闪烁探测器深入分析

辐射的穿透能力•气体探测器的五个工作区电离室正比计数管G-M计数器工作区域饱和区正比区盖革-弥勒区工作原理原电离电子和离子被电极收集阳极附近电子雪崩（次电离）产生的电子和离子被收集除了次电离外，光电效应和二次电子发射也起作用。气体内形成自持放电。输出脉冲脉冲与原电离密切相关，电子脉冲电离室输出脉冲幅度与原电离地点有关，要采取相应措施。脉冲与原电离关系不大，主要由增殖的电子离子来决定。幅度与原电离地点无关，主要是倍增正离子的贡献有机管脉冲主要是倍增正离子的贡献，卤素管中电子脉冲的贡献要大一些电源要求稳定性要求不高（1%）稳定性高（0.1%）稳定性要求不高（1%）功能能量能量、计数计数脉冲电离室正比计数管计数器能量分辨原电离统计涨落决定了能量分辨的下限由于倍增过程，电离统计涨落比电离室增大约一倍不做能谱测量坪特性分辨时间主要由脉冲宽度决定离子脉冲电离室：ms电子脉冲电离室：s主要由脉冲宽度决定采用脉冲成型等技术后，可以小到1s左右以死时间为主，一般为几百s量级。时滞（时间分辨本领）电流脉冲没有时滞，电压脉冲要超出电子仪器的阈值，由于上升时间和阈值的涨落，电压脉冲的时滞也是涨落不定的。初始电子从产生处漂移到阳极附近所需要的时间。由于入射位置的随机性，时滞也是随机的，为s量级。时间分辨本领也是此量级。入射粒子所产生的电子从产生出漂移到阳极附件的雪崩区域所需时间，为1-4*10-7s。时间分辨一般在s量级，采取特殊措施后，可达10-7s探测效率带电粒子100%带电粒子100%，光子1%带电粒子100%，光子1%三种气体探测器性能比较需要考虑脉冲幅度和电压的关系M随电压的变化闪烁探测器ScintillationDetector利用辐射在某些物质中产生的闪光来探测射线（电离辐射）的探测器。1.电磁辐射入射（）次级电子使闪烁体激发2.带电粒子入射入射粒子及次级电子使闪烁体分子激发3.中子入射通过中子反应产生带电粒子（如反冲质子）使闪烁体激发x、带电粒子使闪烁体激发，再退激发出光子射线与探测物质（闪烁体）分子作用，使其激发，退激时发出大量光子，通过光电倍增管把光子转化为电信号。工作原理闪烁探测器由闪烁体、光电倍增管、电子学仪器组成闪烁探测器组成示意图闪烁探头闪烁体光电倍增管(打拿极)反射层管座分压器高压多道或单道光阴极阳极荧光光子光电子暗盒窗前置放大器有时包有坡莫合金，磁屏蔽，减小外界磁场对电子运动的影响。1.闪烁体分子电离和激发2.退激、放出荧光3.光收集及光电子产生4.光电子倍增5.电信号的处理和记录一．闪烁体二．光电倍增管三．闪烁探测器闪烁探测器工作过程闪烁体光电倍增管电子学闪烁探头闪烁体闪烁体有机闪烁体有机液体闪烁体塑料闪烁体无机闪烁体ZnS(Ag)NaI(Tl)、无机盐晶体(Ce)2SiOLiO22玻璃体2BaFBGO、纯晶体)(蒽，萘，芪有机晶体闪烁体的物理特性1.发射光谱：与光电倍增管的光谱响应配合2.发光效率：闪烁体将吸收的射线能量转变为光能的比例。1)光能产额：辐射在闪烁体中损失单位能量闪烁发射的光子数。phphnYE2)绝对闪烁效率：能量转换效率。phphECE3)相对发光效率：相同核辐射在不同闪烁体中损失相同的能量，输出脉冲幅度或电流的比值。发光效率越大越好，输出脉冲大，且统计涨落小，改善分辨率；在能谱测量时，为了线性好，要求发光效率对辐射的能量在相当宽的范围内为一常数。光子数/MeV闪烁光脉冲中包含的光子数：闪烁体受激后，电子退激发光过程按指数规律，即单位时间发出的光子数：入射粒子耗尽能量的时间和闪烁体中电子激发时间：0)0()(tphphentnNaI(Tl)晶体：0=0.23s。00)0()0(0phtphphndtenn00)(tphphentn所以，s11910103.发光衰减时间：对大多数无机闪烁体是正确的，衰减时间在微秒量级。对大多数有机晶体和少数无机晶体，sftsstffenentn)(闪烁体f(ns)s(s)BaF20.60.62CsI(Tl)101.0芪6.20.37蒽330.37液体闪烁体2.40.20快、慢两种成分快成分在纳秒量级，慢成分在微秒量级。有机闪烁体：)()()()(enennnfsfs一些无机闪烁体：)()()()(enennnfsfs可以用作n甑别。快、慢两种成分的相对比例随入射粒子的种类而变化。芪4.探测效率：与入射粒子种类、闪烁体形状和大小；闪烁体材料的N和Z等有关5.光学性能：透明度高、无缺陷、光学均匀度好等等易于加工、温度效应等探测效率高，发光效率高探测效率最高，发光效率低最快测量中子1.根据所测射线种类、强度及能量来选择种类、尺寸；2.与光电倍增管配合；3.阻止本领大，入射粒子能损越大越好；4.发光效率及光学性能；5.时间分辨或短寿命测量中，要求发光衰减时间短；6.能谱测量，发光效率线性好。闪烁体的选择原则目的：将闪烁体发出的光尽可能多地、均匀地收集到光电倍增管的光阴极上。1.反射层：把闪烁体中向四周发射的光有效地收集到光阴极上2.光学耦合剂：避免由于空气存在全反射硅油等闪烁体尺寸与光电倍增管合适时采用3.光导：有机玻璃，石英玻璃等闪烁体与光电倍增管（尺寸或形状不合适时）二者无法配合强磁场中；空间限制，要将光电倍增管放在比较远的地方光的收集与光导返回作用：将闪烁体发出的光子转换为电子，并进行倍增。一．基本原理和构造二．种类三．分压器四．主要指标光电倍增管光电子发射效率高二次电子发射系数大,，热电子和光电子发射系数小。电子电离能较大真空壳打拿极光电子轨迹入射光聚焦电极半透明光阴极阳极1、基本原理和构造：电子光学电子收集效率高(1)外观的不同(2)根据光阴极形式2、种类：聚焦型：时间性能好，适用于时间较快闪烁探测器非聚焦型：脉冲幅度分辨较好，闪烁能谱测量(3)根据电子倍增系统提高信噪比和能量分辨率a）电子光学：提高收集效率b）时间测量：电压越高越好，减小渡越时间均匀分压a）较高电压，减小空间电荷效应b）加旁路电容电压较低3、分压器：•分压器电阻具有小的温度系数和较高的稳定性；•总分压电阻值要适当的小，保证打拿极间电压在有粒子入射时基本不变。分压器的要求4、光电倍增管的主要指标：1)光阴极的光谱响应：光电转换特性光阴极受到光照射后发射光电子的几率是波长的函数，叫做光阴极的光谱响应。光阴极光谱响应需要与闪烁体发射光谱匹配。量子效率：入射光子数发射电子数)(kQdPdPQSSk)()()(phekknnQ平均量子效率：kkiSF:()kiA光电子流Lm（光通量）2)光阴极光照灵敏度（实用上）白光灵敏度；蓝光灵敏度；红光灵敏度g为打拿集之间电子传递效率；是平均二次发射系数；n为打拿极级数。第一打拿极光电子收集效率1)光电倍增管放大倍数2)阳极光照灵敏度（实用上）电子倍增特性861010ngMFiMSgSAKcA入射到阴极的光通量阳极电流trpmt面积eM)(tp2et1et3eteMt0.10.9rt时间特性渡越时间分散—时间分辨本领，聚焦管子：数百ps至数ns各电极发射的电子初速度和方向不同，电子经过的路径也不尽相同。时间响应宽度渡越时间上升时间~1.2~30ns~2~40ns20~80ns1~3ns一般用脉冲上升时间tr、脉冲时间响应宽度tpm、渡越时间、渡越时间离散来描述光电倍增管的时间特性。•热发射•欧姆漏电•残余气体电离•场致发射•切伦克夫光子•玻璃管壳放电和玻璃荧光•光阴极曝光本底—暗电流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)。利用闪烁计数器记录能量较高的辐射时，噪声本底很容易被甄别掉；在低能粒子测量中，每次闪烁时间之产生几个光电子，或光电倍增管作为单光子探测器时，外来粒子的脉冲幅度与本底脉冲为同数量级，不能以常规电压甄别的方式去除噪声，只能作为本底计数。在一定电压或达到一定的阳极光照灵敏度所需的总电压下测定，通常在10-6-10-10A数量级。返回在电离辐射探测中是应用较广泛的一种探测器，应用分为四类：能谱测量；强度测量；时间测量；剂量测量。闪烁探测器•脉冲输出•主要性能•应用举例—NaI（Tl）单晶谱仪Ⅰ.闪烁探测器输出信号的物理过程及输出回路Ⅱ.输出脉冲信号的电荷量Ⅲ.闪烁探测器的电流脉冲信号Ⅳ.闪烁探测器的电压脉冲信号闪烁探测器的脉冲输出倍增电子向后级漂移，感应电流从外回路流过。RaRniaRaIa输出回路的等效电路C0RaC0入R//RRa分布电容入CCC0Ra对脉冲信号来说，＋V和地是相同的。分压器的电阻R足够小，可忽略。RCC0iR)(tiAiC0CaR'CoVoitaRiRiCRRRRCCCRCAnD1nD2nD1DsCoV0C闪烁探测器的输出回路（一）DRDRiRiCsCoVCAaRRRRRCCCRnD1nD2nD1D闪烁探测器的输出回路（二）oitiR)(tiAiC0CDR'C光电倍增管输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：EYnphphphFKQcgMckphgQFT闪烁探测器输出脉冲的电荷量2、阳极收集到的电子数为：MTYEMTnMnnphpheaeMTYEenQpha3、阳极收集到的总电荷量为：EQ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：1、第一打拿极收集到的光电子数为：Tnnphe1、光电倍增管的单电子响应函数)(tP闪烁探测器的电流脉冲2、输出电流脉冲第一打拿极接收光电子的分布：00)()(tphpheenTtnTtn一次闪烁光引起的输出电流：tedttpttntI0''')()()(对大多数无机闪烁体，单电子响应函数可以用函数近似，这时输出电流，00)(tpheeMTntI00tRCteeRCRCCQtRCtphdttRCeCeMTntV0''0011exp)(把单电子响应函数的输出电流代入，得：输出电压信号的一般形式：tRCtRCtdtetIeCtV0''')(1)(闪烁探测器的电压脉冲在短时间区域，01)(teCQtVRCt在足够长的时间区域，RCteCQtV)(RCt(1)当RC0时，脉冲前沿~0，脉冲后沿~RC，VmaxQ。随RC减小，后沿下降加快，脉冲宽度变窄。000)(tRCttRCteeCQeeRCRCCQtV在短时间区域，RCteQRtV1)(0RCt在足够长的时间区域，00)(tQeRtVRCt(2)当RC0时，上升时间~RC，下降时间~0，Vmax。CQRC0随RC减小，上升时间加快。RCtttRCteeCQRCeeRCRCCQtV0000)(RC0RC0QhC0'QRChC0/te0Q能谱测量时间测量返回pVFWHMbaEE36.2＝峰处道址谱仪的质量优劣最重要的指标是全能峰的分辨率闪烁探测器的能量分辨高斯分布光电倍增管输出电荷数na是串级型随机变量：(1)闪烁体发出的光子数nph，服从泊松分布；(2)对应于闪烁体发出一个光子，第一打拿极收集到的光电子数nf，是贝努里型随机变量，T为收集到一个光电子的几率；(3)PMT的电子倍增系数M。Tnnphe第一打拿极收集的光电子数ne是二级串级型随机变量，平均值与方差为：Tnnphene112闪烁探测器输出信号的涨落MTnMnnphea阳极输出电子数na是由ne和M组成的二级串级型随机变量，其平均值与方差为，PMT电子倍增系数