放射化學(xué)第講核測(cè)量?jī)x器

放射化學(xué)第講核測(cè)量?jī)x器2023/8/17C.L.Liu第1頁(yè)，課件共84頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2023/8/17C.L.Liu核輻射探測(cè)探測(cè)核輻射的基本原理及方法；氣體探測(cè)器；氣體電離室的電流-電壓曲線；電離室的結(jié)構(gòu)；閃爍探測(cè)器；閃爍譜儀的射線能譜分析。第2頁(yè)，課件共84頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2023/8/17C.L.Liu輻射的探測(cè)研究和應(yīng)用放射性核素：

1、需要了解荷電離子的種類、數(shù)量、能量及有關(guān)性質(zhì)；

2、要求對(duì)核輻射進(jìn)行探測(cè)和記錄。放射性測(cè)量裝置通常由核輻射探測(cè)器和信號(hào)處理系統(tǒng)組成；核輻射探測(cè)器包括靈敏介質(zhì)和結(jié)構(gòu)部分；射線與靈敏介質(zhì)相互作用并損失能量，該能量被靈敏介質(zhì)轉(zhuǎn)換為光、電、熱或化學(xué)信號(hào)；光、電、熱、或化學(xué)信號(hào)被處理系統(tǒng)分析和記錄。

第3頁(yè)，課件共84頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2023/8/17C.L.Liu核輻射探測(cè)核輻射探測(cè)器信號(hào)處理系統(tǒng){靈敏介質(zhì)結(jié)構(gòu)部分}光、電、熱、化學(xué)信號(hào)放射性測(cè)量裝置框圖{第4頁(yè)，課件共84頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2023/8/17C.L.Liu探測(cè)核輻射的基本原理及方法利用射線通過(guò)物質(zhì)時(shí)的電離作用；（氣體探測(cè)器和半導(dǎo)體探測(cè)器）射線通過(guò)某些物質(zhì)時(shí)所產(chǎn)生的熒光、熱釋光或契倫科夫輻射；（閃爍探測(cè)器，熱釋光探測(cè)器、玻璃探測(cè)器、契倫科夫輻射探測(cè)器）射線與某些物質(zhì)的核反應(yīng)或彈性碰撞產(chǎn)生的易于測(cè)量的次級(jí)粒子；（主要用于中子的探測(cè)。中子與含氫物質(zhì)中的氫原子核彈性碰撞，將氫原子核從分子中擊出。測(cè)量反沖質(zhì)子的電離和激發(fā)推斷中子的數(shù)量）第5頁(yè)，課件共84頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2023/8/17C.L.Liu探測(cè)核輻射的方法射線所攜帶的電荷；（早期使用的驗(yàn)電器）射線的能量在物質(zhì)中所產(chǎn)生的熱效應(yīng)；（射線在物質(zhì)中損失的能量最終可以轉(zhuǎn)化為熱能。量熱計(jì)）射線與物質(zhì)作用產(chǎn)生的化學(xué)變化（徑跡探測(cè)器、核乳膠及化學(xué)計(jì)量計(jì)）第6頁(yè)，課件共84頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2023/8/17C.L.Liu氣體探測(cè)器第7頁(yè)，課件共84頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2023/8/17C.L.Liu氣體探測(cè)器氣體探測(cè)器以氣體為探測(cè)介質(zhì)。入射粒子使氣體電離產(chǎn)生電子-正離子對(duì)；電子和正離子對(duì)在電場(chǎng)中遷移產(chǎn)生電信號(hào)。依據(jù)工作條件不同，氣體探測(cè)器分為：電離室、正比計(jì)數(shù)器、蓋革-彌勒(G-M)計(jì)數(shù)器和其他探測(cè)器。第8頁(yè)，課件共84頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2023/8/17C.L.Liu氣體探測(cè)器在核科學(xué)研究的早期，氣體探測(cè)器起到了非常重要的作用，是當(dāng)時(shí)主要使用的探測(cè)器；20世紀(jì)50年代后，由于閃爍探測(cè)器和半導(dǎo)體探測(cè)器的發(fā)展，氣體探測(cè)器被逐步取代；目前，氣體探測(cè)器在高能物理、重粒子物理、輻射劑量學(xué)等領(lǐng)域仍然有廣泛應(yīng)用。第9頁(yè)，課件共84頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2023/8/17C.L.Liu氣體探測(cè)器Ion-pairs

粒子：104105/cm

粒子：102103/cm

射線：110/cm法諾因子：1/21/3法諾修正后的方差第10頁(yè)，課件共84頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2023/8/17C.L.Liu氣體探測(cè)器電離的統(tǒng)計(jì)漲落決定了探測(cè)器的固有的能量分辨率的下限。例如，對(duì)于能量為5MeV的粒子，在空氣中平均產(chǎn)生的離子對(duì)數(shù)為5106/34.98=1.43105;取F=0.3，得到均方根偏差為：2.07102;則能量分辨率的下限為：第11頁(yè)，課件共84頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2023/8/17C.L.Liu若干氣體的平均電離能w和最低電離電位I0氣體電離能w/eV電離電位I0/eV

粒子X(jué)、射線

粒子ArN2O2CO2C2H2C2H4CH4BF3Air26.30.136.390.0432.30.134.10.127.30.728.030.0529.10.125.60.334.980.0526.20.234.60.331.80.332.90.325.70.426.30.327.30.333.730.1526.40.836.60.531.50.234.90.536.00.415.815.512.514.411.612.214.5第12頁(yè)，課件共84頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2023/8/17C.L.Liu氣體探測(cè)器電離產(chǎn)生的正離子和電子的熱運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生無(wú)規(guī)則碰撞；正離子和電子相遇可能復(fù)合為中性分子；電子可能被電負(fù)性大的氣體分子（H2O,O2,X2）俘獲，形成重負(fù)離子；如果外加電場(chǎng)，正離子將向陰極遷移，電子則向陽(yáng)極遷移；正離子和電子遷移的結(jié)果在外電路形成電離電流；將該電流記錄下來(lái)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)輻射的探測(cè)。第13頁(yè)，課件共84頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2023/8/17C.L.Liu氣體探測(cè)器測(cè)量電離電流裝置示意圖第14頁(yè)，課件共84頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2023/8/17C.L.Liu氣體電離室的電流-電壓曲線在一個(gè)充有工作氣體的密封容器內(nèi)安裝兩個(gè)電極；中央為陽(yáng)極，外殼為陰極，彼此絕緣；在兩極間加電壓V，測(cè)量流經(jīng)負(fù)載R的電流I。I的大小與V有關(guān)。在恒定強(qiáng)度的輻射照射下，實(shí)驗(yàn)測(cè)得IV曲線出現(xiàn)6個(gè)區(qū)段。第15頁(yè)，課件共84頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2023/8/17C.L.LiuV(伏）

電離電流-電壓曲線第16頁(yè)，課件共84頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2023/8/17C.L.Liu氣體探測(cè)器I.線性關(guān)系區(qū)：（1）兩極間電壓較低時(shí)，正離子和電子遷移速度較慢，在被電極收集之前有可能復(fù)合。也可能形成重負(fù)離子。（2）隨著電壓的升高，復(fù)合的概率減小，電離電流I隨電壓V幾乎直線上升。

第17頁(yè)，課件共84頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2023/8/17C.L.Liu氣體探測(cè)器II.電離室區(qū)：（1）兩極間電壓繼續(xù)升高，電離輻射在工作氣體中產(chǎn)生的正離子和電子全部被收集，電子和正離子在到達(dá)電極之前的復(fù)合概率可忽略不計(jì)。（2）在C點(diǎn)之前，電壓升高不能收集更多的正離子和電子，此時(shí)電離電流達(dá)到飽和值。第18頁(yè)，課件共84頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2023/8/17C.L.Liu氣體探測(cè)器

II.電離室區(qū)：

（3）本區(qū)稱為飽和區(qū)或電離室區(qū)。（4）若進(jìn)入電離室的射線的全部能量都損失在電離室內(nèi)，而且相繼進(jìn)入電離室的兩個(gè)粒子能被系統(tǒng)分開(kāi)，則從負(fù)載電阻R上取出的電壓脈沖信號(hào)由射線的能量決定。（5）電離室可用于射線計(jì)數(shù)、能量測(cè)量和輻射劑量測(cè)量第19頁(yè)，課件共84頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2023/8/17C.L.Liu氣體探測(cè)器III.正比區(qū)：（1）電壓升高到C點(diǎn)以后D點(diǎn)以前，向陽(yáng)極運(yùn)動(dòng)的電子在陽(yáng)極附近的強(qiáng)電場(chǎng)的加速下獲得的動(dòng)能足以引起介質(zhì)分子（氣體分子）的電離（次級(jí)電離）；（2）產(chǎn)生的次級(jí)電子被強(qiáng)電場(chǎng)加速，又可產(chǎn)生新的電離；（3）原來(lái)的一個(gè)電子可以繁殖出多個(gè)電子，此過(guò)程稱為電子雪崩；這種現(xiàn)象稱為氣體放大現(xiàn)象。第20頁(yè)，課件共84頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2023/8/17C.L.Liu氣體探測(cè)器III.正比區(qū)：（4）放大倍數(shù)M只與電壓有關(guān)，與初級(jí)電離產(chǎn)生的粒子對(duì)數(shù)無(wú)關(guān)。放大倍數(shù)一般為104數(shù)量級(jí)。（5）從負(fù)載電阻上輸出的電壓信號(hào)正比于初級(jí)電離產(chǎn)生的離子對(duì)數(shù)。（6）正比區(qū)即可用于射線的計(jì)數(shù)，也可用于射線能量的測(cè)量。第21頁(yè)，課件共84頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2023/8/17C.L.Liu

氣體探測(cè)器IV.轉(zhuǎn)變區(qū)（有限正比區(qū)）：（1）電壓繼續(xù)升高，除發(fā)生電子雪崩外，高速運(yùn)動(dòng)的電子與氣體分子碰撞，可使氣體分子因激發(fā)而發(fā)射光子。（2）光子打在作為陰極的器壁上產(chǎn)生光電子，后者在奔向陽(yáng)極的過(guò)程中又參與電子雪崩過(guò)程。（3）在本區(qū)間的放大倍數(shù)為105

107，但在給定電壓下不是常數(shù)，而與初級(jí)電離數(shù)n有關(guān)。（4）n越大，A越小。（5）該區(qū)域不適合設(shè)計(jì)探測(cè)器。第22頁(yè)，課件共84頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2023/8/17C.L.Liu氣體探測(cè)器V.Geiger-Müller區(qū)（G-M區(qū)）：（1）外電壓越過(guò)轉(zhuǎn)變區(qū)DE后，電子雪崩更加猛烈，并且擴(kuò)展至整個(gè)容器空間。（2）電子很快被陽(yáng)極收集，在陽(yáng)極附近留下遷移速度慢得多的正離子，圍繞陽(yáng)極形成一個(gè)正離子鞘。（3）這些空間電荷產(chǎn)生的電場(chǎng)方向與原先的電場(chǎng)方向相反，于是在陽(yáng)極和正離子鞘之間形成一個(gè)低電位區(qū)。第23頁(yè)，課件共84頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2023/8/17C.L.Liu氣體探測(cè)器V.Geiger-Müller區(qū)（G-M區(qū)）：（4）電子雪崩積累的空間電荷最終使得電子在此低電位區(qū)內(nèi)不能產(chǎn)生次級(jí)電離，電子雪崩因此被終止。（5）正離子遷移至陰極約需10-7s的時(shí)間。（6）該區(qū)域的氣體放大倍數(shù)為108。（7）工作于該區(qū)的G-M計(jì)數(shù)器具有很高的靈敏度，適合于射線的計(jì)數(shù)，但對(duì)射線的能量無(wú)法分辨。第24頁(yè)，課件共84頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2023/8/17C.L.Liu氣體探測(cè)器VI.連續(xù)放電區(qū)：電壓繼續(xù)升高，放電過(guò)程將連續(xù)進(jìn)行，將導(dǎo)致氣體探測(cè)器在短時(shí)間內(nèi)損壞，故應(yīng)避免。第25頁(yè)，課件共84頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2023/8/17C.L.Liu電離室的結(jié)構(gòu)第26頁(yè)，課件共84頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2023/8/17C.L.Liu電離室的結(jié)構(gòu)脈沖電離室：主要用于測(cè)量重帶電粒子的能量和強(qiáng)度累計(jì)電離室：主要用于測(cè)量X、、和中子輻射的注量率（注量）和劑量率(劑量）。電離室的基本結(jié)構(gòu)第27頁(yè)，課件共84頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2023/8/17C.L.Liu電離室的種類第28頁(yè)，課件共84頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2023/8/17C.L.Liu脈沖電離室用于帶電粒子的計(jì)數(shù)和能量測(cè)量；要求射入電離室的帶電粒子的能量全部損失在靈敏體積內(nèi)；產(chǎn)生的離子對(duì)不發(fā)生復(fù)合及形成重負(fù)離子，也不擴(kuò)散出靈敏區(qū)；相繼進(jìn)入電離室的兩個(gè)粒子的時(shí)間間隔大于系統(tǒng)的分辨時(shí)間；可用于粒子及重帶電粒子的能譜測(cè)量，能量分辨率約為0.2%；第29頁(yè)，課件共84頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2023/8/17C.L.Liu脈沖電離室若在電離室中安裝一個(gè)金硅面半導(dǎo)體探測(cè)器，用以測(cè)量穿過(guò)電離室靈敏區(qū)之后的能量E，就可知道粒子在穿過(guò)靈敏區(qū)時(shí)損失的能量E。由于每種粒子有其特征能損函數(shù)dE/dl=f(E);事先對(duì)裝置進(jìn)行刻度，可用于粒子的鑒別。第30頁(yè)，課件共84頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2023/8/17C.L.Liu電流電離室主要用于輻射注量或劑量率的測(cè)量；需要高靈敏和高穩(wěn)定性的弱電流放大器；流氣式電流電離室可用于氣體放射性測(cè)量（222Rn,3H、14C的氣體化合物）測(cè)量時(shí)，待測(cè)氣體與工作氣體按一定比例混合，以一定流速流過(guò)電離室。在電離室內(nèi)壁覆蓋一層235U，則可用于中子的測(cè)量。第31頁(yè)，課件共84頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2023/8/17C.L.Liu累計(jì)電離室若事先將電離室的兩極充電至一定電壓，V1；該電壓足以保證收集全部的電離電荷；將電離室暴露于X或輻射場(chǎng)中t時(shí)間后，極間電壓因收集電離電荷而下降至V2。收集到的電荷Q=(V1-V2)C0,C0為極間電容。累計(jì)電離室一般做成筆形或頂針形，便于佩戴，用來(lái)監(jiān)督個(gè)人劑量。第32頁(yè)，課件共84頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2023/8/17C.L.Liu正比計(jì)數(shù)器第33頁(yè)，課件共84頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2023/8/17C.L.Liu正比計(jì)數(shù)器V

為脈沖幅度，n為原電離產(chǎn)生的離子對(duì)數(shù)，

C0為電離室的極間電容,M為氣體放大倍數(shù)。輸出脈沖與原電離成正比可用于粒子能量的測(cè)量能量分辨率稍低于脈沖電離室的主要用于、低能及低能X射線的能量和活度的測(cè)量第34頁(yè)，課件共84頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2023/8/17C.L.Liu正比計(jì)數(shù)器

粒子的初級(jí)電離比粒子高100倍，在固定的甄別閾下，粒子可在較低的工作電壓下測(cè)量正比計(jì)數(shù)器測(cè)量和混合放射源的計(jì)數(shù)率與工作電壓的關(guān)系第35頁(yè)，課件共84頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2023/8/17C.L.LiuG-M計(jì)數(shù)器靈敏度高；輸出脈沖的幅度大且與入射粒子的種類和能量無(wú)關(guān)；可不經(jīng)放大直接紀(jì)錄，使用方便，價(jià)格低廉。目前被廣泛使用。按充氣類型：有機(jī)G-M管(90%Ar+酒精或乙醚)

鹵素G-M管(90%Ne+Cl2或Br2)按用途劃分：端窗型（鐘罩型）或圓柱形。第36頁(yè)，課件共84頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2023/8/17C.L.LiuG-M計(jì)數(shù)器為使G-M管正常工作,在工作氣體中必須加入少量的酒精、乙醚、Cl2、Br2等淬滅氣體。淬滅氣體的電離電位比工作氣體Ar的低。Ar+在到達(dá)陰極之前與淬滅氣體分子碰撞，發(fā)生電荷交換。Ar++CH3CH2OH

Ar+CH3CH2OH+G-M管的工作電壓應(yīng)選在坪的前1/31/2之間第37頁(yè)，課件共84頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2023/8/17C.L.LiuG-M計(jì)數(shù)器到達(dá)陰極的正離子都是CH3CH2OH+，它們從陰極拉出電子，再與電子結(jié)合生成激發(fā)態(tài)分子。這種激發(fā)態(tài)分子很容易分解，其分解的平均壽命（10-13s）比發(fā)射光子的平均壽命（10-7s）短得多。因此其發(fā)射光子的幾率為10-6.光子從陰極上打出電子的幾率為10-4，因此，CH3CH2OH+從陰極上打出電子的幾率為10-10。第38頁(yè)，課件共84頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2023/8/17C.L.LiuG-M計(jì)數(shù)器若到達(dá)陰極的CH3CH2OH+有108個(gè)，則造成假性計(jì)數(shù)的概率約為1%。隨著G-M管外加電壓的增加，正離子鞘中的正離子數(shù)目增加，假性計(jì)數(shù)的幾率也增加，造成G-M計(jì)數(shù)器的工作坪有一定的斜度。隨著CH3CH2OH消耗量的增加，坪的斜度增加，坪長(zhǎng)縮短。第39頁(yè)，課件共84頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2023/8/17C.L.LiuG-M計(jì)數(shù)器坪長(zhǎng)小于某一數(shù)值（100V），就不能再用了；有機(jī)G-M計(jì)數(shù)管的壽命有限，約為108個(gè)計(jì)數(shù)。鹵素G-M管的工作電壓較低，坪長(zhǎng)較短。由于鹵素分子容易捕獲電子形成重負(fù)離子，因此探測(cè)效率也有所下降。鹵素分子分解為原子后，可以重新復(fù)合為鹵素分子，但會(huì)有一部分與陰極作用而消耗。鹵素G-M計(jì)數(shù)器的壽命很長(zhǎng)，約為109

1010個(gè)計(jì)數(shù)。第40頁(yè)，課件共84頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2023/8/17C.L.LiuG-M計(jì)數(shù)器正離子鞘的形成使陽(yáng)極附近的電場(chǎng)強(qiáng)度降低，不僅使雪崩放電被終止，而且對(duì)新進(jìn)入靈敏區(qū)的帶電粒子停止響應(yīng)。隨著正離子的漂移，中心電場(chǎng)逐漸恢復(fù)到維持放電的電場(chǎng)強(qiáng)度。這段時(shí)間稱為G-M計(jì)數(shù)管的死時(shí)間。當(dāng)正離子鞘全部消失，中心電場(chǎng)完全恢復(fù)，輸出脈沖的幅度達(dá)到正常值，這段時(shí)間稱為恢復(fù)時(shí)間。當(dāng)脈沖幅度達(dá)到定標(biāo)器的觸發(fā)閾而能正常計(jì)數(shù)所需的時(shí)間稱為G-M管的分辨時(shí)間。第41頁(yè)，課件共84頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2023/8/17C.L.LiuG-M計(jì)數(shù)器的時(shí)間特性死時(shí)間恢復(fù)時(shí)間分辨時(shí)間第42頁(yè)，課件共84頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2023/8/17C.L.LiuG-M計(jì)數(shù)管由于分辨時(shí)間的影響，在分辨時(shí)間內(nèi)進(jìn)入的離子被漏記。計(jì)數(shù)率越大，漏記越嚴(yán)重。計(jì)數(shù)率<6000cpm時(shí)，漏計(jì)數(shù)可以忽略。第43頁(yè)，課件共84頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2023/8/17C.L.Liu溫度對(duì)G-M計(jì)數(shù)管性能的影響第44頁(yè)，課件共84頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2023/8/17C.L.Liu溫度對(duì)G-M計(jì)數(shù)管性能的影響溫度太低，淬滅氣體凝聚，淬滅作用減弱；溫度太高，電極發(fā)射熱電子的幾率增加，使G-M管的坪斜增大，坪長(zhǎng)縮短，性能變差。有機(jī)G-M管：10600C（淬滅氣體為乙醇）

-20-500C（淬滅氣體為甲酸乙酯）鹵素G-M計(jì)數(shù)管：-60-700C（淬滅氣體為Cl2）

-55-600C（淬滅氣體為Br2）

第45頁(yè)，課件共84頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2023/8/17C.L.Liu閃爍探測(cè)器第46頁(yè)，課件共84頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2023/8/17C.L.Liu閃爍探測(cè)器核輻射與某些透明物質(zhì)相互作用；透明物質(zhì)電離和激發(fā)后發(fā)射熒光。應(yīng)用最廣泛的核輻射探測(cè)儀器之一；特點(diǎn):分辨時(shí)間短,對(duì)射線的探測(cè)效率高。測(cè)量能譜、活度、半衰期。閃爍體、光導(dǎo)和光電倍增管閃爍能譜儀的組成第47頁(yè)，課件共84頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2023/8/17C.L.Liu閃爍探測(cè)器核輻射與某些透明物質(zhì)相互作用；透明物質(zhì)電離和激發(fā)后發(fā)射熒光。應(yīng)用最廣泛的核輻射探測(cè)儀器之一；特點(diǎn):分辨時(shí)間短,對(duì)射線的探測(cè)效率高。測(cè)量能譜、活度、半衰期。閃爍體、光導(dǎo)和光電倍增管閃爍能譜儀的組成第48頁(yè)，課件共84頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2023/8/17C.L.Liu閃爍探測(cè)器閃爍體在核輻射的照射下能產(chǎn)生熒光的物質(zhì)——閃爍體無(wú)機(jī)閃爍體：

無(wú)機(jī)單晶閃爍體：NaI(Tl),CsI(Tl),LiI(Eu),Bi4Ge3O12(B.G.O.)

無(wú)機(jī)多晶閃爍體：ZnS(Ag)有機(jī)閃爍體：具有廣泛離域電子體系的有機(jī)化合物：

有機(jī)晶體閃爍體：蒽晶體，四苯丁二烯晶體，對(duì)聯(lián)三苯晶體；有機(jī)液體閃爍體：由溶劑（甲苯和二甲苯，有時(shí)添加一些二乙二醇單甲醚等物質(zhì)來(lái)增加與水的相容性）、第一閃爍體和第二閃爍體（波長(zhǎng)變換劑）組成第49頁(yè)，課件共84頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2023/8/17C.L.Liu閃爍探測(cè)器閃爍體第一閃爍體：聯(lián)三苯、第二閃爍體：PPOPDBPOPOP第50頁(yè)，課件共84頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2023/8/17C.L.LiuPPOPDBPOPOP2，5-二苯基惡唑2-苯基-5-（4-聯(lián)苯基）-3，4惡二唑1，4-二[（2-（5-苯基惡唑基）]苯閃爍探測(cè)器閃爍體第51頁(yè)，課件共84頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2023/8/17C.L.Liu閃爍探測(cè)器閃爍體塑料晶體：由溶劑、第一閃爍體和第二閃爍體組成。溶劑為聚苯乙烯或苯乙烯-二乙烯苯共聚物。第一和第二閃爍體與有機(jī)閃爍體相同。加載閃爍體：在閃爍體中加入Pb、Sn等高原子序數(shù)的元素以提高對(duì)射線的探測(cè)效率，或在閃爍體中加入中子吸收截面大的核素，如10B、6Li、157Gd等用于中子的探測(cè)第52頁(yè)，課件共84頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2023/8/17C.L.Liu閃爍體的發(fā)光機(jī)制(能帶理論）無(wú)機(jī)閃爍體的發(fā)光機(jī)制電子在晶格中具有分立的能帶；電子的高能級(jí)有價(jià)帶和導(dǎo)帶；處于價(jià)帶的電子被束縛在晶格內(nèi)，處于導(dǎo)帶的電子具有足夠的能量，可以在晶格內(nèi)自由運(yùn)動(dòng)；導(dǎo)帶和價(jià)帶之間為禁帶。第53頁(yè)，課件共84頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2023/8/17C.L.Liu閃爍體的發(fā)光機(jī)制（續(xù)）對(duì)于純晶體，禁帶不允許有電子存在。在電離輻射的作用下，電子吸收能量可以從價(jià)帶躍遷到導(dǎo)帶，在價(jià)帶留下空穴；電子從導(dǎo)帶退激到價(jià)帶，發(fā)射紫外光，這種能量的紫外光又可以把電子從價(jià)帶激發(fā)到導(dǎo)帶，即光被晶體自吸收。因此純晶體的光輸出很少，不能作為閃爍體。若在晶體中加入少量雜質(zhì)——激活劑，如在NaI晶體中加入Tl(I)，可改變純晶體的能級(jí)結(jié)構(gòu)。第54頁(yè)，課件共84頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2023/8/17C.L.Liu閃爍體的發(fā)光機(jī)制加入激活劑在禁帶中產(chǎn)生一些雜質(zhì)能級(jí)；若雜質(zhì)能級(jí)的激發(fā)態(tài)至基態(tài)為允許躍遷，就會(huì)以高幾率發(fā)射光子。激發(fā)態(tài)的平均發(fā)光衰減時(shí)間為10-7s；由雜質(zhì)能級(jí)的激發(fā)態(tài)退激到基態(tài)，產(chǎn)生可見(jiàn)光；上述過(guò)程稱為熒光過(guò)程。由于可見(jiàn)光的能量小于晶格的禁帶寬度，而且雜質(zhì)原子的數(shù)量又非常少，因此，摻雜晶體對(duì)這種可見(jiàn)光的自吸收很少，光輸出變大。因此，加入激活劑的晶體可以作為閃爍體。第55頁(yè)，課件共84頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2023/8/17C.L.Liu閃爍體的發(fā)光機(jī)制（續(xù)）對(duì)于NaI(Tl)晶體，產(chǎn)生一對(duì)電子—空穴對(duì)所需的平均能量為20eV；1MeV的帶電粒子平均可產(chǎn)生5104個(gè)電子—空穴對(duì)；若閃爍效率為13%,則1MeV的帶電粒子有1.3105eV的能量轉(zhuǎn)變?yōu)楣饽?。若每個(gè)光子的能量為3eV，則產(chǎn)生的光子數(shù)目為4.3104個(gè)。因此，一個(gè)電子—空穴對(duì)大約產(chǎn)生一個(gè)光子。第56頁(yè)，課件共84頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2023/8/17C.L.Liu有機(jī)閃爍體的發(fā)光機(jī)制第57頁(yè)，課件共84頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2023/8/17C.L.Liu有機(jī)閃爍體的發(fā)光機(jī)制有機(jī)閃爍體分子一般具有一定的對(duì)稱性質(zhì)，有離域的電子體系，分子的電子能級(jí)比σ電子能級(jí)高。自旋為0的單態(tài)能級(jí)為S0、S1、S2、S3

自旋為1的三重態(tài)能級(jí)為T1、T2、T3

每一電子能級(jí)又有一系列震動(dòng)能級(jí)，如S00表示單態(tài)電子的基態(tài)振動(dòng)態(tài)當(dāng)帶電粒子經(jīng)過(guò)有機(jī)分子附近時(shí)，電子吸收能量被激發(fā)到高能態(tài)，并很快通過(guò)無(wú)輻射躍遷退激到S1態(tài)，而震動(dòng)能量通過(guò)與周圍的熱交換損失掉，最后激發(fā)態(tài)都處于S10態(tài)。第58頁(yè)，課件共84頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2023/8/17C.L.Liu有機(jī)閃爍體的發(fā)光機(jī)制從S10到S0各態(tài)躍遷釋放光子的過(guò)程稱為熒光過(guò)程，平均發(fā)光衰減時(shí)間為10-9s，比無(wú)機(jī)閃爍體的熒光過(guò)程快2個(gè)數(shù)量級(jí)；不同自旋態(tài)的能級(jí)間可以通過(guò)自旋-耦合等機(jī)制實(shí)現(xiàn)態(tài)間串躍；S10通過(guò)態(tài)間串躍轉(zhuǎn)變?yōu)門1，T1到S0為磷光過(guò)程；激發(fā)吸收的能量大于退激發(fā)射的能量，因此有機(jī)閃爍體對(duì)光的自吸收非常小。第59頁(yè)，課件共84頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2023/8/17C.L.Liu有機(jī)閃爍體的發(fā)光機(jī)制第60頁(yè)，課件共84頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2023/8/17C.L.Liu閃爍體的閃爍效率入射粒子的能量轉(zhuǎn)變?yōu)榭梢?jiàn)光的份額定義為閃爍效率，閃爍效率越高，閃爍體越好。液態(tài)閃爍體或塑料閃爍體中的溶劑起到能量轉(zhuǎn)移作用，溶劑吸收能量，然后轉(zhuǎn)移給閃爍體分子，提高閃爍效率。少量的第二閃爍體可將第一閃爍體發(fā)射的光子（350400nm）吸收,發(fā)射420480nm的光子，發(fā)射效率接近100%；閃爍體對(duì)420480nm光子的自吸收更少，因此波長(zhǎng)為420480nm的光子能與光電倍增管的光陰極的光譜響應(yīng)配合而打出電子，提高閃爍探測(cè)器的輸出信號(hào)。第61頁(yè)，課件共84頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2023/8/17C.L.Liu閃爍體的選擇測(cè)量射線：用無(wú)窗或薄窗（鍍鋁塑料膜）的薄閃爍體，ZnS（Ag）,CsI(Tl);測(cè)量射線：多用塑料閃爍體，根據(jù)射線的能量選擇不同厚度；低能射線，可用液體閃爍體。測(cè)量射線：選擇高原子序數(shù)的閃爍體以提高對(duì)射線的探測(cè)效率，常用無(wú)機(jī)閃爍體：NaI(Tl),CsI(Tl),B.G.O.等。測(cè)量中子：主要通過(guò)中子核反應(yīng)產(chǎn)生的帶電粒子。常用有機(jī)閃爍體及添加B、Li、Gd等的閃爍體，如ZnS快慢中子屏，Li玻璃等；測(cè)量低能射線和X射線：常用薄Al窗或Be窗的NaI(Tl)或B.G.O.閃爍體。第62頁(yè)，課件共84頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2023/8/17C.L.Liu閃爍體的特點(diǎn)CsI(Tl)和B.G.O.不潮解，可做成無(wú)窗探頭，但價(jià)格較貴。NaI(Tl)易潮解，需要密封，但價(jià)格比較便宜。B.G.O.對(duì)高能射線的探測(cè)效率高，分辨本領(lǐng)好；對(duì)于1MeV以下的射線，B.G.O.閃爍體的能量分辨率不如NaI(Tl)閃爍體。第63頁(yè)，課件共84頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2023/8/17C.L.Liu光的收集與傳導(dǎo)自學(xué)第64頁(yè)，課件共84頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2023/8/17C.L.Liu閃爍譜儀第65頁(yè)，課件共84頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2023/8/17C.L.Liu閃爍探測(cè)器脈沖幅度的統(tǒng)計(jì)漲落和能量分辨率

用閃爍探測(cè)器探測(cè)單能粒子，輸出的脈沖幅度并不完全相同，具有一定的統(tǒng)計(jì)漲落；產(chǎn)生這種統(tǒng)計(jì)漲落的主要原因是：

1、閃爍體產(chǎn)生的光子數(shù)的統(tǒng)計(jì)漲落；

2、光陰極的光電轉(zhuǎn)換效率和光電子的傳輸效率的統(tǒng)計(jì)漲落；

3、放大倍數(shù)的統(tǒng)計(jì)漲落由于影響脈沖幅度的統(tǒng)計(jì)性因素很多，在進(jìn)行能量測(cè)量時(shí)就受到一定的限制。好的NaI（Tl)閃爍探測(cè)器對(duì)137Cs的662keV的射線的能量分辨率約為8%。第66頁(yè)，課件共84頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2023/8/17C.L.Liu閃爍譜儀的射線能譜分析

射線與物質(zhì)通過(guò)發(fā)生光電效應(yīng)、康普頓效應(yīng)和電子對(duì)效應(yīng)而產(chǎn)生電子；這些電子與閃爍體作用產(chǎn)生熒光，經(jīng)光電倍增管轉(zhuǎn)變?yōu)槊}沖信號(hào)；由于射線與物質(zhì)的多種作用機(jī)制，使得射線能譜具有復(fù)雜的譜形。第67頁(yè)，課件共84頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2023/8/17C.L.Liu閃爍譜儀的射線能譜分析當(dāng)射線在閃爍體內(nèi)發(fā)生光電效應(yīng)，光電子的能量全部損耗在閃爍體內(nèi)并產(chǎn)生熒光，其脈沖幅度對(duì)應(yīng)于射線的能量，分布近似于高斯分布，稱這種分布為光電峰或全能峰；當(dāng)射線在閃爍體內(nèi)發(fā)生康普頓散射，假如散射光子逸出閃爍體，而康普頓電子的能量全部損耗在閃爍體內(nèi)，由于康普頓電子的能量為從0到最大值之間的連續(xù)分布，對(duì)應(yīng)的脈沖幅度也是連續(xù)分布，成為康普頓散射坪臺(tái)；若經(jīng)康普頓散射的光子再與閃爍體發(fā)生光電效應(yīng)，其輸出脈沖則表現(xiàn)為對(duì)全能峰的貢獻(xiàn)。第68頁(yè)，課件共84頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2023/8/17C.L.Liu閃爍譜儀的射線能譜分析當(dāng)射線與閃爍體以外的物質(zhì)發(fā)生反(背)散射，反散射光子與閃爍體發(fā)生光電效應(yīng)，其脈沖對(duì)應(yīng)于反散射光子的能量，稱為反散射峰。137Ba因內(nèi)轉(zhuǎn)換產(chǎn)生32keV的特征X射線并損耗在閃爍體內(nèi)，在對(duì)應(yīng)于32keV處形成一個(gè)特征X射線的脈沖幅度分布，稱為特征X射線峰。如果同時(shí)測(cè)量?jī)蓚€(gè)以上的不同能量的射線能譜，最后得到的射線的能譜為其疊加。第69頁(yè)，課件共84頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2023/8/17C.L.Liu

射線能譜第70頁(yè)，課件共84頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2023/8/17C.L.Liu閃爍譜儀的射線能譜分析當(dāng)射線的能量大于1.02MeV時(shí)，還應(yīng)考慮電子對(duì)效應(yīng)對(duì)能譜的貢獻(xiàn)。若正電子在閃爍體內(nèi)湮滅，產(chǎn)生兩個(gè)能量為0.511MeV的湮滅輻射，其中一個(gè)0.511MeV的射線逃離閃爍體，另一個(gè)0.511MeV的射線全部損耗在閃爍體內(nèi)，則對(duì)脈沖幅度的貢獻(xiàn)應(yīng)在比全能峰小0.511Me