粒子探測技術(shù)-閃爍探測器

§6-1閃爍探測器的工作原理一、典型的閃爍探測器裝置閃爍體電子學(xué)儀器閃爍探測器光電倍增管2012/11/192中國汪曉蓮二、工作原理入射粒子進(jìn)到閃爍體內(nèi)，使閃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)入閃爍體通過庫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射線和射線入射，則通過光電效應(yīng)、康普頓效應(yīng)和電子對效應(yīng)損失能量產(chǎn)生次級帶電粒子，次級帶電粒子再使閃爍體原子分子電離和激發(fā)。設(shè)入射粒子能量為Ei,在閃爍體內(nèi)損失的能量為如K1=1，則入射粒子能量完全損失在閃爍體內(nèi)；如K1<1，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hv,則發(fā)射光子的數(shù)目hR

Ei

K1PK1Ei2012/11/193中國汪曉蓮2012/11/194ChCh

E光的傳輸：光子通過閃爍體和光導(dǎo)，到達(dá)光電倍增管的光陰極，有一部分在傳輸過程中會(huì)被吸收或被散射而無法到達(dá)光陰極。設(shè)光子的傳輸系數(shù)為l，則到達(dá)光陰極的光子數(shù)R’＝lR。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)射的光子盡量少自吸收，并在閃爍體和光電倍增管之間加光導(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)N

qR

'

倍增：光電子在光電倍增管中倍增，最后在陽極被收集。設(shè)光電倍增管的倍增系數(shù)為M，則在陽極得到Mn個(gè)電子，相應(yīng)的電荷為Q＝Mne，輸出電容為C，則電壓脈沖V

Q

K1PlqeMEi

ne

M

Ein

K1Plq

NC入射粒子單位能量產(chǎn)生的光電子數(shù)中國汪曉蓮2012/11/195輸出：形成的電壓脈沖經(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。增大輸出脈沖幅度的方法：1）選擇光產(chǎn)額大的晶體；提高光陰

電轉(zhuǎn)換效率；提高電子傳輸系數(shù)q；提高光電倍增管的放大倍數(shù)M。中國汪曉蓮2012/11/196中國汪曉蓮7§6-2

閃爍體一、閃爍體的基本特性1、發(fā)光效率：表示閃爍體把所吸收的粒子能量轉(zhuǎn)變?yōu)楣獾谋绢I(lǐng)?？捎脙蓚€(gè)量來表示。光輸出S：定義在一次閃爍過程中傳輸?shù)墓庾訑?shù)目R和入射粒子在閃爍體內(nèi)損失的能量E之比。S

R

光子數(shù)/MeV，入射粒子損失單位能量產(chǎn)生的光子數(shù)。E能量轉(zhuǎn)換效率P：定義一次閃爍過程中產(chǎn)生的光子總能量和入射粒子損失能量之比。EP

R

h

S

h通常用%表示3）光輸出和能量轉(zhuǎn)換效率這兩個(gè)量的絕對測量很復(fù)雜，實(shí)際中往往與標(biāo)準(zhǔn)閃爍體蒽晶體相比較給出相對值。2012/11/19

中國

汪曉蓮2012/182、能量響應(yīng)：表示輸出脈沖幅度與入射粒子能量之間的關(guān)系。閃爍探測器的能量響應(yīng)線性并不好，既與入射粒子種類（電荷和質(zhì)量）有關(guān)，又與粒子能量有關(guān)。只在較高能量情況下才近似線性關(guān)系。氣體閃爍體最好，無機(jī)閃爍體次之，有機(jī)閃爍體。3、發(fā)射光譜：閃爍體發(fā)射的光子數(shù)隨波長的分布稱作閃爍體的發(fā)射光譜。1）圖表法：常給出的是光致發(fā)光光譜。P238圖6.2.2閃爍體在受到高能粒子激發(fā)后發(fā)射的光譜在可見光區(qū)。不同的閃爍體和不同的入射粒子，其光譜特性不同。中國汪曉蓮2012/192）平均波長或平均能量表示法：如NaI(Tl)晶體，不同閃爍體有不同發(fā)光衰減時(shí)間，有快慢成分之分，近似表示為0

4100E

h

h

C

12400eV

3.0eV平均波長＝4100

A，響應(yīng)的平均能量03）用主峰位波長0和半高寬表示：如NaI(Tl)晶體，0=4150?，＝850?4、發(fā)光衰減時(shí)間閃爍體原子受激后發(fā)射光子的增加和退激后光子的衰減都是隨時(shí)間按指數(shù)規(guī)律變化。由于光子產(chǎn)生的過程比衰減過程快得多，光子產(chǎn)生過程可忽略，用發(fā)光的衰減過程來描述整個(gè)過程。I

(t)

I

et

/

fsfsf

st

/t

/I

t

I

e：ns數(shù)量級，I

e

，

：幾十——幾百ns數(shù)量級中國汪曉蓮4、發(fā)光衰減時(shí)間τ：光子數(shù)從最大值衰減到1/e所需要的時(shí)間對同一閃爍休，τ與入射粒子種類有關(guān)，例如對CsI(Tl)晶體，粒子入射

τ=1100ns，粒子入射

τ=430ns。

不一樣將造成輸出脈沖形狀不同，可以通過辨別脈沖形狀來區(qū)分入射粒子的種類。利用這種方法可鑒別

和；中子和。

還與溫度有關(guān)，溫度降低，衰減時(shí)間變短。對氣體閃爍體，是氣壓P的函數(shù)。一般地說，隨著P的增大，減小。例如對氖，P=5

cmHg,

=14ns；P=48.5cmHg，

=5.5ns。2012/11/1910中國汪曉蓮利用單光子測量閃爍體發(fā)光衰減時(shí)間2012/11/1911中國汪曉蓮5、能量分辨率閃爍計(jì)數(shù)器的能量分辨率包括了閃爍體和光電倍增管的貢獻(xiàn)。影響能量分辨率的因素有：1）閃爍體的發(fā)光效率；

2）閃爍體的固有分辨率；3）PMT光陰極的光收集效率；4）光陰

電轉(zhuǎn)換效率；5）第一倍增極收集效率和二次電子倍增系數(shù)等。不同閃爍體的固有能量分辨率不同，NaI(Tl)閃爍體的能量分辨率在各種閃爍體中是最好的。有機(jī)閃爍體的能量分辨率都比較差。2T2s2PMT

2012/11/1912中國汪曉蓮6、技術(shù)衰減長度描述光在閃爍體內(nèi)

的一個(gè)物理量。定義為：閃爍光在閃爍體內(nèi)

時(shí)，光衰減到初始時(shí)的1/e所走過的距離分為本征衰減長度和技術(shù)衰減長度。本征衰減長度是由閃爍體

光學(xué)性能決定的，主要取決于閃爍體的成分。技術(shù)衰減長度與閃爍體的形狀、表面反射情況等外部技術(shù)條件有關(guān)。7、其他特性溫度效應(yīng)：閃爍體性能隨溫度的變化。輻照效應(yīng)：閃爍體性能隨輻照劑量的累積發(fā)生的變化。N0探測效率：粒子在閃爍體內(nèi)產(chǎn)生脈沖信號與入射粒子數(shù)之比

N2012/11/1913中國汪曉蓮二、無機(jī)閃爍體大都是固體晶體，是絕緣體。有快發(fā)光特點(diǎn)或發(fā)光成分中有快發(fā)光過程的晶體。如：BaF2，CaF，NaI，CsI等。大

的晶體，如：BGO，LSO(Ge)，LuAP(Ge)，PWO等，密度大，對粒子

本領(lǐng)大，適于高能探測器小型化。應(yīng)用最廣泛的是堿金屬鹵化物閃爍晶體，常用的有：NaI(Tl)，CsI(Tl)，ZnS(Ag)等。P235表6.2.12012/11/1914中國汪曉蓮2012/11/19151、無機(jī)閃爍體的發(fā)光機(jī)制：固體能帶論以NaI(Tl)為例，其禁帶寬度為7.3eV。在閃爍體中入射粒子除了由于電離產(chǎn)生電子空穴對以外，還會(huì)因激發(fā)產(chǎn)生激子。即入射粒子給予電子的能量不能使它電離到導(dǎo)帶上，而只能處在導(dǎo)帶下面的激子能帶（激帶）上。激子是激帶內(nèi)的電子和價(jià)帶中的空穴的總稱，它們沒有完全電離，還有靜電約束，在晶格中一起運(yùn)動(dòng)。晶體內(nèi)的雜質(zhì)和晶格缺陷形成三種俘獲中心：熒光中心、猝滅中心和陷阱。俘獲中心分基態(tài)和激發(fā)態(tài)。基態(tài)俘獲激子的空穴或價(jià)帶的空穴，激發(fā)態(tài)俘獲激子的電子或?qū)У碾娮?。俘獲中心從基態(tài)被激發(fā)而到達(dá)激發(fā)態(tài)，就好像俘獲中心基態(tài)的電子直接被激發(fā)到激發(fā)態(tài)。退激時(shí)有三種可能。在熒光中心激發(fā)態(tài)的電子，很快發(fā)射光子跳回基態(tài)，時(shí)間很短(10-9s)，是閃爍光的快成分，稱作熒光。在猝滅中心激發(fā)態(tài)的電子，將激發(fā)能傳給周圍的晶格作振動(dòng)，以熱能形式消耗激發(fā)能而不發(fā)射光子，這就是猝滅過程。在陷阱中的電子處在亞穩(wěn)態(tài)，停留較長時(shí)間，或以非輻射躍遷回到價(jià)帶，或從晶格振動(dòng)中獲得能量，重新躍遷到導(dǎo)帶，再重復(fù)過程一或二回到基態(tài)。按過程一，發(fā)射光子稱作磷光，發(fā)光時(shí)間較長，是閃爍光的慢成分，一般大于10-6s。2012/11/1916中國汪曉蓮有的陷阱中的電子僅有熱運(yùn)動(dòng)跳不回導(dǎo)帶，必須由外界再給它能量，如光照、加熱等?？考訜岵拍馨l(fā)射的光叫熱釋光；靠光照才能發(fā)射的光叫光釋光。這是兩種固體發(fā)光材料，常用作外照射個(gè)人劑量儀。由雜質(zhì)的孤立能級退激到價(jià)帶時(shí)，發(fā)出的光子能量小于禁帶寬度。即閃爍體發(fā)光頻率不等于吸收頻率，閃爍體的發(fā)射光譜與其吸收光譜不重合。所以閃爍體不會(huì)自吸收這部分光。為了提高閃爍體的發(fā)光效率，可以摻雜，如Tl、Ag等“激活劑”。激活劑粒子形成發(fā)光中心或俘獲中心。但實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)激活劑并不是必不可少的。2012/11/1917中國汪曉蓮2、常用無機(jī)閃爍體1）NaI(Tl)晶體特點(diǎn)：發(fā)光效率高，密度大，

原子序數(shù)高的碘，因此對射線探測效率高，有較好的能量分辨率，是探測射線的主要探測器。透明度好，

簡單，可以加工成各種形狀，常用的是圓柱形（最大750×250）、井型、環(huán)形、薄片形等。缺點(diǎn)：衰減時(shí)間長，易潮解。封裝：2012/11/1918中國汪曉蓮2）CsI(Tl)晶體密度和平均原子序數(shù)比NaI(Tl)還要大，因此對射線探測效率更高，且不易潮解。但通常發(fā)光效率比NaI(Tl)低，能量分辨也不如NaI(Tl)。然而在液氮溫度下比NaI(Tl)有更高的發(fā)光效率。3）ZnS(Ag)白色多晶粉末，使用時(shí)噴涂在有機(jī)玻璃板

上。它的發(fā)光效率高，但

差，只能做的很薄，故不適合探測電子和射線，主要用于探測粒子和重粒子。ZnS(Ag)噴在聚苯乙烯塑料球內(nèi)壁測量氣體放射性。

ZnS(Ag)＋有機(jī)玻璃粉熱壓成快中子屏；

ZnS(Ag)＋甘油＋硼酸或10B做成慢中子屏。2012/11/1919中國汪曉蓮4）

鍺酸鉍（BGO）晶體密度為7.13g/cm3，發(fā)射光譜主峰位在4800?，易于與光電倍增管匹配，不潮解，是高能物理實(shí)驗(yàn)重要的閃爍體之一。鎢酸鉛（PWO）晶體無色透明晶體，折射率2.16，密度為8.28g/cm3，發(fā)射光譜主峰位在4000-5000?，易于與光電倍增管匹配。輻射長度

0.89cm，莫利哀半徑2.2cm，可使探測器小型化。不潮解，抗輻照。最大的缺點(diǎn)是光產(chǎn)額較低。玻璃閃爍體制造簡單，成本低，

好，化學(xué)性能穩(wěn)定，耐酸堿，耐潮濕，耐高低溫，發(fā)光衰減時(shí)間0.1s。最大的缺點(diǎn)是發(fā)光效率低，僅為NaI(Tl)的4％。摻LiO2或10B的玻璃，主要用于探測中子鉛玻璃：主要用于探測射線。2012/11/1920中國汪曉蓮7）快晶體氟化鋇（BaF2）波長為195nm，220nm和310nm，對應(yīng)的發(fā)光衰減時(shí)間分別為0.87ns，0.88ns和600ns。氟化鈰（CeF3）2個(gè)快成分，無慢成分。硅酸镥（LSO）對γ射線具有響應(yīng)時(shí)間快(<50ns)、發(fā)光產(chǎn)額高(為NaI(Tl)的76%)、抗輻照性能強(qiáng)、不易潮解，具有較強(qiáng)的中子、γ分辨本領(lǐng)。硅酸釓（GSO）密度6.71

g/cm3，輻射長度

X0=1.38cm，核作用長度為22.2cm，發(fā)光產(chǎn)額大（為NaI(Tl)的30%）發(fā)光衰減時(shí)間為56ns。鋁酸釔（YAP:Ce）Z=39；密度5.37g/cm3；能量分辨率好；發(fā)光產(chǎn)額大（NaI(Tl)的40%～50%），發(fā)光衰減時(shí)間短（25～30ns），最大發(fā)射波長為350nm，光輸出隨溫度的變化率小于0.01%/0C。2012/11/1921中國汪曉蓮BGO,

LSO

&

LYSO

SamplesCubic:

1.7

cm3

(1.5X0);

Long:

2.5

x

2.5

x

20

cm

(18X0)SIC

BGOCPI

LYSOSaint-Gobain

LYSOCTILSO2012/11/1922中國汪曉蓮1.5X0CubicFull

Size

SamplesBaBar

CsI(Tl):

16

X0L3

BGO:22

X0CMS

PWO(Y):

25

X0BaBar

CsI(Tl)L3

BGOCMS

PWO(Y)PbWO4BGOCeF3BaF2CsI2012/11/1923中國汪曉蓮Light

Yield

and

Decay

Kinetics2012/11/1924中國汪曉蓮三、有機(jī)閃爍體主要成分是芳香族化合物，分子由聚合或聯(lián)苯環(huán)構(gòu)成。分成三大類：有機(jī)晶體、塑料閃爍體和液體閃爍體。塑料閃爍體和液體閃爍體都由溶劑和溶質(zhì)組成。溶質(zhì)是發(fā)光物質(zhì)，溶劑是

好的有機(jī)固溶體或液體。溶質(zhì)有兩種：第一溶質(zhì)和第二溶質(zhì)。前者退激發(fā)后發(fā)出波長3500－4000?的熒光；后者又稱波長位移劑，它將發(fā)出的熒光光子全部吸收再發(fā)出波長4200－4800?的光子。這樣的波長對閃爍體更透明，與光電倍增管的光陰極的頻率響應(yīng)更好，從而提高了光的和收集效率。2012/11/1925中國汪曉蓮2012/11/1926有機(jī)閃爍體的發(fā)光機(jī)制有多種理論解釋，各有

。有一種理論認(rèn)為：是有機(jī)分子的電子能級結(jié)構(gòu)引起的。即處在比較自由的軌道上的部分價(jià)電子（稱作電子）的能級之間的躍遷引起的。有機(jī)分子電子能級結(jié)構(gòu)分單態(tài)和三重態(tài)，每種激發(fā)能級內(nèi)有一系列的精細(xì)能級，相當(dāng)分子的振動(dòng)能級。帶電粒子進(jìn)入閃爍體使其電子激發(fā)。退激時(shí)一種可能是從激發(fā)態(tài)分別跳回各基態(tài)發(fā)出熒光，稱作熒光過程。多余的能量轉(zhuǎn)變?yōu)殡娮拥恼駝?dòng)以熱量形式帶走，不發(fā)光，稱作猝滅過程。另一種可能（幾率很?。┦菑募ぐl(fā)態(tài)跳到三重態(tài)T1，T1是亞穩(wěn)態(tài)，電子滯留一段時(shí)間后再跳到基態(tài)，發(fā)出磷光，稱作磷光過程。1.有機(jī)閃爍體的發(fā)光機(jī)制中國汪曉蓮2.發(fā)射光譜與吸收光譜由于電子躍遷時(shí)，一部分能量以熱運(yùn)動(dòng)形式帶走，因此發(fā)射光子能量總是小于吸收光子能量，造成吸收光譜和發(fā)射光譜間的位移，從而減少了光的自吸收。為了改善光的傳輸，在有機(jī)閃爍體中加第二溶質(zhì):波長位移劑。其作用是吸收熒光后再發(fā)射波長較長的光，等于將發(fā)射光譜向長波方向移動(dòng)。2012/11/1927中國汪曉蓮3.有機(jī)閃爍體的種類1）有機(jī)晶體：如蒽、芪、聯(lián)三苯等。發(fā)光衰減時(shí)間比無機(jī)晶體快1～2個(gè)數(shù)量級，為探測快速高通量的帶電粒子提供了可能。但缺點(diǎn)是有機(jī)晶體很難做大。（P246表6.2.2）表6.2.22012/11/1928中國汪曉蓮2）塑料閃爍體可以測量、、、快中子、質(zhì)子、宇宙射線及裂變碎片等。制作簡便：柱、片、矩形、井形、管形、薄膜等，可以做成大面積閃爍體，幾米。發(fā)光衰減時(shí)間短（1~3ns），適用于ns量級的時(shí)間測量。高，光傳輸性能好。性能穩(wěn)定，機(jī)械強(qiáng)度高，耐振動(dòng)，耐沖擊，耐潮濕，不需要封裝，避光

8到10年發(fā)光效率無明顯變化。耐輻照性能好，居于各種閃爍體的首位。能量分辨本領(lǐng)差，只做強(qiáng)度測量。溶劑通常采用聚苯乙烯或聚乙烯

。第一溶質(zhì)采用聯(lián)三苯、四苯丁二烯TPB或PBD；第二溶質(zhì)常用POPOP及BBO。2012/11/1929中國汪曉蓮液體閃爍體：溶劑常用甲苯、二甲苯等，溶質(zhì)成分與塑料閃爍體的相似。其特點(diǎn)發(fā)光衰減時(shí)間短，

好，易

。缺點(diǎn)是有一定毒性，操作時(shí)要注意。載體閃爍體：有機(jī)閃爍體含大量的氫原子，可記錄快中子。為了測量慢中子，在閃爍體內(nèi)加硼和釓；為了測量射線，加入重元素如錫等。2012/11/1930中國汪曉蓮2012/11/19315)閃爍光纖

n

2

x21

2

cos1

sin

1

cos

r

n1

221

1

n

2

包層光

cos

可收集：芯層光222111

o

occnnn

r

2

r

2

sin2

cos

rc

cos2

1

rc

cos

cos

,

cos

n2

cos中國汪曉蓮4.有機(jī)閃爍體的優(yōu)缺點(diǎn)及應(yīng)用發(fā)光效率低，輸出脈沖幅度小，能量分辨率差。主要用于強(qiáng)度、計(jì)數(shù)和時(shí)間測量。在高能物理實(shí)驗(yàn)中，體積大、費(fèi)用低、響應(yīng)快成為主要考慮因素，選有機(jī)塑料閃爍體作觸發(fā)計(jì)數(shù)器和取樣式全吸收探測器。發(fā)光時(shí)間短，10-8~10-9s。配合快時(shí)間光電倍增管用于時(shí)間測量和快符合實(shí)驗(yàn)。密度小，有效原子序數(shù)低，對射線探測效率低。但因價(jià)格便宜，時(shí)間性能好，在射線探測中也常使用。的H原子，可以記錄快中子。塑料閃爍體可以測量、X、和快中子以及高能粒子，特別是經(jīng)常用于快時(shí)間、高強(qiáng)度、快符合、反符合和高能物理實(shí)驗(yàn)中。2012/11/1932中國汪曉蓮四、氣體閃爍體通常用的多為惰性氣體，尤以氙、氪、氬為普遍。它們的發(fā)光衰減時(shí)間為幾ns，而且隨壓力的增大變短。發(fā)光效率很低，不到NaI(Tl)的1/10。要求惰性氣體純度很高，否則光輸出會(huì)明顯降低。發(fā)光光譜的主峰位位于紫外區(qū)，必須經(jīng)過波長位移劑后才能與光電倍增管的光陰極頻譜相匹配。氣體閃爍正比室，有較快的上升時(shí)間和較好的能量分辨率。氣體

Ar發(fā)射光譜(nm)200－300Kr200－500Xe

Ar+10%N2200－600主峰位0(nm)225350(ns)4.7471.6發(fā)光效率0.40.331比純氬高2012/11/1933中國汪曉蓮五.

閃爍體的選擇光譜匹配探測效率時(shí)間響應(yīng)發(fā)光效率種類和尺寸Bicron

BC408=1.032g/cm3Refractive

index

n1.58Light

yield

(%

of

anthrancene)64Max

emission

(nm)

425Decay

constant

(ns)

2.12012/11/1934中國汪曉蓮2201材

料峰值波長(nm)衰減時(shí)間(s)折射率密度(g/cm3)相對熒光效率（%）NaI(Tl)4100.231.853.67100/230CsI(Tl)56511.794.5145CsI(Na)4200.631.844.5185ZnS(Ag)4500.22.44.09130LiI(Eu)4701.41.964.0835CaF2(Eu)4350.91.443.1950BaF23100.6ns/0.61.564.895~16BGO4800.32.157.137~14Gd2O2S:Tb54042.17.34120CdWO450052.37.938蒽447301.621.25/100芪4104.51.631.16/50-60液體閃爍體4202.4~4ns1.520.9/20-80塑料閃爍體~4801.3~3.3ns1.61.05/45-68各種閃爍體的物理性能摻雜鎢酸鉛晶體性能的研究熒光產(chǎn)額測試2012/11/1936中國汪曉蓮200MeV線2012/11/1937中國汪曉蓮2012/11/1938電子在PWO晶體上產(chǎn)生的能譜中國汪曉蓮60Co輻照系統(tǒng)2012/11/1939中國汪曉蓮2012/11/1940中國汪曉蓮PWO晶體的光產(chǎn)額測量2012/11/1941中國汪曉蓮20142CMS要求光產(chǎn)額>8個(gè)光電子/MeV快成份>90%中國汪曉蓮§6-3

光電倍增管一、基本原理和構(gòu)造2012/11/1943中國汪曉蓮1、光電倍增管的結(jié)構(gòu)光陰極光學(xué)窗電子光學(xué)輸入系統(tǒng)二次發(fā)射倍增系統(tǒng)陽極真空管2012/11/1944中國汪曉蓮1、PMT的結(jié)構(gòu)光陰極：接受光子發(fā)射光電子的電極，由以堿金屬為主要成分的半導(dǎo)體化合物材料構(gòu)成，其光電效應(yīng)幾率大，光電子脫出功較小。實(shí)用的光陰極種類：銻銫化合物Sb-Cs:對350－650nm的光都靈敏，其電阻比雙堿光陰極低，適于大電流流過光陰極場合的測量，主要用于反射型光陰極。雙堿：Sb-Rb-Cs,Sb-K-Cs,與Sb-Cs具有相似的(300－550nm)光譜特性，但靈敏度高，暗電流小，與NaI(Tl)

的發(fā)光波長相配，應(yīng)用廣。另一種雙堿Sb-Na-K，可耐1750C高溫，可用于石油勘探等高溫場合。室溫下暗電流非常小，用于單光子測量和低噪聲測量。Cs-I:

對

光不靈敏，被稱為“日盲”。波長>200nm時(shí)，靈敏度急劇下降。波長范圍：115－200nm。測量波長<115nm的光，應(yīng)選用無窗PMT。

多堿Cs-Na-K-Cs:具有從紫外－850nm的寬光譜，用于氮氧化合物的化學(xué)發(fā)光探測。Ag-O-Cs:透過型300-1200nm靈敏，反射型300-1100nm靈敏，用于紅外探測，In-Ga-As(Cs)在900-1000nm信噪比比Ag-O-Cs好得多。2012/11/19

45中國汪曉蓮2012/11/19460.1110100100

200300400500600700

800

900

1000

1100

1200

1300

1400Wavelength

(nm)QE

(%)Cs-TeGaAsPExtended

Red

Multialkali

(S-25)Multialkali

(S-20)Bi-alkaliGaAsInaAs(S-1)結(jié)晶型光陰極高量子效率、長波長各種光陰極的量子效率光學(xué)窗：表6.3.12012/11/1947中國汪曉蓮電子光學(xué)輸入系統(tǒng)：由光陰極和第一倍增極之間的聚焦極構(gòu)成，作用是把光陰極各個(gè)方向上發(fā)射的光電子聚焦到第一倍增極。二次發(fā)射倍增系統(tǒng)：由8～13個(gè)倍增極組成，工作時(shí)各電極依次加上遞增的電位。每個(gè)倍增極的電子倍增系數(shù)為，

＝3～6倍，則PMT的放大倍數(shù)M＝

n,

n倍增極個(gè)數(shù)。要求二次發(fā)射系數(shù)大，熱電子發(fā)射少，大電流工作穩(wěn)定性好。常用材料與光陰極相似Sb-K-Cs，Sb-Cs化合物，AgHg、CuBe合金和Ga-P-Cs等材料。陽極：最后收集電子并輸出信號的電極，采用電子脫出功較大的材料，如鎳、鉬、銀等，一般做成網(wǎng)狀。2012/11/1948中國汪曉蓮2、PMT的類型直線聚焦型：時(shí)間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，對外磁場不敏感，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，極間電壓的變化對增益的影響大，因此時(shí)間分辨率好，能量分辨率好。2012/11/1949中國汪曉蓮PMT的類型2012/11/1950中國汪曉蓮微通道板Micro-channel

Plate內(nèi)徑6－20μm的洗玻璃管，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M=107高速響應(yīng)tr=0.1-0.3ns,

=0.4ns,

=25-120ns可在磁場中工作，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。2012/11/1951中國汪曉蓮位置靈敏PMT電子倍增極做成柵網(wǎng)狀，具有二次電子發(fā)射功能。各級之間二次電子飛行距離很小。12級柵網(wǎng)極倍增，

M105?？臻g分辨5～6mm。

絲網(wǎng)型陽極，二維讀出。2012/11/1952中國汪曉蓮多陽

電倍增管結(jié)構(gòu)0.5mm0.25mm2012/11/1953中國汪曉蓮多陽

電倍增管3

x

3

array外形：52mm×52mm×14.5mm有效面積：49×49mm2陽極：8×8（64ch）

16×16（256ch）放大倍數(shù)：1×106/1000V時(shí)間特性：Tr

0.8ns，TTS

0.4

HM）陽極靈敏度：對單光子信號靈敏H85002012/11/1954中國汪曉蓮多陽極PMT和位置靈敏PMT性能應(yīng)用高分辨PET小型相機(jī)閃爍成像二維輻射監(jiān)測器2012/11/1955中國汪曉蓮半導(dǎo)體光電器件光二極管（PD）是常用的半導(dǎo)體光電器件，普遍采用硅材料。雪崩型光二極管（APD）加有較高的偏壓，載流子在強(qiáng)電場中加速并與半導(dǎo)體內(nèi)的原子碰撞，擊出新的電子空穴對，發(fā)生電子雪崩效應(yīng)，導(dǎo)致信號放大。在選取光二極管時(shí)一定要考慮閃爍體的發(fā)射光譜，使二者相匹配。電荷耦合器件（CCD）在硅片上集成許多MOS單元，有極好的位置分辨，但光靈敏度較低，需與光增強(qiáng)器聯(lián)用。2012/11/1956中國汪曉蓮2012/11/1957真空雪崩光電二極管(VAPD)增強(qiáng)光電二極管(IPD)中國汪曉蓮增強(qiáng)光電二極管性能表6.3.42012/11/1958中國汪曉蓮HPD工作原理PhotocathodeMulti-pixel

ADProximityfocus(8kV)AD

voltage(-200

to

-400

V)EB

gain

(x1200)AccelerationAvalanche

gain

(x40)PhotonElectronOutputTotal

gain:5x1042012/11/1959中國汪曉蓮將微細(xì)加工技術(shù)應(yīng)用于光電子増倍管7mm（H）×5mm（W）×2mm（D）7mm（H）5mm（W）2mm（D）光陰極増倍級（真空密封容器）接線柱技術(shù)發(fā)展方向：微型化2012/11/1960中國汪曉蓮二、PMT的主要參量和特性1.光陰極靈敏度SK：通常用光照靈敏度（標(biāo)準(zhǔn)白光源－具有色溫1854K的鎢絲燈）或藍(lán)光靈敏度（在標(biāo)準(zhǔn)白光源之前加藍(lán)色濾光片）。極靈敏度的另一種表示方法。3.

光譜響應(yīng)：光陰極量子效率與入射波長之間的關(guān)系。不同的光陰極材料有不同的光譜響應(yīng)。對入射波長短的應(yīng)選用透紫玻璃或石英窗。KS

A

/

lm

iKF入射光通量

光陰極的光電流2.量子效率：在一定入射波長下光陰極發(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R

n

100%2012/11/1961中國汪曉蓮反射型光陰極的光譜響應(yīng)曲線2012/11/1962透過型光陰極的光譜響應(yīng)曲線2012/11/1963PMT窗材料的光譜響應(yīng)曲線2012/11/1964中國汪曉蓮4.陽極放大倍數(shù)M：定義為在一定電壓下PMT陽極輸出電流iA與光陰極電流iK之比。與每個(gè)倍增極二次發(fā)射系數(shù)和倍增極數(shù)目n有關(guān)。陽

照靈敏度SA：定義為用白光源照射光陰極，陽極輸出電流iA與入射光通量F之比。暗電流和噪聲：PMT無光照射時(shí)產(chǎn)生的電流，通常為10-7-10-11A。產(chǎn)生暗電流的原因主要有：歐姆漏電：管內(nèi)絕緣材料和管座電阻的漏電和沿管壁表面的漏電。熱發(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。

殘余氣體電離：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。其他原因：如高壓放電、宇宙線μ子穿過窗玻璃產(chǎn)生切倫科夫光子等。M

iA

niKAKSF

i

F

iA

iA

iK

MS A

/

lmK

M

SASK2012/11/1965中國汪曉蓮宇宙線和40K引起的本底噪聲陽

照靈敏度和電流增益2012/11/1966中國汪曉蓮Ｒ１０７８９－１０為XMASS實(shí)驗(yàn)開發(fā)低本底ＰＭＴ金屬真空外殼石英窗低本底陶瓷低本底金屬管座與通常產(chǎn)品比本底降低1/10002012/11/1967中國汪曉蓮電荷效應(yīng)，同時(shí)加連極間電容以保持電壓穩(wěn)定。2012/11/19687.能量分辨率和線性：光電子發(fā)射和二次電子發(fā)射的統(tǒng)計(jì)特性限制了PMT的能量分辨率。設(shè)二次發(fā)射電子數(shù)目服從泊松分布，可以證明PMT對閃爍探測器能量分辨的貢獻(xiàn)為：N：光陰極產(chǎn)生并被第一倍增極收集到的光電子數(shù)；R：到達(dá)光陰極的光子數(shù)；：光電轉(zhuǎn)換效率；q：第一倍增極對光電子的收集系數(shù)；1：第一倍增極的倍增系數(shù)；：第二倍增極及后面各級倍增極的倍增系數(shù)（假設(shè)相等）。一般適當(dāng)增加光陰極與第一倍增極之間的電壓，使第一倍增極盡可能多地收集光電子，可以改善能量分辨率。入射光強(qiáng)超過一定數(shù)值時(shí)，光陰極的光電轉(zhuǎn)換會(huì)趨于飽和。同時(shí)工作電壓過高，放大倍數(shù)太大，由于空間電荷效應(yīng)，將造成最后幾級打拿極之間的電場下降，導(dǎo)致輸出非線性，趨于飽和。實(shí)際設(shè)計(jì)電壓分壓器時(shí)，可以增加最后幾級打拿極之間的電阻，以增強(qiáng)場強(qiáng)，減小空間1

11

1

2.354N

1

1

2.354Rq

1

1

中國汪曉蓮698.

時(shí)間特性：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)面積上的陽極輸出脈沖，其幅度的前沿從10％上升到90％的時(shí)間。一般為1-10ns。渡越時(shí)間：定義為一個(gè)穩(wěn)定的快光脈沖達(dá)到光陰極到陽極輸出信號脈沖峰值的時(shí)間，它與打拿極的結(jié)構(gòu)和級數(shù)有關(guān)。一般在6-50ns。渡越時(shí)間分散：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

非常弱以至陽極輸出脈沖只是單光子的信號。一般單光子渡越時(shí)間分布的半高寬

為0.1-1ns，是由于電子在倍增過程中的

統(tǒng)計(jì)性和電子運(yùn)動(dòng)軌跡的不同時(shí)性以及

電子初速度大小與方向的統(tǒng)計(jì)性造成的。2012/11/19中國

汪曉蓮9.穩(wěn)定性：主要指陽極電流隨工作時(shí)間的變化，它最本質(zhì)地反映了PMT的穩(wěn)定性。通常把PMT特性隨時(shí)間的變化稱為漂移特性或者壽命，這種變化受到電壓、電流、環(huán)境溫度等的直接影響而變壞的現(xiàn)象稱為疲勞?？熳兓^程：建立穩(wěn)定工作狀態(tài)的時(shí)間，所以要求預(yù)熱

或數(shù)小時(shí)；慢變化過程：與倍增極二次發(fā)射系數(shù)隨時(shí)間的慢變化有關(guān)，與管子的工作電壓、陽極輸出電流的大小及工作時(shí)間長短等因素有關(guān)。10.

：外界電磁場影響：磁場影響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磁場。細(xì)網(wǎng)形倍增極PMT可以在強(qiáng)磁場下工作。平行于PMT軸向的磁場對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

過600C；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－200C。3

輻照效應(yīng)：在強(qiáng)輻照PMT性能變壞，一般應(yīng)加鉛

。2012/11/1970中國

汪曉蓮陰極飽和電流隨溫度的變化陽極暗電流隨溫度的變化2012/11/1971中國汪曉蓮陽極暗電流與溫度的關(guān)系2012/11/1972中國汪曉蓮溫度效應(yīng)2012/11/1973中國汪曉蓮輸出電流隨溫度高壓和時(shí)間的關(guān)系2012/11/1974中國汪曉蓮PMT放大倍數(shù)和能量分辨率隨溫度的變化2012/11/1975中國汪曉蓮普通PMT與耐高溫PMT比較2012/11/1976中國汪曉蓮磁場對PMT的影響2012/11/1977中國汪曉蓮2012/11/1978中國汪曉蓮三、高壓供電和分壓器加在光陰極、各倍增極到陽極的電壓逐漸遞增。1.

高壓電源有較大的電壓調(diào)節(jié)范圍，分檔可調(diào)；有大的輸出電流，1-3-100mA；3）有高的穩(wěn)定度。4）電源極性可以選擇。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。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)。中間倍增極，一般采用均勻分壓。靠近陽極的最末幾級倍增極，由于電流較大，為了避免空間電荷效應(yīng)，要提高最末幾級的電壓，同時(shí)并聯(lián)旁路電容或采用穩(wěn)壓二極管代替電阻。M2012/11/19

中國

汪曉蓮

79M

ndM

n

d

n

dV設(shè)n

10級，要求VdM

1%，則dV

0.1%M

V分壓器0RM

Ie

CV

1000

M

I

a

1

1

Ian

1

1

IR

1

Q0R

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

1mA，電阻的功率在1/2W或1W，阻值為50－500K/Vd，電容值約為1nF。Vd為最小分壓電阻值的電壓。為了保證PMT穩(wěn)定工作，要求I

R

Ia

I

a

與I

R

方向相反。近似有倍增系數(shù)的增加：Ia

的估算：U

MI

a

Q

0

n

0

eU

M

C

0

n

0設(shè)

U

1

V

，

C

15

pF

，

n

104

/

sa則

I

M

2

.

718

10

15

10010

0

.

4

A－124要求I

R

I

a

，取IR

1mA，V

1000

V

，

n

10，

1

M

I

R

(

n

1) 1

10

3

(10

1)W

I

2

R

110

3

2106

1W分壓器設(shè)計(jì)分三種：A為高增益型，B為線性型，C為時(shí)間型。2012/11/19IRIa2012/11/1981濾波電容一般取C＝0.01F

1000pF。電容越大，在電容上產(chǎn)生的電壓脈沖越小，穩(wěn)壓濾波效果就越好。容值太大，RC回路放電的時(shí)間越長，會(huì)造成脈沖堆積，直流電位漂移，這與計(jì)數(shù)率有關(guān)。設(shè)計(jì)數(shù)率為n，則進(jìn)入一個(gè)粒子所需的時(shí)間t＝1/n，要求RC<1/n，若R＝400K，n＝103/s，則要注意電容的耐壓，以防被擊穿。中國

汪曉蓮n

n

n1

n1

n2

n2C

2

R

C

R

C

R

2500

pFC

1

1Rn

400

103

10382PMT加正負(fù)高壓加正高壓：光陰極接地，陽極接正高壓，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，適于高精度能譜測量，特別使低能低本底的能譜測量。加負(fù)高壓：光陰極接負(fù)高壓，陽極接地，輸出端為零電位，無需耐高壓電容。外殼和磁殼必須與光陰極絕緣。一般測量用負(fù)高壓好，電源開

關(guān)使的跳變不會(huì)影響測量電路。IR中國汪曉蓮PMT信號引出陽極加負(fù)載電阻RL，可以取出一個(gè)負(fù)電壓脈沖信號，用于能譜測量。RL

＝100K。最后倍增極加負(fù)載電阻RL，可以取出一個(gè)正電壓脈沖信號，用于時(shí)間測量。RL

<1K。分壓電阻分三組：A組一般用途，B組大電流輸出，C組時(shí)間測量IaIR2012/11/1983中國汪曉蓮PMT的選擇根據(jù)使用要求選擇不同的PMT。如時(shí)間測量，應(yīng)選快速時(shí)間PMT；能量測量應(yīng)選能量分辨率高的PMT；低能或低本底測量應(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：對低能和弱光測量，應(yīng)選具有高陰極靈敏度的PMT。陽極靈敏度：根據(jù)入射到光陰極的光通量和需要輸出信號的大小來估算陽極靈敏度，選用合適的陽極靈敏度的PMT。暗電流：如果信號很弱，要選用暗電流小的PMT。2012/11/1984中國汪曉蓮光收集系統(tǒng)§6-4一、光的傳輸1、光在閃爍體內(nèi)的以4

角發(fā)射直線按指數(shù)規(guī)律被吸收衰減2、光在界面上的設(shè)閃爍體的折射率為n1，周圍介質(zhì)的折射率為n2，00TN

(x)

N

e

x

/

0

N

e

x0

0

N

(x)

e

xN0

：發(fā)光衰減長度，

1光的吸收系數(shù)定義光的透過率

l21nn

arcsin1

2

c1）當(dāng)n

n

時(shí)，臨界角若入射角

c，將發(fā)生全反射；若入射角

c，將部分反射，部分透射。2）第一種介質(zhì)的界面磨光，并蒸上鋁膜。將發(fā)生鏡反射。3）第一種介質(zhì)的界面為粗糙表面，第二種介質(zhì)為反射體，將會(huì)發(fā)生漫反射。2012/11/1985中國汪曉蓮二、光學(xué)收集系統(tǒng)反射層：常用的反射層材料有MgO、鋁箔和鍍鋁薄膜等。有機(jī)閃爍體常用鋁膜較松的包裝，構(gòu)成全反射和鏡反射混合，既保持快脈沖輸出又盡可能得到高的光收集效率。對大部分無機(jī)閃爍體，利用漫反射方法收集光最佳。常用漫反射材料有MgO、Al2O3細(xì)粉末、白色涂料、Teflon膜和

Tyvek紙。光學(xué)耦合劑：常用硅油，折射率近于1.5，對可見光、紫外光都有很好的透射率。普通硅油對塑料閃爍體有腐蝕性，最好用甲基硅油。對大尺寸或異形閃爍體與光導(dǎo)的粘合，可以用粘合劑，其折射率與閃爍體、光導(dǎo)接近。2012/11/1986中國汪曉蓮二、光學(xué)收集系統(tǒng)光導(dǎo)：有效地把光傳遞給PMT光陰極。不同大小形狀的閃爍體與圓形光電倍增管連接需要光導(dǎo)過渡；在強(qiáng)磁場內(nèi)測量PMT放在磁場外需要光導(dǎo)；在空間很小的地方測量需長的纖維光導(dǎo)。光導(dǎo)材料：聚苯乙烯塑料、有機(jī)玻璃，石英玻璃、玻璃纖維、塑料纖維等，也可用凡士林、甘油、蒸餾水、空氣等，要求其透過率大。光導(dǎo)的形狀、結(jié)構(gòu)對光的傳輸效率有很大影響，應(yīng)精心設(shè)計(jì)精心加工。常用形條狀光導(dǎo)和用波長位移棒、波長位移光纖做光導(dǎo)。2012/11/1987中國汪曉蓮光導(dǎo)形狀與結(jié)構(gòu)用波長位移棒做光導(dǎo)形條狀光導(dǎo)2012/11/1988中國汪曉蓮All

fibers

installed

and

connected

tomulti-anode

photomultiplier

mount2012/11/1989中國汪曉蓮高壓分壓器與PMT管座Sockets2012/11/1990中國汪曉蓮2012/11/1991中國汪曉蓮PMT外殼與裝配2012/11/1992中國汪曉蓮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)影響計(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10K－100K，對時(shí)間快管子RL

<1K。2012/11/1993中國汪曉蓮PMT的調(diào)試線性與否主要取決于PMT最后幾級的空間電荷效應(yīng)。工作電壓較高，入射粒子計(jì)數(shù)率較大時(shí)，會(huì)使陽極電流較大，要保證線性，可將最后幾級分壓電阻取大一些。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。2012/11/1994中國汪曉蓮2095中國汪曉蓮2012/196PMT讀出電路PMT輸出是一個(gè)電流脈沖。脈沖電流通過負(fù)載電阻轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷好}沖。外電路的等效電容是PMT分布電容和放大器輸入電容之和，等效電阻是PMT負(fù)載電阻和放大器輸入電阻并聯(lián)。

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為入射光的光電子數(shù)，Mq為電子的電荷。中國為PMT的放大倍數(shù)，汪曉蓮2012/11/1997電流脈沖在RC回

形成電壓脈沖，拉

斯變換是電路分析的一個(gè)重要方法。

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t/RCRC中國汪曉蓮2012/11/1998電壓脈沖波形由RC回路的充放電時(shí)間常數(shù)RC和閃爍體發(fā)光衰減時(shí)間決定。電壓脈沖達(dá)到最大值的時(shí)間tm：最大電壓脈沖Um:1mdtRCRCRC

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