接高压电源正极，阴极接负极，在管内阳极到阴极之间形成一个很强的电场，并且越靠近阳极，电场越强。γ射线射入计数管阴极上，发生光电效应或康普顿效应，从计数管阴极壁上打出一个电子，电子将管内气体电离产生很多正离子和负离子（电子）。在电场的作用下，正离子向阴极、电子向阳极运动，并被电场加速获得很大的能量。这些离子、电子与其他气体相碰将气体分子电离，产生新的正离子和电子，又被加速，以此循环，这样不断电离的结果，出现大量正离子和电子，这个过程是瞬间完成的，称为“雪崩放电”。正离子群到达阴极或电子群到达阳极，便形成电脉冲输出。自熄式计数管内充有猝灭气体（有机气体或卤素气体）。这种气体被碰撞后，本身自行分解，不会产生新的正离子和电子。在雪崩放电后，大量正离子在阴极附近形成一层“正离子稍”，它削弱了原来的电场，抑制了继续放电。而正离子往阴极移动的过程中不断与熄灭气体分子碰撞，本身能量慢慢减少，被碰撞的熄灭气体又不产生离子，这样产生一次雪崩放电后就不会连续产生第二次、第三次的雪崩放电。电场恢复后，第二个射线射入后才产生新的雪崩放电。产生雪崩放电后正离子到达阴极这段时间内，电场未恢复，这时若打进γ射线，不会引起放电，这段时间叫作死时间。盖革计数管死时间长，会漏记高强度射线。

2.1.3盖革计数管的特点

（1）输出脉冲幅度大，可达几伏到几十伏。

（2）输出脉冲幅度与入射射线能量无关。只要引起电离就能产生雪崩放电，所以产生的电荷与入射射线能量大小无关。因此不能作能谱测量。

（3）自熄灭计数管有衰老现象。因为使用次数多，猝灭气体分解越多，最后不熄灭作用，管子就连续放电不能使用。同时管内气体与阴极金属化学作用而失效。熄灭气体是有机气体的称为有机计数管，熄灭气体是卤素的称为卤素计数管。前者工作电压高，后者工作电压较低。

（4）加在计数管上的电压过高时，会引起连续放电。

（5）有一定的坪区，盖革计数管有一定的坪区如图2所示。

坪曲线是衡量计数管质量好坏的重要标志，好的计数管起始电压低，坪斜小，坪比较长，工作稳定。计数管工作电压，通常选坪长的前三分之一处。

2.1.5β计数管

β计数管与γ计数管的结构基本相同，只是计数管管壁较薄，β射线射入β计数管内疚能记录下来，一般β计数管只能记录能量大于0.5Mev的β粒子。β计数管记录的γ+β射线，加上0.5cm厚的铝屏后测得γ射线，二者之差为β强度。β计数管用于平衡破坏偏铀时的β方法找矿。目前实验室进行铀含量综合分析时，仍用β计数管。

2.2闪烁计数器

目前野外放射性计量仪器中，探测器大部分是闪烁计数器。一个完整的闪烁计数器是由荧光晶体、光电倍增管和相应的电子线路三部分组成，如图3所示。

图中高压电源是供给光电倍增管用的。当γ射线穿入荧光体，被荧光体吸收后，荧光体产生闪烁现象并放出光子。光子照射在光电倍增管的光阴极上，从光阴极打出光电子，电子在管内得到倍增放大后被阳极收集，形成电脉冲输出。

2.2.1主要特性：

（1）闪光体的性质：闪光体的作用是把入射的γ射线转变成光能。

（2）目前野外仪器用的闪烁体有碘化钠—NaI（T1）闪烁体和硫化锌（ZnS）闪烁体两种。

碘化钠闪烁体是无色透明晶体。晶体中掺有少量的铊，起激活剂作用。

晶体中掺进少量的铊之后，晶体中便出现很多空穴。当γ射线射入NaI（T1）晶体并被吸收后，NaI原子中电子得到能量，便脱离晶体束缚，成为自由电子在晶体中运动，当到达由铊产生的空穴便停留下来。这种电子称为激发电子。

（3）NaI晶体受射线照射后，发射光子的数目与入射射线的能量成正比。也就是说单个入射射线的能量越大，产生的光子数目越多，经光电倍增管倍增后输出的脉冲幅度越大。光电倍增管的输出幅度与单个入射射线的能量成正比。利用这一性质可以通过测量光电倍增管输出幅度的大小确定入射射线的能量。NaI晶体受射线照射后，发射光子的频率（每秒钟发光的次数）与入射射线的强度成正比。每发一次光，光电倍增管输出一个脉冲，因此光电倍增管输出的脉冲频率与入射射线的强度成正比。

2.2.2光电倍增管的结构及工作原理

光电倍增管结构图如图4所示。

光电倍增管是由光阴极、打拿极和阳极组成。光阴极是用锑铯化合物把玻璃壳内部涂成半透明薄膜层，当光电子射到光阴极上就产生光电子，光电子一旦产生，就受电场作用向阳极A运动。电极D作用为聚焦，让光阴极上轰出的光电子聚焦到D1电极上

2.2.3工作过程

D1到D2是相同电极而且递次加上相等电压（100V），这些电极称为打拿极，用以产生二次电子，当电子被这些打拿极轰出时，能打出多余一个的二次电子（一般为3～6个电子）。从每一极上打出的电子立即被加速并聚集到最后一极上去，这样又产生出更多的电子。这个过程一直继续下去，可以将原先光电阴极上发射的电子倍增到极大数目（105～108）最后由阳极收集输出。

2.2.4放大系数

光电倍增管的放大系数

M=mn

式中m-每级放大系数；

n-打拿极的级数。

如果m=4，n=10则M=410≈106

一般光电倍增管的打拿极的级数为9～14，所以光电倍增管的放大系数为105～108左右。但对于同一光电倍增管来说，放大系数随所加电压高低而不同，电压增大，放大倍数增大，输出幅度也增大。因此要求供给的电压必须稳定，达0.1%～0.05%稳定度。以保证在使用光电倍增管时放大系数基本不变化。

2.2.5光谱效应

光电阴极灵敏度与入射光子波长有关，如图5所示。

当光电倍增管与闪烁体联合应用时，要注意使闪光体发光光谱接近光电阴极灵敏度的波长。如NaI（T1）晶体发光光谱在4100埃GDB型倍增管灵敏度波长最佳为3800～4200埃，两者联合使用比较吻合。如果两者不吻合，波长过长或者过短的光子投射到光电阴极转换为光电子效率均低。

2.2.6暗电流与可见光的影响

没有光子射入光电阴极而倍增管内所输出的微弱电流。原因大多为热电子发射、漏电、光反馈等因素造成，由于暗电流产生的幅度比闪烁产生的脉冲幅度小很多，故可以用幅度鉴别器消除暗电流脉冲对测量的干扰。暗电流产生的脉冲噪声。由于光电倍增管对可见光的灵敏度很高，因此使用时应当避光，更要严禁接入电源后使其曝光。这是因为打拿极发射二次电子不能过多，否则易于疲劳而使光电管损坏。

3.探测器在放射性物探中的应用

随着社会对放射性矿物需求日益增大，放射性地质勘查在当今社会显得越来越重要，如何能够实现对地底深层的潜藏矿物实现探测，采用各式探测器的放射性物探仪器，使需要大量人力物力的查勘和化验分析工作变得便捷方便，一台仪器就能实现对某片区域的勘查工作。铀矿勘查中采用盖革计数管的放射性物探仪器有许多，如FD-61K型晶体管测井仪，就是采用G-M计数管作为探测器。仪器探管内装有两种阴极面积不同的计数管。通过对某个区域开展钻探工作，将仪器探棒深入地下进行测量从而获得地底深层矿物的分布情况。而以闪烁计数器是当下放射性物探仪器中使用最多的探测器，如FD-3013B环境γ辐射监测仪通过地表岩石进行测量从而探测放射性矿物富集位置。

4.结语

放射性探测器随着辐射仪表越来越广泛的应用，性能与工艺不断提高和完善，使得在放射性物探仪器方面也有了更多地选择，如当下广泛应用的FD-3022-I便携式地面多道伽马能谱仪便采用BGO晶体探测器。随着技术的发展放射性探测器将朝着更加精密、高效、稳定的方向发展。

参考文献：

[1]复旦大学出版社，《原子核物理》（第二版）. 2002.

[2]原子能出版社，《放射性物探》（第一版）.