第4章闪烁探测器

4、常用闪烁体 NaITl 发光效率高，Z,高，适宜于射线
探测。易潮解，须仔细封装。
CsI Tl 不潮解，价贵。
ZnS Ag 将 ZnS Ag 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。
3) 分压电阻
由于当电子在两个联极间运动时，会在分压电 阻上流过脉动电流，必须保证脉动电流远小于 由高压电源流经分压电阻的稳定电流，以保证 各打拿极的电压稳定。这也对高压电源的功率 提出了要求。
4) 最后几级的分压电阻上并联电容，以旁 路掉脉动电流在分压电阻上的脉动电压， 达到稳定滤波的效果。
4.3 闪烁探测器的输出信号
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”。
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
Ⅴ.闪烁探测器输出信号的涨落
I.闪烁探测器输出信号的物理过程及输出回路 1. 闪烁探测器输出信号的过程
2. 闪烁探测器信号的输出回路
Ik
Ia
3. 输 出 回 路 的等效电路
由总光子数 n ph n0e
0

t

dt n0
得到：
nt
n ph

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：
nt n f t ns t nf
f
e
t
f

s
ns
e
t
s
快、慢两种成分的相对比例随入射粒子而 变化 。
e
0 t t t
n ph T


M e (t te )dt
求 解
I t
I t
0
n ph T M e
t te

e
塑料闪烁体
苯乙烯(单体)+ PPO + POPOP， 聚合成塑料。
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
以NaI(Tl)为例：
对β 粒子 Cnp 13%；对α 粒子 Cnp 2.6%
光能产额： Y ph
n ph
E nph为产生的闪烁光子总数。
光子数 MeV
发光效率与光能产额的关系： n ph E ph 1 C np Y ph E hv E hv
以NaI(Tl)为例
对1MeV的β 粒子，发射光子平均能量 h 3eV
n ph

T e
t

2、单光电子引起的电流脉冲信号
t e1
te 2
te 3
t eM
p( t )
面积 M e
t e
3、一次闪烁所引起的阳极电流脉冲
一次闪烁输出电流脉冲为 ne t 与 pt 的卷积
t 即： I t ne t t pt dt 0
4.1 闪烁体
1、闪烁体的分类 1) 无机闪烁体：
无机晶体(掺杂) NaITl , CsI Tl , ZnS Ag 玻璃体 LiO2 2SiO2 Ce (锂玻璃) 纯晶体 Bi4Ge3O12 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。
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：
QE
III. 闪烁探测器的电流脉冲信号 1、单位时间内第一打拿极收集到的光电子数
单位时间内闪烁体发出的光子数为：
nt
为：
n ph

e
t

单位时间内第一打拿极收集到的光电子数
ne t
电子倍增系数较 大，多用于能谱 测量系统。
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。 直线结构 环状结构
百叶窗结构 盒栅型结构
2、PMT主要性能 1) 光阴极的光谱响应
光阴极受到光照后，发射光电子的概率是 入射光波长的函数，称作“光谱响应”。
2) 光照灵敏度
阴极灵敏度
光阴极的光电子流
第四章
闪烁探测器
Scintillation Detector
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 光电倍增管 窗 (打拿极) 分压器 前置放大器
多道或单道
高压 闪烁体
光电子 管座 暗盒 阳极 光阴极
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。 (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。
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。
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。
5) PMT 的稳定性
稳定性是指在恒定辐射源照射下，光电倍增管 的阳极电流随时间的变化。
包含两部分：
短期稳定性，指建立稳定工作状态所需的时间。 一般在开机后预热半小时才开始正式工作。 长期稳定性：在工作达到稳定后，略有下降 的慢变化，与管子的材料、工艺有关，同时 与周围的环境温度有关。长期工作条件下， 须采用“稳峰”措施。
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。
晶体中电子的能态不 再用原子能级表示， 而用“能带”来描述。 禁带 晶体的发光机制 取决于整个晶体 的电子能态。 导带 激带 价带
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。
Y ph
0.13 4 光子数 4.3 10 MeV 3eV
3) 发光衰减时间 受激过程大约 10 10 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：
9 11
nt n0 e
需时间。
t

τ为发光衰减时间，即发光强度降为1/e所
Sk
ik
F
A / Lm
光通量
阳极电流 阳极灵敏度
SA
iA
F
A Lm
阳极接受到的电子数 PMT增益 M 第一打拿极收集到的电 子数
SA iA n 6 8 M g 10 10 gc SK gc iK
打拿极间电子传输效率
3) PMT 暗电流与噪声
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。
2) 发光效率与光能产额
发光效率：C np
E ph E 100%
指闪烁体将所吸收的射线能量转化为光的比例。
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。
上式和卷积形式一样给出了输出电流脉冲与发光衰减 时间 及单光电子电流响应 pt 的关系。
在很多情况下，与 相比， pt 是一个非常窄的 时间函数，这时可以忽略电子飞行时间的涨落， 用函数来近似 pt
即：可设 则： I (t )
pt M e t te
Ia
输出回路的等效电路
R 0 R L // R 入
C0 C C入 分布电容
'பைடு நூலகம்
II. 输出脉冲信号的电荷量
1、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：
nph Yph E
F ph 光子被收集到光阴极上的概率：
K 光阴极的转换效率： 光电子被第一打拿极收集的概率：gc
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)及脉冲信 号(噪声)。
成因：
(1)光阴极的热电子发射。 (2)残余气体的电离----离子反馈； 残余气体的激发----光子反馈。