第七章-闪烁探测器

1第七章闪烁探测器时间特性好，探测效率高。闪烁体光电倍增管闪烁探测器的输出信号闪烁探测器的性能单晶能谱仪—NaI(Tl)晶体谱仪核辐射与某些透明物质相互作用，会使其电离、激发而发射荧光；2§7.1闪烁探测器基本原理闪烁体光电倍增管(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闪烁探测器是利用辐射在某些物质中产生的电离、激发而产生的荧光来探测电离辐射的探测器。闪烁探测器由闪烁体、光电倍增管和相应的电子仪器三个主要部分组成。3光电倍增管的电子倍增系数：光电倍增管通常N有10-14级打拿极，每一打拿极的电子倍增系数~3-6，坡莫合金(避光外壳)：防止外界磁场影响对电子的聚焦、传输性能。10~414~1010)6~3(NM§7.1闪烁探测器基本原理4闪烁探测器的工作过程：(1)射线进入闪烁体，与之发生相互作用，闪烁体吸收带电粒子能量而使闪烁体原子、分子电离或激发；(2)受激原子退激而发出波长在可见光波段的荧光；(3)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(PMT)的光阴极，通过光电效应打出光电子；(4)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；闪烁探测器可用来测量入射粒子的能量。§7.1闪烁探测器基本原理56§7.2闪烁体一．闪烁体的分类二．闪烁体的发光机制三．闪烁体的物理特性四．常用闪烁体理想的闪烁体：探测效率高，转换效率高，线性范围大，自吸收小，发光时间短，加工性能好。7一．闪烁体的分类1)无机闪烁体：玻璃体纯晶体无机晶体(掺杂)AgZnSTlCsITlNaI,,CeSiOLiO222(锂玻璃)1234OGeBiBGO3)气体闪烁体：Ar、Xe等。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.81、发射光谱2、发光效率(能量转换效率、光能产额，及相对值)3、发光时间4、闪烁体其他特性二．闪烁体的物理特性91、发射光谱闪烁体发射光子数随光子波长(能量)的关系曲线。发射光谱与闪烁体、激活剂、移波剂、温度有关。102、发光效率以NaI(Tl)为例：对β粒子；对α粒子%13npC%6.2npC发光效率（闪烁体将所吸收到的射线能量转化为光的比例）%100EECphnpEph：闪烁体发射光子的总能量；E：核辐射损耗在闪烁体中的能量（1）.绝对闪烁效率（能量转换效率）11以NaI(Tl)为例：对1MeV的β粒子，发射光子平均能量eVh3MeVeVYph光子数4103.4313.0（2）.光能产额：EnYphphMeV光子数nph为产生的闪烁光子总数。使用一种核辐射在不同闪烁体中损失相同的能量，测量他们的相对脉冲输出幅度或电流进行比较。（3）.相对发光效率：2、发光效率能量转换效率与光能产额的关系：hYCphnp123、闪烁发光时间发光衰减时间受激过程大约Sec1191010退激过程及闪烁体发光过程按指数规律tentn0对于大多数无机晶体，t时刻单位时间发射光子数：τ为发光衰减时间，即发光强度降为1/e所需时间。13对大多数有机晶体和少数无机晶体，发光衰减有快、慢两种成分sftsstffenentn)(3、闪烁发光时间有机闪烁体的发光衰减曲线14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塑料闪烁体1.3NaI(Tl)0.23几种闪烁体的发光衰减时间15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。TlCsIAgZnS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α,β粒子。AgZnS溶剂(二甲苯)+发光物质(PPO)+移波剂(POPOP)。放于玻璃或石英杯中。有机液体闪烁体苯乙烯(单体)+PPO+POPOP，聚合成塑料。TlNaI四．常用闪烁体161、NaI(Tl)晶体优点：密度大，=3.67g/cm3，探测效率高；Z高，碘(Z=53)占重量85%，光电截面大；相对发光效率高，为蒽的2.3倍；发射光谱最强波长415nm，与PMT光谱响应配合；晶体透明性能好；能量分辨率较高，~7.5%@662keV-。缺点：容易潮解。四．常用闪烁体17NaI(Tl)晶体封装结构1-硬质玻璃；2-NaI(Tl)晶体；3-光学耦合剂；4-氧化镁粉末（光反射层）；5-金属铝壳；6-海绵垫衬；7-密封环氧树脂。182、BGO晶体(Bi4Ge3O12，锗酸铋)优点：密度大，=7.13g/cm3；Z高，铋(Z=83)；缺点：发光效率低，为NaI(Tl)的8~14%。机械性能好；化学稳定性好；光学透明性好。四．常用闪烁体19反射层、耦合剂、光导。1.光学反射层：镜面反射、漫反射。铝箔、镀铝塑料薄膜，氧化镁、二氧化钛、聚四氟乙烯塑料带，等。五．闪烁光的收集202.光学耦合剂：当光子由光密物质(n0)射向光疏物质(n1)时，发生全反射；为减少光线在交接面上发生全反射，以利于将光子大部分收集到光阴极上去，需要在闪烁体与光电倍增管之间加上一层“耦合剂”。常用的光学耦合剂材料有硅油、硅脂、甘油等等。光学耦合剂是有效的把光传给光电倍增管的光阴极，减少光在闪烁体与光阴极窗界面的全反射。五．闪烁光的收集213.光导：具有一定形状的光学透明固体材料，连接闪烁体与光电倍增管。闪烁体窗面积、形状与PMT窗面积、形状不同时；用硅油填充闪烁体-光导、光导-PMT的交界面。强磁场中探测时，用较长的光导连接把闪烁体与PMT分隔开。在空间较小处，用光纤连接较小的闪烁体与PMT。光导的作用使有效地把光传递给光电倍增管的光阴极22§7.3光电倍增管一．光电倍增管的结构与工作原理二．光电倍增管的供电回路三．光电倍增管的主要性能23光学窗，光阴极，电子光学输入系统，电子倍增系统(打拿极)，电子收集(阳极)。一．光电倍增管(PMT)的结构与工作原理24光学窗：硼玻璃窗（可见光）、石英玻璃窗（紫外光）。光阴极：接收光子并放出电子的电极；通常为化合物材料。电子光学系统：聚焦极、加速极。加速电位。一．光电倍增管(PMT)的结构与工作原理25打拿极：二次发射系数大；热电子与光电子发射小；大电流工作时性能稳定；形状；快速响应。阳极：镍、钼、铌，二次电子发射小。一．光电倍增管(PMT)的结构与工作原理26K-D1电压较高，提高信号噪声比和能量分辨率；中间各打拿极一般均匀分压；最后几个打拿极间高电压、大电流，电容稳压；最后打拿极与阳极间电压较小。二．光电倍增管的供电回路正高压供电方式：负高压供电方式：271、光电转换特性2、电子倍增特性3、噪声或暗电流4、时间特性三．光电倍增管的主要性能281、光电转换特性—光阴极的光谱响应和灵敏度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—光阴极上发射电子数和入射光子数的比值称为量子转换效率，简称量子效率：入射光子数发射电子数)(kQ光阴极的光照灵敏度—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其中：i是光电子流(A)，F是光通量(lm)。FiSkk29光电倍增管的放大倍数（增益）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，叫做光电倍增管电流放大倍数（增益）其中：g是电子传输效率（g≤1）；δ是各级电子倍增系数；n是倍增电极数。ngM子数第一打拿极收集到的电阳极收集到的电子数2、电子倍增特性—光电倍增管的放大倍数304、光电倍增管的时间特性光电倍增管阴极接收到光信号时，并不能立即就在阳极输出电流脉冲，因为光电子从光阴极经过多级打拿极倍增到阳极，其间飞行一段路程需要一定时间，这个时间称为光电倍增管的渡越时间。飞行时间(渡越时间):et一个光电子从光阴极到达阳极的平均时间。渡越时间离散et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31闪烁体、PMT以及配套的电子学仪器组成。X或γ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。以NaI(Tl)闪烁晶体的单晶γ闪烁谱仪为例。一．闪烁谱仪的组成与工作原理§7.4单晶闪烁谱仪32闪烁探测器高压电源多道分析器前置放大器主放大器探测次级电子能谱。光电效应，Compton效应，电子对效应。一．闪烁谱仪的组成与工作原理331、单能射线的输出脉冲幅度谱单能射线在闪烁体内产生的次电子在NaI(Tl)晶体中产生闪烁发光。射线与物质的相互作用：光电效应：康普顿散射：电子对效应：光子消失，产生光电子（能量为）散射光子，反冲电子（能量连续）光子消失，产生正负电子对（能量为）二．单能射线的次级电子能谱iehvE)2(~020cmhv342、典型的NaI(Tl)谱仪测到的137Cs源的0.622MeV能谱二．单能射线的次级电子能谱Ba脉冲幅度相对计数35全能峰：光电效应产生的能量为Ee=Eγ-En的次级电子，且处于激发态的原子的外层电子跃迁至内层，并发出能量为En的X射线，这两个过程几乎同时发生，两部分能量亦迭加在一起，形成全能峰（0.662MeV）。康普顿连续谱：由射线与电子的康普顿效应产生，且最终被散射的γ光子未被吸收（否则迭加至全能峰），仅有反冲电子被吸收。由公式可得康普顿边限值θ=π，Emax=0.478MeV。反散射峰：某些γ射线打在放射源衬托物上或探头周围的物质上发生康普顿散射，被散射的光子被探测器吸收，形成E=0.184MeV的反散射峰。X射线峰：由于内转换效应，激发态的137*Ba造成K壳层空位，外层电子向K壳层跃进迁后产生32KeV的X光子，被探测器吸收后形成低能的X射线峰。二．单能射线的次级电子能谱