電離輻射探測工程碩士課程51閃爍探測器-課件

輻射探測學

第五章閃爍探測器(scintillationdetectors)1輻射探測學

第五章閃爍探測器(scintillationwhyscintillationdetectors?和氣體探測器一樣，閃爍探測器也是現(xiàn)在用得最多、最廣泛的一種電離輻射探測器。NaI：在γ能譜測量中的應(yīng)用。CsI：在中微子探測中的應(yīng)用。BGO：在中子感生γ能譜分析（煤質(zhì)分析）中的應(yīng)用。CdWO4：工業(yè)CTLaBr3：一種新型的優(yōu)質(zhì)閃爍探測器閃爍探測器的優(yōu)點：探測效率高，適合于測量不帶電粒子，如γ射線和中子，能夠測量能譜。時間特性好，有的探測器（如塑料閃爍體、BaF2）能夠?qū)崿F(xiàn)ns的時間分辨2whyscintillationdetectors?和氣第五章閃爍探測器§5.1閃爍探測器的基本原理§5.2閃爍體§5.3光的收集與光導§5.4光電倍增管§5.5閃爍探測器的輸出信號§5.6閃爍探測器的主要性能√3第五章閃爍探測器§5.1閃爍探測器的基本原理√3§5.1閃爍探測器基本原理閃爍探測器是利用輻射在某些物質(zhì)中產(chǎn)生的閃光來探測電離輻射的探測器。構(gòu)成部分：閃爍體；光電倍增管；高壓電源；分壓器；前置放大器入射窗入射粒子熒光光子反射層磁屏蔽層光陰極陽極打拿極管座及高壓分壓器前置放大器線性放大器高壓電源多道分析器閃爍體外殼(暗盒)光耦合窗光電子4§5.1閃爍探測器基本原理閃爍探測器是利用輻射在某些物質(zhì)中55閃爍探測器的工作過程快電子（重離子）使閃爍體原子電離或激發(fā)，受激原子退激而發(fā)出波長在可見光波段的熒光。熒光光子被收集到光電倍增管(PMT)的光陰極，通過光電效應(yīng)打出光電子。電子運動在PTM的打拿極間運動并倍增（107~1010）。γ射線的三種效應(yīng)，中子的核反應(yīng)，或者帶電粒子直接入射射線沉積能量電離產(chǎn)生熒光熒光被轉(zhuǎn)換為光電子光電子的倍增——決定探測效率——影響能量分辨率——能量分辨率基本被決定——信號的放大決定工作狀態(tài)：電流、電壓？流經(jīng)外回路——信號的形成6閃爍探測器的工作過程快電子（重離子）使閃爍體原子電離或激發(fā)，§5.1閃爍探測器的基本原理§5.2閃爍體§5.3光的收集與光導§5.4光電倍增管§5.5閃爍探測器的輸出信號§5.6閃爍探測器的主要性能√7§5.1閃爍探測器的基本原理√7§5.2閃爍體理想的閃爍體應(yīng)該具有如下的特點：高探測效率高發(fā)光效率能量線性好自吸收小發(fā)光時間短可加工性好易于耦合（合適的折射率）為何需要這些特點呢？8§5.2閃爍體理想的閃爍體應(yīng)該具有如下的特點：為何需要這§5.2閃爍體閃爍體的分類閃爍體的發(fā)光機制閃爍體的物理特性常用閃爍體9§5.2閃爍體閃爍體的分類9一.閃爍體的分類無機閃爍體：探測效率高光輸出產(chǎn)額高線性好發(fā)光時間較長有機閃爍體：發(fā)光時間短光輸出產(chǎn)額低10一.閃爍體的分類無機閃爍體：有機閃爍體：10二.閃爍體的發(fā)光機制1.無機閃爍體的發(fā)光機制重點分析摻雜的無機晶體，以NaI(Tl)，CsI(Tl),CsI(Na)等為最典型，又稱鹵素堿金屬晶體(AlkaliHalideScintillator)。

11二.閃爍體的發(fā)光機制1.無機閃爍體的發(fā)光機制重點分析摻導帶上自由電子和價帶上空穴可以復合成激子；激子也可以吸收熱運動能量而變成自由電子-空穴。退激可能發(fā)出光子也可能晶格振動而不發(fā)光。純離子晶體：退激發(fā)出的光子容易被晶體自吸收，傳輸出的光子少；禁帶寬度大，退激發(fā)光在紫外范圍，光陰極不響應(yīng)。入射粒子可以產(chǎn)生電子-空穴對(electron-holepair)也可產(chǎn)生激子(exciton)

12導帶上自由電子和價帶上空穴可以復合成激子；退激可能發(fā)出光子純在晶體中摻雜，叫做激活劑(activator)，含量103量級。原子受激產(chǎn)生的電子-空穴遷移到雜質(zhì)能量的激發(fā)態(tài)和基態(tài)上，使雜質(zhì)原子處于激發(fā)態(tài)。形成發(fā)光中心或復合中心(luminescencecentersorrecombinationcenters)雜質(zhì)原子退激：熒光(fluorescence)：50~500ns猝滅(quenching)：轉(zhuǎn)換為晶格的熱運動。雜質(zhì)形成特殊晶格點，并在禁帶中形成局部能級。磷光(phosphorescence)：亞穩(wěn)態(tài)，發(fā)光時間較長。構(gòu)成了afterglow的主要部分。13在晶體中摻雜，叫做激活劑(activator)，含量103對許多物質(zhì)，產(chǎn)生一個電子－空穴對平均約需3倍于禁帶寬度的能量；在NaI(Tl)中產(chǎn)生一對電子-空穴對需要~20eV能量；NaI(Tl)的閃爍光能占入射能量~13%，吸收1MeV能量產(chǎn)生總光能：閃爍光子平均能量~3eV，產(chǎn)生光子數(shù)：如果入射帶電粒子在NaI(Tl)中損失1MeV能量，產(chǎn)生的電子-空穴對數(shù)：一個電子空穴對一個閃爍光子能量傳遞給激活劑“晶格點”的效率是很高的14對許多物質(zhì)，產(chǎn)生一個電子－空穴對平均約需3倍于禁帶寬度的能量2.有機閃爍體的發(fā)光機制(略)有機閃爍體都是苯環(huán)化合物，分子之間僅有松散的范德瓦爾斯力。其激發(fā)與發(fā)光是由分子自身的激發(fā)和躍遷產(chǎn)生的。有機閃爍體的發(fā)射光譜和吸收光譜的峰值是分開的，所以，有機閃爍體對其所發(fā)射的熒光是透明的。發(fā)射譜的短波部分與吸收譜的長波部分有重疊，為此在有的有機閃爍體中加入移波劑，以減少自吸收。振動能級：0.15eV無輻射內(nèi)轉(zhuǎn)換：10-12s失去多余振動能量：10-12s熒光磷光為了提高閃爍效率，可在溶劑中加入高效閃爍物質(zhì)，構(gòu)成二元有機閃爍體：液體，塑料。3～4eV152.有機閃爍體的發(fā)光機制(略)有機閃爍體都是苯環(huán)化合物，分3.氣體閃爍體的發(fā)光機制(略）入射粒子通過介質(zhì)時，沿徑跡產(chǎn)生一批激發(fā)了的氣體分子，這些激發(fā)分子返回基態(tài)時便發(fā)射出了光子。光子的能量多處在紫外區(qū)必須選用對紫外光敏感的光電倍增管或者加入少量的第二氣體（如氮氣），使閃光的波長移入可見光區(qū)。163.氣體閃爍體的發(fā)光機制(略）入射粒子通過介質(zhì)時，沿徑跡產(chǎn)三.閃爍體的物理特性1.發(fā)射光譜2.發(fā)光效率(能量轉(zhuǎn)換效率、光能產(chǎn)額，及相對值)3.發(fā)光時間4.閃爍體其它特性哪一項與閃爍體的能量分辨率最相關(guān)？17三.閃爍體的物理特性1.發(fā)射光譜2.發(fā)光效率(能量轉(zhuǎn)換1.發(fā)射光譜閃爍體發(fā)射光子數(shù)與光子波長(能量)的關(guān)系曲線。發(fā)射光譜與閃爍體、激活劑、移波劑、溫度有關(guān)。181.發(fā)射光譜閃爍體發(fā)射光子數(shù)與光子波長(能量)的關(guān)系曲線。2.發(fā)光效率發(fā)光效率可用三種量來描述：光能產(chǎn)額閃爍效率相對閃爍效率（相對發(fā)光效率）NaI(Tl)晶體：Yph(e)=4.3104/MeV。NaI(Tl)晶體：Cnp()=2.6%，Cnp()=13%。(2)閃爍效率（發(fā)光效率，能量轉(zhuǎn)換效率）(1)光能產(chǎn)額(光輸出，光產(chǎn)額)192.發(fā)光效率發(fā)光效率可用三種量來描述：NaI(Tl)晶體閃爍效率與光能產(chǎn)額的關(guān)系：(3)相對閃爍效率（相對發(fā)光效率）閃爍體和閃爍效率(%)相對NaI(Tl)相對蒽NaI(Tl)100230ZnS(Ag)130蒽43100液體閃爍體20~80幾種閃爍體的相對閃爍效率希望有較高的發(fā)光效率，且對不同能量保持常數(shù)。20閃爍效率與光能產(chǎn)額的關(guān)系：(3)相對閃爍效率（相對發(fā)光效率）3.閃爍發(fā)光時間發(fā)光時間包括上升時間與衰減時間。單位時間發(fā)出的光子數(shù)：例如：NaI(Tl)晶體0=0.23s

閃爍光脈沖中包含的光子數(shù)：所以：上升時間：包括入射粒子耗盡能量的時間(10-9s)和閃爍體中電子激發(fā)時間(很短)。衰減時間：213.閃爍發(fā)光時間發(fā)光時間包括上升時間與衰減時間。單位時間發(fā)對大多數(shù)有機晶體和少數(shù)無機晶體對有機閃爍體對一些無機閃爍體可以用作粒子甄別。不同類型輻射激發(fā)時stilbene晶體的發(fā)光衰減曲線與delayedfluorescence有關(guān)22對大多數(shù)有機晶體和少數(shù)無機晶體對有機閃爍體對一些無機閃爍體可幾種閃爍體的發(fā)光衰減時間閃爍體f(ns)s(s)BaF20.60.62CsI(Tl)101.0芪6.20.37蒽330.37液體閃爍體2.40.20塑料閃爍體1.3NaI(Tl)0.23也發(fā)現(xiàn)有三種發(fā)光衰減時間的閃爍晶體(如PbWO4…)。23幾種閃爍體的發(fā)光衰減時間閃爍體f(ns)s4.閃爍體的其它特性透明度和光學均勻性加工性(malleability)熱鍛、車、銑吸濕性(hygroscopic)溫度效應(yīng)耐輻照特性透明度降低（變色），吸收閃爍光子導致了磷光的產(chǎn)生經(jīng)過退火可恢復敏感：Tl摻雜的鹵素堿金屬，10Gy不敏感：GSO，106Gy探測效率與閃爍體物質(zhì)(,Z)有關(guān)與體積有關(guān)244.閃爍體的其它特性透明度和光學均勻性耐輻照特性探測效率2四.常用閃爍體1.NaI(Tl)晶體2.CsI(Tl)和CsI(Na)晶體3.BGO晶體(Bi4Ge3O12)4.ZnS(Ag)晶體5.BaF2晶體6.LaBr3晶體7.蒽晶體8.液體閃爍體9.塑料閃爍體10.氣體閃爍體25四.常用閃爍體1.NaI(Tl)晶體7.蒽晶體10.1.NaI(Tl)晶體（sodiumiodide）(1948,RobertHofstadter)密度大，=3.67g/cm3

，探測效率高；Z高，碘(Z=53)占重量85%，光電截面大；相對發(fā)光效率高，為蒽的2.3倍；發(fā)射光譜最強波長415nm，與PMT光譜響應(yīng)配合；晶體透明性能好；能量分辨率較高，<7%662keV-(有人做到：5.8±0.24%)。可以做得很大：φ500mm×500mm發(fā)光時間長(230ns)磷光：0.15秒，9%容易潮解有一定的脆性，機械、熱沖擊易損壞易受射線損傷：1Gy能量線性問題溫度效應(yīng)中子活化影響Thediscovery,morethananyothersingleevent,usheredintheeraofmodernscintillationspectrometryofgammaradiation261.NaI(Tl)晶體（sodiumiodide）(192727NaI(Tl)的溫度特性28NaI(Tl)的溫度特性28NaI(Tl)晶體封裝結(jié)構(gòu)1-硬質(zhì)玻璃；2-NaI(Tl)晶體；3-光學耦合劑；4-光反射層；5-金屬鋁殼；6-海綿墊襯；7-密封環(huán)氧樹脂。29NaI(Tl)晶體封裝結(jié)構(gòu)1-硬質(zhì)玻璃；292.CsI(Tl)和CsI(Na)晶體密度大，=4.51g/cm3；Z高，銫(Z=55)，碘(Z=53)；機械強度好，柔韌；加工性能好；CsI(Tl)可以用作粒子甄別。發(fā)光時間較長：CsI(Na),0.63μsCsI(Tl),1.0μs純CsI，0.016μsCsI(Na)容易潮解；CsI(Tl)輕度潮解。CsI(Tl)在10Gy的射線劑量后熒光損失10～15％302.CsI(Tl)和CsI(Na)晶體密度大，=4.51CsI(Tl)在TEXONO中的應(yīng)用γα31CsI(Tl)在TEXONO中的應(yīng)用γα313.BGO晶體(Bi4Ge3O12，鍺酸鉍)單位體積內(nèi)的光電效率高密度大，=7.13g/cm3；Z高，鉍(Z=83)；機械性能好；化學穩(wěn)定性好；光學透明性好。afterglow小。閃爍效率低，為NaI(Tl)的8～14%。并隨溫度升高而減小。折射系數(shù)大(2.15)，光收集難時間分辨能力不好（factorof2worsethanNaI）價格稍貴于NaI(2～3倍)在高能粒子物理實驗中大量使用：～噸計，上海硅酸鹽研究所。323.BGO晶體(Bi4Ge3O12，鍺酸鉍)單位體積內(nèi)的光X光照射下的BGO晶體33X光照射下的BGO晶體334.ZnS(Ag)晶體一種古老的無機閃爍體。盧瑟福α粒子大角度散射實驗采用ZnS(Ag)屏閃爍效率高，幾乎與NaI(Tl)相同多晶粉末；透光性差，不可太厚，約10～20mg/cm2。344.ZnS(Ag)晶體一種古老的無機閃爍體。多晶粉末；34比較高的密度（4.88g/cm3）高原子序數(shù)（56）快響應(yīng)時間自吸收效應(yīng)很小，因此晶體可以做得很大（>φ10cm×10cm）抗輻照（>105Gray）5.BaF2晶體比較好的能量分辨率(對0.662MeV9.1%;1.332MeV6.3%)閃爍效率與溫度的關(guān)系：快成分：在100～400K（-173～117℃）范圍內(nèi)沒有變化慢成分：在250～325K（-23～52℃）的范圍內(nèi)-1.1%/K）光譜在紫外波段，需要專門的PMT配合，如XP2020Q發(fā)光效率低，比NaI(Tl)小一個量級。35比較高的密度（4.88g/cm3）5.BaF2晶體比較好的0.6-0.8ns630ns15％85％清華大學物理系徐四大等：φ100×100mmBaF2晶體γ譜儀，時間分辨為0.9ns，對137Cs的能量分辨率12.6%360.6-0.8ns630ns15％85％清華大學物理系徐四大6.LaBr3晶體潮解目前價格還較貴閃爍效率高NaI:38×103Photons/MeVγLaBr3:67×103Photons/MeVγ數(shù)據(jù)來源：detectors.saint-gobain發(fā)光衰減時間短：26ns原子序數(shù)高：57，35密度大：5.29g/cm3能量線性很好（在低能區(qū)，最大偏差<5%）光輸出對溫度不敏感說明什么呢？有什么好處？有什么好處？376.LaBr3晶體潮解閃爍效率高說明什么呢？有什么好處？有一些常用無機閃爍體的分辨率光電子數(shù)分辨率vs?這樣的趨勢反映了射線測量過程中的什么特性？38一些常用無機閃爍體的分辨率光電子數(shù)分辨率vs?這樣的趨勢反映7.蒽晶體制作困難，價格昂貴；容易損壞。8.液體閃爍體發(fā)光衰減時間短，～2.4ns；透明度好，制備容易，成本低。由溶劑(二甲苯)+熒光物質(zhì)+波長轉(zhuǎn)換劑組成。發(fā)光效率高，常用作標準；原子量低，含氫量大；397.蒽晶體制作困難，價格昂貴；8.液體閃爍體發(fā)光衰減時間9.塑料閃爍體發(fā)光衰減時間短，1～3ns；透明度高，光傳輸性能好；機械性能好，性能穩(wěn)定；耐輻射特性好?？梢宰龅煤艽笥扇軇?苯乙烯)+熒光物質(zhì)+波長轉(zhuǎn)換劑，聚合而成。409.塑料閃爍體發(fā)光衰減時間短，1～3ns；由溶劑(苯乙烯10.氣體閃爍體氣體退激時間為ns量級，是最快的閃爍材料之一大小、形狀易于改變能量線性很好Xe、Ke、Ar、He等高純度氣體都是閃爍氣體；光子發(fā)射有競爭過程（分子相互碰撞、內(nèi)猝滅），氣體閃爍體的效率比較低阻止本領(lǐng)小，探測效率低，在能譜測量中的應(yīng)用局限于α粒子、裂變碎片或其它重帶電粒子4110.氣體閃爍體氣體退激時間為ns量級，是最快的閃爍材料之§5.1閃爍探測器的基本原理§5.2閃爍體§5.3光的收集與光導§5.4光電倍增管§5.5閃爍探測器的輸出信號§5.6閃爍探測器的主要性能√42§5.1閃爍探測器的基本原理√42§5.3光的收集與光導閃爍光的收集需要：反射層耦合劑光導1.光學反射層：反射方式：鏡面反射、漫反射。材料：鋁箔、鍍鋁塑料薄膜，氧化鎂、二氧化鈦、聚四氟乙烯塑料帶等。43§5.3光的收集與光導閃爍光的收集需要：1.光學反射層：2.光學耦合劑當光子由光密物質(zhì)(n0)射向光疏物質(zhì)(n1)時，發(fā)生全反射的臨界角：周圍介質(zhì)(折射系數(shù)=n1)閃爍體(折射系數(shù)=n0)在閃爍體與PMT之間填充硅油(n1

1.5)。442.光學耦合劑當光子由光密物質(zhì)(n0)射向光疏物質(zhì)3.光導具有一定形狀的光學透明固體材料，連接閃爍體與光電倍增管。閃爍體窗面積、形狀與PMT窗面積、形狀不同時；強磁場中探測時，用較長的光導連接把閃爍體與PMT分隔開。在空間較小處，用光纖連接較小的閃爍體與PMT。一個光導，不管其形狀多么復雜，在光導內(nèi)部任一點的單位面積、單位立體角內(nèi)的光子流量絕不可能大于它的輸入端的光子流量。因此，截面積由閃爍體到光電倍增管逐漸減小的任何光導都會帶來顯著的光損失。用硅油填充閃爍體-光導、光導-PMT的交界面。453.光導閃爍體窗面積、形狀與PMT窗面積、形狀不同時；一個§5.1閃爍探測器的基本原理§5.2閃爍體§5.3光的收集與光導§5.4光電倍增管§5.5閃爍探測器的輸出信號§5.6閃爍探測器的主要性能√46§5.1閃爍探測器的基本原理√46§5.4光電倍增管光電倍增管的類型光電倍增管的結(jié)構(gòu)與工作原理光電倍增管的供電回路光電倍增管的主要性能47§5.4光電倍增管光電倍增管的類型47一．光電倍增管的類型1.外觀的不同2.根據(jù)光陰極形式48一．光電倍增管的類型1.外觀的不同2.根據(jù)光陰極形式4聚焦型非聚焦型3.根據(jù)電子倍增系統(tǒng)具有較快的響應(yīng)時間，用于時間測量或需要響應(yīng)時間快的場合。電子倍增系數(shù)較大，多用于能譜測量系統(tǒng)。聚焦線狀結(jié)構(gòu)圓柵型結(jié)構(gòu)百葉窗結(jié)構(gòu)盒柵型結(jié)構(gòu)49聚焦型非聚焦型3.根據(jù)電子倍增系統(tǒng)具有較快的響應(yīng)時間，用于二.光電倍增管的結(jié)構(gòu)與工作原理結(jié)構(gòu)：光學窗光陰極電子倍增系統(tǒng)(打拿極)電子收集(陽極)50二.光電倍增管的結(jié)構(gòu)與工作原理結(jié)構(gòu)：501.光學窗：硼玻璃窗石英玻璃窗光電效應(yīng)電子遷移到表面克服介質(zhì)與真空間的勢壘(potentialbarrier)，逸出功2.光陰極(photocathode)：通常為化合物材料，兩種形式銻銫化合物(Cs-Sb)雙堿陰極(K2-Cs-Sb)熱電子噪聲(thermionicnoise)：金屬(勢壘高)：～100/m2·s半導體(勢壘低)：106～108/m2·s勢壘的存在所有光陰極都有截止波長：紅、近紅外escapedepth金屬：能量損失率大，幾nm半導體：能量損失率小，25nm并非所有光子都會被轉(zhuǎn)換為電子量子效率511.光學窗：光電效應(yīng)2.光陰極(photocathode3.打拿極(dynode)：次級電子產(chǎn)額大；熱電子與光電子發(fā)射??；大電流工作時性能穩(wěn)定；快速響應(yīng)。次級電子產(chǎn)額打拿極材料：傳統(tǒng)材料：BeO，MgO，Cs3Sb1keV，δ～10（最大）NEA（負電子親和）材料：GaP(Cs)1keV，δ：50～604.陽極(anode)：僅用于收集電子，不需要倍增。鎳、鉬、鈮次級電子產(chǎn)額小523.打拿極(dynode)：次級電子產(chǎn)額打拿極材料：4.三．光電倍增管的供電回路K-D1電壓較高，幾倍于其它打拿極間的電壓，可有效收集光電子，減少電子飛行時間的離散；中間各打拿極一般均勻分壓；最后幾個打拿極間高電壓、大電流，電容穩(wěn)壓；最后打拿極與陽極間電壓較小。聚焦電極提供靜態(tài)工作點，直流電流應(yīng)顯著大于陽極電流分壓器所用電阻的溫度系數(shù)應(yīng)當小，穩(wěn)定性高?？偣β什灰螅悦釶MT因為溫度升高而漂移載流子？53三．光電倍增管的供電回路K-D1電壓較高，幾倍于其它打拿極間正高壓供電方式：負高壓供電方式：簡單，陰極接地需要隔直電容，不適合于高計數(shù)率情況，不適合于電流情況，易受高壓紋波的影響無需隔直電容，適合高計數(shù)率、適合電流模式陰極處于高壓，需防止與周圍接地材料之間的高壓漏電信號、場致發(fā)光都是常用的供電方式54正高壓供電方式：負高壓供電方式：簡單，陰極接地無需隔直電容，四．光電倍增管的主要性能1.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.陽極光照靈敏度6.光電倍增管的暗電流與噪聲7.光電倍增管的時間特性8.光陰極的均勻性9.穩(wěn)定性光電轉(zhuǎn)換特性電子倍增特性55四．光電倍增管的主要性能1.光陰極的光譜響應(yīng)3.第一打拿1.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)射光譜匹配定義：量子效率(quantumefficiency)光子能量入射窗另一種表示量子效率的方法：NaI(Tl)：若Q=25~30%，則～光電子/100~120eVbasicinformationcarrier氣體中如何？561.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平均量子效率：57平均量子效率：572.光陰極的光照靈敏度gc對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95%以上。其中：i

是光電子流(A)，F(xiàn)是光通量(lm)。3.第一打拿極的電子收集系數(shù)582.光陰極的光照靈敏度gc對PMT的幅度分辨率影響較大，其4.光電倍增管的電流放大倍數(shù)聚焦型：g1；非聚焦型：g<1。其中：g——是電子傳輸效率——是各級電子倍增系數(shù)n——是倍增電極數(shù)。有的資料把電流放大倍數(shù)定義為：594.光電倍增管的電流放大倍數(shù)聚焦型：g1；其中：PMT輸出脈沖中的電荷量：E：入射粒子能量；Yph：光能產(chǎn)額；Fph：光子傳輸系數(shù)；

：平均量子效率；gc：收集效率；

：電子倍增系數(shù)。60PMT輸出脈沖中的電荷量：E：入射粒子能量；Yph：光能對一般材料，大致為3~5；雙堿金屬材料，可以達到~10；GaP(Cs)材料，可以為50~60。各倍增電極的電子倍增系數(shù)：其中:VD是倍增電極之間的電壓a、b是常數(shù)。61對一般材料，大致為3~5；各倍增電極的電子倍增系數(shù)：其中5.陽極的光照靈敏度其中：ia是陽極電流(A)，F(xiàn)是入射到光陰極的光通量(lm)。625.陽極的光照靈敏度其中：62光陰極的熱電子發(fā)射殘余氣體的電離（離子反饋、光子反饋）歐姆漏電場致發(fā)射6.PMT暗電流與噪聲當工作狀態(tài)下的光電倍增管完全與光輻射隔絕時，其陽極仍能輸出電流(暗電流)及脈沖信號(噪聲)。成因：切倫科夫效應(yīng)玻璃管殼放電玻璃熒光光陰極曝光63光陰極的熱電子發(fā)射6.PMT暗電流與噪聲當工作狀態(tài)下的光電噪聲能當量：當沒有任何光子照射到光陰極上時可測得噪聲譜——即噪聲輸出脈沖幅度的分布，當縱坐標取n=50cps時相應(yīng)的脈沖幅度所相應(yīng)的入射粒子能量，稱為噪聲能當量，單位是KeV。陽極暗電流：實際上它是噪聲脈沖信號電流的平均值，一般為10-6～10-10A。指標：64噪聲能當量：當沒有任何光子照射到光陰極上時可測得噪聲譜——即7.PMT的時間特性飛行時間(渡越時間)一個光電子從光陰極到達陽極的平均時間。渡越時間離散到達陽極的每個電子都經(jīng)歷了不同的倍增過程和飛行距離，反映了飛行時間的漲落，是決定閃爍計數(shù)器分辨時間的限制因素。：te的分布函數(shù)的半寬度657.PMT的時間特性飛行時間(渡越時間)一個光電子從光陰8.光陰極的均勻性閃光照射到光陰極時，陽極輸出信號可能會不同，原因：光陰極的靈敏度在不同的位置是不同的，對大面積的光陰極尤甚。光陰極不同位置處產(chǎn)生的光電子被第一打拿極收集的效率也不同。將使能量分辨率變差，對閃爍譜儀來說是嚴重問題。應(yīng)對辦法：改進光陰極的均勻性改進光電子收集的均勻性利用光導將光子分散到整個光陰極上668.光陰極的均勻性閃光照射到光陰極時，陽極輸出信號可能會不9.PMT的穩(wěn)定性穩(wěn)定性是指在恒定輻射源照射下，光電倍增管的陽極電流隨時間的變化。包括：短期穩(wěn)定性：指建立穩(wěn)定工作狀態(tài)所需的時間。一般在開機后預(yù)熱半小時才開始正式工作。長期穩(wěn)定性：在工作達到穩(wěn)定后，略有下降的慢變化，與管子的材料、工藝有關(guān)，同時與周圍的環(huán)境溫度有關(guān)。長期工作條件下，須采用“穩(wěn)峰”措施。疲勞：倍增系數(shù)往往隨計數(shù)率而變化，稱之為“疲勞”，好的光電倍增管在計數(shù)率由103→104/s時，倍增系數(shù)的變化小于1/100。679.PMT的穩(wěn)定性穩(wěn)定性是指在恒定輻射源照射下，光電倍增小結(jié)：PMT使用中的幾個問題1.光屏蔽——嚴禁加高壓時曝光。2.高壓極性：正高壓和負高壓供電方式。正高壓供電方式，缺點是脈沖輸出要用耐高壓的電容耦合，耐高壓電容體積大，因而分布電容大。高壓紋波也容易進入測量電路。負高壓供電方式，陽極是地電位，耦合方式簡單，尤其在電流工作方式。但其陰極處于很高的負電位，需要注意陰極對處于地電位的光屏蔽外殼之間的絕緣。68小結(jié)：PMT使用中的幾個問題1.光屏蔽——嚴禁加高壓時曝3.分壓電阻4.最后幾級的分壓電阻由于當電子在兩個打拿極間運動時，會在分壓電阻上流過脈動電流，必須保證脈動電流遠小于由高壓電源流經(jīng)分壓電阻的穩(wěn)定電流，以保證各打拿極的電壓穩(wěn)定。這也對高壓電源的功率提出了要求。最后幾級的分壓電阻上并聯(lián)電容，以旁路掉脈動電流在分壓電阻上的脈動電壓，達到穩(wěn)定濾波的效果。693.分壓電阻4.最后幾級的分壓電阻由于當電子在兩個打拿極§5.1閃爍探測器的基本原理§5.2閃爍體§5.3光的收集與光導§9.4光電倍增管§5.5閃爍探測器的輸出信號§5.6閃爍探測器的主要性能√70§5.1閃爍探測器的基本原理√70§5.5閃爍探測器的輸出信號閃爍探測器輸出信號的物理過程閃爍探測器的輸出回路電流脈沖信號電壓脈沖信號輸出信號的漲落閃爍探測器的主要性能71§5.5閃爍探測器的輸出信號閃爍探測器輸出信號的物理過一．閃爍探測器輸出信號的物理過程倍增電子向后級漂移，感應(yīng)電流從外回路流過。72一．閃爍探測器輸出信號的物理過程倍增電子向后級漂移，感應(yīng)電流二．閃爍探測器的輸出回路Ia73二．閃爍探測器的輸出回路Ia73輸出回路的等效電路分壓器的電阻足夠小可忽略74輸出回路的等效電路分壓器的電阻足夠小可忽略74也可從前級打拿極取信號75也可從前級打拿極取信號75三.電流脈沖信號1.光電倍增管的單電子響應(yīng)函數(shù)渡越時間：te~20~80ns，te~1~3ns。總電荷量：q=Me，~105~1010e；

面積76三.電流脈沖信號1.光電倍增管的單電子響應(yīng)函數(shù)渡越時間：2.輸出電流脈沖第一打拿極接收光電子的分布：對大多數(shù)無機閃爍體，單電子響應(yīng)函數(shù)可以用函數(shù)近似，這時輸出電流，一次閃爍光引起的輸出電流：忽略以下時間：光子傳遞到光陰極；光電轉(zhuǎn)換；光電子被第一打拿極收集；772.輸出電流脈沖第一打拿極接收光電子的分布：對大多閃爍探測器輸出的電流脈沖78閃爍探測器輸出的電流脈沖78四.電壓脈沖信號把單電子響應(yīng)函數(shù)的輸出電流代入，得：輸出電壓信號的一般形式：79四.電壓脈沖信號把單電子響應(yīng)函數(shù)的輸出電流代入，得：輸出在短時間區(qū)域，在足夠長的時間區(qū)域，(1)當R0C0

>>0時，脈沖前沿~0，脈沖后沿~R0C0，VmaxQ。隨R0C0減小，后沿下降加快，脈沖寬度變窄。80在短時間區(qū)域，在足夠長的時間區(qū)域，(1)當R0C0>>在短時間區(qū)域，在足夠長的時間區(qū)域，(2)當R0C0

<<0時，上升時間~R0C0，下降時間~0，Vmax。隨R0C0減小，上升時間加快。81在短時間區(qū)域，在足夠長的時間區(qū)域，(2)當R0C0<<V(t)在t=R0C0處取極大值，在實際使用中，常選取R0C0

=0。(3)當R0C0

=0時，只有當C0

=0時，V=I(t)R0；而一般情況下，C00。當單電子響應(yīng)函數(shù)不為函數(shù)時，使輸出脈寬變大，脈沖前沿變慢。幅度足夠大脈寬足夠窄82V(t)在t=R0C0處取極大值，在實際使用中，常選取R0電流脈沖型工作狀態(tài)輸出電壓脈沖形狀趨于電流脈沖的形狀

電壓脈沖型工作狀態(tài)輸出電壓脈沖形狀為電流脈沖在輸出回路上的積分

電流脈沖83電流脈沖型工作狀態(tài)輸出電壓脈沖形狀趨于電流脈沖的形狀電壓脈五．輸出信號的漲落光電倍增管輸出電荷數(shù)Na是串級型隨機變量：閃爍體發(fā)出的光子數(shù)Nph，服從泊松分布；對應(yīng)于閃爍體發(fā)出一個光子，第一打拿極收集到的光電子數(shù)Ne

，是伯努利型隨機變量；PMT的電子倍增系數(shù)M。第一打拿極收集的光電子數(shù)Ne服從泊松分布，平均值與方差為：輸出信號的幅度PMT輸出的電荷量84五．輸出信號的漲落光電倍增管輸出電荷數(shù)Na是串級型隨機變量：陽極輸出電子數(shù)Na是由Ne和M組成的二級串級型隨機變量，其平均值與方差為，PMT電子倍增系數(shù)M是各級倍增因子i串級而成的多級串級型隨機變量，平均值為：85陽極輸出電子數(shù)Na是由Ne和M組成的二級串級型隨機變量，其平所以，于是，Na的方差為，M的方差，假設(shè)δ服從泊松分布從實驗結(jié)果來看，δ并非嚴格服從泊松分布，可以有其它的分布如Polyadistribution或compoundPoisson分布來描述倍增過程的統(tǒng)計規(guī)律。尚無定論，也許打拿極特性、電子軌跡的不同使得無法找到一個通用的模型。86所以，于是，Na的方差為，M的方差，假設(shè)δ服從泊松分布從實驗進一步的研究給出更精細的結(jié)果，因此，閃爍探測器的能量分辨率為，光電轉(zhuǎn)換系數(shù)的不一致性Nph不服從泊松分布試著估算一下NaI(Tl)探測器對662keV的能量分辨率（最佳）？87進一步的研究給出更精細的結(jié)果，因此，閃爍探測器的能量分辨率為輸出信號小結(jié)1.閃爍探測器輸出電荷量閃爍體發(fā)出的閃爍光子數(shù)第一打拿極收集到的光電子數(shù)陽極收集到的電子數(shù)2.閃爍探測器輸出電流脈沖信號閃爍體發(fā)出的閃爍光子數(shù)的規(guī)律第一打拿極收集到的光電子數(shù)的規(guī)律單光電子所引起的電流脈沖信號88輸出信號小結(jié)1.閃爍探測器輸出電荷量閃爍體發(fā)出的閃爍光子數(shù)3.閃爍探測器輸出電壓脈沖信號由等效電路得：求解得：兩種脈沖工作狀態(tài)：電壓脈沖和電流脈沖。電壓脈沖型工作狀態(tài)

電流脈沖型工作狀態(tài)

條件

脈沖前沿

脈沖幅度

脈沖后沿

慢：缺點快：優(yōu)點大：優(yōu)點小：缺點實際應(yīng)用中，為得到較大幅度和較小寬度，取且要盡量減小893.閃爍探測器輸出電壓脈沖信號由等效電路得：求解得：兩種脈4.閃爍探測器輸出信號的漲落多級串級隨機變量的相對均方漲落閃爍體發(fā)出的閃爍光子數(shù)的漲落(泊松)第一打拿極收集到的光電子數(shù)的漲落(泊松串伯努利=泊松)光電倍增管的倍增系數(shù)M的漲落（多個泊松的串級）陽極收集到的電子數(shù)的漲落閃爍譜儀能量分辨率的極限：904.閃爍探測器輸出信號的漲落多級串級隨機變量的相對均方漲落§5.1閃爍探測器的基本原理§5.2閃爍體§5.3光的收集與光導§5.4光電倍增管§5.5閃爍探測器的輸出信號§5.6閃爍探測器的主要性能√91§5.1閃爍探測器的基本原理√91§5.6閃爍探測器的主要性能閃爍譜儀的組成與工作原理單能射線的次級電子能譜射線的輸出脈沖幅度譜NaI(Tl)單晶閃爍譜儀的性能92§5.6閃爍探測器的主要性能閃爍譜儀的組成與工作原理一．閃爍譜儀的組成與工作原理PMT高壓電源多道分析器前置放大器主放大器探測次級電子能譜。光電效應(yīng)，Compton效應(yīng)，電子對效應(yīng)。低壓電源閃爍體93一．閃爍譜儀的組成與工作原理PMT高壓電源多道分析器前置放二.單能γ射線的次級電子能譜1.小尺寸閃爍體閃爍體僅吸收次級電子的能量。2m0c294二.單能γ射線的次級電子能譜1.小尺寸閃爍體閃爍體僅吸收次2.大尺寸閃爍體閃爍體吸收全部次級電子、次級電磁輻射能量。952.大尺寸閃爍體閃爍體吸收全部次級電子、次級電磁輻射能量。3.中等尺寸閃爍體（實際）閃爍體吸收次級電子能量，以一定幾率吸收次級電磁輻射能量。前述兩種都是理想中的探測器963.中等尺寸閃爍體（實際）閃爍體吸收次級電子能量，以一定幾三．γ射線的輸出脈沖幅度譜1.單能射線輸出幅度漲落使峰寬度、邊界展寬。PMT噪聲與暗電流形成小幅度連續(xù)譜。97三．γ射線的輸出脈沖幅度譜1.單能射線輸出幅度漲落使峰寬2.兩種能量的射線較高能射線：全能、單逃、雙逃、康普頓、湮沒峰；較低能射線：全能、康普頓邊緣、康普頓坪；特征x射線峰、反散射峰。982.兩種能量的射線較高能射線：全能、單逃、雙逃、康普頓閃爍體原子序數(shù)Z密度發(fā)光效率NaI(Tl)11,533.67100Bi4Ge3O1283,32,87.137~14探測效率、能量分辨率、光電峰、逃逸峰。99閃爍體原子序數(shù)Z密度發(fā)光效率NaI(Tl)11,53.多種能量的射線1003.多種能量的射線100脈沖幅度每道相對計數(shù)用于確定33英吋NaI(Tl)探測器響應(yīng)函數(shù)的射線譜3×3英吋圓柱形NaI(Tl)閃爍體對0.335~2.75MeV射線的能譜響應(yīng)函數(shù)能譜響應(yīng)函數(shù)101脈沖幅度每道相對計數(shù)用于確定33英吋NaI(Tl)探測器102102Monte-Carlo模擬與實驗γ能譜的比較103Monte-Carlo模擬與實驗γ能譜的比較103四．NaI(Tl)單晶閃爍譜儀的性能1.能量分辨率2.能量線性3.探測效率4.時間特性5.閃爍γ探測器的穩(wěn)定性104四．NaI(Tl)單晶閃爍譜儀的性能1.能量分辨率1041.能量分辨率電子倍增系數(shù)M與工作電壓V0的關(guān)系：其中，V0是PMT總電壓，a、b是常數(shù)，n是打拿極數(shù)。工作電壓波動引起的倍增系數(shù)變化：通常要求PMT的電源穩(wěn)定性好于0.1%。1051.能量分辨率電子倍增系數(shù)M與工作電壓V0的關(guān)系：所以：閃爍探測器的能量分辨率為，106所以：閃爍探測器的能量分辨率為，106能量分辨率的影響因素：(2)δ1大，則η小。(1)則η小。(3)高壓穩(wěn)定性的影響(4)道寬的影響道寬半高寬若要：則要求：一般要求：107能量分辨率的影響因素：(2)δ1大，則η小。(1)則η小2.能量線性——單位能量輸出幅度與入射粒子能量的關(guān)系。理想情況：閃爍體的發(fā)光效率Cnp與入射粒子的能量無關(guān)，這樣“全能峰”處的幅度就與入射光子的能量成正比。實際上：由于發(fā)光效率與入射粒子種類和能量有關(guān)。對于能譜只涉及電子引起的閃光，因此譜儀的非線性是由發(fā)光效率隨電子能量不同而產(chǎn)生的。對NaI(Tl)，在100KeV～1MeV，變化約15％。1082.能量線性——單位能量輸出幅度與入射粒子能量的關(guān)系。理想3.探測效率對平行入射的光子束：探測效率：晶體厚度高Z,

ρ，大D的閃爍體探測效率高。1093.探測效率對平行入射的光子束：探測效率：晶體厚度高Z,110110對時滯及時間分辨本領(lǐng)：主要取決于光電倍增管的電子飛行時間及其離散。為獲得好的時間分辨本領(lǐng)須選用快速光電倍增管。4.時間特性對分辨時間，它主要取決于輸出電壓脈沖信號的寬度。對電壓脈沖工作狀態(tài)，條件：取決于R0C0對電流脈沖工作狀態(tài)，條件：取決于τ111對時滯及時間分辨本領(lǐng)：主要取決于光電倍增管的電子飛行時間5.穩(wěn)定性——主要由PMT決定短期穩(wěn)定性對短期穩(wěn)定性，須考慮開機預(yù)熱達到穩(wěn)定的時間。長期穩(wěn)定性是由環(huán)境溫度和PMT的老化和使用壽命決定，為保持長期穩(wěn)定性經(jīng)常采用穩(wěn)峰(或稱穩(wěn)譜)技術(shù)。長期穩(wěn)定性1125.穩(wěn)定性——主要由PMT決定短期穩(wěn)定性對短期穩(wěn)定性，須考輻射探測學

第五章閃爍探測器(scintillationdetectors)113輻射探測學

第五章閃爍探測器(scintillationwhyscintillationdetectors?和氣體探測器一樣，閃爍探測器也是現(xiàn)在用得最多、最廣泛的一種電離輻射探測器。NaI：在γ能譜測量中的應(yīng)用。CsI：在中微子探測中的應(yīng)用。BGO：在中子感生γ能譜分析（煤質(zhì)分析）中的應(yīng)用。CdWO4：工業(yè)CTLaBr3：一種新型的優(yōu)質(zhì)閃爍探測器閃爍探測器的優(yōu)點：探測效率高，適合于測量不帶電粒子，如γ射線和中子，能夠測量能譜。時間特性好，有的探測器（如塑料閃爍體、BaF2）能夠?qū)崿F(xiàn)ns的時間分辨114whyscintillationdetectors?和氣第五章閃爍探測器§5.1閃爍探測器的基本原理§5.2閃爍體§5.3光的收集與光導§5.4光電倍增管§5.5閃爍探測器的輸出信號§5.6閃爍探測器的主要性能√115第五章閃爍探測器§5.1閃爍探測器的基本原理√3§5.1閃爍探測器基本原理閃爍探測器是利用輻射在某些物質(zhì)中產(chǎn)生的閃光來探測電離輻射的探測器。構(gòu)成部分：閃爍體；光電倍增管；高壓電源；分壓器；前置放大器入射窗入射粒子熒光光子反射層磁屏蔽層光陰極陽極打拿極管座及高壓分壓器前置放大器線性放大器高壓電源多道分析器閃爍體外殼(暗盒)光耦合窗光電子116§5.1閃爍探測器基本原理閃爍探測器是利用輻射在某些物質(zhì)中1175閃爍探測器的工作過程快電子（重離子）使閃爍體原子電離或激發(fā)，受激原子退激而發(fā)出波長在可見光波段的熒光。熒光光子被收集到光電倍增管(PMT)的光陰極，通過光電效應(yīng)打出光電子。電子運動在PTM的打拿極間運動并倍增（107~1010）。γ射線的三種效應(yīng)，中子的核反應(yīng)，或者帶電粒子直接入射射線沉積能量電離產(chǎn)生熒光熒光被轉(zhuǎn)換為光電子光電子的倍增——決定探測效率——影響能量分辨率——能量分辨率基本被決定——信號的放大決定工作狀態(tài)：電流、電壓？流經(jīng)外回路——信號的形成118閃爍探測器的工作過程快電子（重離子）使閃爍體原子電離或激發(fā)，§5.1閃爍探測器的基本原理§5.2閃爍體§5.3光的收集與光導§5.4光電倍增管§5.5閃爍探測器的輸出信號§5.6閃爍探測器的主要性能√119§5.1閃爍探測器的基本原理√7§5.2閃爍體理想的閃爍體應(yīng)該具有如下的特點：高探測效率高發(fā)光效率能量線性好自吸收小發(fā)光時間短可加工性好易于耦合（合適的折射率）為何需要這些特點呢？120§5.2閃爍體理想的閃爍體應(yīng)該具有如下的特點：為何需要這§5.2閃爍體閃爍體的分類閃爍體的發(fā)光機制閃爍體的物理特性常用閃爍體121§5.2閃爍體閃爍體的分類9一.閃爍體的分類無機閃爍體：探測效率高光輸出產(chǎn)額高線性好發(fā)光時間較長有機閃爍體：發(fā)光時間短光輸出產(chǎn)額低122一.閃爍體的分類無機閃爍體：有機閃爍體：10二.閃爍體的發(fā)光機制1.無機閃爍體的發(fā)光機制重點分析摻雜的無機晶體，以NaI(Tl)，CsI(Tl),CsI(Na)等為最典型，又稱鹵素堿金屬晶體(AlkaliHalideScintillator)。

123二.閃爍體的發(fā)光機制1.無機閃爍體的發(fā)光機制重點分析摻導帶上自由電子和價帶上空穴可以復合成激子；激子也可以吸收熱運動能量而變成自由電子-空穴。退激可能發(fā)出光子也可能晶格振動而不發(fā)光。純離子晶體：退激發(fā)出的光子容易被晶體自吸收，傳輸出的光子少；禁帶寬度大，退激發(fā)光在紫外范圍，光陰極不響應(yīng)。入射粒子可以產(chǎn)生電子-空穴對(electron-holepair)也可產(chǎn)生激子(exciton)

124導帶上自由電子和價帶上空穴可以復合成激子；退激可能發(fā)出光子純在晶體中摻雜，叫做激活劑(activator)，含量103量級。原子受激產(chǎn)生的電子-空穴遷移到雜質(zhì)能量的激發(fā)態(tài)和基態(tài)上，使雜質(zhì)原子處于激發(fā)態(tài)。形成發(fā)光中心或復合中心(luminescencecentersorrecombinationcenters)雜質(zhì)原子退激：熒光(fluorescence)：50~500ns猝滅(quenching)：轉(zhuǎn)換為晶格的熱運動。雜質(zhì)形成特殊晶格點，并在禁帶中形成局部能級。磷光(phosphorescence)：亞穩(wěn)態(tài)，發(fā)光時間較長。構(gòu)成了afterglow的主要部分。125在晶體中摻雜，叫做激活劑(activator)，含量103對許多物質(zhì)，產(chǎn)生一個電子－空穴對平均約需3倍于禁帶寬度的能量；在NaI(Tl)中產(chǎn)生一對電子-空穴對需要~20eV能量；NaI(Tl)的閃爍光能占入射能量~13%，吸收1MeV能量產(chǎn)生總光能：閃爍光子平均能量~3eV，產(chǎn)生光子數(shù)：如果入射帶電粒子在NaI(Tl)中損失1MeV能量，產(chǎn)生的電子-空穴對數(shù)：一個電子空穴對一個閃爍光子能量傳遞給激活劑“晶格點”的效率是很高的126對許多物質(zhì)，產(chǎn)生一個電子－空穴對平均約需3倍于禁帶寬度的能量2.有機閃爍體的發(fā)光機制(略)有機閃爍體都是苯環(huán)化合物，分子之間僅有松散的范德瓦爾斯力。其激發(fā)與發(fā)光是由分子自身的激發(fā)和躍遷產(chǎn)生的。有機閃爍體的發(fā)射光譜和吸收光譜的峰值是分開的，所以，有機閃爍體對其所發(fā)射的熒光是透明的。發(fā)射譜的短波部分與吸收譜的長波部分有重疊，為此在有的有機閃爍體中加入移波劑，以減少自吸收。振動能級：0.15eV無輻射內(nèi)轉(zhuǎn)換：10-12s失去多余振動能量：10-12s熒光磷光為了提高閃爍效率，可在溶劑中加入高效閃爍物質(zhì)，構(gòu)成二元有機閃爍體：液體，塑料。3～4eV1272.有機閃爍體的發(fā)光機制(略)有機閃爍體都是苯環(huán)化合物，分3.氣體閃爍體的發(fā)光機制(略）入射粒子通過介質(zhì)時，沿徑跡產(chǎn)生一批激發(fā)了的氣體分子，這些激發(fā)分子返回基態(tài)時便發(fā)射出了光子。光子的能量多處在紫外區(qū)必須選用對紫外光敏感的光電倍增管或者加入少量的第二氣體（如氮氣），使閃光的波長移入可見光區(qū)。1283.氣體閃爍體的發(fā)光機制(略）入射粒子通過介質(zhì)時，沿徑跡產(chǎn)三.閃爍體的物理特性1.發(fā)射光譜2.發(fā)光效率(能量轉(zhuǎn)換效率、光能產(chǎn)額，及相對值)3.發(fā)光時間4.閃爍體其它特性哪一項與閃爍體的能量分辨率最相關(guān)？129三.閃爍體的物理特性1.發(fā)射光譜2.發(fā)光效率(能量轉(zhuǎn)換1.發(fā)射光譜閃爍體發(fā)射光子數(shù)與光子波長(能量)的關(guān)系曲線。發(fā)射光譜與閃爍體、激活劑、移波劑、溫度有關(guān)。1301.發(fā)射光譜閃爍體發(fā)射光子數(shù)與光子波長(能量)的關(guān)系曲線。2.發(fā)光效率發(fā)光效率可用三種量來描述：光能產(chǎn)額閃爍效率相對閃爍效率（相對發(fā)光效率）NaI(Tl)晶體：Yph(e)=4.3104/MeV。NaI(Tl)晶體：Cnp()=2.6%，Cnp()=13%。(2)閃爍效率（發(fā)光效率，能量轉(zhuǎn)換效率）(1)光能產(chǎn)額(光輸出，光產(chǎn)額)1312.發(fā)光效率發(fā)光效率可用三種量來描述：NaI(Tl)晶體閃爍效率與光能產(chǎn)額的關(guān)系：(3)相對閃爍效率（相對發(fā)光效率）閃爍體和閃爍效率(%)相對NaI(Tl)相對蒽NaI(Tl)100230ZnS(Ag)130蒽43100液體閃爍體20~80幾種閃爍體的相對閃爍效率希望有較高的發(fā)光效率，且對不同能量保持常數(shù)。132閃爍效率與光能產(chǎn)額的關(guān)系：(3)相對閃爍效率（相對發(fā)光效率）3.閃爍發(fā)光時間發(fā)光時間包括上升時間與衰減時間。單位時間發(fā)出的光子數(shù)：例如：NaI(Tl)晶體0=0.23s

閃爍光脈沖中包含的光子數(shù)：所以：上升時間：包括入射粒子耗盡能量的時間(10-9s)和閃爍體中電子激發(fā)時間(很短)。衰減時間：1333.閃爍發(fā)光時間發(fā)光時間包括上升時間與衰減時間。單位時間發(fā)對大多數(shù)有機晶體和少數(shù)無機晶體對有機閃爍體對一些無機閃爍體可以用作粒子甄別。不同類型輻射激發(fā)時stilbene晶體的發(fā)光衰減曲線與delayedfluorescence有關(guān)134對大多數(shù)有機晶體和少數(shù)無機晶體對有機閃爍體對一些無機閃爍體可幾種閃爍體的發(fā)光衰減時間閃爍體f(ns)s(s)BaF20.60.62CsI(Tl)101.0芪6.20.37蒽330.37液體閃爍體2.40.20塑料閃爍體1.3NaI(Tl)0.23也發(fā)現(xiàn)有三種發(fā)光衰減時間的閃爍晶體(如PbWO4…)。135幾種閃爍體的發(fā)光衰減時間閃爍體f(ns)s4.閃爍體的其它特性透明度和光學均勻性加工性(malleability)熱鍛、車、銑吸濕性(hygroscopic)溫度效應(yīng)耐輻照特性透明度降低（變色），吸收閃爍光子導致了磷光的產(chǎn)生經(jīng)過退火可恢復敏感：Tl摻雜的鹵素堿金屬，10Gy不敏感：GSO，106Gy探測效率與閃爍體物質(zhì)(,Z)有關(guān)與體積有關(guān)1364.閃爍體的其它特性透明度和光學均勻性耐輻照特性探測效率2四.常用閃爍體1.NaI(Tl)晶體2.CsI(Tl)和CsI(Na)晶體3.BGO晶體(Bi4Ge3O12)4.ZnS(Ag)晶體5.BaF2晶體6.LaBr3晶體7.蒽晶體8.液體閃爍體9.塑料閃爍體10.氣體閃爍體137四.常用閃爍體1.NaI(Tl)晶體7.蒽晶體10.1.NaI(Tl)晶體（sodiumiodide）(1948,RobertHofstadter)密度大，=3.67g/cm3

，探測效率高；Z高，碘(Z=53)占重量85%，光電截面大；相對發(fā)光效率高，為蒽的2.3倍；發(fā)射光譜最強波長415nm，與PMT光譜響應(yīng)配合；晶體透明性能好；能量分辨率較高，<7%662keV-(有人做到：5.8±0.24%)?？梢宰龅煤艽螅害?00mm×500mm發(fā)光時間長(230ns)磷光：0.15秒，9%容易潮解有一定的脆性，機械、熱沖擊易損壞易受射線損傷：1Gy能量線性問題溫度效應(yīng)中子活化影響Thediscovery,morethananyothersingleevent,usheredintheeraofmodernscintillationspectrometryofgammaradiation1381.NaI(Tl)晶體（sodiumiodide）(1913927NaI(Tl)的溫度特性140NaI(Tl)的溫度特性28NaI(Tl)晶體封裝結(jié)構(gòu)1-硬質(zhì)玻璃；2-NaI(Tl)晶體；3-光學耦合劑；4-光反射層；5-金屬鋁殼；6-海綿墊襯；7-密封環(huán)氧樹脂。141NaI(Tl)晶體封裝結(jié)構(gòu)1-硬質(zhì)玻璃；292.CsI(Tl)和CsI(Na)晶體密度大，=4.51g/cm3；Z高，銫(Z=55)，碘(Z=53)；機械強度好，柔韌；加工性能好；CsI(Tl)可以用作粒子甄別。發(fā)光時間較長：CsI(Na),0.63μsCsI(Tl),1.0μs純CsI，0.016μsCsI(Na)容易潮解；CsI(Tl)輕度潮解。CsI(Tl)在10Gy的射線劑量后熒光損失10～15％1422.CsI(Tl)和CsI(Na)晶體密度大，=4.51CsI(Tl)在TEXONO中的應(yīng)用γα143CsI(Tl)在TEXONO中的應(yīng)用γα313.BGO晶體(Bi4Ge3O12，鍺酸鉍)單位體積內(nèi)的光電效率高密度大，=7.13g/cm3；Z高，鉍(Z=83)；機械性能好；化學穩(wěn)定性好；光學透明性好。afterglow小。閃爍效率低，為NaI(Tl)的8～14%。并隨溫度升高而減小。折射系數(shù)大(2.15)，光收集難時間分辨能力不好（factorof2worsethanNaI）價格稍貴于NaI(2～3倍)在高能粒子物理實驗中大量使用：～噸計，上海硅酸鹽研究所。1443.BGO晶體(Bi4Ge3O12，鍺酸鉍)單位體積內(nèi)的光X光照射下的BGO晶體145X光照射下的BGO晶體334.ZnS(Ag)晶體一種古老的無機閃爍體。盧瑟福α粒子大角度散射實驗采用ZnS(Ag)屏閃爍效率高，幾乎與NaI(Tl)相同多晶粉末；透光性差，不可太厚，約10～20mg/cm2。1464.ZnS(Ag)晶體一種古老的無機閃爍體。多晶粉末；34比較高的密度（4.88g/cm3）高原子序數(shù)（56）快響應(yīng)時間自吸收效應(yīng)很小，因此晶體可以做得很大（>φ10cm×10cm）抗輻照（>105Gray）5.BaF2晶體比較好的能量分辨率(對0.662MeV9.1%;1.332MeV6.3%)閃爍效率與溫度的關(guān)系：快成分：在100～400K（-173～117℃）范圍內(nèi)沒有變化慢成分：在250～325K（-23～52℃）的范圍內(nèi)-1.1%/K）光譜在紫外波段，需要專門的PMT配合，如XP2020Q發(fā)光效率低，比NaI(Tl)小一個量級。147比較高的密度（4.88g/cm3）5.BaF2晶體比較好的0.6-0.8ns630ns15％85％清華大學物理系徐四大等：φ100×100mmBaF2晶體γ譜儀，時間分辨為0.9ns，對137Cs的能量分辨率12.6%1480.6-0.8ns630ns15％85％清華大學物理系徐四大6.LaBr3晶體潮解目前價格還較貴閃爍效率高NaI:38×103Photons/MeVγLaBr3:67×103Photons/MeVγ數(shù)據(jù)來源：detectors.saint-gobain發(fā)光衰減時間短：26ns原子序數(shù)高：57，35密度大：5.29g/cm3能量線性很好（在低能區(qū)，最大偏差<5%）光輸出對溫度不敏感說明什么呢？有什么好處？有什么好處？1496.LaBr3晶體潮解閃爍效率高說明什么呢？有什么好處？有一些常用無機閃爍體的分辨率光電子數(shù)分辨率vs?這樣的趨勢反映了射線測量過程中的什么特性？150一些常用無機閃爍體的分辨率光電子數(shù)分辨率vs?這樣的趨勢反映7.蒽晶體制作困難，價格昂貴；容易損壞。8.液體閃爍體發(fā)光衰減時間短，～2.4ns；透明度好，制備容易，成本低。由溶劑(二甲苯)+熒光物質(zhì)+波長轉(zhuǎn)換劑組成。發(fā)光效率高，常用作標準；原子量低，含氫量大；1517.蒽晶體制作困難，價格昂貴；8.液體閃爍體發(fā)光衰減時間9.塑料閃爍體發(fā)光衰減時間短，1～3ns；透明度高，光傳輸性能好；機械性能好，性能穩(wěn)定；耐輻射特性好。可以做得很大由溶劑(苯乙烯)+熒光物質(zhì)+波長轉(zhuǎn)換劑，聚合而成。1529.塑料閃爍體發(fā)光衰減時間短，1～3ns；由溶劑(苯乙烯10.氣體閃爍體氣體退激時間為ns量級，是最快的閃爍材料之一大小、形狀易于改變能量線性很好Xe、Ke、Ar、He等高純度氣體都是閃爍氣體；光子發(fā)射有競爭過程（分子相互碰撞、內(nèi)猝滅），氣體閃爍體的效率比較低阻止本領(lǐng)小，探測效率低，在能譜測量中的應(yīng)用局限于α粒子、裂變碎片或其它重帶電粒子15310.氣體閃爍體氣體退激時間為ns量級，是最快的閃爍材料之§5.1閃爍探測器的基本原理§5.2閃爍體§5.3光的收集與光導§5.4光電倍增管§5.5閃爍探測器的輸出信號§5.6閃爍探測器的主要性能√154§5.1閃爍探測器的基本原理√42§5.3光的收集與光導閃爍光的收集需要：反射層耦合劑光導1.光學反射層：反射方式：鏡面反射、漫反射。材料：鋁箔、鍍鋁塑料薄膜，氧化鎂、二氧化鈦、聚四氟乙烯塑料帶等。155§5.3光的收集與光導閃爍光的收集需要：1.光學反射層：2.光學耦合劑當光子由光密物質(zhì)(n0)射向光疏物質(zhì)(n1)時，發(fā)生全反射的臨界角：周圍介質(zhì)(折射系數(shù)=n1)閃爍體(折射系數(shù)=n0)在閃爍體與PMT之間填充硅油(n1

1.5)。1562.光學耦合劑當光子由光密物質(zhì)(n0)射向光疏物質(zhì)3.光導具有一定形狀的光學透明固體材料，連接閃爍體與光電倍增管。閃爍體窗面積、形狀與PMT窗面積、形狀不同時；強磁場中探測時，用較長的光導連接把閃爍體與PMT分隔開。在空間較小處，用光纖連接較小的閃爍體與PMT。一個光導，不管其形狀多么復雜，在光導內(nèi)部任一點的單位面積、單位立體角內(nèi)的光子流量絕不可能大于它的輸入端的光子流量。因此，截面積由閃爍體到光電倍增管逐漸減小的任何光導都會帶來顯著的光損失。用硅油填充閃爍體-光導、光導-PMT的交界面。1573.光導閃爍體窗面積、形狀與PMT窗面積、形狀不同時；一個§5.1閃爍探測器的基本原理§5.2閃爍體§5.3光的收集與光導§5.4光電倍增管§5.5閃爍探測器的輸出信號§5.6閃爍探測器的主要性能√158§5.1閃爍探測器的基本原理√46§5.4光電倍增管光電倍增管的類型光電倍增管的結(jié)構(gòu)與工作原理光電倍增管的供電回路光電倍增管的主要性能159§5.4光電倍增管光電倍增管的類型47一．光電倍增管的類型1.外觀的不同2.根據(jù)光陰極形式160一．光電倍增管的類型1.外觀的不同2.根據(jù)光陰極形式4聚焦型非聚焦型3.根據(jù)電子倍增系統(tǒng)具有較快的響應(yīng)時間，用于時間測量或需要響應(yīng)時間快的場合。電子倍增系數(shù)較大，多用于能譜測量系統(tǒng)。聚焦線狀結(jié)構(gòu)圓柵型結(jié)構(gòu)百葉窗結(jié)構(gòu)盒柵型結(jié)構(gòu)161聚焦型非聚焦型3.根據(jù)電子倍增系統(tǒng)具有較快的響應(yīng)時間，用于二.光電倍增管的結(jié)構(gòu)與工作原理結(jié)構(gòu)：光學窗光陰極電子倍增系統(tǒng)(打拿極)電子收集(陽極)162二.光電倍增管的結(jié)構(gòu)與工作原理結(jié)構(gòu)：501.光學窗：硼玻璃窗石英玻璃窗光電效應(yīng)電子遷移到表面克服介質(zhì)與真空間的勢壘(potentialbarrier)，逸出功2.光陰極(photocathode)：通常為化合物材料，兩種形式銻銫化合物(Cs-Sb)雙堿陰極(K2-Cs-Sb)熱電子噪聲(thermionicnoise)：金屬(勢壘高)：～100/m2·s半導體(勢壘低)：106～108/m2·s勢壘的存在所有光陰極都有截止波長：紅、近紅外escapedepth金屬：能量損失率大，幾nm半導體：能量損失率小，25nm并非所有光子都會被轉(zhuǎn)換為電子量子效率1631.光學窗：光電效應(yīng)2.光陰極(photocathode3.打拿極(dynode)：次級電子產(chǎn)額大；熱電子與光電子發(fā)射?。淮箅娏鞴ぷ鲿r性能穩(wěn)定；快速響應(yīng)。次級電子產(chǎn)額打拿極材料：傳統(tǒng)材料：BeO，MgO，Cs3Sb1keV，δ～10（最大）NEA（負電子親和）材料：GaP(Cs)1keV，δ：50～604.陽極(anode)：僅用于收集電子，不需要倍增。鎳、鉬、鈮次級電子產(chǎn)額小1643.打拿極(dynode)：次級電子產(chǎn)額打拿極材料：4.三．光電倍增管的供電回路K-D1電壓較高，幾倍于其它打拿極間的電壓，可有效收集光電子，減少電子飛行時間的離散；中間各打拿極一般均勻分壓；最后幾個打拿極間高電壓、大電流，電容穩(wěn)壓；最后打拿極與陽極間電壓較小。聚焦電極提供靜態(tài)工作點，直流電流應(yīng)顯著大于陽極電流分壓器所用電阻的溫度系數(shù)應(yīng)當小，穩(wěn)定性高?？偣β什灰?，以免PMT因為溫度升高而漂移載流子？165三．光電倍增管的供電回路K-D1電壓較高，幾倍于其它打拿極間正高壓供電方式：負高壓供電方式：簡單，陰極接地需要隔直電容，不適合于高計數(shù)率情況，不適合于電流情況，易受高壓紋波的影響無需隔直電容，適合高計數(shù)率、適合電流模式陰極處于高壓，需防止與周圍接地材料之間的高壓漏電信號、場致發(fā)光都是常用的供電方式166正高壓供電方式：負高壓供電方式：簡單，陰極接地無需隔直電容，四．光電倍增管的主要性能1.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.陽極光照靈敏度6.光電倍增管的暗電流與噪聲7.光電倍增管的時間特性8.光陰極的均勻性9.穩(wěn)定性光電轉(zhuǎn)換特性電子倍增特性167四．光電倍增管的主要性能1.光陰極的光譜響應(yīng)3.第一打拿1.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)射光譜匹配定義：量子效率(quantumefficiency)光子能量入射窗另一種表示量子效率的方法：NaI(Tl)：若Q=25~30%，則～光電子/100~120eVbasicinformationcarrier氣體中如何？1681.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平均量子效率：169平均量子效率：572.光陰極的光照靈敏度gc對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95%以上。其中：i

是光電子流(A)，F(xiàn)是光通量(lm)。3.第一打拿極的電子收集系數(shù)1702.光陰極的光照靈敏度gc對PMT的幅度分辨率影響較大，其4.光電倍增管的電流放大倍數(shù)聚焦型：g1；非聚焦型：g<1。其中：g——是電子傳輸效率——是各級電子倍增系數(shù)n——是倍增電極數(shù)。有的資料把電流放大倍數(shù)定義為：1714.光電倍增管的電流放大倍數(shù)聚焦型：g1；其中：PMT輸出脈沖中的電荷量：E：入射粒子能量；Yph：光能產(chǎn)額；Fph：光子傳輸系數(shù)；

：平均量子效率；gc：收集效率；

：電子倍增系數(shù)。172PMT輸出脈沖中的電荷量：E：入射粒子能量；Yph：光能對一般材料，大致為3~5；雙堿金屬材料，可以達到~10；GaP(Cs)材料，可以為50~60。各倍增電極的電子倍增系數(shù)：其中:VD是倍增電極之間的電壓a、b是常數(shù)。173對一般材料，大致為3~5；各倍增電極的電子倍增系數(shù)：其中5.陽極的光照靈敏度其中：ia是陽極電流(A)，F(xiàn)是入射到光陰極的光通量(lm)。1745.陽極的光照靈敏度其中：62光陰極的熱電子發(fā)射殘余氣體的電離（離子反饋、光子反饋）歐姆漏電場致發(fā)射6.PMT暗電流與噪聲當工作狀態(tài)下的光電倍增管完全與光輻射隔絕時，其陽極仍能輸出電流(暗電流)及脈沖信號(噪聲)。成因：切倫科夫效應(yīng)玻璃管殼放電玻璃熒光光陰極曝光175光陰極的熱電子發(fā)射6.PMT暗電流與噪聲當工作狀態(tài)下的光電噪聲能當量：當沒有任何光子照射到光陰極上時可測得噪聲譜——即噪聲輸出脈沖幅度的分布，當縱坐標取n=50cps時相應(yīng)的脈沖幅度所相應(yīng)的入射粒子能量，稱為噪聲能當量，單位是KeV。陽極暗電流：實際上它是噪聲脈沖信號電流的平均值，一般為10-6～10-10A。指標：176噪聲能當量：當沒有任何光子照射到光陰極上時可測得噪聲譜——即7.PMT的時間特性飛行時間(渡越時間)一個光電子從光陰極到達陽極的平均時間。渡越時間離散到達陽極的每個電子都經(jīng)歷了不同的倍增過程和飛行距離，反映了飛行時間的漲落，是決定閃爍計數(shù)器分辨時間的限制因素。：te的分布函數(shù)的半寬度1777.PMT的時間特性飛行時間(渡越時間)一個光電子從光陰8.光陰極的均勻性閃光照射到光陰極時，陽極輸出信號可能會不同，原因：光陰極的靈敏度在不同的位置是不同的，對大面積的光陰極尤甚。光陰極不同位置處產(chǎn)生的光電子被第一打拿極收集的效率也不同。將使能量分辨率變差，對閃爍譜儀來說是嚴重問題。應(yīng)對辦法：改進光陰極的均勻性改進光電子收集的均勻性利用光導將光子分散到整個光陰極上1788.光陰極的均勻性閃光照射到光陰極時，陽極輸出信號可能會不9.PMT的穩(wěn)定性穩(wěn)定性是指在恒定輻射源照射