4-第四章-闪烁探测器分析

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1、闪烁体探测器兰州大学兰州大学核科学与技术学院核科学与技术学院闪烁体探测器的历史： 1911年卢瑟福（Rutherford）在他的大角散射实验中，以硫化锌屏为闪烁体，使用这种方法数出散射粒子的数量，最终导致了原子核式结构模型的建立。当时就是通过显微镜用肉眼直接观察粒子在硫化锌荧光屏上产生的微弱闪光。 1944年柯伦（Curran）和贝克（Baker）用光电倍增管替代了肉眼的作用，以后卡尔曼（Kallmann）用萘取代了小而薄的硫化锌晶体，这两种替换使闪烁探测法发生了巨大的变化，使其有可能探测、记录并用电子学方法分析由单个核辐射产生的脉冲。 闪烁体探测器主要由闪烁体、光电倍增管和相应的电子学仪器三

2、部分组成。闪烁体：对射线灵敏并能产生闪烁光 产生的光子向四面八方发射出去，一般光谱范围从可见光到紫外光反射层：把反射物质包在闪烁体周围，使光子集中向光电倍增管方向射出光电倍增管：由光阴极、若干打拿极和阳极组成光阴极：闪烁体产生的光子在光阴极上发生光电效应，产生的光电子在打拿极间加速及聚焦。闪烁体和光阴极间需加光耦合剂。光阳极：收集倍增后的光电子，并建立起电信号，通过起阻抗匹配作用的射极跟随器输入到后续的电子学仪器中第一节： 概 述 第二节： 闪 烁 体 第三节： 电 子 倍 增 器 件 第四节： 闪 烁 计 数 器本章主要内容本章节课后习题作业 我们通常将闪烁体、光电倍增管和分压器及射极跟随器

3、安装在一个暗盒中，统称为探头。探头中有时在光电倍增管周围包以起磁屏蔽作用的坡莫合金，防止外界磁场透入管子中。 电子仪器组成单元根据闪烁探测器用途而异，常用的有 高 (低)压电源、线性放大器、单道或多道分析器。闪烁探测器的工作过程可分为以下五个步骤 射线进入闪烁体，发生相互作用，闪烁体吸收带电粒子的能量使原子、分子电离激发 受激原子、分子退激时发射荧光分子 利用反射物和光导将闪烁光子尽可能多地收集到光电倍增管的光阴极上，由于光电效应，光子在光阴极上击出光电子 光电子在光电倍增管中倍增，数量由一个增加到104-109个，电子流在阳极负载上产生电信号 信号由电子仪器记录和分析返回一、闪烁体的种类：一

4、、闪烁体的种类：1.有机闪烁体发光机制有机闪烁体发光机制 有机闪烁体发光机制有多种解释，各有所长。由于有机晶体分子间结构松弛，有机闪烁体的发光过程是由单个分子的能级结构决定的，与其物理状态(晶体或溶液)无关。有机晶体大多数由聚合或联苯环构成，苯环碳的四个价电子中，只有两三个与分子的结合很紧密，它们占据了所谓的分子轨道，剩余的电子占据了所谓的分子轨道，可以在分子内自由运动。发光过程主要是由电子跃迁引起的。无机晶体的闪烁过程决定于材料晶格结构与组分的能态(能带与杂质能级等)。这二者有很大的不同。 具有电子结构的有机分子能级单一态（自旋为0）三重态（自旋为1）从S0到T1禁戒的一种可能：从S1跳回基

5、态发出荧光，约1ns。多余的能量转变为电子的振动，以热能的形式带走，称为焠息过程。另一种可能：从S1跳到三重态T1，T1为亚稳态（寿命约0.1s）再调回基态，发出磷光（ms), 由于两个振动能态之间的能量间隔大于平均热运动能量(0.025eV)，在室温下几乎所有的分子都处于S00态。 入射带电粒子穿过上述有机分子附近并损失能量，使有机分子的电子跃上较高的能态。被激发的较高的单一态电子通过无辐射的内转换迅速地(约10-12s)退激到S1电子态。而且，具有多余振动能量的任一电子态(例如S11或S12)又迅速地失去多余的能量与周围分子达到热平衡。由于分子振动周期仅10-12s，这一过程也是极快的。总

6、之，在一简单的有机晶体中，入射带电粒子产生激发的总效果就是经过一段可忽略的短时间后，产生了处于S10态的激发分子群。处于s10态的激发分子群按一定的平均寿命跃回基态并同时发出光子。设用表示s10态的平均寿命，则激发后t时刻单位时间内发射的光子数可表示为 I=I0e-t/其中I0为t0时刻单位时间内从s10态跃回基态而发出的光子数。一般是10-810-9s量级，故由s10跃回基态的发光过程是相当快的，称作荧光。基态s0相应于不同的振动态而具有s00、s01、s03、等能级。当分子由激发态s10跃回基态时，其发射光子的能量为s10与s00、s01、s03等能级的差值。这就决定了荧光的光谱(域称作“

7、发射光谱”)。一般，这都是在可见光与紫外光区域。有机晶体闪烁体： 蒽；茋；萘；对联三苯等有机液体闪烁体：在有机溶剂中溶入少量发光物质，称第一第一发光物质，另外再溶入一些光谱波长转换剂称为第二类发光物质，组成的闪烁体性能的液体。塑料闪烁体：在有机液体苯乙烯中加入第一类发光物质对联三苯和第二发光物质POPOP后聚合形成的塑料。有机闪烁体的种类：有机闪烁体的种类：除此以外，还有利用氩、氙等惰性气体作为气体闪烁体，用作记录裂变产物和重粒子的探测器。 2.无机晶体闪烁体的发光机制无机晶体闪烁体的发光机制 无机闪烁晶体的发光机制取决于整个晶体内的电子能态，而不是由单个分子或原子的能级跃迁决定。我们知道，在

8、晶体中，物质原子的电子发生“公有化”效应，它们将不再从属于某个原子，而是属于整个晶体。这些电子的能态不再用原子能级表示，而是用“能带”来描写。如图所示当辐射离子进入闪烁体使晶体原子当辐射离子进入闪烁体使晶体原子电离电离和和激发激发。电离：电离：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。带，成为自由电子，同时在价带中形成空穴。激发：激发：电子也可能跃迁到较低的激带，这时产生的电子空穴对称电子也可能跃迁到较低的激带，这时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。之为激子。激子只能

9、在晶格中束缚在一起运动。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。受热运动而变成自由电子空穴对。退激过程将可能发出退激过程将可能发出光子光子，也可能变成晶格振动能而，也可能变成晶格振动能而不发光不发光。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；的光子很少；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

10、光子不能被有效利用。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。在晶体中掺入少量的在晶体中掺入少量的合适的合适的杂质杂质，让，让它的激发能级比晶体的它的激发能级比晶体的导带、激带导带、激带低低，而基态比价态，而基态比价态高高。称为称为“激活剂激活剂”的杂质在晶格形成特殊的晶格点，并在禁带的杂质在晶格形成特殊的晶格点，并在禁带中形成一些中形成一些局部能级局部能级，杂质能级就成了，杂质能级就成了发光中心发光中心。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、空穴将迅速迁移到杂质能级的激发态和基态，即使的电子、空穴将迅速

11、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。杂质原子处于激发状态。激发态的杂质原子有三种可能的激发态的杂质原子有三种可能的退激方式退激方式退激方式退激方式： 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10-10-7 7s s以内，称为以内，称为“荧光荧光荧光荧光”。荧光光子为。荧光光子为可见光可见光可见光可见光的范围的范围，且有效地，且有效地克服克服克服克服了发光了发光的的自吸收自吸收自吸收自吸收，使晶体的发射光谱和吸收光谱有效的分离。，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电子

12、把激发能转换为晶格的振动( (热运动热运动) )而到达价带，并不发射光子，而到达价带，并不发射光子，这种过程称为这种过程称为“淬灭过程淬灭过程淬灭过程淬灭过程”。 激发态是激发态是亚稳态亚稳态亚稳态亚稳态，电子可以在此状态保持一段较长的时间，像掉入陷，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，因而发光的通过发射光子而退激，因而发光的衰减时间较长衰减时间较长衰减时间较长衰减时间较长，称之为，称之为“磷光磷光磷光磷光”。有些。有些陷阱中的电子仅有热运

13、动不能跳入导带，必须由外界给予能量（如加热、陷阱中的电子仅有热运动不能跳入导带，必须由外界给予能量（如加热、光照），这叫光照），这叫热释发光和光释放光热释发光和光释放光。无机晶体闪烁体的种类：无机晶体闪烁体的种类： 掺有少量激活剂的无机盐晶体： 碘化钠（铊激活）NaI（Tl）；碘化铯（铊激活）CsI（Tl） 硫化锌（银激活）ZnS（Ag） 玻璃体： 锂玻璃（铈激活） LiO22SiO2（Ce） 不掺杂纯晶体： 锗酸铋（BGO）；钨酸镉（CWO）；氟化钡（BaF2）二、闪烁体的物理性质二、闪烁体的物理性质1.1.发射光谱发射光谱 闪烁体受核辐射激发后所发射的光并不是单色的，而是一个连续带。对于每

14、种闪烁体，总可找到一、两种波长的光，它的发射概率最大，整个光谱是以该波长为中心的一个或数个发射带。闪烁体的技术说明书上往往给出这个峰位处的波长，称为“发射光谱最强波长” 了解不同闪烁体的发射光谱，主要是为了解决闪烁体与光电倍增管光谱响应的匹配问题。几种典型闪烁体的发射光谱2. 发光效率发光效率 发光效率是指闪烁体将吸收的射线能量转变为光的比例。一般使用以下三个量来描述。光能产额光能产额：核辐射在闪烁体中损失单位能量闪烁发射的光子数。当粒子在闪烁体中损失的能量为E，闪烁过程发出的总光子数为nph时，则光能产额它的单位是光子数/兆电子伏（1/MeV）。1/Y表示在闪烁体中每产生一个光子所消耗的核辐

15、射能量。绝对闪烁效率：绝对闪烁效率：在一次闪烁中，产生的闪烁光子总能量与核辐射损耗在闪烁体中的能量之比相对发光效率：相对发光效率：使用一种核辐射在不同闪烁体中损失相同能量，测量它们的相对脉冲输出幅度或电流进行比较。一般以蒽作为标准，如对射线蒽的相对发光率取，则NaI（Tl）为2.3。.发光时间和发光衰减时间发光时间和发光衰减时间闪烁体发光时间包括闪烁脉冲的上升时间和衰减时间两部分。上升时间主要包括带电粒子在闪烁体中耗尽能量所需时间（一般小于）以及闪烁体内电子激发的时间（很短，可忽略）。闪烁体受激后，电子退激发光一般服从指数衰减规律。单位时间发出的光子数（发光强度）： 经过时间0，脉冲下降到最大

16、值的1/e，称为闪烁体的发光衰减时间，也称为衰减常数。 上述公式对大多数无机闪烁体是正确的，其中0为微小量级。然而对大多数有机闪烁体和少数无机晶体，上式并不正确。实验表明有机闪烁体的发光衰减过程有快、慢两种成分，其衰减规律可表示为： f和s分别为快、慢两种成分的发光衰减时间； f为ns量级s约为数十至数百ns量级，If和Is分别为快、慢成分的发光强度。闪烁体闪烁体f f(ns)(ns)s s (ns)(ns)BaF20.6620芪芪6.2370蒽蒽33370液闪液闪2.4200 对于高强度测量或时间测量的闪烁体，应该要求有尽可能短的发光衰减时间。除了以上几点，使用闪烁体探测器还应考虑以下性质1

17、. 探测效率；2. 闪烁体透明度高，尽可能无缺陷，光学均匀度好；3. 可加工性能。易于加工成各种大小和几何形状；4. 闪烁体的发光效率、分辨率和时间特性和温度有关，一般产品说明书中可以查到闪烁体的特性随温度变化的测量值；5. 耐辐照的稳定性；三、几种主要闪烁体三、几种主要闪烁体1.NaI(Tl)1.NaI(Tl)晶体晶体密度大(3. 67 gcm3)，含有高原子序数的元素碘，平均原子序数为53，光电效应、康普顿效应和电子对效应的作用截面大，又能制成大体积，对射线和x射线有较大的阻止本领和探测效率，是目前探测射线最好的闪烁体。能量转换效率高，存NaI中加入0.10.5的Tl时，发光效率最好，相对

18、蒽晶体为230。室温下主峰位波长为4100 A，半高宽约850 A。它的吸收谱峰值在2930A和2340A，因而对发射的光是透明的，与光电倍增管的匹配较好。室温下发光衰减时间为230 ns。对于质子和电子，NaI(Tl)晶体的光输出与能量的关系基本上是线性的，只有在低能时偏离线件关系。但是对于重离子，其能量线性响应较差。制备简单，可以加工成各种形状，常用的是圆柱形(最大750250)、井形、环形、薄片形等。NaI(T1)晶体的最大缺点是容易潮解，吸收空气中水分后会发黄变质而不能使用，所以必须封装在带有光学玻璃窗的容器中，这就给低能测量和重离子测量带来困难。其机械强度差，使用时要防止剧烈振动和冲

19、冲击。对温度变化很灵敏，正常使用温度为-1045，环境温度变化不得超过5h，否则晶体会碎裂。使用完毕，要避光贮存在干燥器皿中。碘化钠晶体封装示意图 NaI(Tl)晶体可做成井型晶体，放射源放入此井内，几何条件接近4立体角，对测量弱放射源十分有利。2. CsI(Tl)晶体晶体 CsI(Tl)晶体在空气中不潮解，容易加工成薄片，其主要优点在于：1. 不会潮解，无需封装，使用方便；2. 密度比NaI更大，探测效率高；3. 容易做成极薄的蒸发薄膜，对重带电粒子阻止本领高；4. 机械强度大，耐冲击及振动，耐温度冲击而不易破裂；5. 可在混合场中甄别不同粒子； CsI(Tl)晶体的不足之处是光输出小，对射

20、线能量分辨差，价格昂贵。3. ZnS(Ag)ZnS(Ag)闪烁体闪烁体 ZnS(Ag)发光效率极高，对重带电粒子组织本领大，质量厚度为15mg/cm2的ZnS(Ag)层对210Po的粒子探测效率几乎为100%，但对射线极不灵敏，因此适合在、本底场中用幅度甄别方法测量、p等带电粒子。缺点是ZnS层是半透明的，只能作 强度测量。4. BGO4. BGO晶体晶体 BGO晶体为1975年开发出来的一种优良闪烁体，分子式 Bi4 Ge 3O12 ，BGO晶体对X光和射线的线性吸收系数比NaI(Tl)大得多（见图），对低能X射线和高能射线有特别高的效率。5氟化钡(BaF2)和氟化铈(CeF3)晶体 氟化钡

21、(BaF2)和氟化铈(CeF3)晶体都是快晶体。所谓快晶体是指晶体体具有非常短的发光衰减时间。BaF2晶体是已知最快的闪烁晶体，三个发光峰的波长为195 nm，220 nm和310 nm，对应的发光衰减时间分别为0.87 ns，0.88 ns和600 ns。通过特制的KCsTe或RbTe光电倍增管可以滤掉慢成分而得到近于纯的快成分信号。 与BaF2晶体相比，CeF3晶体具有更高的密度、有两个快成分、无慢成分等优点。 氟化钏(BaF2)和氟化铈(CeF3)晶体主要用于探测x射线和射线。用氟化钡( BaF2)和氟化铈(CeF3)晶体做成的XCT已用于核医学成像。6钨酸铅(PWO)晶体 钨酸铅晶体为

22、无色透明晶体，化学分子式为PbWO4，简写为PWO，折射率为2.16，密度为8.28 gcm3，发射光谱主峰位在4 0005 000 A，易于与光电倍增管匹配。辐射长度为0.89 cm，莫里哀半径为2.2 cm。小潮解，抗辐照。其最大的缺点是光产额较低。它主要应用于高能粒子物理实验中，如CERN的大型强子对撞机LHC上的CMS实验组采用钨酸铅闪烁晶体做电磁量能器，共需约七万根长23 cm的钨酸铅晶体。7. 7. 锂玻璃闪烁体锂玻璃闪烁体 锂玻璃闪烁体是一种铈激活的含锂硅酸盐玻璃，广泛用于中子探测。用LiO22SiO2（Ce）表示，密度为2.31,最强发射波长为395nm，发光衰减时间0=507

23、0nm，介于有机闪烁体和无机晶体之间。他的相对光输出相当低，（仅为蒽的20%-30%），但它可以用于恶劣的环境下测量和射线强度。丰度90%以上的6Li锂玻璃用于中子测量。由于玻璃中含有天然放射性核素钍和钾，所以不宜用于低水平测量7. 7. 其它闪烁体其它闪烁体有机晶体蒽和茋 蒽晶体是所有有机闪烁体中发光效率最高的，适合快中子和射线的探测。茋晶体的光输出较小，但发光衰减时间小，仅6ns，多数用来进行快速时间测量。液体闪烁体 主要用来测量中子及射线，最主要的优点是可将待测放射性物质溶于液体闪烁体，造成4几何条件，效率很高。塑料闪烁体 可测量、快中子、质子、宇宙射线及裂变碎片，耐辐射性能极好。 四、

24、闪烁体的选择四、闪烁体的选择1. 一般测量强度时用ZnS(Ag)闪烁体或CsI(Tl)晶体；测量射线和中子时用有机闪烁体，大多用塑料闪烁体，或液体有机闪烁体；测量射线用NaI(Tl)或CsI(Tl)晶体，对低能X射线或高能则用BGO。2. 闪烁体的发射光谱应尽可能好地和所用光电倍增管的光谱响应配合，以获得高的光电子产额。3. 闪烁体对所测的粒子有较大阻止本领，使入射粒子在闪烁体中损耗较多的能量。4. 闪烁体的发光效率足够高，有较好的透明度和较小的折射率以使闪烁体发射的光子尽量被收集到光电倍增管的光阴极上。5. 在作时间分辨计数或短寿命放射性活度测量中，应该取发光衰减时间短及能量转化效率高的闪烁

25、体。6. 作为能谱测量时，要考虑发光效率对能量响应的线性范围。五、光的收集与光导五、光的收集与光导1.反射层2. 反射层的作用是把闪烁体中向四周发射的光有效地吸收到光阴极上。一般用作反射层的材料有：氧化镁、二氧化钛、铝箔、镀铝朔料薄膜，聚四氟乙烯带子等。2. 光学耦合剂 闪烁体与光阴极接触的界面中存在空气，为了尽量减小光线在交界面上发生全反射，需要在闪烁体与光电倍增管之间加上一层“耦合剂”，作用是减少光在界面发生全反射。光学耦合剂有硅油、硅脂、甘油、真空泵油等。3. 光导 光导的作用是有效地把光传递给光电倍增管的光阴极。返回光电倍增管光电倍增管一、光电倍增管的工作原理：一、光电倍增管的工作原理

26、： 从闪烁体出来的光子通过光导射向光电倍增管的光阴极，由于光电效应，在光阴极上打出光电子 光电子经电子光学输入系统加速、聚焦后射向第一打拿极，每个光电子在打拿极上击出几个电子，这些电子射向第二打拿极，再经倍增射向第三打拿极，直到最后一个打拿极，最后射向阳极，并在阳极建立电信号输出。 光阴极是接收光子并放出光电子的电极，一般是在真空中把阴极材料蒸发在光学窗的内表面上，形成半透明的端窗阴极；或蒸发在管壳内侧面和光窗的内表面上形成半透明的四面窗阴极；有的蒸发在离管壳内一定距离处的金属基底上，形成不透明阴极 光阴极产生的光电子经过电子光学输入系统的加速，聚焦被收集到打拿极D1上，进行倍增放大。对于大面

27、积的光阴极和要求较好的时间特性的管子，输入系统是要认真考虑的。n光阴极：光阴极：以碱金属为主要成分，要求光电效应概率大，光电子逸出功小。常用的光阴极材料种类：锑铯化合物（Sb-Cs），光谱350nm-650nm，电阻比双碱低，适于大电流流过光阴极的场合，主要用于反射型光阴极。双碱（Sb-Rb-Cs，Sb-K-Cs与Sb-Cs）灵敏度高，暗电流小。光谱300nm-550nm。另一种双碱（Sb-Na-K），耐高温175，用于石油勘探等高温场合。室温下暗电流非常小，用于单粒子测量和低噪声测量。Cs-I对太阳光不灵敏，灵敏波长115nm-200nm。多碱（Cs-Na-K-Cs），从紫外到850nm的宽

28、光谱，多用于氮氧化合物的化学发光探测。Ag-O-Cs,300nm-1200nm,用于红外探测。n光学窗：光学窗：有端面窗、侧面窗、凹面窗、球面窗等。常用有端面窗、侧面窗、凹面窗、球面窗等。常用材料有钙玻璃、硼硅玻璃、透紫玻璃、合成石英、蓝宝石、材料有钙玻璃、硼硅玻璃、透紫玻璃、合成石英、蓝宝石、氟化镁晶体、氟化锂等。氟化镁晶体、氟化锂等。n打拿极：打拿极：二次发射系数大，热电子及光电子发射小，大电流工作时稳定性好，能有效收集由前一级来的二次电子，并能有效地将其倍增产生的二次电子送到下一级。n阳极：阳极：最后收集电子并给出电信号的电极，阳极要求采用电子脱出功较大的材料，如镍、钼、铌等，一般做成网

29、状。具有位置探测功能的十字形金属丝阳极和88（64个像素、1616（256个像素）阵列多阳极。 光电倍增管可分为“聚焦性”和“非聚焦性”两类1.聚焦性；聚焦性结构的电子渡越时间分散小，时间分辨好，能量分辨好。脉冲线性电流大，极间电压的改变对增益的影响大，适用于要求时间响应较快的闪烁计数器。环环状状聚聚焦焦性性直直线线聚聚焦焦性性国产国产GDB30、35、19美国美国RCA型型2. 非聚焦性百叶窗式百叶窗式盒栅式盒栅式度越时间及其分散都较大。优点：度越时间及其分散都较大。优点：暗电流小输出电流大，能量分辨好。暗电流小输出电流大，能量分辨好。大部分国产管子和英国大部分国产管子和英国EMI。时间和能

30、量特性都差，但结构简单，时间和能量特性都差，但结构简单，易于制造。多用于一般的技术测量。易于制造。多用于一般的技术测量。3 . 微通道板微通道板 通道电子倍增器分为单通道电子倍增器（通道电子倍增器分为单通道电子倍增器（Channeltron CEM)和和多通道电子倍增器（多通道电子倍增器（Multichannel MCP 称微通道板）两大类。称微通道板）两大类。通道电子倍增器：长度远大于直径的空心管道构成，通道内表通道电子倍增器：长度远大于直径的空心管道构成，通道内表面电阻大面电阻大1091011，二次，二次电电子子发发射系数射系数3.当两端加高压时，当两端加高压时，形成连续的倍增极。形成连续

31、的倍增极。形状大致有两种：直线型和弯管型。形状大致有两种：直线型和弯管型。3kV材料要求：二次电子发射系数材料要求：二次电子发射系数大；电阻层均匀合适；化学稳大；电阻层均匀合适；化学稳定性好；蒸气压低。常用材料定性好；蒸气压低。常用材料玻璃半导体、陶瓷半导体和有玻璃半导体、陶瓷半导体和有机半导体。机半导体。 微通道板是微通道板是20世纪世纪70年代在单通道电子倍增器的基础年代在单通道电子倍增器的基础上发展起来的。由于通道电子倍增器的增益仅与通道长度与上发展起来的。由于通道电子倍增器的增益仅与通道长度与直径之比有关，而与管子的直径大小无关，所以可以把管子直径之比有关，而与管子的直径大小无关，所以

32、可以把管子缩小到工艺所能达到的程度，即微通道。典型的通道长度与缩小到工艺所能达到的程度，即微通道。典型的通道长度与直径之比为直径之比为40，在每平方厘米的面积上可以做到，在每平方厘米的面积上可以做到50万个直万个直径为径为15m的通道。的通道。 通道板具有通道板具有结结构构简单简单、尺寸小、增益高、尺寸小、增益高、时间时间响响应应快快和空和空间间分辨高等特点。分辨高等特点。 在微通道板前面加一在微通道板前面加一块块光阴极板，便做成光光阴极板，便做成光电电倍增管。倍增管。和光和光电电倍增管比倍增管比较较，增益和能量分辨没有太大的改，增益和能量分辨没有太大的改进进，但，但时时间间特性要好很多。另外

33、，特性要好很多。另外，对对磁磁场场不敏感。不敏感。 二、分压器二、分压器光电倍增管中各电极电位由外加电阻分压器抽头供给正高压电路负高压电路A型的特点是阴极和第一打拿极之间有很高的电压(几乎占全部供电电压的四分之一)，这样第一打拿极的倍增系数(1)很大，对能量分辨、整个光电倍增管的增益都是有利的。其他极间电压维持一常数。所以A型有较大的增益，适合于能量分辨测量或做触发计数器。 （高增益型）（高增益型）对B型，极问电压值逐步升高，特别是最后几级打拿极及阳极，极间电压很高，这就减少了空间电荷及负脉冲引起的电压下降的影响，因而有较好的输出电流线性。这里，阴极和第一打拿极之间的电压还不到全部电压的七分之

34、一，因而增益变小了。（线性型）（线性型）对C型，阴极和第一打拿级之间电压较高(占全部电压五分之一左右)，最后两级极问电压也较高，这样的条件有利于电子的收集，减少渡越时间涨落，即具有较好的时间分辨特性，适于做飞行时间测量。 （时间型）（时间型）1.1. 阴极阴极- -第一打拿极之间的电压：第一打拿极之间的电压：维持阴极与第一打拿极之间适当高的电压有利于提高信噪比和能量分辨率。适当调整它们之间的电位分布，可以使大部分光电子都能顺利到达第一打拿极有效面上，从而获得最大的收集效率gc。2.2. 中间打拿极：中间打拿极：一般采用均匀分压器，其电压绝对值大小可根据需要的放大倍数调节。3.3. 最末几级打拿

35、极间电压：最末几级打拿极间电压：使用非均匀分压器使最末二、三级打拿极之间有较高的电压，以避免空间电荷效应。为了在最后几个打拿极上因脉冲电流过大而使极间电压下降，在分压电阻上并联旁路电容。4.4. 末级打拿极和阳极之间电压：末级打拿极和阳极之间电压：阳极仅收集电子，打拿极和阳极之间电压一般取得较低。分压器的电阻应该具有小的温度系数和较高的稳定性，实际耗散功率比额定功率小。三、主要指标三、主要指标1.光电转换特性光电转换特性 光阴极的光谱响应：光阴极受到光照射后发射光电子的概率是波长的函数，称为光谱响应。光阴极上发射光电子数和光阴极上发射光电子数和入射光子数的比值称为量子转入射光子数的比值称为量子

36、转换效率，简称量子效率，它是换效率，简称量子效率，它是波长的函数，用波长的函数，用Qk()表示。表示。不同光阴极发射层和窗材料的光谱响应见右图。 光阴极光照灵敏度：实际操作中用一定光通量F的白光照射阴极所能获得的光电子流ik称为光阴极光照灵敏度。2.电子倍增特性电子倍增特性3. 光电倍增管的放大倍数M:从光阴极射出，到达第一打拿极的一个电子，经过多次倍增后在阳极得到的电子数。 阳极接收到的电子数第一打拿极收集到的电子数在理想情况下一般可写成： 是平均的二次发射系数，n为打拿极级数。如果打拿极电子传递效率为g则： 阳极光照灵敏度S：阳极电流is入射到阴极的光通量3.噪声或暗电流噪声或暗电流4.热

37、发射;5.欧姆漏电;6.残余气体电离;7.场致发射;8.切伦科夫光子；9.玻璃管壳放电和玻璃荧光；10.光阴极曝光；11.光阴极曝光；4. 光电倍增管时间特性光电倍增管时间特性 光电倍增管光阴极接收光信号并不能立即建立电信号，光电子从光阴极到达阳极的时间称为光电倍增管的渡越时间。 光电倍增管脉冲上升时间tr：应用函数光源照射阴极，从阳极电流脉冲前沿峰值的10%上升到90%所需要的时间。脉冲的半高宽为时间响应宽度tpm。 渡越时间：函数光源的闪光到达阴极瞬间与阳极输出脉冲到达峰值时刻之间的时间间隔。 光电倍增管时间分辨本领：多次重复用函数光源照射光阴极，渡越时间谱最大值一半处的全宽度，它限制了光

38、电倍增管对事件发生时刻的精确测量。返回 闪烁体耦合光电倍增管，配以电子学仪器，就是闪烁计数器。其应用可归结为： 1.能谱测量；2.强度测量；3.时间测量；4.计量测量；闪烁计数器:一、闪烁体探测器的脉冲输出一、闪烁体探测器的脉冲输出 核辐射进入闪烁体，到光电倍增管阳极负载建立电压脉冲，一共经历五个过程：1. 闪烁体中带电粒子或者射线产生次级电子引起闪烁体电离、激发。设入射粒子能量为E0，则在闪烁体中损失的能量 2.E=E0 A3. A表示入射粒子能量留在闪烁体中的份额。2.损失在闪烁体中的能量E使闪烁体发射光子 因为发光效率是波长的函数，定义微分发光（闪烁）效率微分发光（闪烁）效率Cnp()d

39、，即闪烁产生的光子波长在+d之间的光子能量与E之比。发光总效率为： 同时，闪烁体发射光子的光谱形状Ps()由下式决定：a为归一化常数 【 Cnp()表示损失单位能量，发射波长为的光子的能量】在闪烁体中产生的波长为+d之间的光子数为：发射的总光子数为上式积分或写成为对发射光谱光子的平均能量3.闪烁光子不能全部到达光阴极，其损失有三种可能： 闪烁体壁的吸收; 闪烁体对荧光光子的自吸收； 光导系统中的吸收及全反射；能够到达光阴极的光子数为Fphnph。Fph为光阴极的收集效率收集效率。4.光子到达光阴极，然后发射光电子，所产生的光电子数为： dnek=FphQk()dnphQk()为光阴极对波长为的

40、光子的量子效率（即量子效率（即转换效率）效率）。若第一打拿极的收集效率收集效率为gc（一般为0.9），则第一打拿极收集到的光电子为 dne= gc dnek第一打拿极在一次闪烁过程中收集到的总电子数为：积分项用以表示量度闪烁体发射光谱与光阴极量子效率之间的匹配程度。 NaI(Tl)、CsI(Tl)和BGO发光光谱与S-11材料做成的光阴极的光电倍增之间的匹配情况 由图知，覆盖或重叠部分越大，匹配越好，输出的光电子越多，脉冲幅度越大。可将ne改写为：ne表达式为：积分项就是量子效率Qk（）对发射光谱的平均值因此其中，为平均光电转换效率光电转换效率。5. 第一打拿极上收集的光电子经过光电倍增管放大

41、M倍，在阳极上所收集到的总电荷 e为电子电荷。 考虑到闪烁体发射的总光子数nph和光电倍增管放大倍数M都有涨落，故：可以看出，闪烁探测器输出脉冲信号的电荷量可以看出，闪烁探测器输出脉冲信号的电荷量q q与入射粒子在与入射粒子在闪烁体内损耗的能量闪烁体内损耗的能量E E成正比的。成正比的。为了获得较大的脉冲幅度和较高的能量分辨率：增大闪烁体的体积使A增大；选择发光效率Cnp大的闪烁体；选择反射系数大的反射层以及性能良好的光导系统，提高光子的收集效率Fph ；调整光电倍增管前几级的分压电阻，使静电聚焦系统获得尽可能大的收集效率gc ；选择与闪烁体匹配较好的光电倍增管，尽可能增大Qk。输出脉冲信号的

42、输出脉冲信号的电荷量电荷量电荷量电荷量1 1、光电倍增管输出信号的光电倍增管输出信号的总电荷量总电荷量总电荷量总电荷量取决于取决于：闪烁体发出的闪烁体发出的闪烁光子数闪烁光子数闪烁光子数闪烁光子数：光子被光子被收集到光阴极收集到光阴极收集到光阴极收集到光阴极上的上的概率概率概率概率：光阴极光阴极的的转换效率转换效率转换效率转换效率：光电子被光电子被第一打拿极第一打拿极收集的收集的概率概率：光电倍增管总的光电倍增管总的倍增系数倍增系数倍增系数倍增系数：2 2、第一打拿极第一打拿极收集到的收集到的光电子数光电子数光电子数光电子数为：为：3 3、阳极阳极收集到的收集到的电子数电子数电子数电子数为：为

43、：4 4、阳极阳极收集到的收集到的总电荷量总电荷量总电荷量总电荷量为：为：可以看出，闪烁探测器输出脉冲信号的可以看出，闪烁探测器输出脉冲信号的电荷量电荷量Q是与入射粒子是与入射粒子在在闪烁体内损耗的能量闪烁体内损耗的能量E成成正比正比的的. .即：即：即：即：闪烁探测器的闪烁探测器的电流脉冲电流脉冲电流脉冲电流脉冲信号信号: :u 单位时间内单位时间内闪烁体发出闪烁体发出的的光子数光子数光子数光子数为：为： u 单位时间内单位时间内第一打拿极第一打拿极收集到的收集到的光电子数光电子数光电子数光电子数为：为： 1 1 1 1、单位时间内单位时间内第一打拿极第一打拿极第一打拿极第一打拿极收集到的收

44、集到的光电子数光电子数光电子数光电子数2 2 2 2、单光电子单光电子单光电子单光电子引起的引起的电流脉冲电流脉冲电流脉冲电流脉冲信号信号 面积面积3 3、一次闪烁一次闪烁所引起的所引起的阳极电流脉冲阳极电流脉冲阳极电流脉冲阳极电流脉冲一次闪烁一次闪烁输出输出电流脉冲电流脉冲为为即：即：即：即：代入：代入：代入：代入：两边微分并整理两边微分并整理两边微分并整理两边微分并整理与与的的卷积卷积卷积卷积闪烁探测器输出闪烁探测器输出电电流脉冲流脉冲一般表达式一般表达式的的卷积形式卷积形式 T T为平均光电转为平均光电转换效率，换效率，为发为发光衰减光衰减时间时间。闪烁探测器输出闪烁探测器输出电流脉冲电

45、流脉冲一般一般表达式的表达式的微分形式微分形式 上式和卷积形式一样给出了输出上式和卷积形式一样给出了输出电流脉冲电流脉冲与与发光衰减时间发光衰减时间及及单光电子电流响应单光电子电流响应的关系。的关系。 在很多情况下，与在很多情况下，与相比，相比，是一个非常窄的是一个非常窄的时间函数，时间函数，用用 函数函数来近似来近似即：可设即：可设这时可以这时可以忽略电子飞行时间的涨落，忽略电子飞行时间的涨落，求求解解则：则：闪烁探测器的闪烁探测器的电压脉冲电压脉冲电压脉冲电压脉冲信号信号代入：代入：代入：代入：令：令：令：令：由由由由等效电等效电等效电等效电路路路路可得：可得：可得：可得：1 1 1 1、

46、当、当、当、当短时间短时间内：即内：即时时时时在在，但仍满足，但仍满足经过经过较长时间较长时间，即，即2 2 2 2、当当当当对对时时时时对对,但仍满足但仍满足经过经过较长时间较长时间，即，即电流脉冲型工作状态电流脉冲型工作状态输出输出电压脉冲电压脉冲形状形状趋于电流脉趋于电流脉冲冲的形状的形状。 电压脉冲型工作状态电压脉冲型工作状态输出输出电压脉冲电压脉冲形状为电流脉冲形状为电流脉冲在输出回路上的在输出回路上的积分积分 电流脉冲电流脉冲不变，不变，电压脉冲电压脉冲电压脉冲电压脉冲随随的变化规律。的变化规律。结论：结论：结论：结论： C C C C0 0 0 0不变，电压脉冲不变，电压脉冲不变

47、，电压脉冲不变，电压脉冲幅度幅度幅度幅度和和和和宽宽宽宽度度度度均随均随均随均随R R R R0 0 0 0增大而增大增大而增大增大而增大增大而增大。取取 = 250ns = 250ns，C C0 0=1pF=1pF分别取分别取R R0 0为：为：10K10K，100K100K，1M1M，10M10M，100M100M电压脉冲随电压脉冲随电压脉冲随电压脉冲随不变，不变，不变，不变，的变化规律。的变化规律。的变化规律。的变化规律。结论：结论：结论：结论：电压脉冲电压脉冲电压脉冲电压脉冲幅度幅度幅度幅度随随随随不变，不变，不变，不变，增大而减小增大而减小增大而减小增大而减小。取取 =250ns=2

48、50ns，R R0 0=100K=100K，分别取分别取C C0 0为：为：1pF1pF，2.5pF2.5pF，5pF5pF，10pF10pF电压脉冲电压脉冲电压脉冲电压脉冲宽度宽度宽度宽度随随随随增大而增大增大而增大增大而增大增大而增大。二、二、NaI(Tl)单晶单晶谱仪谱仪1.NaI(Tl)晶体谱仪组成单元2. 闪烁探头；3. 高压电源；4. 线性放大器；5. 脉冲幅度分析器；2. 响应问题 射线与物质相互作用时可能发生三种相互作用：光电效应、康普顿散射效应和电子对效应。这三种效应均在NaI(Tl)晶体中产生闪烁发光。由于单能射线所产生的三种次级电子能量各不相同，因此相应一种单能射线，闪烁

49、体探头输出的脉冲幅度谱也是连续的。 当初始光子在NaI(Tl)晶体中，首先发生的效应是康普顿效应时，散射光子有两种可能性：或逃逸出晶体，或继续在晶体中产生次级效应。若逃逸，则留下反冲电子形成的能谱；若留在晶体中，则所有后次级效应产生的光电子能量与首次康普顿效应产生的光电子能量之和正好等于原始射线能量。3. 一个典型的NaI(Tl)谱仪测到的137Cs源的0.662MeV能谱 最右边的峰A称为全能峰，这一脉冲幅度直接反映射线能量；平台状曲线B就是康普顿散射效应的贡献；峰C是反射峰，反散射光子能量总是在200keV左右；峰D是X射线峰；4. 射线能量比较高的情况 此时出现电子对效应，以24Na源为

50、例，它将放出两种能量的射线，即E=1.38MeV和2.76MeV，图中最右边的峰为 射线产生的2.76MeV的全能峰，此时主要产生电子对效应，电子对动能消耗在NaI(Tl)中用以闪烁发光，当正电子动能耗尽时，它与NaI(Tl)晶体中原子的电子产生湮灭作用，转化为两个光子，称为湮灭光子。两个光子能量全部消耗在晶体中，能量累积于全能峰上。 两个湮灭光子只有一个逃逸出闪烁体，形成单逃逸峰。 两个湮灭光子全部逃逸，形成双逃逸峰。三、时间特性三、时间特性 光电倍增管阳极脉冲在时间上相对于核辐射进入闪烁体时刻有所延迟，波形也将展宽，主要是由闪烁体发光衰减时间，光电倍增管的渡越时间及其分散，外电路时间常数三

51、个因素决定。详细内容请参见核电子学四、能量分辨率四、能量分辨率以NaI(Tl)闪烁谱仪为例子讨论全能峰上计数随道数变化近似服从正态分布射线全能峰的分辨率（Vp为脉冲振幅）其中 E.Breitenberger根据级联事件统计理论算出闪烁体探头输出脉冲幅度分布相对方差有下式决定暂时不考虑M和T和第三项的贡献则相应的能量分辨率可写成考虑光电倍增管M涨落的贡献若第一打拿极二次发射系数1和后面各级二次发射系数相同上式就等于1/（-1）于是E.Breitenberger公式第一项对能量分辨率贡献为实际上人们将闪烁探头总分辨率近似写成以下形式由公式可以看出即随着能量增加，分辨率越来越好NaI(Tl)闪烁谱仪分辨率和能量关系返回作业作业P1331； 4； 8； 9； 10；2.2.2.2. 闪烁探测器信号的输出回路闪烁探测器信号的输出回路闪烁探测器信号的输出回路闪烁探测器信号的输出回路IaIkIa3.3.3.3. 输输输输出出出出回回回回路路路路的等效电路的等效电路的等效电路的等效电路输出回路的等效电路输出回路的等效电路输出回路的等效电路输出回路的等效电路