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1、毕业设计（论文）题 目LaBr3:Ce(5%)闪烁探测器的性能分析 英文题Performance nanlysis about LaBr3:Ce(5%)scintillation detector学生姓名 专 业 核工程与核技术班 级 指导教师 （教 授）二零一一年六月摘 要溴化镧晶体探测器是近年来发展起来的一种新型无机闪烁晶体。由于溴化镧晶体具有良好的时间特性，使之可能广泛运用于核物理飞行时间谱学、核医学仪器以及众多核业仪表中。最初生长的LaBr3:Ce3+晶体尺寸较小,最近几年,随着较大尺寸晶体的成功生长,晶体的商业化使用成为现实。LaBr3:Ce溴化镧探测器是一种新型闪烁体探测器，这种新
2、型探测器比NaI(Tl)探测器具有更高的能量分辨率，其能量分辨率接近于CZT 探测器，又因其大体积而有高探测效率，在能量为662keV时的能量分辨率为3%左右。关键字：溴化镧探测器；蒙特卡洛方法；能谱；闪烁探测器；能量分辨率；晶体尺寸ABSTRACTLaBr3:Ce(5%) scintillation detector has developed a new inorganic scintillator in recent year. Since LaBr3:Ce(5%) scintillation detector with good timing characteristics may b
3、e widely used to make the flight time spectrum of nuclear physics, nuclear medicine equipment and instruments in a number of the nuclear industry. Initial growth LaBr3: Ce3 crystals smaller in recent years, with the success of the larger size of the crystal growth, crystal commercial use become a re
4、ality. LaBr3: Ce detector is a new scintillation detector, the new detector has a higher energy resolution more than the NaI (Tl) detector, the energy resolution closed to the CZT detector, but also because its larger volume and higher detection efficiency, when the energy of 662keV energy resolutio
5、n of about 3%.Keyword：Lanthanum bromide detector； Monte Carlo method； energy spectrum；Scintillation detector； Energy resolution； Crystal size目 录绪论11射线与物质的相互作用31.1 射线与物质相互作用的一般特性31.2 光电效应31.3康普顿效应41.4电子对效应51.5 射线的吸收62闪烁体探测器72.1探测器的分类72.2闪烁探测器72.2.1概述72.2.2 闪烁体92.2.3 探测效率112.2.4 峰总比R(E)的定义及计算原理122.3 L
6、aBr3:Ce(5%)探测器性能简介132.3.1 溴化镧探测器能量响应132.3.2 溴化镧探测器固有本底谱143蒙特卡洛方法153.1蒙特卡洛方法简介153.2 蒙特卡罗方法的基本思想153.3蒙特卡罗方法解决粒子输运问题的一般过程153.4随机数的产生163.5 MCNP程序的特点163.6MCNP输入文件183.7 MCNP4C程序的F8卡、FT8卡和E8卡194计算模型及结果分析21结论27致谢28参考文献29附录A源程序30附录B实验数据-溴化镧晶体（3英寸）31附录C实验数据碘化钠晶体（3英寸）33东华理工的大学毕业设计（论文） 绪论绪论闪烁晶体产生至今，已广泛应用于多个领域，如
7、核物理、高能物理、天体物理、地质勘探、石油测井、核医学成像、工业无损检查等。总体上，衡量闪烁晶体的主要指标有密度、光产额、衰减时间、能量分辨率等几个方面，不同的领域对闪烁晶体的性能要求不尽相同，并随之产生了种类众多的闪烁体材料。闪烁体的种类按其化学性质可以分为两大类：一类是无机晶体闪烁体。通常是含有想、少量杂质（称为“激活剂”）的无机盐晶体，通常用的有碘化钠（铊激活）单晶体，即NaI(Tl);碘化铯（铊激活）单晶体即CsI(Tl)；硫化锌（银激活）多晶体，即ZnS(Ag)等。另一种是玻璃体，如铈激活锂玻璃LiO2.2SiO2(Ce)。此外，近年来还开发了不掺杂质的纯晶体，如溴化镧（LaBr3）
8、；锗酸铋（简称BGO）；钨酸镉（CdWO4，简称CWO）和氟化钡（Ba2）等。另一类是有机闪烁体。它们都是环碳氢化合物，又可分为三种：（1）有机晶体闪烁体。例如蒽、萘、对联三苯等有机晶体。（2）有机液体闪烁体。在有机液体溶剂（如甲苯、二甲苯）溶入中少量发光物质（如对联三苯），称第一发光物质，另外再溶入一些光谱波长转换剂（如POPO化合物）称为第二发光物质，组成有闪烁体性能的液体。（3）塑料闪烁体。他是在有机液体苯乙烯中加入第一发光物质对联三苯和第二发光物质POPO后，聚合成的塑料。以铈离子Ce3+激活的LaBr3(溴化镧)晶体LaBr3:Ce3+是近年来发展起来的一种新型无机闪烁晶体。2001
9、年E.V.D van Loef等人继2000年首次推出LaCl3:Ce3+晶体后，再次在国际上首次推出LaBr3:Ce3+晶体，后者对137Cs的662keV射线的能量分辨率小于3%,优于LaCl3:Ce3+3.3%的能量分辨率,更远远优于NaI(Tl)晶体6%7%的能量分辨率。而且其良好的时间特性，使之可能广泛运用于核物理飞行时间谱学、核医学仪器以及众多核业仪表中。最初生长的LaBr3:Ce3+晶体尺寸较小,最近几年,随着较大尺寸晶体的成功生长,晶体的商业化使用成为现实。本文中将涉及到两种闪烁晶体：NaI(TI)晶体和LaBr3:Ce晶体。NaI(TI)晶体密度较大（），而且高原子序数的碘（
10、Z=53）占重量的85%，所以对射线探测效率特别高，同时相对发光效率大。发射光谱最强波长为415nm左右，测量射线时能量分辨率是闪烁体中较好的一种。LaBr3:Ce溴化镧探测器是近年来出现的新型闪烁体探测器，这种新型探测器比NaI(Tl)探测器具有更高的能量分辨率，其能量分辨率接近于CZT 探测器，又因其大体积而有高探测效率，在能量为662keV时的能量分辨率大约为3%。在探测高能量射线时效率更高，该探测器还具有其它优点，比如高闪烁光输出同时短衰减时间。由于其良好的性能和易用性，使得LaBr3探测器在很多领域得到快速的应用。表1列出了LaBr3:Ce(5%)闪烁体与NaI(Tl)闪烁体的特性比
11、较。表1 LaBr3:Ce(5%)与NaI(Tl)闪烁体的性能比较性能参数LaBr3:Ce(5%)NaI(Tl)密度(g/cm3)5.293.67闪烁衰减时间(ns)16250光输出(光子/MeV)63,00038,000有效原子序数48.350能量分辨率(662keV)3%7%最强发射波长(nm)380415随着Ce参杂和晶体生长技术的发展，几百cm3的5%Ce参杂的溴化澜晶体已经被生长出来。目前市场上出现了(3inch3inch)LaBr3380型号的探测器，LaBr3380采用的是5%Ce参杂的LaBr3晶体。LaBr3:Ce探测器探测射线，主要是测量射线在LaBr3晶体中产生的次级电子
12、，这些次级电子在LaBr3晶体中损耗的能量与探测器产生的脉冲幅度成正比。而蒙特卡罗联合输运方法已经被证明能很好地模拟能谱，本文主要利用蒙特卡罗方法探索研究LaBr3:Ce(5%)探测器在能谱应用方面的性能，通过模拟程序提供的能峰高斯展宽能量脉冲卡分别对射线在LaBr3:Ce晶体和NaI(Tl)晶体中的脉冲高度分布进行理论计算，将模拟能谱与实验能谱进行比较分析；探索研究晶体尺寸对能量分辨率的影响；相同晶体尺寸下模拟计算不同入射能量射线的峰总比，比较LaBr3:Ce晶体与NaI(Tl)晶体在探测射线方面的性能及改变源距时峰总比的变化规律。由于没有可用的LaBr3:Ce探测器，只有借助于蒙特卡罗模拟
13、计算NaI(Tl)晶体和LaBr3:Ce晶体的峰总比值进行比较，进一步在理论上研究LaBr3:Ce探测器的探测效率。蒙特卡罗方法又名随机模拟法或统计试验法，它是一种具有独特风格的数值计算方法，它既能求解确定性的数学问题，也能求解随机性问题。蒙特卡罗方法是一种计算方法，但与一般数值计算方法有很大区别。它是以概率统计理论为基础的一种方法。由于蒙特卡罗方法能够比较逼真地描述事物的特点及物理实验过程，解决一些数值方法难以解决的问题，因而该方法的应用领域日趋广泛。蒙特卡罗方法由于其简单性、灵活性和普遍性在而获得广泛应用。尤其的在核物理上更是得到很大应用，20世纪80年代，Schlumberger、LAN
14、L和美国北卡罗来纳州立大学（NCSU）开始将蒙特卡罗方法用于核测井的模拟，取得很大的成功。35东华理工大学毕业设计（论文） 射线与物质的相互作用1 射线与物质的相互作用1.1 射线与物质相互作用的一般特性射线、轫致辐射、湮没辐射和特征X射线等，虽然它们的起源不一、能量大小不等，但都属电磁辐射。电磁辐射与物质相互作用的机制，与这些电磁辐射的起源是无关的，只与它们的能量有关，所以我们这里讨论的射线与物质的相互作用规律，对其它来源产生的电磁辐射也是适用的。射线与物质的相互作用和带点粒子与物质的相互作用有着显著的不同。光子不带电，它不像带电粒子那样直接与靶物质原子、电子发生库伦碰撞而使之电离或激发，或者与靶原子核发生碰撞导致弹性碰撞能量损失或辐射损失，因而不能像带电粒子那样用阻止本领 dE/dx和射程来描写光子在物质中的行为。带电粒子主要是通过连续地与物质原子的核外电子的许多次非弹性碰撞逐渐损失能量的，每一次碰撞中所转移的能量是很小的（小能量转移碰撞）。而光子与物质原子相互作用时，发生一次相互作用就导致损失其大部或者全部能量（大能量转移），光子不是完全消失就是大角度散射。射线与物质相互作用，可以有许多种方式
