核輻射物理及探測(cè)學(xué)課件-閃爍探測(cè)器

閃爍探測(cè)器

閃爍探測(cè)器是利用輻射在某些物質(zhì)中產(chǎn)生的閃光來探測(cè)電離輻射的探測(cè)器。閃爍體光電倍增管(打拿極)反射層管座分壓器高壓多道或單道光陰極陽(yáng)極熒光光子光電子暗盒窗前置放大器閃爍探測(cè)器的工作過程：(1)輻射射入閃爍體使閃爍體原子電離或激發(fā)，受激原子退激而發(fā)出波長(zhǎng)在可見光波段的熒光。(2)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。(3)電子運(yùn)動(dòng)并倍增，并在陽(yáng)極輸出回路輸出信號(hào)。閃爍探測(cè)器可用來測(cè)量入射粒子的能量。

9.1

閃爍體1、閃爍體的分類1)無機(jī)閃爍體：玻璃體純晶體無機(jī)晶體(摻雜)(鋰玻璃)2)有機(jī)閃爍體：有機(jī)晶體——蒽晶體等；有機(jī)液體閃爍體及塑料閃爍體.3)

氣體閃爍體：Ar、Xe等。2、閃爍體的發(fā)光機(jī)制1)

無機(jī)閃爍體的發(fā)光機(jī)制重點(diǎn)分析摻雜的無機(jī)晶體，以NaI(Tl)，CsI(Tl),CsI(Na)屬于離子晶體等為最典型，又稱鹵素堿金屬晶體。

禁帶導(dǎo)帶價(jià)帶激帶晶體的發(fā)光機(jī)制取決于整個(gè)晶體的電子能態(tài)。晶體中電子的能態(tài)不再用原子能級(jí)表示，而用“能帶”來描述。

激活劑導(dǎo)帶上的自由電子和價(jià)帶空穴可以復(fù)合成激子，相反，激子也可以受熱運(yùn)動(dòng)而變成自由電子－空穴對(duì)。對(duì)于離子晶體，輻射射入閃爍體使晶體原子電離和激發(fā)。結(jié)果使得價(jià)帶中的一些電子由原來位置躍遷過禁帶而進(jìn)入導(dǎo)帶，成為自由電子，同時(shí)在價(jià)帶中形成空穴。（電離）電子也可能躍遷到較低的激帶，這時(shí)產(chǎn)生的電子－空穴對(duì)稱之為激子。激子只能在晶格中束縛在一起運(yùn)動(dòng)。（激發(fā)）B）由于離子晶體禁帶寬度大，退激發(fā)出的光子能量為紫外范圍，一般光電倍增管的光陰極不能響應(yīng)，這些發(fā)射的光子不能被有效利用。

退激過程將可能發(fā)出光子，也可能變成晶格振動(dòng)能而不發(fā)光。A）對(duì)純離子晶體，退激發(fā)出的光子容易被晶體自吸收，傳輸?shù)骄w外的光子很少；出現(xiàn)的問題：選擇合適的雜質(zhì)，使它的激發(fā)能級(jí)比晶體的導(dǎo)帶、激帶低，而基態(tài)比價(jià)態(tài)高。雜質(zhì)能級(jí)成為發(fā)光中心。解決辦法：在晶體中摻入少量雜質(zhì)。稱為“激活劑”的雜質(zhì)在晶格形成特殊的晶格點(diǎn)，并在禁帶中形成一些局部能級(jí)。由于雜質(zhì)的電離能小于典型晶格點(diǎn)的電離能，原子受激產(chǎn)生的電子、空穴將迅速遷移到雜質(zhì)能級(jí)的激發(fā)態(tài)和基態(tài)，即使雜質(zhì)原子處于激發(fā)狀態(tài)。激發(fā)態(tài)的雜質(zhì)原子有三種可能的退激方式：①電子從激發(fā)態(tài)立即跳回基態(tài)，發(fā)射出光子，發(fā)光的衰減時(shí)間通常在10-7s以內(nèi)，稱為“熒光”。熒光光子為可見光的范圍，且有效地克服了發(fā)光的自吸收，使晶體的發(fā)射光譜和吸收光譜有效的分離。②電子把激發(fā)能轉(zhuǎn)換為晶格的振動(dòng)(熱運(yùn)動(dòng))而到達(dá)價(jià)帶，并不發(fā)射光子，這種過程稱為“淬滅過程”。2)有機(jī)閃爍體的發(fā)光機(jī)制有機(jī)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(jī)閃爍體對(duì)其所發(fā)射的熒光是透明的。但發(fā)射譜的短波部分與吸收譜的長(zhǎng)波部分有重疊，為此在有的有機(jī)閃爍體中加入移波劑，以減少自吸收。③激發(fā)態(tài)是亞穩(wěn)態(tài)，電子可以在此狀態(tài)保持一段較長(zhǎng)的時(shí)間，像掉入陷阱一樣。這些電子可以從晶格振動(dòng)中獲得能量，重新躍遷到導(dǎo)帶，然后再通過發(fā)射光子而退激，因而發(fā)光的衰減時(shí)間較長(zhǎng)，稱之為“磷光”。3、閃爍體的物理特性1)發(fā)射光譜特點(diǎn)：發(fā)射光譜為連續(xù)譜。各種閃爍體都存在一個(gè)最強(qiáng)波長(zhǎng)；要注意發(fā)射光譜與光電倍增管光陰極的光譜響應(yīng)是否匹配。以NaI(Tl)為例：對(duì)β粒子；對(duì)α粒子2)發(fā)光效率與光能產(chǎn)額指閃爍體將所吸收的射線能量轉(zhuǎn)化為光的比例。發(fā)光效率：Eph閃爍體發(fā)射光子的總能量；E入射粒子損耗在閃爍體中的能量。以NaI(Tl)為例對(duì)1MeV的β粒子，發(fā)射光子平均能量光能產(chǎn)額：nph為產(chǎn)生的閃爍光子總數(shù)。發(fā)光效率與光能產(chǎn)額的關(guān)系：3)發(fā)光衰減時(shí)間受激過程大約退激過程及閃爍體發(fā)光過程按指數(shù)規(guī)律對(duì)于大多數(shù)無機(jī)晶體，t時(shí)刻單位時(shí)間發(fā)射光子數(shù)：τ為發(fā)光衰減時(shí)間，即發(fā)光強(qiáng)度降為1/e所需時(shí)間。對(duì)于大多數(shù)有機(jī)閃爍體及若干無機(jī)閃爍體的發(fā)光有快、慢兩種成分：快、慢兩種成分的相對(duì)比例隨入射粒子而變化。由總光子數(shù)得到：4、常用閃爍體發(fā)光效率高，Z,

高，適宜于

射線探測(cè)。易潮解，須仔細(xì)封裝。

不潮解，價(jià)貴。塑料閃爍體將粉末加1%有機(jī)玻璃粉末溶于有機(jī)溶劑涂于有機(jī)玻璃板上，透明度差，薄層，測(cè)α,β粒子。溶劑(二甲苯)+發(fā)光物質(zhì)(PPO)+移波劑(POPOP)。放于玻璃或石英杯中。

有機(jī)液體閃爍體苯乙烯(單體)+

PPO+POPOP，聚合成塑料。5、光的收集1)反射層2)光學(xué)耦合常用于閃爍體與光電倍增管的尺寸不符或其它特殊需要。在非光子出射面打毛，致使光子漫反射，并再襯以或涂敷氧化鎂或氧化鈦白色粉末。3)光導(dǎo)為防止光由光密介質(zhì)到光疏介質(zhì)發(fā)生的全反射，用折射系數(shù)的硅脂(或硅油)。9.2光電倍增管1、PMT的結(jié)構(gòu)——光電倍增管為電真空器件。1)PMT的主要部件和工作原理

真空殼打拿極陽(yáng)極光電子軌跡入射光聚焦電極半透明光陰極2)PMT的類型

(1)外觀的不同(2)根據(jù)光陰極形式聚焦型非聚焦型(3)根據(jù)電子倍增系統(tǒng)具有較快的響應(yīng)時(shí)間，用于時(shí)間測(cè)量或需要響應(yīng)時(shí)間快的場(chǎng)合。電子倍增系數(shù)較大，多用于能譜測(cè)量系統(tǒng)。直線結(jié)構(gòu)環(huán)狀結(jié)構(gòu)百葉窗結(jié)構(gòu)盒柵型結(jié)構(gòu)2、PMT主要性能1)光陰極的光譜響應(yīng)光陰極受到光照后，發(fā)射光電子的概率是入射光波長(zhǎng)的函數(shù)，稱作“光譜響應(yīng)”。PMT增益打拿極間電子傳輸效率陽(yáng)極靈敏度陽(yáng)極電流2)光照靈敏度陰極靈敏度光陰極的光電子流光通量(1)光陰極的熱電子發(fā)射。3)

PMT暗電流與噪聲當(dāng)工作狀態(tài)下的光電倍增管完全與光輻射隔絕時(shí)，其陽(yáng)極仍能輸出電流(暗電流)及脈沖信號(hào)(噪聲)。(2)殘余氣體的電離----離子反饋；

殘余氣體的激發(fā)----光子反饋。(3)工藝----尖端放電及漏電成因：噪聲能當(dāng)量。當(dāng)沒有任何光子照射到光陰極上時(shí)可測(cè)得噪聲譜——即噪聲輸出脈沖幅度的分布，當(dāng)縱坐標(biāo)取n=50cps時(shí)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(dāng)量，單位是KeV。陽(yáng)極暗電流，實(shí)際上它是噪聲脈沖信號(hào)電流的平均值，一般為10-6～10-10A。指標(biāo)：4)

PMT的時(shí)間特性飛行時(shí)間(渡越時(shí)間)一個(gè)光電子從光陰極到達(dá)陽(yáng)極的平均時(shí)間。渡越時(shí)間離散到達(dá)陽(yáng)極的每個(gè)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(shí)間的漲落，是決定閃爍計(jì)數(shù)器分辨時(shí)間的限制因素。：te的分布函數(shù)的半寬度5)

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(yáng)極電流隨時(shí)間的變化。包含兩部分：短期穩(wěn)定性，指建立穩(wěn)定工作狀態(tài)所需的時(shí)間。一般在開機(jī)后預(yù)熱半小時(shí)才開始正式工作。長(zhǎng)期穩(wěn)定性：在工作達(dá)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(shí)與周圍的環(huán)境溫度有關(guān)。長(zhǎng)期工作條件下，須采用“穩(wěn)峰”措施。3、PMT使用中的幾個(gè)問題1)光屏蔽，嚴(yán)禁加高壓時(shí)曝光。2)高壓極性：正高壓和負(fù)高壓供電方式。正高壓供電方式，缺點(diǎn)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(jìn)入測(cè)量電路。負(fù)高壓供電方式，陽(yáng)極是地電位，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，需要注意陰極對(duì)處于地電位的光屏蔽外殼之間的絕緣。3)分壓電阻4)最后幾級(jí)的分壓電阻上并聯(lián)電容，以旁路掉脈動(dòng)電流在分壓電阻上的脈動(dòng)電壓，達(dá)到穩(wěn)定濾波的效果。由于當(dāng)電子在兩個(gè)聯(lián)極間運(yùn)動(dòng)時(shí)，會(huì)在分壓電阻上流過脈動(dòng)電流，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，以保證各打拿極的電壓穩(wěn)定。這也對(duì)高壓電源的功率提出了要求。Ⅰ.閃爍探測(cè)器輸出信號(hào)的物理過程及輸出回路Ⅱ.輸出脈沖信號(hào)的電荷量Ⅲ.閃爍探測(cè)器的電流脈沖信號(hào)Ⅳ.閃爍探測(cè)器的電壓脈沖信號(hào)Ⅴ.閃爍探測(cè)器輸出信號(hào)的漲落9.3閃爍探測(cè)器的輸出信號(hào)I.閃爍探測(cè)器輸出信號(hào)的物理過程及輸出回路1.閃爍探測(cè)器輸出信號(hào)的過程2.

閃爍探測(cè)器信號(hào)的輸出回路IaIkIa3.輸出回路的等效電路輸出回路的等效電路II.輸出脈沖信號(hào)的電荷量1、光電倍增管輸出信號(hào)的總電荷量取決于：閃爍體發(fā)出的閃爍光子數(shù)：光子被收集到光陰極上的概率：光陰極的轉(zhuǎn)換效率：光電子被第一打拿極收集的概率：光電倍增管總的倍增系數(shù)：2、第一打拿極收集到的光電子數(shù)為：3、陽(yáng)極收集到的電子數(shù)為：4、陽(yáng)極收集到的總電荷量為：可以看出，閃爍探測(cè)器輸出脈沖信號(hào)的電荷量Q是與入射粒子在閃爍體內(nèi)損耗的能量E成正比的.即：III.閃爍探測(cè)器的電流脈沖信號(hào)

單位時(shí)間內(nèi)閃爍體發(fā)出的光子數(shù)為：

單位時(shí)間內(nèi)第一打拿極收集到的光電子數(shù)為：

1、單位時(shí)間內(nèi)第一打拿極收集到的光電子數(shù)2、單光電子引起的電流脈沖信號(hào)

面積3、一次閃爍所引起的陽(yáng)極電流脈沖一次閃爍輸出電流脈沖為即：代入：兩邊微分并整理與的卷積閃爍探測(cè)器輸出電流脈沖一般表達(dá)式的卷積形式

閃爍探測(cè)器輸出電流脈沖一般表達(dá)式的微分形式

上式和卷積形式一樣給出了輸出電流脈沖與發(fā)光衰減時(shí)間及單光電子電流響應(yīng)的關(guān)系。

在很多情況下，與相比，是一個(gè)非常窄的用

函數(shù)來近似即：可設(shè)時(shí)間函數(shù)，這時(shí)可以忽略電子飛行時(shí)間的漲落，求解則：IV.閃爍探測(cè)器的電壓脈沖信號(hào)由等效電路代入：令：可得：1、當(dāng)短時(shí)間內(nèi)：即時(shí)在，但仍滿足經(jīng)過較長(zhǎng)時(shí)間，即2、當(dāng)對(duì)時(shí)對(duì),但仍滿足經(jīng)過較長(zhǎng)時(shí)間，即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

電流脈沖電壓脈沖隨不變，的變化規(guī)律。結(jié)論：電壓脈沖幅度和寬度均隨不變，增大而增大。取

=250ns，C0=1pF分別取R0為：10K，100K，1M，10M，100M電壓脈沖隨不變，的變化規(guī)律。結(jié)論：電壓脈沖幅度隨不變，增大而減小。取

=250ns，R0=100K，分別取C0為：1pF，2.5pF，5pF，10pF電壓脈沖寬度隨增大而增大。V.閃爍探測(cè)器輸出信號(hào)的漲落閃爍探測(cè)器輸出信號(hào)正比于PMT陽(yáng)極收集到的電子數(shù)而是由三個(gè)隨機(jī)變量串級(jí)而成的串級(jí)型隨機(jī)變量。遵守泊松分布

1、閃爍體發(fā)出的閃爍光子數(shù)

的漲落一般近似認(rèn)為

則：

2、第一打拿極收集到的光電子數(shù)的漲落由其中為服從泊松分布的隨機(jī)變量

為PMT的轉(zhuǎn)換因子，為伯努利型隨機(jī)變量則：正事件發(fā)生的概率。

可知：是由和兩個(gè)隨機(jī)變量串級(jí)而成的串級(jí)型隨機(jī)變量。3、陽(yáng)極收集到的電子數(shù)的漲落由倍增系數(shù)

M

是各打拿極的倍增因子多級(jí)串級(jí)隨機(jī)變量，則其他打拿極的倍增因子均為則如設(shè)和服從泊松分布串級(jí)而成的若第一打拿極的倍增因子為由此可推算閃爍譜儀的能量分辨率極限值為：修正結(jié)果：輸出信號(hào)小結(jié)：1、閃爍探測(cè)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(yáng)極收集到的電子數(shù)2、閃爍探測(cè)器輸出電流脈沖信號(hào)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(hào)3、閃爍探測(cè)器輸出電壓脈沖信號(hào)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(diǎn)快：優(yōu)點(diǎn)大：優(yōu)點(diǎn)小：缺點(diǎn)實(shí)際應(yīng)用中，為得到較大幅度和較小寬度，取且要盡量減小4、閃爍探測(cè)器輸出信號(hào)的漲落多級(jí)串級(jí)隨機(jī)變量的相對(duì)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(gè)泊松的串級(jí)）陽(yáng)極收集到的電子數(shù)的漲落閃爍譜儀能量分辨率的極限：9.4 單晶閃爍譜儀1、γ閃爍譜儀的組成與工作原理

閃爍體、PMT以及配套的電子學(xué)儀器組成。

X或γ射線不帶電，它與閃爍體的相互作用是通過三種次級(jí)效應(yīng)實(shí)現(xiàn)的，它產(chǎn)生的次級(jí)電子的能譜是相當(dāng)復(fù)雜的，因而由次級(jí)電子產(chǎn)生的輸出脈沖幅度譜也是相當(dāng)復(fù)雜的。以NaI(Tl)閃爍晶體的單晶γ閃爍譜儀為例。2、單能射線的輸出脈沖幅度譜1)單能

射線在閃爍體內(nèi)產(chǎn)生的次電子譜

射線與物質(zhì)的相互作用：光電效應(yīng)：康普頓散射：電子對(duì)效應(yīng)：光子消失，產(chǎn)生光電子散射光子，反沖電子光子消失，產(chǎn)生正負(fù)電子對(duì)正電子湮沒產(chǎn)生兩個(gè)0.511MeV的湮沒光子。光電吸收逃逸的散射

光子單次Compton散射逃逸的湮沒光子電子對(duì)效應(yīng)(1)小晶體。尺寸小于1cm?？烧J(rèn)為由入射

光子產(chǎn)生的次級(jí)Compton光子或電子對(duì)效應(yīng)中產(chǎn)生的正電子湮沒光子這些次級(jí)輻射離開閃爍體，不再與閃爍體發(fā)生相互作用。全能峰(光電峰)Compton連續(xù)譜Compton邊沿全能峰(光電峰)Compton連續(xù)譜雙逃逸峰(2)

無限大晶體次級(jí)光子帶走的能量也最終轉(zhuǎn)化為次級(jí)電子的能量，因此單能

光子入射后所產(chǎn)生的總的次級(jí)電子能量就等于入射

光子的能量。光電吸收Compton散射電子對(duì)效應(yīng)全能峰(3)中等大小晶體光電吸收多次散射后逃逸的

光子Compton散射單逃逸湮沒光子電子對(duì)產(chǎn)生次級(jí)效應(yīng)中產(chǎn)生的光子部分逃出閃爍體。全能峰(光電峰)多次Compton散射全能峰(光電峰)多次Compton散射單逃逸峰雙逃逸峰圖中各部分的面積與入射單能

光子產(chǎn)生各種效應(yīng)的截面有關(guān)，也與閃爍體的大小有關(guān)。閃爍體越大，光電峰的面積越大or越?。?)單能

射線輸出脈沖幅度譜，首先取決于入射

光子所產(chǎn)生的次級(jí)電子能譜。因此單能

射線的輸出脈沖幅度譜基本如上面所示的形狀，但是存在一定差別。(1)由于統(tǒng)計(jì)漲落引起的展寬③②淹沒峰反散射峰①特征X射線峰(2)閃爍體周圍物質(zhì)的影響(3)PMT的噪聲特征X射線光電吸收Compton散射淹沒光子③①②3)

幾個(gè)典型單能

射線譜3、NaI(Tl)單晶γ射線譜儀的性能1)響應(yīng)函數(shù)--閃爍譜儀對(duì)某單能γ射線的脈沖幅度譜。