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同步辐射探测器的应用与发展


□ 刘 鹏

  摘 要 探测器是同步辐射实验的重要环节。探测器水平必须不断提高才能适应同步辐射发展的需求,最大限度地发挥先进光源为人类研究提供的强大支持作用。文章介绍了当前同步辐射实验中普遍使用的各种探测器的原理和特点,并就一些新型探测器的发展情况进行了阐述。
  关键词 探测器, 同步辐射, 综述
  
  The application and development of detectors for synchrotron radiation
  
  LIUPeng
  (Institute of High Energy Physics , Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China)
  AbstractDetectors play a key role in synchrotron radiation experiments, and so should be constantly improved to keep up with the advances in synchrotron radiation sources and fully exploit their potential. The structure and principle of operation of various detectors commonly used for synchrotron radiation are reviewed, and recent developments of some new types are also described.
  Keywordsdetector, synchrotron radiation, review
  
  1 引言
  
  近几十年来,同步辐射装置发展十分迅猛,这主要得益于光源性能的不断提高、计算机技术的飞跃发展以及探测器技术的不断突破。 
  同步辐射装置从第一代发展到第二代、第三代,光子通量提高了几个数量级,探测器水平必须同步发展,才能充分发挥先进光源为研究实验提供的巨大潜力。目前很多同步辐射装置上探测器水平与光源和束线性能仍存在差距,探测器水平的提高往往可以使同步辐射实验效率获得数量级的改进。
  同步辐射探测器的更新提升很多直接得益于高能物理实验中探测技术的发展成果[1],尤其是近几十年,由于高能物理实验升级的需要,探测器技术获得很多重要进展[2,3]。
  当前基于半导体技术的探测器在同步辐射实验中逐渐占据主导地位,尤其是在二维成像方面,CCD几乎已经成为同步辐射实验中的标准设备。半导体探测器的快速发展,得益于专用集成电路水平的不断提高。目前一些新型探测器采用探测单元与电子学系统集成设计,分辨率与读出时间仍在不断改进。
  本文主要根据同步辐射装置的特点,对同步辐射探测器的应用及发展情况进行介绍。
  
  2 探测器的主要指标以及同步辐射实验的需求
  
  对于任何一种同步辐射探测器,都有很多指标可用来表征其性能参数[4],其中包括适用的能量范围、量子效率(QE)、线性范围、动态范围、能量分辨率、信号输出时间、有效探测面积、噪声本底等,对于二维面探测器还有像素阵列大小及空间分辨率等等。
  各种探测器结构和原理不同,特点也各有差异。能满足所有实验需求的探测器并不存在。
  对于同步辐射实验中应用的探测器一般考虑以下几方面的性能:探测效率、空间分辨能力、时间分辨能力和能量分辨能力[6]。对于具体的同步辐射实验,根据研究目标的差异,对探测器性能指标的侧重也各不相同。高的探测效率几乎是所有同步辐射实验对探测器发展的需求,包括好的量子效率、高的饱和计数率和快速读出时间等;而对于衍射、散射实验,还追求大的探测面积、好的空间分辨和动态范围;谱学实验则还看重能量分辨率的提高和信噪比的改进;成像实验探测器发展的焦点在于提高空间分辨率;而动态研究领域中探测器发展的重点则集中在提高时间分辨能力方面。
  
  3 同步辐射实验中探测器的应用情况
  
  目前应用于同步辐射领域的探测器主要有各种气体探测器、闪烁探测器、固体探测器、成像板系统、CCD系统、像素阵列探测器等,现简单介绍如下。
  气体探测器[6]种类较多,其中结构最简单的是电离室(见图1)。电离室是在空气或充有惰性气体的装置中,设置一个平行极板电容器,加几百伏高压后,在极板间产生电场,当X射线入射到电离室后,使气体产生电离,在电场作用下,正离子趋向负极板,电子趋向正极板,产生电离电流,通过检测电流量或响应电压即可得到入射X射线的强度信息。电离室因其结构简单,制作方便,作为强度检测手段而广泛应用于同步辐射光束线与实验站。
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