csi 能量分辨率的研究--讲义初稿-2014-12-09 new

CsI(Tl)闪烁体能量分辨率的研究 楼建玲 2014-12-09 一实验目的： 1. 初步掌握影响 CsI(Tl)闪烁体探测器能量分辨率的各种因素。 2. 掌握能量分辨率的概念，掌握提高闪烁体能量分辨率的方法。 二实验内容： 1. 利用已有的 CsI（Tl）闪烁体和光电倍增管制备闪烁体探测器。 2. 搭建 CsI(Tl)闪烁体能量分辨率测试的电子学线路。 3. 测试各种不同条件下 CsI(Tl)闪烁体的能量分辨率。 三实验原理： 闪烁体探测器是测量辐射粒子能量的一种重要方法，通过探测入射粒子的特征 能量从而分辨粒子的种类。由于其可探测的粒子种类多、探测效率高且能同时探测 粒子的能量和强度，因此在核物理研究中得到广泛应用。提高探测器能量分辨率是 充分发挥其作用的重要前提，本实验通过研究影响能量分辨率的因素，在现有条件 下尽可能提高对入射粒子的能量分辨率，为核物理实验和放射性同位素研究的实验 测试粒子种类、能量和强度奠定基础。 本次大实验主要的实验装置如下图所示： 各个部件的简介如下： 1 闪烁体 闪烁体探测器是利用某些物质在射线作用下会发光的特性来探测射线的仪器。 探测器大致可以分为径迹型和信号型两大类，其中，径迹型探测器给出粒子运作的 径迹，而信号型探测器是当一个辐射粒子到达时给出一个信号。本实验中的闪烁体 探测器属于信号型探测器，在核物理实验中主要是测量辐射粒子的强度（单位时间 内接受粒子的数目）和能谱（强度随能量的分布） 。 闪烁体的种类很多，从化学成分上看可分为无机和有机两大类。无机闪烁体密 度大，含有高原子序数的元素，对 射线有较高的探测效率；且发光效率高、能量 线性关系也比较好。本实验使用的 CsI（TI）闪烁体是使用铊（TI）作为激发剂的碘 化铯（CsI）无机闪烁体，共有几个不同形状的闪烁体： （1） 圆柱形闪烁体，底面半径为 1.00cm，高度为 4.00cm； （2） 圆柱形闪烁体，底面半径为 1.00cm，高度为 3.00cm； （3） 圆柱形闪烁体，底面半径为 1.00cm，高度为 2.00cm； （4） 立方体闪烁体，尺寸为 1.70cm1.7cm2.0cm。 2 光电倍增管 光电倍增管的作用是将闪烁体发出的微弱光转变成电子，然后经过多次倍增变 成一个可记录的电脉冲信号。光电转换通过来光阴极实现，当闪烁光子作用在光阴 极上时由于光电效应可产生出电子；电子倍增是通过一系列倍增极所构成的倍增系 统来完成的（倍增极由一种电子脱出功较小的材料构成）。 光电倍增管工作时从光阴极到各个倍增极和阳极加上依次递增的电压，闪烁光 子打在光阴极上所产生的光电子经电子光学系统加速和聚焦后打到倍增极上，倍增 极受到电子轰击后发射出更多的电子，使得倍增不断地进行下去，最后被阳极收集 形成电流脉冲。从阳极上得到的电子流与入射到光电倍增管光阴极上的闪烁光强度 成正比，因而也与入射到闪烁体的光子的能量成正比。 本实验中用到的光电倍增管的型号为北京核仪器厂生产的 GDB20，灵敏区域的直 径为 20mm。 3 前置放大器 前置放大器可以起初级放大和阻抗匹配的作用。本实验用的前置放大器已经内 置于光电倍增管的基座上。 4 线性放大器 从辐射探测器出来的原始信号幅度很小，不便于采集和分析。为了对原始脉冲 信号的幅度进行放大和成形同时又不破坏原始信号的能量和时间信息，就需要用到 线性放大器，它使输出信号幅度与输入信号度成线性正比关系。总的放大倍数由线 性放大器的粗调乘以细调决定。 放大器的增益是输出信号与输入信号幅度之比，放大器的增益稳定性是放大器 在连续使用的时间内由于环境温度的变化,电源变化等因素导致放大器放大倍数的稳 定程度。放大器的成形时间包括微分电路时间常数、积分电路时间常数，它们对后 面的能谱测量也有重要的影响。通过调节这些常数，观察能谱分辨能力的变化，求 出在特定条件下达到最佳能谱分辨的相关参数。 5 多道分析器 核辐射探头输出的脉冲高度 V 与射线的能量 E 成正比，V 经模数变换后将电压 V 变换为不同的地址（道数）x，并使该 x 地址存储器的计数 n 增加一个计数。道数 x 与射线能量 E 成正比。探测器的分辨本领越高，能量范围越大，要求的道数越高。 同时，道数增加，为使每一道内数值够大，采集的时间越长。 能量分辨率的定义： 探测器的能量分辨率是指探测器对于能量很接近的辐射粒子加以区别的能力。 能量分辨率取决于系统能量的辐射所产生的脉冲幅度分布的展宽程度。能量分辨率R 的定义如下： = / 100% 其中，V 代表某全能峰的半高宽；V 代表全能峰的峰位。R 越小，分辨能力越强。 利用探测器的输出脉冲幅度与入射粒子能量成正比的规律，通过脉冲幅度与时间变 换器，把不同幅度的脉冲信号记录在多道分析器不同的地址单元中，以测定入射粒 子的能谱。影响闪烁体探测器能量分辨的主要因素有：闪烁体的包装、闪烁体与光 电倍增管光阴极的耦合、电子学插件的性能、统计因素、本底噪声。下面就逐一介 绍。 能量分辨率的影响因素： 1 闪烁体的包装 在闪烁体内产生的光子是向四周随机散射的，为了将其他方向的光子收集到光 电转换设备上，需要用反射率高的材料将闪烁体没有与光电转换设备相接处的面 （闪烁体为圆柱体）进行包装，防止产生的光子散射后透射到闪烁体外造成的光信 号损失。 2. 包装材料 包装材料分为镜面放射材料（铝膜光面）和漫反射材料（铝膜毛面、TYVEK纸、 A4纸）两种，实验证明漫反射材料的能量分辨率越好。所以，所有的同学都用tyvek 纸来包装。 3包装方式 包装的层数在一定范围内越多，包装方式越好（即包装得越平整、包裹的密封 性越好）则透射到闪烁体外边的光越少，到达光电转换设备的就越多。同时，材料 的包装还起到蔽光的作用，包装越密实，外界的自然光对射线产生的光信号的影响 越小，探测器的能量分辨越好。所以，通常反光材料外侧要用黑胶带来缠绕。 4 闪烁体与光电倍增管光阴极的耦合 带电粒子通过闪烁体，引起大量的分子原子的激发和电离。带电粒子在闪烁体 内引起发光，光子被闪烁体外的光反射层反射，并会聚到光电倍增管的光阴及上， 打出光电子。闪烁体和光电倍增管光阴极表面之间相连时不可避免会存在空气，由 于空气的折射率（1.0）比闪烁体的折射率（1.85）低，因此从闪烁体射出的光子到 达闪烁体与空气层界面时部分发生全反射，导致光电倍增管光阴极接收到的光子数 减少，从而减小能量分辨率。因此，需要在闪烁体与光电倍增管之间加入耦合材料。 实验室有三种耦合材料，分别是：国产硅脂、进口硅脂和硅油。 硅脂，是聚硅氧烷的一种，具有优良的耐热性、电绝缘性，导热性，阻尼性， 而且对温度不敏感。其化学性质稳定，不易挥发，无毒无味；硅脂，为润滑用，可 在高负荷下应用，成分为硅脂和填料。填料为磨得很细的粉末，成份为 ZnO/Al2O3/ 氮化硼/碳化硅/铝粉等,使填充的空隙接触出更加完全。由于硅脂的折射率大于空气 的折射率，因此可以降低全反射的发生率，因此在闪烁体和光电倍增管光阴极用硅 脂作为耦合材料可有效避免全反射造成光子信号损失。 硅油与硅脂的性质类似，作为耦合材料，在提高能量分辨率方面性能略优于硅 脂。但是硅脂成胶状，稳定性较好，而硅油成液体状，粘性系数小，稳定性差，容 易从耦合界面处流走。 6. 电子学插件的性能 实验中所用到的前放、主放等电子学插件的性能好坏、及参数应用的是否正确 也会极大地影响实验结果。本实验中可以测试对比国产线性放大器和进口放大器， 以及线性放大器的成型时间对能量分辨率的影响。 7. 统计因素 核探测中放射性衰变存在统计涨落，这种涨落是核衰变本身所具有的随机性。 它的相对不确定度为 /=1/ 因此它取决于测量的总计数 N。测量时间 t 越长，不确定度越小，实验中需估计好合 理的测量时间,同时考虑统计涨落因素和实验效率.此外，重复数次测量结果的不确 定度和一次长时间测量结果的不确定度完全相同，一般实验中对统一条件下重复实 验 3 次，从而排除偶然误差，得到较为确切的实验结果。 8. 本底噪声 在没有放射源的情况下单道计数器和多道分析器也会有计数，这就是本底噪声 的影响，测量并控制本底噪声是实验中不可缺少的一步。本次实验专门设计了光电 倍增管的套筒，可以把闪烁体完全封装在套筒之内，从而保持了良好的避光，减少 了外界自然光引起的噪声。 总之，实验中用到的各个仪器插件，以及实验环境都会对 CsI（TI）闪烁体探测 器的能量分辨率产生影响。本实验将仔细研究上述各个因素对 CsI（TI）闪烁体探测 器能量分辨率的影响。 实验步骤： 1. 用指定的包装材料包装裸的 CsI(Tl) 晶体制备探测器。至少包装两层。 2. 用指定的耦合材料把包装好的晶体耦合到现有的光电倍增管上。 3. 用现有的套筒固定闪烁体。 4. 选取需要的电子学插件后插到 NIM 机箱上，按照实验装置图连线。 5. 打开 NIM 机箱。在探头上固定 137Cs 放射源。 6. 按照光电倍增管上标示的数字，给光电倍增管加高压。 7. 打开多道，记录 137Cs 源的全能谱。调节放大器的放大倍数，使 662 keV 的 gamma 的峰道址达到 470 道左右，记录 5 分钟后，分析 662 keV gamma 的全能峰的 能量分辨率。 8. 重复耦合两次，使 662 keV gamma 的全能峰的能量分辨率达到最好。 思考题： (1) 哪些因素会影响 CsI(Tl)的能量分辨率? (2) 怎样利用