基于碲锌镉探测器的γ射线测厚仪的研制
发布时间：2021-11-20 10:06
测厚仪是现代工业生产的常用仪表之一,碲锌镉探测器是一种可在常温下工作的新型半导体探测器,为了探究其在低能γ射线测厚仪中应用的可能性,本文首先对两种型号四个探测器进行了性能检测,将其与高纯锗和碘化钠探测器的测试性能进行对比。其次,利用MCNP软件进行模拟,得出低能γ射线入射不同金属,以及金属厚度变化时不同角度的透射和散射情况。然后,基于模拟结果,搭建了γ射线测厚仪,采用碲锌镉探测器测量散射角为135°时不同厚度铝膜的散射计数,并用碘化钠探测器测量对应的透射计数。最后,搭建了一套简易的在线测厚仪,检验基于碲锌镉探测器的测厚仪性能,分析了其应用前景。具体结论如下:（1）两种碲锌镉探测器中,半球型探测器性能总体优于平面型探测器,两种探测器能量分辨率随时间变化波动均稳定,标准差均在0.44%之内。（2）MCNP软件模拟结果表明,当低能γ射线垂直入射时,对于原子序数低的金属,背散射概率随材料厚度的变化呈现了很好的线性关系,相较原子序数高的材料,低能γ射线更适用于原子序数小的材料的测厚。（3）利用碲锌镉探测器对不同厚度的铝膜测量结果表明,散射角为135°时γ射线散射计数与铝膜厚度呈良好的线性关系,皮...
【文章来源】：广西大学广西壮族自治区 211工程院校
【文章页数】：65 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
背散射测厚仪原理图
广西大学硕士学位论文基于碲锌镉探测器的γ射线测厚仪的研制6第二章碲锌镉探测器的工作原理和性能测试图2-1是一套完整测厚仪系统的示意图，分为机械部分和电路部分，机械部分是由放射源和和探测器组成，电路部分则是对信号的采集和处理，统称为射线测量仪表。电路的不同设计可以使测厚仪实现不同的功能，比如实现实时控制功能，在本研究中主要探究机械部分。图2-1测厚仪系统示意图Fig.2-1Schematicdiagramofthicknessgaugesystem探测器是用来探测射线信号的主要仪器，其性能直接影响着测厚仪的规格和测量结果，因此选择一个合适的探测器有利于测厚仪系统的改良。目前常用的γ射线探测器有气体探测器、闪烁体探测器和半导体探测器三种。气体探测器的原理为：以气体（常用的有氩气和异丁烷或二氧化碳的混合体）为电离介质，带电粒子入射时引起气体分子电离，形成离子对，探测器通过收集产生的电子和离子完成射线探测。气体探测器制备简单、成本低廉、性能可靠，早期有G-M计数管、电离室和正比计数管[17]，1996年报道的气体电子倍增管（GEM）是一种典型的微结构气体探测器[18]，而基于PCB钻孔技术的厚型气体电子倍增器（THGEM）则可通过调节结构、电场等来改变工作性能[19]。闪烁体探测器测量原理是，射线在与物质发生相互作用时，靶物质原子受到激发，激发后原子由于不稳定会在退激过程中以跃迁形式向外发射光子，在光阴极上打出光电子后经过光电倍增管倍增，电子仪器记录分析阳极产生的电信号，从而完成射线探测过程。常见的闪烁体探测器有CsI和NaI探测器。半导体探测器探测原理是基于核辐射会在靶物质中产生电离效应，由于半导体密度高，且半导体中产生一个电子-空穴对所需的平均电离能比气体所需小一个量级以上，所以半导体中产生的电?
广西大学硕士学位论文基于碲锌镉探测器的γ射线测厚仪的研制9[34]。中高能γ射线在入射到CdZnTe晶体中产生的载流子会出现收集不完全的问题，因此该结构的探测器适合测量低能射线。图2-2平面型CdZnTe探测器结构示意图Fig.2-2DiagramofplanarCdZnTedetectorstructure2.2.2半球型CdZnTe探测器由于CdZnTe材料的缺陷[29]之一是空穴载流子传输特性差，为了克服这个问题，研究者们采用单电极结构的方法。单电极结构探测器只对电子载流子进行收集，有半球型、像素型、共面栅型和弗里希型探测器。如图2-3（a）所示，半球型CdZnTe探测器[38]的电极结构与平面型结构不同，阳极镀在CdZnTe晶体的一面，为一个圆形平面电极，晶体其它面镀阴极，由此晶体内部产生的电场如图2-3（b）所示，这是一个电势分布不均匀的半球型电常这种电极结构使得阳极附近电场增强，对电子可以产生很强的收集作用，但是由于阴极电场较弱，空穴的收集作用几乎没有，从而在一定程度上避免了探测器的空穴拖尾效应。这种结构的探测器对阳极的尺寸要求较高，阳极面积减小，阳极中心电场密度就会增大，加速电子载流子，但制备工艺的难度也会因此增大。目前，Parnham[35]等设计的半球形探测器能量分辨率可达1.9%（@662keV），尺寸为5mm×5mm×5mm。图2-3半球型CdZnTe探测器结构示意图Fig.2-3DiagramofhemisphericalCdZnTedetectorstructure
【参考文献】：
期刊论文
[1]三点式γ射线测厚仪的研究与应用[J]. 王飞,段方民. 冶金自动化. 2018(03)
[2]CdZnTe像素探测器的电输运性能[J]. 南瑞华,王朋飞,坚增运,李晓娟. 物理学报. 2017(20)
[3]基于γ射线的冷轧带钢测厚仪的开发与应用[J]. 江知非. 冶金自动化. 2016(02)
[4]γ射线测厚技术应用[J]. 李文杰,江仁埔,苗嘉智,张静静,谢斌,郑卫刚. 变频器世界. 2016(01)
[5]几种测厚仪器的研究与应用[J]. 陈文刚,丁建军. 工业技术创新. 2015(03)
[6]不同厚度像素CdZnTe探测器的性能测试和评估[J]. 沈敏,肖沙里,张流强,曹玉琳,陈宇晓. 强激光与粒子束. 2014(03)
[7]用γ射线散射法模拟研究管道油垢厚度响应[J]. 张建强,孟祥鹏. 大学物理. 2014(02)
[8]新型CZT半导体X射线和g射线探测器研制与应用展望[J]. 查钢强,王涛,徐亚东,介万奇. 物理. 2013(12)
[9]CdZnTe半导体探测器X射线能谱响应特性分析[J]. 查钢强,项行,刘婷,徐亚东,王涛,介万奇. 中国科学:技术科学. 2012(08)
[10]新型弗里希栅碲锌镉探测器研制[J]. 孟欣,郝晓勇,何高魁,刘洋. 中国原子能科学研究院年报. 2011(00)
博士论文
[1]CdZnTe材料缺陷特性及热处理技术研究[D]. 盛锋锋.中国科学院研究生院（上海技术物理研究所） 2014
硕士论文
[1]自给能γ探测器的Geant4模拟[D]. 仇甜甜.东北师范大学 2017
[2]125I和103Pd放射粒子源剂量分布的蒙特卡罗模拟[D]. 牛璐莹.吉林大学 2012
[3]蒙特卡罗粒子输运程序MCNP大规模三维网络数据的实时可视化分析研究[D]. 周少恒.合肥工业大学 2012
[4]蒙特卡罗方法在GM计数管优化设计中的应用研究[D]. 王文炜.南华大学 2011
[5]碲锌镉探测器加权积分法测量周围剂量当量[D]. 谢占军.广西大学 2008
本文编号：3507098
【文章来源】：广西大学广西壮族自治区 211工程院校
【文章页数】：65 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
背散射测厚仪原理图
广西大学硕士学位论文基于碲锌镉探测器的γ射线测厚仪的研制6第二章碲锌镉探测器的工作原理和性能测试图2-1是一套完整测厚仪系统的示意图，分为机械部分和电路部分，机械部分是由放射源和和探测器组成，电路部分则是对信号的采集和处理，统称为射线测量仪表。电路的不同设计可以使测厚仪实现不同的功能，比如实现实时控制功能，在本研究中主要探究机械部分。图2-1测厚仪系统示意图Fig.2-1Schematicdiagramofthicknessgaugesystem探测器是用来探测射线信号的主要仪器，其性能直接影响着测厚仪的规格和测量结果，因此选择一个合适的探测器有利于测厚仪系统的改良。目前常用的γ射线探测器有气体探测器、闪烁体探测器和半导体探测器三种。气体探测器的原理为：以气体（常用的有氩气和异丁烷或二氧化碳的混合体）为电离介质，带电粒子入射时引起气体分子电离，形成离子对，探测器通过收集产生的电子和离子完成射线探测。气体探测器制备简单、成本低廉、性能可靠，早期有G-M计数管、电离室和正比计数管[17]，1996年报道的气体电子倍增管（GEM）是一种典型的微结构气体探测器[18]，而基于PCB钻孔技术的厚型气体电子倍增器（THGEM）则可通过调节结构、电场等来改变工作性能[19]。闪烁体探测器测量原理是，射线在与物质发生相互作用时，靶物质原子受到激发，激发后原子由于不稳定会在退激过程中以跃迁形式向外发射光子，在光阴极上打出光电子后经过光电倍增管倍增，电子仪器记录分析阳极产生的电信号，从而完成射线探测过程。常见的闪烁体探测器有CsI和NaI探测器。半导体探测器探测原理是基于核辐射会在靶物质中产生电离效应，由于半导体密度高，且半导体中产生一个电子-空穴对所需的平均电离能比气体所需小一个量级以上，所以半导体中产生的电?
广西大学硕士学位论文基于碲锌镉探测器的γ射线测厚仪的研制9[34]。中高能γ射线在入射到CdZnTe晶体中产生的载流子会出现收集不完全的问题，因此该结构的探测器适合测量低能射线。图2-2平面型CdZnTe探测器结构示意图Fig.2-2DiagramofplanarCdZnTedetectorstructure2.2.2半球型CdZnTe探测器由于CdZnTe材料的缺陷[29]之一是空穴载流子传输特性差，为了克服这个问题，研究者们采用单电极结构的方法。单电极结构探测器只对电子载流子进行收集，有半球型、像素型、共面栅型和弗里希型探测器。如图2-3（a）所示，半球型CdZnTe探测器[38]的电极结构与平面型结构不同，阳极镀在CdZnTe晶体的一面，为一个圆形平面电极，晶体其它面镀阴极，由此晶体内部产生的电场如图2-3（b）所示，这是一个电势分布不均匀的半球型电常这种电极结构使得阳极附近电场增强，对电子可以产生很强的收集作用，但是由于阴极电场较弱，空穴的收集作用几乎没有，从而在一定程度上避免了探测器的空穴拖尾效应。这种结构的探测器对阳极的尺寸要求较高，阳极面积减小，阳极中心电场密度就会增大，加速电子载流子，但制备工艺的难度也会因此增大。目前，Parnham[35]等设计的半球形探测器能量分辨率可达1.9%（@662keV），尺寸为5mm×5mm×5mm。图2-3半球型CdZnTe探测器结构示意图Fig.2-3DiagramofhemisphericalCdZnTedetectorstructure
【参考文献】：
期刊论文
[1]三点式γ射线测厚仪的研究与应用[J]. 王飞,段方民. 冶金自动化. 2018(03)
[2]CdZnTe像素探测器的电输运性能[J]. 南瑞华,王朋飞,坚增运,李晓娟. 物理学报. 2017(20)
[3]基于γ射线的冷轧带钢测厚仪的开发与应用[J]. 江知非. 冶金自动化. 2016(02)
[4]γ射线测厚技术应用[J]. 李文杰,江仁埔,苗嘉智,张静静,谢斌,郑卫刚. 变频器世界. 2016(01)
[5]几种测厚仪器的研究与应用[J]. 陈文刚,丁建军. 工业技术创新. 2015(03)
[6]不同厚度像素CdZnTe探测器的性能测试和评估[J]. 沈敏,肖沙里,张流强,曹玉琳,陈宇晓. 强激光与粒子束. 2014(03)
[7]用γ射线散射法模拟研究管道油垢厚度响应[J]. 张建强,孟祥鹏. 大学物理. 2014(02)
[8]新型CZT半导体X射线和g射线探测器研制与应用展望[J]. 查钢强,王涛,徐亚东,介万奇. 物理. 2013(12)
[9]CdZnTe半导体探测器X射线能谱响应特性分析[J]. 查钢强,项行,刘婷,徐亚东,王涛,介万奇. 中国科学:技术科学. 2012(08)
[10]新型弗里希栅碲锌镉探测器研制[J]. 孟欣,郝晓勇,何高魁,刘洋. 中国原子能科学研究院年报. 2011(00)
博士论文
[1]CdZnTe材料缺陷特性及热处理技术研究[D]. 盛锋锋.中国科学院研究生院（上海技术物理研究所） 2014
硕士论文
[1]自给能γ探测器的Geant4模拟[D]. 仇甜甜.东北师范大学 2017
[2]125I和103Pd放射粒子源剂量分布的蒙特卡罗模拟[D]. 牛璐莹.吉林大学 2012
[3]蒙特卡罗粒子输运程序MCNP大规模三维网络数据的实时可视化分析研究[D]. 周少恒.合肥工业大学 2012
[4]蒙特卡罗方法在GM计数管优化设计中的应用研究[D]. 王文炜.南华大学 2011
[5]碲锌镉探测器加权积分法测量周围剂量当量[D]. 谢占军.广西大学 2008
本文编号：3507098
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