第八章閃爍探測(cè)器

1、 第八章第八章 閃爍探測(cè)器閃爍探測(cè)器西安交通大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院西安交通大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院第八章第八章 閃爍探測(cè)器閃爍探測(cè)器西安交通大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院西安交通大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 2011.05 liu_shuhuan8.1 閃爍探測(cè)器的工作原理8.2 閃爍體8.3 電子倍增器件8.4 閃爍探測(cè)器的輸出信號(hào)8.5 閃爍探測(cè)器的性能8.6 單晶能譜儀8.1 閃爍探測(cè)器的工作原理閃爍探測(cè)器的工作原理一、典型的閃爍探測(cè)器裝置是利用輻射與物質(zhì)相互作用，使其電離，激發(fā)而發(fā)出的熒光來(lái)探測(cè)電離輻射的探測(cè)器。西安交通大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院西安交通大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 2011.05 liu_shuhuan閃

2、爍體閃爍體光電倍增管光電倍增管( (打拿極打拿極) )反射層反射層管座管座分壓器分壓器高壓高壓多道或單道多道或單道光陰極光陰極陽(yáng)極陽(yáng)極熒光熒光光子光子光電子光電子暗盒暗盒窗窗前置放大器前置放大器 閃爍體：次級(jí)電子，電離激發(fā)，退激發(fā)光； 光電倍增管：入射窗，光陰極，打拿極，陽(yáng)極； 分壓器，各個(gè)電極電位，前置放大器。一、典型的閃爍探測(cè)器裝置西安交通大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院西安交通大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 2011.05 liu_shuhuan一、典型的閃爍探測(cè)器裝置西安交通大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院西安交通大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 2011.05 liu_shuhuan一、典型的閃爍探測(cè)器裝置西安交通大學(xué)核科學(xué)與技

3、術(shù)學(xué)院西安交通大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 2011.05 liu_shuhuan西安交通大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院西安交通大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 2011.05粒子入射、次級(jí)電子、激發(fā)收集光子、形成光電子電子倍增，輸出信號(hào)引出信號(hào)，分析記錄。1014410(3 6)10NM光電倍增管的電子倍增系數(shù)：光電倍增管通常N有10-14級(jí)打拿極，每一打拿極的電子倍增系數(shù) 3-6，避光外殼： 閃爍晶體、光電倍增管、分壓器、射極跟隨器。坡莫合金：防止外界磁場(chǎng)影響對(duì)電子的聚焦、傳輸性能。退 激 發(fā) 光一、典型的閃爍探測(cè)器裝置西安交通大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院西安交通大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 2011.05 入射粒子進(jìn)到閃爍體內(nèi)，使閃

4、爍體的原子分子電離和激發(fā)，受激原子分子退激發(fā)時(shí)發(fā)光，稱作熒光。熒光光子打到光電倍增管的光陰極上轉(zhuǎn)換成光電子，光電子在光電倍增管中倍增，最后被陽(yáng)極收集，輸出電壓或電流脈沖，被電子學(xué)儀器記錄。激發(fā)：帶電粒子進(jìn)入閃爍體通過(guò)庫(kù)侖作用直接使閃爍體原子分子電離和激發(fā)從而損失能量；若是X射線和射線和射線入射，則通過(guò)光電效應(yīng)、康普頓效應(yīng)和電子對(duì)效應(yīng)損失能量產(chǎn)生次級(jí)帶電粒子，次級(jí)帶電粒子再使閃爍體原子分子電離和激發(fā)。西安交通大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院西安交通大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 2011.05 liu_shuhuan二、工作原理二、工作原理 設(shè)入射粒子能量為設(shè)入射粒子能量為Ei, 在閃爍體內(nèi)損失的能量為K1Ei， 如

5、K1=1，則入射粒子能量完全損失在閃爍體內(nèi)； 如K11，則有一部分粒子跑出閃爍體。 退激：設(shè)發(fā)射光子的幾率為P，產(chǎn)生光子的平均能量為 , 則發(fā)射光子的數(shù)目為：西安交通大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院西安交通大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 2011.05 liu_shuhuanvh二、工作原理二、工作原理光的傳輸：光子通過(guò)閃爍體和光導(dǎo)，到達(dá)光電倍增管的光陰極，有一部分在傳輸過(guò)程中會(huì)被吸收或被散射而無(wú)法到達(dá)光陰極。 設(shè)光子的傳輸系數(shù)為設(shè)光子的傳輸系數(shù)為l，則到達(dá)光陰極的光子數(shù)RlR。希望l盡可能大，就要求閃爍體的發(fā)射光譜和吸收光譜不重合，使閃爍體發(fā)射的大，使閃爍體發(fā)射的光子盡量少自吸收，并在閃爍體和光電倍增管之間增加光

6、導(dǎo)。光電轉(zhuǎn)換：光陰極吸收光子發(fā)射光電子。設(shè)光電轉(zhuǎn)換效率為，從光陰極到第一倍增極的電子傳輸系數(shù)為q，則光陰極發(fā)射到第一倍增極的光電子數(shù):西安交通大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院西安交通大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 2011.05 liu_shuhuan二、工作原理二、工作原理西安交通大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院西安交通大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 2011.05倍增：光電子在光電倍增管中倍增，最后在陽(yáng)極被收集。設(shè)光電倍增管的倍增系數(shù)為M，則在陽(yáng)極得到Mn個(gè)電子，相應(yīng)的電荷為電子，相應(yīng)的電荷為QMne，輸出電容為C，則電壓脈沖:二、工作原理二、工作原理西安交通大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院西安交通大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 2011.05輸出： 形

7、成的電壓脈沖經(jīng)射極跟隨器或前置放大器輸出，被一套電子學(xué)儀器放大、分析和記錄。 輸出脈沖與入射粒子能量成正比。 選擇光產(chǎn)額大的晶體，提高光陰極光電轉(zhuǎn)換效率 ，電子傳輸系數(shù) q和光電倍增管的放大倍數(shù) M，都可以使輸 出脈沖幅度增大。二、工作原理二、工作原理即：閃爍探測(cè)器即：閃爍探測(cè)器的的工作過(guò)程工作過(guò)程可概括為：可概括為：(1) 輻射輻射射入閃爍體使射入閃爍體使閃爍體原子閃爍體原子電離電離或或激發(fā)激發(fā)，受激受激原子原子退激退激而發(fā)出波長(zhǎng)在而發(fā)出波長(zhǎng)在可見(jiàn)光波段可見(jiàn)光波段的的。(2) 熒光光子熒光光子被收集到被收集到(PMT)的的，通，通過(guò)過(guò)打出打出。(3) ，并在，并在輸出輸出信號(hào)信號(hào)?？捎脕?lái)測(cè)量

8、可用來(lái)測(cè)量的的。 西安交通大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院西安交通大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 2011.05 liu_shuhuan二、工作原理二、工作原理西安交通大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院西安交通大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 2011.058.2 閃爍體閃爍體一閃爍體的分類二閃爍體的發(fā)光機(jī)制三閃爍體的物理特性四常用閃爍體閃爍體的選擇理想的閃爍體： 探測(cè)效率高，轉(zhuǎn)換效率高，線性范圍大， 自吸收小，發(fā)光時(shí)間短，加工性能好。六閃爍光的收集西安交通大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院西安交通大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 2011.05一、一、閃爍體的分類閃爍體的分類1) 1) ：( (摻雜摻雜) ) AgZnSTlCsITlNaI, CeSiOLiO22

9、2 ( (鋰玻璃鋰玻璃) )1234OGeBiBGO2) 2) ：有機(jī)晶體有機(jī)晶體蒽晶體蒽晶體等；等；有機(jī)有機(jī)液體液體閃爍體閃爍體及及塑料塑料閃爍體閃爍體. .3)3) ：Ar、Xe等等。西安交通大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院西安交通大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 2011.05無(wú)機(jī)閃爍體： 光輸出產(chǎn)額高、線性好，發(fā)光時(shí)間較長(zhǎng)。 1、無(wú)機(jī)閃爍體的發(fā)光機(jī)制 2、有機(jī)閃爍體的發(fā)光機(jī)制 3、氣體閃爍體有機(jī)閃爍體： 發(fā)光時(shí)間短，光輸出產(chǎn)額低。二閃爍體的發(fā)光機(jī)制西安交通大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院西安交通大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 2011.05重點(diǎn)分析重點(diǎn)分析摻雜摻雜的的無(wú)機(jī)晶體無(wú)機(jī)晶體，以，以NaI(Tl)，CsI(Tl),CsI(

10、Na)屬于屬于離子晶體離子晶體等為最典型，又稱等為最典型，又稱鹵素堿金屬鹵素堿金屬晶體晶體。 晶體晶體的的發(fā)光機(jī)制發(fā)光機(jī)制取取決于決于整個(gè)整個(gè)晶體晶體的的電電子能態(tài)子能態(tài)。晶體晶體中中電子電子的的能態(tài)能態(tài)不再不再用用原子能級(jí)原子能級(jí)表示，而用表示，而用“能帶能帶”來(lái)描述。來(lái)描述。 激活劑激活劑禁帶禁帶導(dǎo)帶導(dǎo)帶價(jià)帶價(jià)帶激帶激帶激活體激活體受激態(tài)受激態(tài)1.無(wú)機(jī)閃爍體的發(fā)光機(jī)制：二閃爍體的發(fā)光機(jī)制西安交通大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院西安交通大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 2011.05價(jià)帶禁帶激帶導(dǎo)帶1.無(wú)機(jī)閃爍體的發(fā)光機(jī)制：0.1eVEg 導(dǎo)體：半導(dǎo)體：0.6 2.5eVEg 絕緣體：3eVEg 二閃爍體的發(fā)光機(jī)制

11、西安交通大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院西安交通大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 2011.05導(dǎo)帶導(dǎo)帶上的上的自由電子自由電子和和價(jià)帶價(jià)帶空穴空穴可以可以復(fù)合成復(fù)合成激子激子，相反，相反，激子激子也可以受也可以受熱運(yùn)動(dòng)熱運(yùn)動(dòng)而變成而變成自由電子空穴對(duì)自由電子空穴對(duì)。 對(duì)于對(duì)于離子晶體離子晶體，輻射輻射射入射入閃爍體閃爍體使使晶體原子晶體原子電離電離和和激發(fā)激發(fā)。結(jié)果使得結(jié)果使得價(jià)帶價(jià)帶中的一些中的一些電子電子由原來(lái)位置躍遷過(guò)由原來(lái)位置躍遷過(guò)禁帶禁帶而而進(jìn)入進(jìn)入導(dǎo)帶導(dǎo)帶，成為，成為自由電子自由電子，同時(shí)在，同時(shí)在價(jià)帶價(jià)帶中形成中形成空穴空穴。（電離）（電離）電子也可能躍遷到較低的激帶，這時(shí)產(chǎn)生的電子也可能躍遷到較低的

12、激帶，這時(shí)產(chǎn)生的電子電子空穴對(duì)空穴對(duì)稱之為稱之為激子激子。激子激子只能在只能在晶格中晶格中束縛在一起束縛在一起運(yùn)動(dòng)。（激發(fā)）運(yùn)動(dòng)。（激發(fā)）1.1.無(wú)機(jī)閃爍體的發(fā)光機(jī)制：無(wú)機(jī)閃爍體的發(fā)光機(jī)制：西安交通大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院西安交通大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 2011.05B）由于由于離子晶體離子晶體禁帶寬度大禁帶寬度大，退激退激發(fā)出的發(fā)出的光子能光子能量量為為紫外范圍紫外范圍，一般，一般光電倍增管光電倍增管的的光陰極光陰極不能響應(yīng)不能響應(yīng)，這些發(fā)射的這些發(fā)射的光子光子不能不能被被有效利用有效利用。 退激過(guò)程退激過(guò)程將可能發(fā)出將可能發(fā)出光子光子，也可能變成，也可能變成晶格晶格振動(dòng)能振動(dòng)能而而不發(fā)光不發(fā)光。

13、A）對(duì)對(duì)純純離子晶體離子晶體，退激退激發(fā)出的發(fā)出的光子光子容易被容易被晶體晶體自吸收自吸收，傳輸?shù)絺鬏數(shù)骄w晶體外的外的光子光子很少；很少；出現(xiàn)的出現(xiàn)的問(wèn)題問(wèn)題：1.1.無(wú)機(jī)閃爍體的發(fā)光機(jī)制：無(wú)機(jī)閃爍體的發(fā)光機(jī)制：西安交通大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院西安交通大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 2011.05選擇合適的選擇合適的雜質(zhì)雜質(zhì)，使它的，使它的激發(fā)能級(jí)激發(fā)能級(jí)比比晶體晶體的的導(dǎo)帶導(dǎo)帶、激激帶帶低低，而，而基態(tài)基態(tài)比比價(jià)態(tài)價(jià)態(tài)高高。雜質(zhì)能級(jí)雜質(zhì)能級(jí)成為發(fā)光中心。成為發(fā)光中心。解決辦法解決辦法：在：在晶體晶體中摻入中摻入少量雜質(zhì)少量雜質(zhì), ,叫做叫做激活劑激活劑，含，含量量10 3量級(jí)量級(jí)。稱為稱為“激活劑激活劑

14、”的的雜質(zhì)雜質(zhì)在在晶格晶格形成特殊的形成特殊的晶格點(diǎn)晶格點(diǎn)，并，并在在禁帶禁帶中形成一些中形成一些局部能級(jí)局部能級(jí)。由于由于雜質(zhì)雜質(zhì)的的電離能電離能小于小于典型晶格點(diǎn)典型晶格點(diǎn)的的電離能電離能，原子原子受激產(chǎn)生的受激產(chǎn)生的電子、空穴電子、空穴將迅速遷移到將迅速遷移到雜質(zhì)能級(jí)雜質(zhì)能級(jí)的的激激發(fā)態(tài)發(fā)態(tài)和和基態(tài)基態(tài)，即使，即使雜質(zhì)原子雜質(zhì)原子處于處于激發(fā)狀態(tài)激發(fā)狀態(tài)。1.1.無(wú)機(jī)閃爍體的發(fā)光機(jī)制：無(wú)機(jī)閃爍體的發(fā)光機(jī)制：西安交通大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院西安交通大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 2011.05雜質(zhì)原子退激：熒光：200 nm時(shí)，靈敏度急下降。波長(zhǎng)范圍：115 200nm 。測(cè)量波長(zhǎng) 115 nm的光，應(yīng)

15、選用無(wú)窗 PMT 。 4）多堿 Cs-Na -K-Cs: 具有從紫外850nm的寬光譜，用于氮氧化合物 化學(xué)發(fā)光探測(cè)。 5）Ag-O-Cs: 透過(guò)型 300-1200 nm靈敏，反射型 300-1100 nm靈敏，用于 紅外探測(cè)，In-Ga -As(Cs) 在900-1000 nm信噪比比Ag -O-Cs 好得多。 光學(xué)窗：硼玻璃窗透可見(jiàn)光，石英窗透紫外光。 一光電倍增管(PMT)的結(jié)構(gòu)與工作原理西安交通大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院西安交通大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 2011.05 Liu_Shuhuan電子光學(xué)輸入系統(tǒng)：電子光學(xué)輸入系統(tǒng)：由由光陰極光陰極和和第一倍增極第一倍增極之間的之間的聚焦極聚焦極構(gòu)成

16、，作用是把光陰極各個(gè)方向上發(fā)射的構(gòu)成，作用是把光陰極各個(gè)方向上發(fā)射的光光電子電子聚焦到聚焦到第一倍增極第一倍增極。要求要有。要求要有良好的聚焦性能良好的聚焦性能和和高的光電子收集效率高的光電子收集效率及及小的渡越時(shí)間小的渡越時(shí)間。二次發(fā)射倍增系統(tǒng)：二次發(fā)射倍增系統(tǒng)：由由813個(gè)個(gè)倍增極倍增極組成，組成，工作時(shí)工作時(shí)各電極依次加上遞增的電位各電極依次加上遞增的電位。每個(gè)倍增極的電子倍增。每個(gè)倍增極的電子倍增系數(shù)為系數(shù)為 ， 36，則，則PMT的放大倍數(shù)的放大倍數(shù)M n, n倍倍增極個(gè)數(shù)。增極個(gè)數(shù)。二次電子二次電子是指倍增極上有入射電子激發(fā)出是指倍增極上有入射電子激發(fā)出來(lái)的電子，來(lái)的電子，入射電子

17、為一次電子，二次電子和一次電入射電子為一次電子，二次電子和一次電子數(shù)目之比為子數(shù)目之比為二次發(fā)射系數(shù)二次發(fā)射系數(shù)。要求要求二次發(fā)射系數(shù)大，二次發(fā)射系數(shù)大，熱電子發(fā)射少，熱電子發(fā)射少，大電流大電流工作穩(wěn)定性好。工作穩(wěn)定性好。一光電倍增管(PMT)的結(jié)構(gòu)與工作原理西安交通大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院西安交通大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 2011.05 Liu_Shuhuan一光電倍增管(PMT)的結(jié)構(gòu)與工作原理陽(yáng)極：陽(yáng)極：最后收集電子并輸出信號(hào)最后收集電子并輸出信號(hào)的電極，采用的電極，采用電子電子脫出功較大而且二次發(fā)射系數(shù)小能耐高溫脫出功較大而且二次發(fā)射系數(shù)小能耐高溫的材料，的材料，如如鎳、鉬、鎢鎳、鉬、鎢等。等

18、。2) PMT的類型的類型 直線聚焦型：時(shí)間分辨率好，能量分辨率好。能量分辨率好。環(huán)狀聚焦型：結(jié)構(gòu)緊湊，渡越時(shí)間小。百葉窗非聚焦型：暗電流小，線性電流大，對(duì)外磁場(chǎng)不敏感，能量分辨較好，但時(shí)間分辨差。盒式非聚焦型：時(shí)間、能量特性都差，但結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單易制作。 聚焦型結(jié)構(gòu)渡越時(shí)間分散小，脈沖線性電流大，極間電壓的變化對(duì)增益的影響大，因此時(shí)間分辨率好，能量分辨率好。西安交通大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院西安交通大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 2011.05 Liu_Shuhuan一光電倍增管(PMT)的結(jié)構(gòu)與工作原理西安交通大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院西安交通大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 2011.05 Liu_Shuhuan(1) 外觀的

19、不同外觀的不同(2) 根據(jù)光陰極形式根據(jù)光陰極形式一光電倍增管(PMT)的結(jié)構(gòu)與工作原理西安交通大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院西安交通大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 2011.05 Liu_Shuhuan聚焦型聚焦型非聚焦型非聚焦型(3) 根據(jù)電子倍增系統(tǒng)根據(jù)電子倍增系統(tǒng)具有具有較快的響應(yīng)時(shí)間較快的響應(yīng)時(shí)間，用于用于時(shí)間測(cè)量或需要時(shí)間測(cè)量或需要響應(yīng)時(shí)間快的場(chǎng)合響應(yīng)時(shí)間快的場(chǎng)合。電子電子倍增系數(shù)較大倍增系數(shù)較大，多用于多用于能譜測(cè)量系統(tǒng)能譜測(cè)量系統(tǒng)。直線結(jié)構(gòu)直線結(jié)構(gòu)環(huán)狀結(jié)構(gòu)環(huán)狀結(jié)構(gòu)百葉窗結(jié)構(gòu)百葉窗結(jié)構(gòu)盒柵型結(jié)構(gòu)盒柵型結(jié)構(gòu)一光電倍增管(PMT)的結(jié)構(gòu)與工作原理西安交通大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院西安交通大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院

20、2011.05 Liu_Shuhuan一光電倍增管(PMT)的結(jié)構(gòu)與工作原理西安交通大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院西安交通大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 2011.05 Liu_Shuhuan K-D1電壓較高，提高S/N和能量分辨率； 中間各打拿極一般均勻分壓； 最后幾個(gè)打拿極間高電壓、大電流，電容穩(wěn)壓； 最后打拿極與陽(yáng)極間電壓較小。二光電倍增管的供電回路西安交通大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院西安交通大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 2011.05 Liu_Shuhuan加在光陰極、各倍增極到陽(yáng)極的電壓逐漸遞增。 高壓電源1）有較大的電壓調(diào)節(jié)范圍，分檔可調(diào)；2）有大的輸出電流，1-100mA；3）有高的穩(wěn)定度。4）電源極性可以選擇。

21、二光電倍增管的供電回路西安交通大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院西安交通大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 2011.05 Liu_Shuhuan加正高壓：光陰極接地，陽(yáng)極接正高壓，輸出端必須接耐高壓3000V以上的隔直電容。暗電流噪聲較低，工作穩(wěn)定，適于高精度能譜測(cè)量，特別適于高精度能譜測(cè)量。二光電倍增管的供電回路西安交通大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院西安交通大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 2011.05 Liu_Shuhuan加負(fù)高壓：光陰極接負(fù)高壓，陽(yáng)極接地，輸出端為零電位，無(wú)需耐高電容。外殼和磁屏蔽殼必須光陰極絕緣隔離。二光電倍增管的供電回路西安交通大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院西安交通大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 2011.05 Liu_Shuhu

22、an分壓器由一串溫度系數(shù)小穩(wěn)定性高的金屬膜電阻組成。1）適當(dāng)提高光陰極和第一倍增極間的電壓，有利于提高信噪比和能量分辨率，有利于減小渡越時(shí)間分散。有的PMT在兩者之間加聚焦極，三者組成電子光學(xué)輸入系統(tǒng)。2）中間倍增極，一般采用均勻分壓。3）靠近陽(yáng)極的最末幾級(jí)倍增極，由于電流較大，為了避免空間電荷效應(yīng)，要高最末幾級(jí)的電壓，同時(shí)并聯(lián)旁路電容或采用穩(wěn)壓二極管代替電阻。4）分壓電阻阻值的選擇要考慮工作電壓和工作電流。一般工作電流不超出11mA，電阻的功率在1/2W或11W，阻值為50500K/Vd，電容值約為1nF。Vd為最小分壓電阻值的電壓。二光電倍增管的供電回路西安交通大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院西安交通

23、大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 2011.05 Liu_Shuhuan1、光陰極的光譜響應(yīng)2、光陰極的光照靈敏度3、第一打拿極的電子收集系數(shù)4、光電倍增管的放大倍數(shù)5、陽(yáng)極光照靈敏度6、光電倍增管的時(shí)間特性7、光電倍增管的暗電流8、光陰極的均勻性9、穩(wěn)定性三光電倍增管的主要性能西安交通大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院西安交通大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 2011.05 Liu_Shuhuan1、光陰極的光譜響應(yīng) 光陰極受到光照射后發(fā)射光電子的幾率是波長(zhǎng)的函數(shù)，叫做光陰極的光譜響應(yīng)。 光陰極光譜響應(yīng)需要與閃爍體發(fā)射光譜匹配。對(duì)入射波長(zhǎng)短的應(yīng)選用透紫玻璃或石英窗。PMT 窗材料的光譜響應(yīng)曲線 三光電倍增管的主要性能西安交通大學(xué)

24、核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院西安交通大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 2011.05 Liu_Shuhuan光陰極和窗材料的光譜響應(yīng)曲線 三光電倍增管的主要性能西安交通大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院西安交通大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 2011.05 Liu_Shuhuan三光電倍增管的主要性能西安交通大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院西安交通大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 2011.05 Liu_Shuhuan三光電倍增管的主要性能西安交通大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院西安交通大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 2011.05 Liu_Shuhuan2、光陰極光照靈敏度: 通常用光照靈敏度（標(biāo)準(zhǔn)白光源）或藍(lán)光靈敏度（在標(biāo)準(zhǔn)白光源之前加藍(lán)色濾光片）。其中：ik 是光電子流(A)，F(xiàn)

25、是入射光通量(lm)。國(guó)際電工委員會(huì)的規(guī)定：以色溫為2856K的鎢絲燈作為靈敏度測(cè)量的光源。kkiSF量子效率：在一定入射波長(zhǎng)下光陰極發(fā)射光電子數(shù)與入射光子數(shù)之比，反映了光陰極的光電轉(zhuǎn)換效率，是光陰極靈敏度的另一種表示方法。( )kQ發(fā)射電子數(shù)入射光子數(shù)三光電倍增管的主要性能西安交通大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院西安交通大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 2011.05 Liu_Shuhuan gc對(duì)PMT的幅度分辨率影響較大， 在有聚焦極的光電倍增管中，gc可達(dá)95%以上。3、第一打拿極的電子收集系數(shù)cg 第一打拿極收集到的光電子數(shù)光陰極發(fā)出的光電子數(shù)三光電倍增管的主要性能西安交通大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院西安交通大學(xué)核

26、科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 2011.05 Liu_Shuhuan4、光電倍增管的電流放大倍數(shù) 聚焦型： g 1 ；非聚焦型：g 1 。其中：g是電子傳輸效率， 是各級(jí)電子倍增系數(shù)， n是倍增電極數(shù)。nMg陽(yáng)極收集到的電子數(shù)第一打拿極收集到的電子數(shù) 有的資料把電流放大倍數(shù)定義為：ncMgg三光電倍增管的主要性能西安交通大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院西安交通大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 2011.05 Liu_ShuhuanPMT輸出脈沖中的電荷量：phnTphQnT M eEE ： 入射粒子能量；phYYph ： 光能產(chǎn)額；phFFph ：光子傳輸系數(shù)；cggc ： 收集效率；Me ：電子倍增系數(shù)。MkQ ：平均量子效率；

27、kQ三光電倍增管的主要性能西安交通大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院西安交通大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 2011.05 Liu_Shuhuan 對(duì)一般材料， 大致為35 ； 雙堿金屬材料， 可以達(dá)到10 ； GaP材料， 可以為50 60 。 如果電流放大倍數(shù)M采用后一種定義，也可寫(xiě)成：()nAckiMggi 各倍增電極的電子倍增系數(shù)：bDaV其中，VD是倍增電極之間的電壓，a、b是常數(shù)。三光電倍增管的主要性能5、陽(yáng)極光照靈敏度SA：定義為用白光源照射光陰極，陽(yáng)極輸出電流iA與入射光通量與F之比。三光電倍增管的主要性能西安交通大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院西安交通大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 2011.05 Liu_Shuhuan

28、(1)(1)光陰極光陰極的的熱電子發(fā)射熱電子發(fā)射。由于光陰極材料的電子脫出功很小，除發(fā)射光電子外還發(fā)射熱電子，也得到倍增，是暗電流的主要成分。冷卻PMT是有效辦法。6 6、 PMT 暗電流與噪聲暗電流與噪聲 PMT無(wú)光照射時(shí)產(chǎn)生的電流，通常為10-7-10-11A當(dāng)當(dāng)工作狀態(tài)工作狀態(tài)下的下的光電倍增管光電倍增管完全完全與與光輻射光輻射隔絕隔絕時(shí)，時(shí)，其其陽(yáng)極陽(yáng)極仍能仍能輸出電流輸出電流(暗電流暗電流)及及脈沖信號(hào)脈沖信號(hào)(噪聲噪聲)。成因：成因：熱電子發(fā)射電流隨溫度降低而迅速減少熱電子發(fā)射電流隨溫度降低而迅速減少三光電倍增管的主要性能西安交通大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院西安交通大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 2

29、011.05 Liu_Shuhuan西安交通大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院西安交通大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 2011.05 Liu_Shuhuan(2)殘余氣體殘余氣體的的電離電離-離子反饋離子反饋； 殘余氣體殘余氣體的的激發(fā)激發(fā)-光子反饋光子反饋。 在光陰極和倍增極上打出電子被倍增成為暗電流。當(dāng)工作電壓很高，放大倍數(shù)很大時(shí)會(huì)比較嚴(yán)重。(3)工藝工藝-尖端放電尖端放電及及漏電漏電, 管內(nèi)絕緣材料和管座電阻的漏電和沿管壁表面的漏電。(4)場(chǎng)致發(fā)射場(chǎng)致發(fā)射(5)切倫科夫效應(yīng)切倫科夫效應(yīng)(6)玻璃管殼的放電與玻璃熒光效應(yīng)玻璃管殼的放電與玻璃熒光效應(yīng)(7)光陰極曝光的影響光陰極曝光的影響三光電倍增管的主要性能西安交

30、通大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院西安交通大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 2011.05 Liu_Shuhuan。當(dāng)沒(méi)有任何光子照射到光陰極上時(shí)可測(cè)。當(dāng)沒(méi)有任何光子照射到光陰極上時(shí)可測(cè)得噪聲譜得噪聲譜即噪聲輸出脈沖幅度的分布，當(dāng)縱坐標(biāo)即噪聲輸出脈沖幅度的分布，當(dāng)縱坐標(biāo)取取 n=50cps 時(shí)時(shí)相應(yīng)相應(yīng)的脈沖幅度所相應(yīng)的的脈沖幅度所相應(yīng)的入射粒子能量入射粒子能量，稱為噪聲能當(dāng)量，單位是稱為噪聲能當(dāng)量，單位是KeV。，實(shí)際上它是噪聲脈沖信號(hào)電流的平均，實(shí)際上它是噪聲脈沖信號(hào)電流的平均值，一般為值，一般為10-610-10A。指標(biāo)：指標(biāo)：三光電倍增管的主要性能西安交通大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院西安交通大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 20

31、11.05 Liu_Shuhuan7 7、 PMT 的時(shí)間特性的時(shí)間特性( () 一個(gè)一個(gè)光電子光電子從從到達(dá)到達(dá)的的平均時(shí)間平均時(shí)間。定義為一個(gè)穩(wěn)定的快光脈沖從光陰極到陽(yáng)極輸出信號(hào)脈沖峰值的時(shí)間，它與打拿極的結(jié)構(gòu)和級(jí)數(shù)有關(guān)。一般在 6-50ns。三光電倍增管的主要性能脈沖上升時(shí)間tr：定義為一個(gè)極快的光脈沖(寬度50ps) 照射到PMT光陰極的整個(gè)光陰極的整個(gè)面積上的陽(yáng)極輸出脈沖，其幅度的前沿10上升到90的時(shí)間，一般為1-10ns。 指單光子的渡越時(shí)間的漲落，一般定義為一個(gè)極快的光脈沖(寬度50ps)照射PMT整個(gè)光陰極，光非常弱以至陽(yáng)極輸出脈沖只是單光子的信號(hào)，測(cè)量這種條件下渡越時(shí)間分布

32、的誤差。單光子渡越時(shí)間分布的半高寬是由于電子在倍增過(guò)程中的統(tǒng)計(jì)性、電子運(yùn)動(dòng)軌跡的不同時(shí)性以及電子初速度大與方向的統(tǒng)計(jì)性造成的。到達(dá)到達(dá)陽(yáng)極陽(yáng)極的的每個(gè)電子每個(gè)電子都經(jīng)歷了都經(jīng)歷了倍增過(guò)程倍增過(guò)程和和飛行距飛行距離離，反映了，反映了的的，是決定，是決定閃爍計(jì)數(shù)器閃爍計(jì)數(shù)器的限制因素。的限制因素。間間：的的分布函數(shù)分布函數(shù)的的半寬度半寬度三光電倍增管的主要性能西安交通大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院西安交通大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 2011.05 Liu_Shuhuan8 8、 PMT 的穩(wěn)定性的穩(wěn)定性是指在是指在恒定恒定輻射源輻射源照射下，照射下，光電倍增管光電倍增管的的陽(yáng)極陽(yáng)極電流電流隨隨時(shí)間時(shí)間的變化。的變

33、化。包含兩部分：包含兩部分：，指，指建立穩(wěn)定工作狀態(tài)建立穩(wěn)定工作狀態(tài)所需的時(shí)間。一所需的時(shí)間。一般在開(kāi)機(jī)后般在開(kāi)機(jī)后預(yù)熱預(yù)熱半小時(shí)才開(kāi)始正式工作。半小時(shí)才開(kāi)始正式工作。：在工作達(dá)到穩(wěn)定后，：在工作達(dá)到穩(wěn)定后，略有下降的慢變略有下降的慢變化化，與管子的材料、工藝有關(guān)，同時(shí)與周圍的環(huán)境，與管子的材料、工藝有關(guān)，同時(shí)與周圍的環(huán)境溫度有關(guān)。長(zhǎng)期工作條件下，須采用溫度有關(guān)。長(zhǎng)期工作條件下，須采用“”措施。措施。三光電倍增管的主要性能西安交通大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院西安交通大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 2011.05 Liu_Shuhuan三光電倍增管的主要性能西安交通大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院西安交通大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院

34、 2011.05 Liu_Shuhuan9 9、 光陰極的均勻性光陰極的均勻性三光電倍增管的主要性能西安交通大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院西安交通大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 2011.05 Liu_Shuhuan10、PMT 使用中的幾個(gè)問(wèn)題使用中的幾個(gè)問(wèn)題1) 1) 光屏蔽光屏蔽，嚴(yán)禁嚴(yán)禁加高壓時(shí)曝光加高壓時(shí)曝光。2) 2) 高壓極性高壓極性：正高壓正高壓和和負(fù)高壓負(fù)高壓供電方式。供電方式。正高壓供電方式正高壓供電方式，缺點(diǎn)是脈沖輸出要用，缺點(diǎn)是脈沖輸出要用耐高壓的電耐高壓的電容耦合容耦合，耐高壓電容體積大，因而分布電容大。高，耐高壓電容體積大，因而分布電容大。高壓紋波也容易進(jìn)入測(cè)量電路。壓紋波也容易進(jìn)入測(cè)

35、量電路。負(fù)高壓供電方式負(fù)高壓供電方式，陽(yáng)極是地電位，陽(yáng)極是地電位，耦合方式簡(jiǎn)單耦合方式簡(jiǎn)單，尤其在電流工作方式。但其陰極處于很高地負(fù)電位，尤其在電流工作方式。但其陰極處于很高地負(fù)電位，需要注意陰極對(duì)處于地電位的光屏蔽外殼之間的絕需要注意陰極對(duì)處于地電位的光屏蔽外殼之間的絕緣。緣。三光電倍增管的主要性能西安交通大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院西安交通大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 2011.05 Liu_Shuhuan3) 3) 分壓電阻分壓電阻4) 4) 最后幾級(jí)的最后幾級(jí)的分壓電阻分壓電阻上上并聯(lián)電容，并聯(lián)電容，以旁路掉以旁路掉脈動(dòng)脈動(dòng)電流電流在在分壓電阻分壓電阻上的上的脈動(dòng)電壓脈動(dòng)電壓，達(dá)到，達(dá)到穩(wěn)定濾波穩(wěn)定濾

36、波的效的效果。果。 由于當(dāng)電子在兩個(gè)聯(lián)極間運(yùn)動(dòng)時(shí)，會(huì)在分壓電阻上由于當(dāng)電子在兩個(gè)聯(lián)極間運(yùn)動(dòng)時(shí)，會(huì)在分壓電阻上流過(guò)脈動(dòng)電流，流過(guò)脈動(dòng)電流，必須保證脈動(dòng)電流遠(yuǎn)小于由高壓電必須保證脈動(dòng)電流遠(yuǎn)小于由高壓電源流經(jīng)分壓電阻的穩(wěn)定電流源流經(jīng)分壓電阻的穩(wěn)定電流，以保證各打拿極的，以保證各打拿極的電電壓穩(wěn)定壓穩(wěn)定。這也對(duì)高壓電源的功率提出了要求。這也對(duì)高壓電源的功率提出了要求。三光電倍增管的主要性能5）閃爍體和PMT 不用時(shí)應(yīng)避光保存在干燥的地方， NaI(Tl)這樣易潮解的閃爍體還要放在干燥皿內(nèi)。 6）探頭暗盒必須密封不漏光，工作時(shí)千萬(wàn)不能打開(kāi)外殼。裝配時(shí)要注意不損壞PMT，要輕拔輕插。 7）不要用手觸摸閃爍

37、體的透光面和 PMT的光陰極。 安裝前應(yīng)用酒精或乙醚清洗閃爍體和PMT的管腳和管座，并以熱風(fēng)吹干，保證接觸良好，避免漏電打火。三光電倍增管的主要性能8）環(huán)境影響： 外界電磁場(chǎng)影響： 磁場(chǎng)影響 PMT電子的運(yùn)動(dòng)軌道，造成放大倍數(shù) 降低。通常用高導(dǎo)磁材料如鈹莫合金來(lái)屏蔽磁場(chǎng)。細(xì)網(wǎng)形倍增極 PMT 可以在強(qiáng)磁場(chǎng)下工作。平行于PMT 軸向的磁場(chǎng)對(duì) PMT的影響 較小。溫度效應(yīng)： 幾乎所有的 PMT在高溫時(shí)性能都變壞， 除 Sb-Na-K雙堿光陰極PMT ，一般工作溫度不能超過(guò) 60oC；同時(shí)光陰極的電阻率隨溫度下降變大，導(dǎo)致靈敏度減小，一般工作溫度不能低于 20oC。 輻照效應(yīng)： 在強(qiáng)輻照PMT性能變

38、壞，一般應(yīng)加鉛屏蔽。三光電倍增管的主要性能11、PMT的選擇 根據(jù)使用要求選擇不同的 PMT。如時(shí)間測(cè)量，應(yīng)選快速 時(shí)間 PMT ；能量測(cè)量應(yīng)選能量分辨率高的 PMT；低能或 低本底測(cè)量應(yīng)選低噪聲的 PMT。 光譜響應(yīng)： PMT 的光譜響應(yīng)盡可能與待測(cè)光的光譜一致， 即與閃爍體的發(fā)射光譜相匹配。 陰極靈敏度： 對(duì)低能和弱光測(cè)量，應(yīng)選具有高陰極靈敏 度的 PMT。 陽(yáng)極靈敏度： 根據(jù)入射到光陰極的光通量和需要輸出信號(hào)的大小來(lái)估算陽(yáng)極靈敏度，選用合適的陽(yáng)極靈敏度的 PMT。 暗電流： 如果信號(hào)很弱，要選用暗電流小的PMT 。 三光電倍增管的主要性能西安交通大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院西安交通大學(xué)核科學(xué)與技

39、術(shù)學(xué)院 2011.05 Liu_Shuhuan12、PMT的調(diào)試 主要調(diào)節(jié)分壓電阻和高壓，要求在保證線性的情況下，有最好的能量 有最好的能量分辨率和適當(dāng)大小的輸出脈沖幅度。 選取合適的負(fù)載電阻 RL： 一般由RL決定輸出脈沖的幅度和寬度。 RL越大，脈沖的幅度和寬度越大， RL太大幅度達(dá)到飽和，寬度太大會(huì) 響計(jì)數(shù)率。在保證計(jì)數(shù)率的情況下，使幅度大，以使用較低的工作高 壓。一般 RL取10K100K，對(duì)時(shí)間快管子 RL 1K 線性與否主要取決于 PMT最后幾級(jí)的空間電荷效應(yīng)。 工作電壓較高， 入射粒子計(jì)數(shù)率較大時(shí)，會(huì)使陽(yáng)極電流較大，要保證線性，可將最后 幾級(jí)分壓電阻取大一些。三光電倍增管的主要性

40、能 幅度和能量分辨率與高壓和靠近光陰極的分壓電阻有關(guān)。 調(diào)節(jié)時(shí)直接 用示波器觀測(cè)輸出脈沖波形。首先固定一個(gè)高壓值，調(diào)節(jié)靠近光陰極 的前3級(jí)電阻使波形最高處亮帶的幅度最大，寬度最細(xì)，表示幅度分辨率好。然后調(diào)節(jié)高壓，使輸出幅度為需要值，再用多道精確測(cè)量能量分辨率。 電阻的調(diào)節(jié)，一般先用電位器調(diào)，滿足要求后再換成固定電阻。 三光電倍增管的主要性能西安交通大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院西安交通大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 2011.05 Liu_Shuhuan1、單通道型電子倍增器6810 10M tns410/EV cm四通道型電子倍增器件西安交通大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院西安交通大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 2011.05 Li

41、u_Shuhuan2、多通道型電子倍增器(微通道板，MCP) 40 60通道長(zhǎng)度通道直徑10 m通道直徑5610 10通道數(shù)目工作環(huán)境：104Pa 通道軸向偏離法線8。 對(duì)電子的倍增系數(shù)：2041 202VVAVGV其中：A=0.2 V為工作電壓； V0為二次電子初始能量。西安交通大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院西安交通大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 2011.05 Liu_Shuhuan微通道板Micro-channel Plate內(nèi)徑610m的細(xì)玻璃管，內(nèi)壁既是電阻體又是二次發(fā)射 體。R=109-1011 ， 3。 M=104-105兩級(jí)M=107 高速響應(yīng)tr=0.1-0.3ns, =0.4ns, =25-1

42、20ns 可在磁場(chǎng)中工作，B平行管軸15KGs，B垂直管軸1KGs。 具有二維高空間分辨本領(lǐng)和圖像增強(qiáng)能力，作像增強(qiáng)器。 低噪聲，對(duì)帶電粒子、紫外線、X、中子都靈敏。常 用材料：玻璃半導(dǎo)體、陶瓷半導(dǎo)體和有機(jī)半導(dǎo)體。四通道型電子倍增器件西安交通大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院西安交通大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 2011.05 Liu_Shuhuan西安交通大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院西安交通大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 2011.05 Liu_Shuhuan 正離子反饋形成自激限制了MCP的電子倍增系數(shù)。 將兩片MCP串聯(lián)使用，以獲得足夠的倍增系數(shù)： 兩片MCP通道方向交錯(cuò)。 倍增電子由陽(yáng)極接收： 普通陽(yáng)極，一維(二維)位置靈敏

43、陽(yáng)極。西安交通大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院西安交通大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 2011.05 Liu_Shuhuan 單片倍增系數(shù)： 103 104。 雙片倍增系數(shù)： 105 107。 測(cè)得飛行時(shí)間譜的FWHM可達(dá)200ps。 輸出脈沖上升時(shí)間可達(dá)360ps。西安交通大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院西安交通大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 2011.05 Liu_ShuhuanPMT的類型四通道型電子倍增器件西安交通大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院西安交通大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 2011.05 Liu_Shuhuan通道型電子倍增器件 微通道板（ MCP ） 具有位置分辨能力，可以用于面陣成像西安交通大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院西安交通大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)

44、學(xué)院 2011.05 Liu_Shuhuan位置靈敏 PMT 電子倍增極做成柵網(wǎng)狀，具有二次電子發(fā)射功能。 各級(jí)之間二次電子飛行距離很小。 12級(jí)柵網(wǎng)極倍增， M105。 空間分辨 空間分辨56mm ; 十字絲網(wǎng)型陽(yáng)極，二維讀出。四通道型電子倍增器件西安交通大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院西安交通大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 2011.05 Liu_Shuhuan附、中微子實(shí)驗(yàn)附、中微子實(shí)驗(yàn) 高速中微子在通過(guò)介質(zhì)時(shí)，如果其速度大于光在這種介高速中微子在通過(guò)介質(zhì)時(shí)，如果其速度大于光在這種介質(zhì)中的傳播速度，會(huì)產(chǎn)生藍(lán)色輝光，即切倫科夫輻射。質(zhì)中的傳播速度，會(huì)產(chǎn)生藍(lán)色輝光，即切倫科夫輻射。超級(jí)神崗探測(cè)器超級(jí)神崗探測(cè)器Su

45、per-KamiokandeSuper-Kamiokande就座落在神岡礦就座落在神岡礦山的地下山的地下10001000米深處。那里的地下巖磐被挖成一個(gè)直徑米深處。那里的地下巖磐被挖成一個(gè)直徑4040米、高米、高4242米的圓柱形空間，并被注入純度極高的水，米的圓柱形空間，并被注入純度極高的水，然后，再在里面放置一個(gè)同樣注入了純水的直徑稍小于然后，再在里面放置一個(gè)同樣注入了純水的直徑稍小于4040米的圓筒狀容器。米的圓筒狀容器。這個(gè)實(shí)驗(yàn)觀察站包括由這個(gè)實(shí)驗(yàn)觀察站包括由1120011200根光根光電倍增管，存儲(chǔ)的電倍增管，存儲(chǔ)的5 5萬(wàn)噸純凈水。萬(wàn)噸純凈水。整個(gè)檢測(cè)裝置的建設(shè)整個(gè)檢測(cè)裝置的建設(shè)投

46、資約為投資約為100100億日元。在地面環(huán)境中，被稱為宇宙射線億日元。在地面環(huán)境中，被稱為宇宙射線的輻射能會(huì)對(duì)實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生噪波，而離地面越深，這種噪波的輻射能會(huì)對(duì)實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生噪波，而離地面越深，這種噪波就越少。就越少。 西安交通大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院西安交通大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 2011.05 Liu_Shuhuanl1998年，超級(jí)神岡探測(cè)器的領(lǐng)導(dǎo)者、日本科學(xué)家年，超級(jí)神岡探測(cè)器的領(lǐng)導(dǎo)者、日本科學(xué)家小柴昌俊發(fā)表了測(cè)量結(jié)果，給出中微子振蕩的首小柴昌俊發(fā)表了測(cè)量結(jié)果，給出中微子振蕩的首個(gè)確切證據(jù)，認(rèn)為中微子在三種不同個(gè)確切證據(jù)，認(rèn)為中微子在三種不同“味味”之間之間是可以相互轉(zhuǎn)換的，這也表明中微子是有質(zhì)量的

47、，是可以相互轉(zhuǎn)換的，這也表明中微子是有質(zhì)量的，而不是粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型中預(yù)言的零質(zhì)量粒子。而不是粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型中預(yù)言的零質(zhì)量粒子。l2002年，超級(jí)神岡探測(cè)器證實(shí)反應(yīng)堆中產(chǎn)生的中年，超級(jí)神岡探測(cè)器證實(shí)反應(yīng)堆中產(chǎn)生的中微子發(fā)生了振蕩。這個(gè)結(jié)果在中微子天文學(xué)和粒微子發(fā)生了振蕩。這個(gè)結(jié)果在中微子天文學(xué)和粒子物理學(xué)中具有里程碑式的意義，小柴昌俊因此子物理學(xué)中具有里程碑式的意義，小柴昌俊因此獲得獲得2002年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。附、中微子實(shí)驗(yàn)附、中微子實(shí)驗(yàn) 西安交通大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院西安交通大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 2011.05 Liu_Shuhuan用于探測(cè)高速中微子在水中通過(guò)時(shí)產(chǎn)生

48、的切倫科夫輻射 附、中微子實(shí)驗(yàn)附、中微子實(shí)驗(yàn) 西安交通大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院西安交通大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 2011.05 Liu_Shuhuan日本科學(xué)家小柴昌俊因?yàn)樵谔綔y(cè)宇宙中微子方面取得的成就而獲得2002年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。 附、中微子實(shí)驗(yàn)附、中微子實(shí)驗(yàn) 西安交通大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院西安交通大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 2011.05 Liu_Shuhuan附、中微子實(shí)驗(yàn)附、中微子實(shí)驗(yàn) 西安交通大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院西安交通大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 2011.05 Liu_Shuhuan附、中微子實(shí)驗(yàn)附、中微子實(shí)驗(yàn) 西安交通大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院西安交通大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 2011.05 Liu_Shuh

49、uan附、中微子實(shí)驗(yàn)附、中微子實(shí)驗(yàn) 西安交通大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院西安交通大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 2011.05 Liu_Shuhuan附、中微子實(shí)驗(yàn)附、中微子實(shí)驗(yàn) 西安交通大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院西安交通大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 2011.05 Liu_Shuhuan西安交通大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院西安交通大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 2011.05 Liu_Shuhuan西安交通大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院西安交通大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 2011.05 Liu_Shuhuan“冰立方冰立方”是一個(gè)國(guó)際科研項(xiàng)目，有美國(guó)等數(shù)個(gè)國(guó)家和基金是一個(gè)國(guó)際科研項(xiàng)目，有美國(guó)等數(shù)個(gè)國(guó)家和基金會(huì)發(fā)起和執(zhí)行。設(shè)計(jì)目的是用來(lái)探測(cè)被稱作會(huì)發(fā)起和執(zhí)行

50、。設(shè)計(jì)目的是用來(lái)探測(cè)被稱作中微子的亞原子中微子的亞原子粒子粒子，這種物質(zhì)讓人捉摸不透，但它們很容易穿越行星體。，這種物質(zhì)讓人捉摸不透，但它們很容易穿越行星體。然而，有少量中微子并沒(méi)有那么幸運(yùn)，深埋在南極地下的冰然而，有少量中微子并沒(méi)有那么幸運(yùn)，深埋在南極地下的冰立方設(shè)備就是用來(lái)發(fā)現(xiàn)它們的。這個(gè)設(shè)備由立方設(shè)備就是用來(lái)發(fā)現(xiàn)它們的。這個(gè)設(shè)備由數(shù)千個(gè)探測(cè)器數(shù)千個(gè)探測(cè)器組組成，最終科學(xué)家將把它放進(jìn)一個(gè)成，最終科學(xué)家將把它放進(jìn)一個(gè)1 1立方千米的冰塊中。這些立方千米的冰塊中。這些探測(cè)器的鏡頭對(duì)準(zhǔn)下方，用來(lái)監(jiān)視與眾不同的探測(cè)器的鏡頭對(duì)準(zhǔn)下方，用來(lái)監(jiān)視與眾不同的藍(lán)色閃光藍(lán)色閃光，這，這些閃光意味著一個(gè)中微子已

51、經(jīng)成功從地球中逃逸出來(lái)，受到些閃光意味著一個(gè)中微子已經(jīng)成功從地球中逃逸出來(lái)，受到南極冰層的阻擋。這項(xiàng)研究的主要目的是，南極冰層的阻擋。這項(xiàng)研究的主要目的是，從外層空間的外從外層空間的外來(lái)物體中尋找中微子，來(lái)物體中尋找中微子，例如銀河中心龐大的黑洞，利用地球例如銀河中心龐大的黑洞，利用地球作為防護(hù)物，以屏蔽其他宇宙微粒發(fā)出的有害噪音。作為防護(hù)物，以屏蔽其他宇宙微粒發(fā)出的有害噪音。 附、中微子實(shí)驗(yàn)附、中微子實(shí)驗(yàn) 西安交通大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院西安交通大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 2011.05 Liu_Shuhuan“冰立方冰立方”計(jì)劃計(jì)劃將耗資約將耗資約300300億日元億日元( (約合約合2.572.5

52、7億美元億美元) )，其中美國(guó)承擔(dān)，其中美國(guó)承擔(dān)80%80%，剩下的，剩下的20%20%由日本、英國(guó)、德由日本、英國(guó)、德國(guó)、比利時(shí)、荷蘭、瑞典和新西蘭國(guó)、比利時(shí)、荷蘭、瑞典和新西蘭7 7個(gè)參與國(guó)分擔(dān)。個(gè)參與國(guó)分擔(dān)。 8.4 閃爍探測(cè)器的輸出信號(hào)一閃爍探測(cè)器輸出信號(hào)的物理過(guò)程二閃爍探測(cè)器的輸出回路三. 輸出脈沖信號(hào)的四電流脈沖信號(hào)五電壓脈沖信號(hào)六輸出信號(hào)的漲落七閃爍探測(cè)器的主要性能西安交通大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院西安交通大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 2011.05 Liu_Shuhuan 倍增電子向后級(jí)漂移，感應(yīng)電流從外回路流過(guò)。一閃爍探測(cè)器輸出信號(hào)的物理過(guò)程西安交通大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院西安交通大學(xué)核科學(xué)與

53、技術(shù)學(xué)院 2011.05 Liu_Shuhuan西安交通大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院西安交通大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 2011.05 Liu_Shuhuan二閃爍探測(cè)器的輸出回路輸出回路的等輸出回路的等效電路效電路二閃爍探測(cè)器的輸出回路西安交通大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院西安交通大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 2011.05 Liu_Shuhuan入R/RRL0分布電容入CCC0輸出回路的等效電路輸出回路的等效電路二閃爍探測(cè)器的輸出回路西安交通大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院西安交通大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 2011.05 Liu_Shuhuan三三. . 輸出脈沖信號(hào)的輸出脈沖信號(hào)的1 1、光電倍增管輸出信號(hào)的光電倍增管輸出信號(hào)的取決于

54、取決于：閃爍體發(fā)出的閃爍體發(fā)出的光子被光子被上的上的光陰極光陰極的的：光電子被光電子被第一打拿極第一打拿極收集的收集的概率概率：光電倍增管總的光電倍增管總的EYnphph K cgM2 2、第一打拿極第一打拿極收集到的收集到的為：為：cKphgFT Tnnphe phF西安交通大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院西安交通大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 2011.05 Liu_Shuhuan3 3、陽(yáng)極陽(yáng)極收集到的收集到的為：為：MTYEMTnMnnphpheA eMTYEenQphA 4 4、陽(yáng)極陽(yáng)極收集到的收集到的為：為：EQ 可以看出，閃爍探測(cè)器輸出脈沖信號(hào)的可以看出，閃爍探測(cè)器輸出脈沖信號(hào)的電荷量電荷量Q是是與入

55、射粒子與入射粒子在閃爍體內(nèi)損耗的能量在閃爍體內(nèi)損耗的能量E成成正比正比的的. .三三. . 輸出脈沖信號(hào)的輸出脈沖信號(hào)的西安交通大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院西安交通大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 2011.05 Liu_Shuhuan四、四、 信號(hào)信號(hào)u 單位時(shí)間內(nèi)單位時(shí)間內(nèi)閃爍體發(fā)出閃爍體發(fā)出的的為：為： tphentn u 單位時(shí)間內(nèi)單位時(shí)間內(nèi)第一打拿極第一打拿極收集到的收集到的為：為： tpheeTntn 單位時(shí)間內(nèi)單位時(shí)間內(nèi)收集到的收集到的西安交通大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院西安交通大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 2011.05 Liu_Shuhuan引起的引起的信號(hào)信號(hào)p(t)et eM )(tp2et1et3eteM

56、t四、四、 信號(hào)信號(hào)西安交通大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院西安交通大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 2011.05 Liu_Shuhuan3 3一次閃爍一次閃爍所引起的所引起的一次閃爍一次閃爍輸出輸出電流脈沖電流脈沖為為 ent tp tdtpttntIte 0 tdtpeTntItttph 0)( tpheeTntn 與與的的閃爍探測(cè)器輸出閃爍探測(cè)器輸出電流脈沖電流脈沖一般表一般表達(dá)式的達(dá)式的卷積形式卷積形式 四、四、 信號(hào)信號(hào)西安交通大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院西安交通大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 2011.05 Liu_Shuhuan閃爍探測(cè)器輸出閃爍探測(cè)器輸出電流脈沖電流脈沖一般表達(dá)式的一般表達(dá)式的微分形式微分形式 tpT

57、ntIdttdIph 上式和卷積形式一樣給出了輸出上式和卷積形式一樣給出了輸出電流脈沖電流脈沖與與發(fā)光衰減時(shí)間發(fā)光衰減時(shí)間 及及單光電子電流響應(yīng)單光電子電流響應(yīng) tp的關(guān)系。的關(guān)系。 在很多情況下，與在很多情況下，與 tp是一個(gè)非常窄的時(shí)間函數(shù)，是一個(gè)非常窄的時(shí)間函數(shù)， etteMtp 這時(shí)可以這時(shí)可以忽略電子飛行時(shí)間的漲落，忽略電子飛行時(shí)間的漲落，用用 函數(shù)函數(shù)來(lái)近似來(lái)近似即：可設(shè)即：可設(shè)求解求解 tdtteMeTntItettph 0)()( 則：則： 相比，相比，四、四、 信號(hào)信號(hào)西安交通大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院西安交通大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 2011.05 Liu_Shuhuan / )(e

58、ttpheeMTn tI0ettett eMTnph / )(ette tIt四、四、 信號(hào)信號(hào)四、四、 信號(hào)信號(hào)西安交通大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院西安交通大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 2011.05 Liu_Shuhuan五、五、信號(hào)信號(hào) tCRtCRttdetICetV0/0/0000 dttdVCRtVtI)()(00 /)(tpheeMTntI eMTnQph 西安交通大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院西安交通大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 2011.05 Liu_Shuhuan /0000000)()(tCRteeCRCRCQtV 顯然，顯然，閃爍探測(cè)器閃爍探測(cè)器輸出電壓脈沖幅度輸出電壓脈沖幅度取決于取決于Q Q和和R

59、R0 0C C0 0及及 。 由由極值極值條件條件: : )(00ln0)()(00max000000max00 CRQVtCRCCRCRCRdttdV 五、五、信號(hào)信號(hào)西安交通大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院西安交通大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 2011.05 Liu_Shuhuan /0000000)()(tCRteeCRCRCQtV EQtV )( 00CR tCRteeCQtV000短時(shí)間短時(shí)間內(nèi)：即內(nèi)：即 teCQtV10在在 ( ) 峰值峰值5t00CRt hCQtV 0經(jīng)過(guò)經(jīng)過(guò)較長(zhǎng)時(shí)間較長(zhǎng)時(shí)間，即，即 000CRteCQtV 脈沖前沿脈沖前沿脈沖后沿脈沖后沿00CRt 00CRt 五、五、信號(hào)信號(hào)西

60、安交通大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院西安交通大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 2011.05 Liu_Shuhuan 00CR 00000CRtteeCRCQtV 對(duì)對(duì) t 001000CRteCRCQtV 對(duì)對(duì) （ ）005CRt tCR005經(jīng)過(guò)經(jīng)過(guò)較長(zhǎng)時(shí)間較長(zhǎng)時(shí)間，即，即 t hhCRCQtV 000 teCRCQtV000 /0000000)()(tCRteeCRCRCQtV 脈沖前沿脈沖前沿脈沖后沿脈沖后沿峰值峰值五、五、信號(hào)信號(hào)西安交通大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院西安交通大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 2011.05 Liu_Shuhuan電流脈沖型工作狀態(tài)電流脈沖型工作狀態(tài)輸輸出出電壓脈沖電壓脈沖形狀形狀趨于電趨于電流