第九章--闪烁探测器
09第九章闪烁体探测器
τ为发光衰减时间，即发光强度降为1/e所需时间。
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3、闪烁发光时间
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
n(t) = n f e−t τ f + ns e−t τ s
τf
τs
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有机闪烁体的发光衰减曲线
几种闪烁体的发光衰减时间
闪烁体 BaF2 CsI(Tl) 芪 蒽
液体闪烁体 塑料闪烁体
NaI(Tl)
τf (ns)
0.6 10 6.2 33 2.4 1.3
τs (µs)
0.62 1.0 0.37 0.37 0.20
0.23
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使用闪烁体时还应考虑：
（1）探测效率，与闪烁体的几何形状及大小有关；与组成闪 烁体的物质的密度以及平均原子序数有关 （2）要求闪烁体透明度高，尽可能无缺陷，光均匀度好
9
发射光谱与闪烁体、激活剂、移波剂、温度有关。
2、发光效率
发光效率（闪烁体将所吸收到的射线能量转化为光 的比例）
（1）.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）
Y ph
=
n ph E
光子数 MeV
nph为产生的闪烁光子总数。
以NaI(Tl)为例：对1MeV的β粒子，发射光子平均能量 hν = 3eV
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四．常用闪烁体
2、BGO晶体 (Bi4Ge3O12 ，锗酸铋) 优点：
密度大，ρ =7.13g/cm3； Z高， 铋(Z=83)；
机械性能好；
化学稳定性好；
光学透明性好。
缺点：
发光效率低，为NaI(Tl)的8~14%。
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五．闪烁光的收集
反射层、耦合剂、光导。 1. 光学反射层：
闪烁体探测器的工作原理
闪烁体探测器的工作原理
闪烁体探测器的工作原理如下：
闪烁探测器由闪烁体，光电倍增管，电源和放大器，分析器，定标器系统组成，现代闪烁探测器往往配备有计算机系统来处理测量结果。
当射线通过闪烁体时，闪烁体被射线电离、激发，并发出一定波长的光，这些光子射到光电倍增管的光阴极上发生光电效应而释放出电子，电子流经电倍增管多级阴极线路逐级放大后或为电脉冲，输入电子线路部分，而后由定标器记录下来。
光阴极产生的电子数量与照射到它上面的光子数量成正比例，即放射性同位素的量越多，在闪烁体上引起闪光次数就越多，从而仪器记录的脉冲次数就越多。
闪烁探测器测量的结果可用计数率，即射线每分钟的计数次数（cpm）表示，现代计数装置通常可以同时给出衰变率，即射线每分钟的衰变次数（dpm）、计数效率（E）、测量误差等数据。
闪烁体探测器原理
闪烁体探测器原理
闪烁体探测器是一种用于探测和测量辐射粒子的仪器。
它基于闪烁体的原理，当被探测粒子进入闪烁体时，产生的能量会激发闪烁体中的原子和分子跃迁至高能级，然后快速回到基态，并释放出可见光。
该可见光被探测器内部的光电倍增管（photomultiplier tube，PMT）所转换和放大，最终转化为电
信号。
闪烁体的选择是非常关键的。
常见的闪烁体材料包括有机晶体（如NaI(Tl)）、无机晶体（如CsI(Tl)）和塑料闪烁体（如
BC-408）。
这些材料都具有较高的密度和原子数，能够有效
地捕获通过的粒子能量，并将其转化为可见光的形式。
在闪烁体探测器中，闪烁体材料通常被制成晶体或塑料条的形状。
当粒子进入闪烁体时，它与其中的原子或分子发生相互作用，产生电离和激发。
这些电离和激发会产生自由电子和离子，其中一部分被电场加速并引导到一个或多个光电倍增管中。
光电倍增管是检测器的关键组件之一。
它包含一个光学系统和一个电子增益系统。
光学系统将闪烁体产生的光转换为光电子，并经过多级倍增过程放大。
光电子在倍增过程中通过一系列的电子微通道，逐级增加电子数量，最终形成一个电子脉冲。
这个电子脉冲的数量和能量大小与入射粒子的能量有关，通过测量这些电子脉冲的数量和能量可以确定入射粒子的性质和能量。
闪烁体探测器的工作原理基于粒子与闪烁体的相互作用，将粒
子能量转换为可见光和电脉冲信号。
它在核物理、医学影像学、航空航天等领域有着广泛的应用。
闪烁探测器1
5） 钨酸铅（PWO）晶体
无色透明晶体，折射率2.16，密度为8.28 g/cm3，发射光谱 主峰位在4000-5000Å，易于与光电倍增管匹配。辐射长度 0.89cm，莫利哀半径2.2cm，可使探测器小型化。不潮解， 抗辐照。最大的缺点是光产额较低。
P=5 cmHg, =14ns； P=48.5cmHg，=5.5ns。
2013-8-21 中国科大 汪晓莲 10
利用单光子测量 闪烁体发光衰减时间
2013-8-21
中国科大 汪晓莲
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5、能量分辨率
闪烁计数器的能量分辨率包括了闪烁体和光电倍增管的贡献。
2 T 2 s
2 PMT
•
• •
•
•
氟化钡（BaF2）波长为 195nm，220nm和 310nm， 对应的发光衰减时间分别为0.87ns，0.88ns和 600ns。 氟化铈（CeF3）2个快成分，无慢成分。 硅酸镥（LSO）对γ射线具有响应时间快(<50 ns) 、 发光产额高(为NaI(Tl)的76%) 、抗辐照性能强、不 易潮解，具有较强的中子、γ分辨本领。 硅酸钆（GSO）密度6.71 g/cm3，辐射长度 X0=1.38cm，核作用长度为22.2cm，发光产额大 （为NaI(Tl)的30%）发光衰减时间为56ns。 铝酸钇（YAP:Ce ）Z=39；密度5.37g/cm3；能量分 辨率好；发光产额大（NaI(Tl)的40%～50%），发 光衰减时间短（25～30ns），最大发射波长为350nm， 光输出随温荧光中心激发态的电子，很快发射光子跳回基态，时间 很短(10-9s)，是闪烁光的快成分，称作荧光。
闪烁体探测器原理
闪烁体探测器原理闪烁体探测器是一种用于测量辐射的仪器，其原理是利用闪烁体材料对射线或粒子的敏感性来测量其能量和强度。
闪烁体探测器在核物理、医学影像学、核能工业等领域都有广泛的应用。
闪烁体探测器的原理主要包括闪烁体材料、光电倍增管和信号处理系统。
闪烁体材料是闪烁体探测器的核心部分，它能够将入射的辐射转化为可见光。
常见的闪烁体材料包括NaI(Tl)、CsI(Tl)等。
当射线或粒子入射到闪烁体材料中时，会激发其原子或分子的电子跃迁，产生光子。
这些光子被光电倍增管吸收后，会产生电子级联增强效应，最终转化为电荷脉冲信号。
光电倍增管是将闪烁体产生的光子转化为电荷信号的装置。
当光子进入光电倍增管时，会引发光电效应，产生电子。
这些电子会在光电倍增管中经过级联增强，最终转化为可测量的电荷脉冲信号。
光电倍增管具有高增益、低噪声和快速响应的特点，能够有效地将闪烁体产生的光信号转化为电荷信号。
信号处理系统是闪烁体探测器中用于处理和分析电荷脉冲信号的部分。
信号处理系统通常包括放大器、脉冲幅度分析器、多道分析器等。
放大器用于放大电荷脉冲信号，使其能够被后续的电子学设备处理。
脉冲幅度分析器用于测量电荷脉冲信号的幅度，从而确定辐射的能量。
多道分析器用于对不同能量的辐射进行分辨和测量。
除了闪烁体材料、光电倍增管和信号处理系统，闪烁体探测器的工作原理还涉及能量刻度、本底校正、探测效率等方面。
能量刻度是指通过标准放射源对闪烁体探测器进行能量校准，建立能量和幅度之间的对应关系。
本底校正是指对探测器本底辐射进行测量和修正，以保证测量结果的准确性。
探测效率是指探测器对入射辐射的探测能力，是衡量探测器性能优劣的重要指标。
总之，闪烁体探测器是一种利用闪烁体材料对辐射进行测量的仪器，其原理包括闪烁体材料、光电倍增管和信号处理系统。
通过对闪烁体产生的光信号进行放大、分析和处理，可以实现对入射辐射的能量和强度的测量。
闪烁体探测器在核物理、医学影像学、核能工业等领域有着重要的应用，对于研究和应用辐射具有重要的意义。
【清华大学工物系课件】电离辐射探测工程硕士课程(5)1闪烁探测器-PPT课件
第五章 闪烁探测器
(scintillation detectors)
1
why scintillation detectors?
和气体探测器一样，闪烁探测器也是现在用得最多、 最广泛的一种电离辐射探测器。
• • • • • NaI：在γ能谱测量中的应用。 CsI：在中微子探测中的应用。 BGO：在中子感生γ能谱分析（煤质分析）中的应用。 CdWO4：工业CT LaBr3：一种新型的优质闪烁探测器
3. 发光时间 4. 闪烁体其它特性
哪一项与闪烁体的能量分辨率最相关？
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1. 发射光谱
闪烁体发射光子数与光子波长(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。
18
2. 发光效率
发光效率可用三种量来描述： ① 光能产额 ② 闪烁效率 ③ 相对闪烁效率（相对发光效率）
(1)光能产额 (光输出，光产额)
不同类型辐射激发时stilbene 晶体的发光衰减曲线
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可以用作粒子甄别。
几种闪烁体的发光衰减时间
闪 烁 体 BaF2 CsI(Tl) 芪 蒽 液体闪烁体
f (ns)
0.6 10 6.2 33 2.4
s (s)
0.62 1.0 0.37 0.37 0.20 0.23
塑料闪烁体
NaI(Tl)
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价 带
在晶体中掺杂，叫做 激活剂(activator)，含 量103量级。
杂质形成特殊晶格点， 并在禁带中形成局部 能级。
原子受激产生的电子-空穴迁移到杂质能量的激发态和基态上， 使杂质原子处于激发态。形成发光中心或复合中心 (luminescence centers or recombination centers)
闪烁探测器的工作原理
闪烁探测器的工作原理闪烁探测器是一种常用的辐射探测器，其工作原理基于闪烁效应。
闪烁效应是指当辐射粒子与探测材料相互作用时，引发探测材料中能量的吸收和发射，从而产生可见光的现象。
闪烁探测器的基本组成包括闪烁晶体、光电倍增管和信号处理电路。
首先，辐射粒子进入闪烁晶体时，会与晶体中的原子发生相互作用。
这些相互作用使得晶体中的电子从基态跃迁到激发态，并在很短的时间内返回基态。
在这个过程中，晶体吸收了辐射粒子的能量。
通过这种能量吸收，晶体中的原子被激发，形成了一个电子-空穴对。
接着，闪烁晶体中的电子-空穴对重新结合并释放出能量。
这部分能量以光子的形式发射出来。
光子的能量与辐射粒子入射时释放的能量成正比。
晶体中使用的材料通常是具有较高原子数和高密度的材料，如钠碘晶体、铯碘晶体等。
这些晶体在被激发后能够产生大量光子。
第三步，光子被闪烁晶体中的闪烁材料吸收，并使材料中的原子或分子从基态跃迁到激发态，由于激发态的电子处于不稳定状态，它们会以很短的时间内返回基态，并释放出与光子能量相等的光子。
这种光子的释放是有规律的，通常是快速且连续的。
然后，闪烁晶体中的光子进入到光电倍增管中。
光电倍增管是一种具有光电效应的真空管。
当光子进入光电倍增管后，会打击光电阴极上的电子，使其被弹出，形成电子云。
电子云受到倍增电场的作用，逐级倍增，最终形成一个带有大量电子的脉冲信号。
最后，这个电子信号经过信号处理电路进行放大、滤波、采集和计数等处理，得到最终的输出结果。
信号处理电路中通常会使用放大器、滤波器、模数转换器和多道分析器等设备。
通过这些设备的处理，闪烁探测器能够将辐射粒子的能量和入射强度转化为电信号输出。
总的来说，闪烁探测器的工作原理是通过辐射粒子与闪烁晶体相互作用，使得晶体中的电子-空穴对产生并释放出光子的能量。
光子进入光电倍增管中被放大形成电子信号，并经过信号处理电路处理得到最终结果。
闪烁探测器具有灵敏度高、能量分辨率好等优点，在核物理实验、医学影像学等领域得到了广泛的应用。
大气环境监测第九章ppt课件
粒子（正的或负的）的总电量值，C； 二）吸收剂量
它用于表示在电离辐射与物质发生相互作用时单 位质量的物质吸收电离辐射能量大小的物理量。
三）剂量当量 剂量当量定义为，在生物机体组织内所考虑的一个
在 整 堂 课 的 教学中 ，刘教 师总是 让学生 带着问 题来学 习，而 问题的 设置具 有一定 的梯度 ，由浅 入深， 所提出 的问题 也很明 确
体积单元上吸收剂量、品质因数和所用修正因数的乘 积，即：
H = DQN 式中：D—吸收剂量，Gy；
Q—品质因数，其值决定于导致电离粒子的初 始动能、种类及照射类型等；
N—所有其他修正因数的乘积。 应用剂量当量来描述人体所受各种电离辐射的危 害程度，可以表达不同种类的射线在不同能量及不同 照射条件下所引起生物效应的差异。
次级宇宙射线：初级宁宙射线进入大气层后与空
在 整 堂 课 的 教学中 ，刘教 师总是 让学生 带着问 题来学 习，而 问题的 设置具 有一定 的梯度 ，由浅 入深， 所提出 的问题 也很明 确
气中的原子核相互碰撞，引起核反应并产生一系列其 他粒子，通过这些粒子自身转变或进一步与周围物质 发生作用。由介子(约70％)、核子和电子(约30％)组 成。次级宇宙射线能量比初级宇宙射线低。
大多数放射性核素均可出现在大气中．但主要是 氡的同位素，特别是222Rn。氡是镭的衰变产物，能从 含镭的岩石、土壤、水体和建筑材料中逸散到大气。
在 整 堂 课 的 教学中 ，刘教 师总是 让学生 带着问 题来学 习，而 问题的 设置具 有一定 的梯度 ，由浅 入深， 所提出 的问题 也很明 确
其衰变产物是金属元素，极易附着于气溶胶颗粒上。 二、放射性污染的危害 一）放射性物质进入人体的途径
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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。
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。
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，即使杂质 原子处于激发状态。
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。
6
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。
出现的问题： 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；
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。
纯晶体 Bi4Ge 3O12
BGO
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.
3) 气体闪烁体：Ar、Xe等。
4
2、闪烁体的发光机制
1) 无机闪烁体的发光机制
激活剂
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。
(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。
3
9.1 闪烁体
1、闪烁体的分类
1) 无机闪烁体：
无机晶体(掺杂) NaI Tl , CsI Tl , ZnSAg
玻璃体 LiO2 2SiO2 Ce (锂玻璃)
1) PMT的主要部件和工作原理
半透明光阴极 光电子轨迹
入射光
真空壳
聚焦电极 打拿极
阳极20
2) PMT的类型
(1) 外观的不同
(2) 根据光阴极形式
21
(3) 根据电子倍增系统 聚焦型
非聚焦型
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。
电子倍增系数较 大，多用于能谱 测量系统。
晶体中电子的能态不 再用原子能级表示， 而用“能带”来描述。
晶体的发光机制 取决于整个晶体 的电子能态。
禁带
导带 价带
激带
5
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）
ZnSAg 将 ZnSAg 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。
有机液体闪烁体 溶剂(二甲苯)+发光物质
(PPO)+移波剂(POPOP)。放于
玻璃或石英杯中。
塑料闪烁体 苯乙烯(单体)+ PPO + POPOP，聚
合成塑料。 17
18
5、光的收集
1) 反射层
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。
2) 光学耦合
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 n 1.4 ~ 1.8 的硅脂(或
硅油)。
3) 光导 常用于闪烁体与光电倍增管的尺寸 不符或其它特殊需要。
19
9.2 光电倍增管
1、PMT的结构——光电倍增管为电真空器件。
第九章
闪烁探测器
Scintillation Detector
1
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。
荧光 光子
反射层 窗
光电倍增管 (打拿极) 分压器
前置放大器
多道或单道 高压
闪烁体
光电子 光阴极
阳极
管座
暗盒
2
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。
9
③ 激发态是亚稳态，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”。
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。
0
得到：
n t nph e t
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：
n t
nf
t
ns
t
nf
e
t
f
ns
e
t
s
f
s
快、慢两种成分的相对比例随入射粒子而
变化 。
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4、常用闪烁体
NaI Tl 发光效率高，Z,高，适宜于射线探
测。易潮解，须仔细封装。
16
CsI Tl 不潮解，价贵。
10
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。
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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：Cnp
E ph E
100%
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β粒子 Cnp 13%；对α粒额：
Yph
nph E
光子数 MeV
nph为产生的闪烁光子总数。
发光效率与光能产额的关系：
Y ph
n ph E
E ph hv
1 E
C np hv
以NaI(Tl)为例 对1MeV的β粒子，发射光子平均能量 h 3eV
8
激发态的杂质原子有三种可能的退激方式：
① 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。
② 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”。
Y ph
0.13 3eV
4.3 104
光子数 MeV 13
3) 发光衰减时间
受激过程大约 109 1011 Sec 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：
nt
n0e
t
τ为发光衰减时间，即发光强度降为1/e所
需时间。
14
由总光子数
nph
n0e
t
dt
n0