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1、第九章 闪烁探测器,Scintillation Detector,闪烁探测器是利用辐射在某些物质中产生的闪光来探测电离辐射的探测器。,高压,多道或单道,闪烁探测器的工作过程：,(1) 辐射射入闪烁体使闪烁体原子电离或激发，受激原子退激而发出波长在可见光波段的荧光。,(2) 荧光光子被收集到光电倍增管(PMT)的光阴极，通过光电效应打出光电子。,(3) 电子运动并倍增，并在阳极输出回路输出信号。,闪烁探测器可用来测量入射粒子的能量。,9.1 闪烁体,1、闪烁体的分类,1) 无机闪烁体：,玻璃体,纯晶体,无机晶体(掺杂),(锂玻璃),2) 有机闪烁体：有机晶体蒽晶体等；有机液体闪烁体及塑料闪烁体.
2、,3) 气体闪烁体：Ar、Xe等。,2、闪烁体的发光机制,1) 无机闪烁体的发光机制,重点分析掺杂的无机晶体，以NaI(Tl)，CsI(Tl),CsI(Na)属于离子晶体等为最典型，又称卤素碱金属晶体。,导带,价带,晶体的发光机制取决于整个晶体的电子能态。,晶体中电子的能态不再用原子能级表示，而用“能带”来描述。,激活剂,导带上的自由电子和价带空穴可以复合成激子，相反，激子也可以受热运动而变成自由电子空穴对。,对于离子晶体，辐射射入闪烁体使晶体原子电离和激发。,结果使得价带中的一些电子由原来位置跃迁过禁带而进入导带，成为自由电子，同时在价带中形成空穴。（电离）,电子也可能跃迁到较低的激带，这时
3、产生的电子空穴对称之为激子。激子只能在晶格中束缚在一起运动。（激发）,B）由于离子晶体禁带宽度大，退激发出的光子能量为紫外范围，一般光电倍增管的光阴极不能响应，这些发射的光子不能被有效利用。,退激过程将可能发出光子，也可能变成晶格振动能而不发光。,A）对纯离子晶体，退激发出的光子容易被晶体自吸收，传输到晶体外的光子很少；,出现的问题：,选择合适的杂质，使它的激发能级比晶体的导带、激带低，而基态比价态高。杂质能级成为发光中心。,解决办法：在晶体中掺入少量杂质。,称为“激活剂”的杂质在晶格形成特殊的晶格点，并在禁带中形成一些局部能级。,由于杂质的电离能小于典型晶格点的电离能，原子受激产生的电子、空
4、穴将迅速迁移到杂质能级的激发态和基态，即使杂质原子处于激发状态。,激发态的杂质原子有三种可能的退激方式：, 电子从激发态立即跳回基态，发射出光子，发光的衰减时间通常在10-7s以内，称为“荧光”。,荧光光子为可见光的范围，且有效地克服了发光的自吸收，使晶体的发射光谱和吸收光谱有效的分离。, 电子把激发能转换为晶格的振动(热运动)而到达价带，并不发射光子，这种过程称为“淬灭过程”。,2) 有机闪烁体的发光机制,有机闪烁体的发射光谱和吸收光谱的峰值是分开的，所以，有机闪烁体对其所发射的荧光是透明的。但发射谱的短波部分与吸收谱的长波部分有重叠，为此在有的有机闪烁体中加入移波剂，以减少自吸收。, 激发
5、态是亚稳态，电子可以在此状态保持一段较长的时间，像掉入陷阱一样。,这些电子可以从晶格振动中获得能量，重新跃迁到导带，然后再通过发射光子而退激，因而发光的衰减时间较长，称之为“磷光”。,3、闪烁体的物理特性,1) 发射光谱,特点：发射光谱为连续谱。各种闪烁体都存在一个最强波长；要注意发射光谱与光电倍增管光阴极的光谱响应是否匹配。,以NaI(Tl)为例：,2) 发光效率与光能产额,指闪烁体将所吸收的射线能量转化为光的比例。,发光效率：,Eph闪烁体发射光子的总能量；,E入射粒子损耗在闪烁体中的能量。,以NaI(Tl)为例,对1MeV的粒子，发射光子平均能量,光能产额：,nph为产生的闪烁光子总数。
6、,发光效率与光能产额的关系：,3) 发光衰减时间,受激过程大约,退激过程及闪烁体发光过程按指数规律,对于大多数无机晶体，t时刻单位时间发射光子数：,为发光衰减时间，即发光强度降为1/e所需时间。,对于大多数有机闪烁体及若干无机闪烁体的发光有快、慢两种成分：,快、慢两种成分的相对比例随入射粒子而变化 。,由总光子数,得到：,4、常用闪烁体,发光效率高，Z,高，适宜于射线探测。易潮解，须仔细封装。,不潮解，价贵。,塑料闪烁体,将 粉末加1%有机玻璃粉末溶于有机溶剂涂于有机玻璃板上，透明度差，薄层，测,粒子。,溶剂(二甲苯)+发光物质(PPO)+移波剂(POPOP)。放于玻璃或石英杯中。,有机液体闪
7、烁体,苯乙烯(单体)+ PPO + POPOP，聚合成塑料。,5、光的收集,1) 反射层,2) 光学耦合,常用于闪烁体与光电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，并再衬以或涂敷氧化镁或氧化钛白色粉末。,3) 光导,为防止光由光密介质到光疏介质发生的全反射，用折射系数 的硅脂(或硅油)。,9.2 光电倍增管,1、PMT的结构光电倍增管为电真空器件。,1) PMT的主要部件和工作原理,入射光,2) PMT的类型,(1) 外观的不同,(2) 根据光阴极形式,聚焦型,非聚焦型,(3) 根据电子倍增系统,具有较快的响应时间，用于时间测量或需要响应时间快的场合。,电子倍增系
8、数较大，多用于能谱测量系统。,直线结构,环状结构,百叶窗结构,盒栅型结构,2、PMT主要性能,1) 光阴极的光谱响应,光阴极受到光照后，发射光电子的概率是入射光波长的函数，称作“光谱响应”。,PMT增益,打拿极间电子传输效率,阳极灵敏度,阳极电流,2) 光照灵敏度,阴极灵敏度,(1)光阴极的热电子发射。,3) PMT 暗电流与噪声,当工作状态下的光电倍增管完全与光辐射隔绝时，其阳极仍能输出电流(暗电流)及脉冲信号(噪声)。,(2)残余气体的电离-离子反馈； 残余气体的激发-光子反馈。,(3)工艺-尖端放电及漏电,成因：,噪声能当量。当没有任何光子照射到光阴极上时可测得噪声谱即噪声输出脉冲幅度的
9、分布，当纵坐标取 n=50cps 时相应的脉冲幅度所相应的入射粒子能量，称为噪声能当量，单位是KeV。,阳极暗电流，实际上它是噪声脉冲信号电流的平均值，一般为10-610-10A。,指标：,4) PMT 的时间特性,飞行时间(渡越时间),一个光电子从光阴极到达阳极的平均时间。,渡越时间离散,到达阳极的每个电子都经历了不同的倍增过程和飞行距离，反映了飞行时间的涨落，是决定闪烁计数器分辨时间的限制因素。,：te的分布函数的半宽度,5) PMT 的稳定性,稳定性是指在恒定辐射源照射下，光电倍增管的阳极电流随时间的变化。,包含两部分：,短期稳定性，指建立稳定工作状态所需的时间。一般在开机后预热半小时才
10、开始正式工作。,长期稳定性：在工作达到稳定后，略有下降的慢变化，与管子的材料、工艺有关，同时与周围的环境温度有关。长期工作条件下，须采用“稳峰”措施。,3、PMT 使用中的几个问题,1) 光屏蔽，严禁加高压时曝光。,2) 高压极性：正高压和负高压供电方式。,正高压供电方式，缺点是脉冲输出要用耐高压的电容耦合，耐高压电容体积大，因而分布电容大。高压纹波也容易进入测量电路。,负高压供电方式，阳极是地电位，耦合方式简单，尤其在电流工作方式。但其阴极处于很高地负电位，需要注意阴极对处于地电位的光屏蔽外壳之间的绝缘。,3) 分压电阻,4) 最后几级的分压电阻上并联电容，以旁路掉脉动电流在分压电阻上的脉动
11、电压，达到稳定滤波的效果。,由于当电子在两个联极间运动时，会在分压电阻上流过脉动电流，必须保证脉动电流远小于由高压电源流经分压电阻的稳定电流，以保证各打拿极的电压稳定。这也对高压电源的功率提出了要求。,.闪烁探测器输出信号的物理过程及输出回路,.输出脉冲信号的电荷量,.闪烁探测器的电流脉冲信号,.闪烁探测器的电压脉冲信号,.闪烁探测器输出信号的涨落,9.3 闪烁探测器的输出信号,I.闪烁探测器输出信号的物理过程及输出回路,1. 闪烁探测器输出信号的过程,2. 闪烁探测器信号的输出回路,Ia,Ik,Ia,3. 输出回路的等效电路,输出回路的等效电路,II. 输出脉冲信号的电荷量,1、光电倍增管输
12、出信号的总电荷量取决于：,闪烁体发出的闪烁光子数：,光子被收集到光阴极上的概率：,光阴极的转换效率：,光电子被第一打拿极收集的概率：,光电倍增管总的倍增系数：,2、第一打拿极收集到的光电子数为：,3、阳极收集到的电子数为：,4、阳极收集到的总电荷量为：,可以看出，闪烁探测器输出脉冲信号的电荷量Q是与入射粒子在闪烁体内损耗的能量E成正比的.,即：,III. 闪烁探测器的电流脉冲信号,单位时间内闪烁体发出的光子数为：,单位时间内第一打拿极收集到的光电子数为：,1、单位时间内第一打拿极收集到的光电子数,2、单光电子引起的电流脉冲信号,面积,3、一次闪烁所引起的阳极电流脉冲,一次闪烁输出电流脉冲为,即
13、：,代入：,两边微分并整理,与,的卷积,闪烁探测器输出电流脉冲一般表达式的卷积形式,闪烁探测器输出电流脉冲一般表达式的微分形式,上式和卷积形式一样给出了输出电流脉冲与发光衰减时间,及单光电子电流响应,的关系。,在很多情况下，与,相比，,是一个非常窄的,用函数来近似,即：可设,时间函数，这时可以忽略电子飞行时间的涨落，,求解,则：,IV.闪烁探测器的电压脉冲信号,由等效电路,代入：,令：,可得：,1、当,短时间内：即,时,在,，但仍满足,经过较长时间，即,2、当,对,时,对,但仍满足,经过较长时间，即,电流脉冲型工作状态输出电压脉冲形状趋于电流脉冲的形状。,电压脉冲型工作状态输出电压脉冲形状为电
14、流脉冲在输出回路上的积分,电流脉冲,电压脉冲随,不变，,的变化规律。,结论：,电压脉冲幅度和宽度均随,不变，,增大而增大。,取 = 250ns，C0=1pF 分别取R0为：10K，100K，1M，10M，100M,电压脉冲随,不变，,的变化规律。,结论：,电压脉冲幅度随,不变，,增大而减小。,取=250ns，R0=100K， 分别取C0为：1pF，2.5pF，5pF，10pF,电压脉冲宽度随,增大而增大。,V.闪烁探测器输出信号的涨落,闪烁探测器输出信号正比于PMT阳极收集到的电子数,而,是由三个随机变量,串级而成的串级型随机变量。,遵守泊松分布,1、闪烁体发出的闪烁光子数 的涨落,一般近似认
15、为,则：,2、第一打拿极收集到的光电子数,的涨落,由,其中,为服从泊松分布的随机变量,为PMT的转换因子，为伯努利型随机变量,则：,正事件发生的概率。,可知：,是由,和,两个随机变量串级而成的,串级型随机变量。,3、阳极收集到的电子数,的涨落,由,倍增系数 M 是各打拿极的倍增因子,多级串级随机变量，,则,其他打拿极的倍增因子均为,则,如设,和,服从泊松分布,串级而成的,若第一打拿极的倍增因子为,由此可推算闪烁谱仪的能量分辨率极限值为：,修正结果：,输出信号小结：,1、闪烁探测器输出电荷量,2、闪烁探测器输出电流脉冲信号,3、闪烁探测器输出电压脉冲信号,由等效电路得：,求解得：,两种脉冲工作状态：电压脉冲和电流脉冲。,电压脉冲型工作状态,电流脉冲型工作状态,条件,脉冲前沿,脉冲幅度,脉冲后沿,慢：缺点,快：优点,大：优点,小：缺点,实际应用中，为得到较大幅度和较小宽度，取,且要尽量减小,4、闪烁探测器输出信号的涨落,多级串级随机变量的相对均方涨落,闪烁谱仪能量分辨率的极限：,9.4 单晶闪烁谱仪,1、闪烁谱仪的组成与工作原理,闪烁体、PMT以及配套的电子学仪器组成。,X或射线不带电，它与闪烁体的相互作用是通过三种次级效应实现的，它产生的次级电子的能谱是相当复杂的，因而由次级电子产生的输出脉冲幅度谱也是相当复杂的。,
