4-1闪烁探测器

3、塑料闪烁体

溶剂通常采用聚苯乙烯或聚乙烯基甲苯。 第一溶质采用对联三苯PPO、四苯丁二烯TPB或PBD；第二 溶质常用POPOP及BBO。 热聚合：一般通过低温的缓慢聚合然后在高温下聚合。 可以测量、、、快中子、质子、宇宙射线及裂变碎片等。

制作简便：柱、片、矩形、井形、管形、薄膜等，可以做成 大面积闪烁体，几米。
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NaI(Tl)晶体

特点：发光效率高，密度大，含有大量原子序数高的碘，因此对射 线探测效率高，有较好的能量分辨率，是探测射线的主要探测器。 透明度好，制备简单，可以加工成各种形状，常用的是圆柱形（最 大750×250）、井型、环形、薄片形等。缺点是衰减时间长， 易潮解。 封装：

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Eljen Technology
EJ200
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高能科迪
有机闪烁体的优缺点及应用




发光效率低，输出脉冲幅度小，能量分辨率差。主要 用于强度、计数和时间测量。在高能物理实验中，体 积大、费用低、响应快成为主要考虑因素，选有机塑 料闪烁体作触发计数器和取样式全吸收探测器。 发光时间短，10-8~10-9 s。配合快时间光电倍增管 用于时间测量和快符合实验。 密度小，有效原子序数低，对射线探测效率低。但因 价格便宜，时间性能好，在射线探测中也常使用。 含有大量的H原子，可以记录快中子。 塑料闪烁体可以测量、X、和快中子以及高能粒子， 特别是经常用于快时间、高强度、快符合、反符合和 高能物理实验中。
气体 Ar Kr Xe 发射光谱( Å) 2000－3000 2000－5000 2000－6000 主峰位0( Å) 2250 3500 (ns) 4.7 4 7 发光效率 0.4 0.33 1 Ar+10%N2

1.6 比纯氩高
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五、闪烁体的性能
1. 发射光谱
粒子物理实验关注的 发射光谱是由带电粒 子和射线激发的发射 光谱，这与某些特定 的光波激发而发射的 光谱有所差别。 无机晶体的发射波段 较丰富，紫外到黄光 都有。 有机闪烁体，大部分 发光光谱在蓝光、绿 光区
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闪烁探测器由闪烁体、光探测器件和相应的电子 学组成。其性能涉及：

闪烁体的性能：发光波长、发光时间和光传输性能


闪烁体的材料、比重和价格
闪烁体与光探测之间的光耦合、光收集 光探测器件的性能和价格 信号放大和接收
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§4-2 闪烁体
一、闪烁体的分类
• 无机闪烁体
• 有机闪烁体
• 气体闪烁体
第四章 闪烁探测器
§4-1 §4-2 §4-3 §4-4 §4-5 闪烁探测器的工作原理 闪烁体 光探测器件 闪烁体探测器 闪烁探测器的应用
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§4-1闪烁探测器的工作原理
一、典型的闪烁探测器装置
闪烁体 闪烁探测器光电倍增管 电子学仪器
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二、工作原理



入射粒子进到闪烁体内，使闪烁体的原子分子电离和激发，受 激原子分子退激发时发光，称作荧光。荧光光子打到光电倍增 管的光阴极上转换成光电子，光电子在光电倍增管中倍增，最 后被阳极收集，输出电压或电流脉冲，被电子学仪器记录。 激发：带电粒子进入闪烁体通过库仑作用直接使闪烁体原子分 子电离和激发从而损失能量；若是X射线和射线入射，则通过 光电效应、康普顿效应和电子对效应损失能量产生次级带电粒 子，次级带电粒子再使闪烁体原子分子电离和激发。 设入射粒子能量为Ei, 在闪烁体内损失的能量为K1Ei 如K1=1，则入射粒子能量完全损失在闪烁体内； 如K1<1，则有一部分粒子跑出闪烁体。 退激：设发射光子的几率为P，产生光子的平均能量为hv, 则 发射光子的数目 EK P
无机闪烁体的发光机制（3）



有的陷阱中的电子仅有热运动跳不回导带，必须由外界再 给它能量，如光照、加热等。靠加热才能发射的光叫热释 光；靠光照才能发射的光叫光释光。这是两种固体发光材 料，常用作外照射个人剂量仪。 在射线作用下，它们不是立即发光，而是把射线能量储存 积累起来，需要时通过光或热激发使其发光，再进行测量。 光强对应辐照剂量。 由杂质的孤立能级退激到价带时，发出的光子能量小于禁 带宽度。即闪烁体发光频率不等于吸收频率，闪烁体的发 射光谱与其吸收光谱不重合。所以闪烁体不会自吸收这部 分光。 为了提高闪烁体的发光效率，可以掺杂，如Tl、Ag等“激 活剂”。激活剂粒子形成发光中心或俘获中心。

ZnS(Ag)＋甘油＋硼酸或10B做成慢中子屏。

在低能中还使用CaF2、CaWO4及玻璃闪烁体等。 在粒子物理探测的应用中，一般关注的是发光快、产额高、 波长合适、密度大和价格低的晶体。 LSO（LYSO）晶体具有很好的发展前景 Lu2(SiO4)O:Ce 天然Lu具有放射性
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BGO PbWO4




应用最广泛的是碱金属卤化物闪烁晶体，常用的有：NaI(Tl)， CsI(Tl)，ZnS(Ag)等。
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无机闪烁体的发光机制：固体能带论

晶格上的电子具有分离的能量带，价带和导带，之间为禁带。 纯晶体中，电子的激发可使处在价带的电子激发到导带，而具有 短寿命的导带能级的电子将发射一个光子退激到价带。发光快， 能量高（紫外区），但发光弱。
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1、有机晶体
如蒽、芪、联三苯等。发光衰减时间比无机晶体快1－2 个数量级，为探测快速高通量的带电粒子提供了可能。 但缺点是有机晶体很难做大。
2、液体闪烁体
• 溶剂常用甲苯、对二甲苯等。 • 第一溶质有PPO、PBD等（发射波长~370nm）， 第二溶质有POPOP、BBO等，（吸收波长为 360nm，发射波长~410nm） • 其特点发光衰减时间短，透明度好，易制备。 • 缺点是有一定毒性，操作时要注意。 • 可将待测物质放在液闪中进行测量，立体角大且自吸 收小，是射线和低能的首选测量仪器。 • 有机闪烁体含大量H原子，因而可以记录快中子；在 20 液闪中加入硼或钆可以测量慢中子
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• 有机闪烁体的发光机制
有机闪烁体的发光机制有多种 理论解释。 有一种理论认为： 是有机分子的电子能级结构引 起的。即处在比较自由的轨道 上的部分价电子（称作电子） 的能级之间的跃迁引起的。有 机分子电子能级结构分单态 和三重态，每种激发能级内有 一系列的精细能级，相当分子 的振动能级。带电粒子进入闪 烁体使其电子激发。退激时 一种可能是从激发态分别跳回 各基态发出荧光，称作荧光过 程。多余的能量转变为电子 的振动以热量形式带走，不发 光，称作猝灭过程。另一种可 能（几率很小）是从激发态跳 到三重态T1，T1是亚稳态， 电子滞留一段时间后再跳到基 态，发出磷光，称作磷光过程。
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二、无机闪烁体

大都是固体晶体，是绝缘体。简单的无机晶体，如氧化晶体、 氟化晶体、碘化晶体等。 有快发光特点或发光成分中有快发光过程的晶体。如：BaF2， CaF，NaI，CsI等。 有的晶体有意识的加入金属或稀土杂质，以杂质离子为发光中 心，发光增强，但发光衰减时间较慢。如NaI(Tl)，CsI(Tl)， ZnS(Ag)等： 大比重的晶体，如：BGO，LSO(Ge)，LuAP(Ge)，PWO 等，密度大，对粒子阻止本领大，适于高能探测器小型化。
发光衰减时间短（1~3ns），适用于ns量级的时间测量。 透明度高，光传输性能好。 性能稳定，机械强度高，耐振动，耐冲击，耐潮湿，不需要 封装，避光储存8到10年发光效率无明显变化。 耐辐照性能好，居于各种闪烁做强度测量。
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Bicron公司生产的塑料闪烁体
Q K1 Pl qeMEi n e M Ei C h C C K Pl q N n 1 入射粒子单位能量产生的光电子数 h E V
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二、工作原理（3）

输出：形成的电压脉冲经射极跟随器或前置放大器输 出，被一套电子学仪器放大、分析和记录。 输出脉冲与入射粒子能量成正比。 选择光产额大的晶体，提高光阴极光电转换效率，电 子传输系数q和光电倍增管的放大倍数M，都可以使输 出脉冲幅度增大。
CeF
3
BaF2
CsI
1.5 X0 Cubic
BaBar CsI(Tl)
Full Size Samples
L3 BGO CMS PWO(Y)
BaBar CsI(Tl): 16 X0 L3 BGO: 22 X0 CMS PWO(Y): 25 X0
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BGO, LSO & LYSO Samples
Cubic: 1.7 cm3 (1.5X0); Long: 2.5 x 2.5 x 20 cm (18X0)
R
i
h
1
3
二、工作原理（2）



光的传输：光子通过闪烁体和光导，到达光电倍增管的光阴极，有 一部分在传输过程中会被吸收或被散射而无法到达光阴极。 设光子的传输系数为l，则到达光阴极的光子数R’＝lR。希望l尽 可能大，就要求闪烁体的发射光谱和吸收光谱不重合，使闪烁体发 射的光子尽量少自吸收，并在闪烁体和光电倍增管之间加光导。 光电转换：光阴极吸收光子发射光电子。设光电转换效率为，从 光阴极到第一倍增极的电子传输系数为q，则光阴极发射到第一倍 N qR ' 增极的光电子数 倍增：光电子在光电倍增管中倍增，最后在阳极被收集。设光电倍 增管的倍增系数为M，则在阳极得到MN个电子，相应的电荷为 Q＝MNe，输出电容为C，则电压脉冲
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四、气体闪烁体


通常用的多为惰性气体，尤以氙、氦、氩为普遍。它们的发 光衰减时间为几ns，而且随压力的增大变短。发光效率很低， 不到NaI(Tl)的1/10。要求惰性气体纯度很高，否则光输 出会明显降低。发光光谱的主峰位位于紫外区，必须经过波 长位移剂后才能与光电倍增管的光阴极频谱相匹配。 气体闪烁正比室，有较快的上升时间和较好的能量分辨率。