（光学专业论文）naiti闪烁晶体探测器稳峰装置的研制与应用.pdf

中文摘要 中文摘要 本文以1 3 7 c s 的6 6 2 k e v 7 能谱为例，对n a i ( t i ) 闪烁晶体探测器因温度变化引 起的光电峰漂移问题进行了研究。本文采用h d e w a a r d 提出的将光电峰近似看成 高斯分布曲线的方法，即曲线的对称轴所对应的道址就是光电峰的参考峰位，在参 考峰左右两侧各选一道址，将光电峰分成两部分。利用两部分内的计数差值来判 断光电峰的漂移情况，并通过改变光电倍增管增益的方法实现稳峰。 根据理论模型设计了以单片机为核心的稳峰电路，同时采用探测器与稳峰装 置的一体化设计，确保信号的采集和处理处于同一温度场中，使处理信号直接反 应现场情况。电子元件均采用低功耗、低温度系数的元件。通过实验建立了漂移 量a n 与单片机输出数字控制信号b 之间的数学函数并以此函数为依据编写了自 动控制程序。 实验表明，该装置能正确的判断峰漂方向和控制光电倍增管的电压。在1 0 c 一5 0 0 c 范围内1 3 7 c s 峰漂误差为3 道。该装置体积小、成本低，非常适合工业在 线检测和野外测量。 关键词稳峰；峰漂；n a i ( t i ) 闪烁晶体探测器 黑龙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h et h e s i ss t u d i e st h ep h e n o m e n o no fp h o t o e l e c t r o n i cd r i f t i n gw h i c hi sc a u s e db y n a i ( t i ) s c i n t i l l a t o rc r y s t a ld e t e c t o r st e m p e r a t u r ev a r i a t i o na n dt h es t u d yi sb a s e do n 1 3 7 c s se n e r g ys p e c t r u mo f6 6 2 k e v7 t h ee x p e r i m e n tm e t h o di sh d e w a a r d sw h i c h l o o k so nt h ep h o t o e l e c t r i cp e a l 【a sg a u s s i a nd i s t r i b u t i o nc u r v e ，t h a tm e a n st h ea x i so f s y m m e t r yo fc u r v e ，a st h ec h a n n e la d d r e s s ，c o r r e s p o n d st ot h er e f e r e n c ep e a l ( o f p h o t o e l e c t r i cp e a ka n dt h ep e 出i sd i v i d e di n t ot w op a r t sb ys e l e c t i n go n ec h a n n e l a d d r e s sf r o mt h er e f e r e n c ep e a k sr e s p e c t i v e l y t h ep h o t o e l e c t r i cd r i f t i n gc a nb e c o n c l u d e db yc o u n t i n gd i f f e r e n t i a lv a l u eo ft h et w o p a r t sa n ds t a b i l i z i n gt h ep e a kc a nb e r e a l i z e db yr e m o d e l i n gt h eg a i no fp m t t h em i c r o c o m p u t e r , a st h ed e s i g n e dp e a ks t a b i l i z a t i o nc k c u i ta c c o r d i n gt ot h e t h e o r e t i c a lm o d e l ，c a ne n s u r et h ec o l l e c t i n ga n dp r o c e s s i n gt h es i g n a lu n d e rt h es a m e t e m p e r a t u r ea n dt h es i g n a lp r o c e s s i n gc a ni m m e d i a t e l yr e f l e c tt h es t a t u so ft h es c e n eb y i n t e g r a t e dd e s i g no fc o m b i n i n gt h ed e t e c t o ra n dt h ep e a l ( s t a b i l i z a t i o nc i r c u i t t h e e l e c t r i cc o m p o n e n t sa lea l ll o wp o w e rc o n s u m p t i o na n dl o wt e m p e r a t u r ec o e f f i c i e n t o n e s t h ee x p e r i m e n tr e a l i z e st h em a t h e m a t i cf u n c t i o no fa n ，d r i f t i n gm a g n i t u d e ，a n d b ，d i g i t a lc o n t r o l l i n gs i g n a lo u t p u t e db ym i c r o c o m p u t e ra n dt h ea u t o m a t i cc o n t r o l l i n g p r o g r a m m ei sb a s e do nt h ef u n c t i o n , t o o t h ee x p e r i m e n ts h o w st h a tt h ed e v i c ec a nj u d g et h ed r i f t i n gd i r e c t i o nc o r r e c t l ya n d c o n t r o lt h ev o l t a g eo fp m t b e t w e e n 10 。ca n d5 0 。c ，t h ea c c u r a c ye r r o ro f1 3 7 c si s 3c h a n n e la d d r e s s e s t h ed e v i c ei sv e r ys u i t a b l ef o ri n d u s t r i a lo n l i n et e s t i n ga n df i e l d m e a s u r e m e n tf o ri t ss m a l l e rs i z ea n dl o w e re x p e n s e k e y w o r d ss t e a d yp e a k ；p e a kd r i f t ；n a i ( t ds c i n t i l l a t i o nc r y s t a ld e t e c t o r u 独创性声明 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。据我所知，除了文中特另, j j m 以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨蕉婆太堂或其他教育机构的 学位或证书而使用过的材料。 学位论文作者签名： 压叫 签字魄年月日 学位论文版权使用授权书 本人完全了解墨蕉堑塞堂有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本 人授权墨蕉江太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 可以采用影印、缩印或其他复制手段保存、汇编本学位论文。 学位做储妣曲压明翩龆嘭 签字日期：年月日签字日期：年月日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 电话： 邮编： 5 l 第1 章绪论 1 1 选题背景 第1 章绪论 核物理研究与核技术的应用都依赖于对射线的探测。利用荧光屏观察放射性 引起的单次闪光开创了人类利用闪烁技术研究核物理的先河。著名的卢瑟福原子 核式结构模型就是利用显微镜观察0 t 射线在硫化锌荧光屏上的微弱闪光而建立起 来的。像硫化锌这样受到射线照射后能发光的晶体称为闪烁体。今天，由闪烁晶 体组成的闪烁晶体探测器已成为射线探测的主要工具之一，没有它核应用技术几 乎寸步难行。闪烁晶体探测器的原理就是利用射线在某些物质内的闪光来探测电 离辐射，并通过光电转换器件将光信号转换成电信号。， 1 0 0 年来，闪烁体的发展与核物理及核技术的发展如影随形。随着人类对核物 理、粒子物理、宇宙射线等领域研究的不断深入，对闪烁体的闪烁性能、探测效 率、分辨时间、衰减时间、外形尺寸、机械强度等性质不断提出新的要求，由此 推动了闪烁体的迅速发展。材料科学的不断进步，催生了一大批性能优良的闪烁 体。目前闪烁体己形成了一个种类齐全、生产工艺日臻完善，闪烁性能优良的规 模庞大的闪烁家族。 闪烁体的一大优点是它的粒子适用范围广泛，对能量在1 e v 一1 0 g e v 范围内 的辐射粒子都适用n 1 。在高能物理及核物理学州、地球物理学、生物物理学、生 物化学、放射化学、核医学、国防、地质勘察n 、安全稽查缸1 、环境放射监察、 石油测井嘲、工业在线检测托j 旧等领域都有广泛应用。 做为闪烁晶体探测器之一的n a i ( t 1 ) 闪烁晶体探测器在石油测井、工业检测等 核技术应用领域发挥着举足轻重的作用。但由于n a i ( t 1 ) 闪烁晶体和光电倍增管的 温度效应显著，n a i ( t i ) 晶体的发光效率和光电倍增管的倍增系数随温度的变化而 变化，同时电子学系统的元器件也受温度的影响。它们共同作用的结果导致了严 重的测量误差，制约着n a i c t l ) 闪烁晶体探测器的应用范围。例如在煤灰分测量中， 如果日温差为1 0 ，则灰分值变化达0 4 5 ，这对灰分测量精度的影响是不容忽视 黑龙江大学硕士学位论文 的n 们。核探测器受温度的影响在能谱中的表现为放射性核素特征峰的位置发生漂 移，这种现象称为峰漂( 或温漂) 。通过适当的措施改善这种影响使特征峰的位置 不发生较大的变化，维持特征峰的稳定性，减小探测器的测量误差的方法称为稳 峰。n a i ( t 1 ) 闪烁晶体探测器稳峰的方法国内外都做了广泛的研究n 卜矧。 实现稳峰装置的简单化、便携化是当前研究的主要方面，本文将以此为出发 点展开研究。 1 2 稳峰电路的发展及应用 1 2 1 国内的发展及应用 我国在8 0 年代，吉林大学开始了常规元器件核仪表在高温环境中稳定工作的 探讨泓一，并采用2 4 1 a m 源作为标准源稳峰。9 0 年代清华大学庄人遴等人研制了 温度控制式闪烁谱仪稳定装置汹3 ，其原理是把闪烁探测器和温度传感器放入电加 热的保温瓶中，通过温度传感器探测保温瓶中的温度，并通过温度控制函数发生 器进而控制光电倍增管高压和保温瓶加热电路，使保温瓶内的温度处在固定范围 内以达到稳峰的目的，并将此技术申请了国家专利。该方法虽起到了一定的作用， 但是应用上存在困难。如在原油含水率和煤灰份测量中，工业现场都要求严禁烟 火，而恒温装置需要2 2 0 v 电源供电，给现场的防火安全带来隐患。核工业大连应 用研究所的黄立国等人提出了利用微机跟踪稳峰单道的稳峰原理1 。本世纪初以 来，南华大学的陈坚祯等人采取了计算机稳峰技术嘲，收到了很好的效果，但是 计算机稳峰的成本很高且不便于携带。成都理工大学啪1 、兰州大学均做了相应的 应用研究，包括硬件电路稳峰、软件电路稳峰、工控机控制稳峰、在n a i ( t 1 ) 晶体 中放置参考源等方法，稳峰效果得到了极大的改善。 1 2 2 国外的发展及应用 德国的n a n o s e p cp r o 便携式能谱分析仪配有多种探测器，采用1 3 7 c s 做为参 考源稳峰，与计算机数据处理系统连用，能量分辨率小于等于7 5 ( 对0 6 6 1 m e v 的丫射线) 。美国c a n b e t t a 公司采用无源效率刻度方法研制生产的数字化便携式丫 谱仪，可全自动采集和处理能谱数据，采用d s p 技术稳谱，稳定性、准确性、一 2 第l 覃绪论 致性和可重复性都很高。国外公司的设备的显著特点是价格高昂，性能稳定。 谱仪常见的稳峰方案可以概括为：硬件稳峰、软件稳峰、恒温箱温度控制稳 峰、硬件与软件联合稳峰、放置参考源等。本文认为这些方法还有一些不足。恒 温箱温度控制稳峰虽然起到了很好的效果，但箱体带有加热装置，需要2 2 0 v 电源 供电，给工业现场接线和安全带来隐患。同时也使探测器体积庞大，不便于携带。 目前大多数谱仪都采用“参考源”( 2 4 1 a m 源、1 3 7 c s 源等) 和温度补偿相结合的 硬件稳峰方法，其优点是实时稳峰，能够实时校正谱漂的影响，缺点是由于使用 了标准源，使本底增加，影响仪器的灵敏度和测量精度。放射源还给安装工艺、 环境、运输及使用带来安全隐患。 软件稳峰也是一种很受欢迎的稳峰方案。它是利用仪器谱中目标核素的特征 峰进行实时寻峰和能量刻度，再根据刻度结果调整特征峰的边界函数，获得跟踪 谱漂变化的效果。软件稳峰的优势在于节约硬件资源、成本低、修正也比较方便， 缺点是当谱型发生变化或峰位漂移较大时，会出现寻峰错误，而且程序庞大需要 外接程序存储器，需要p c 机或笔记本电脑控制才能完成。 单片机硬件稳峰是当前的主要手段之一。 1 3 研究的主要内容 温度对n a i ( t 1 ) 闪烁晶体探测器的影响是一个复杂的问题，其中有可以克服的， 有无法克服的，即有线性的，也有非线性的。这里包括n a i ( t 1 ) 晶体的温度特性、 光电倍增管的温度特性、集成电路及阻容元件的温度特性等。可以说能谱峰位的 漂移是这些因素共同作用的结果，要想实现稳峰必须对多种因素综合考虑，并找 到解决方案。同时这种稳峰方法还要满足工作方式简单、使用方便、成本低的要 求。 本文将采用硬件补偿的方法对峰位的漂移作出修正，解决n a i ( t 1 ) 闪烁晶体探 测器因温度变化给能谱仪和核测量仪表带来的误差增大问题。具体方案是采取控 制光电倍增管的电压，以改变其倍增系数的方式实施稳峰，该方案的理论基础是 将特征峰看成正态分布函数，并将其按对称轴分成两部分，记录温度变化时两部 黑龙江大学硕士学位论文 分内的计数率变化。硬件上则是按分别记录两部分计数的原则设计电路。通过实 验确定峰漂与所需电压的关系，根据该关系设计程序并烧制到单片机中实现自动 稳峰。 该装置具有以下特点： ( 1 ) 体积小，能够和探测器安装在一起，便于携带； ( 2 ) 价格低，选取普通的电子元器件并能够满足低温和高温的工作环境； ( 3 ) 整个装置由单片机控制。 第2 章核探测的相关理论 i i l l | |i i i 第2 章核探测的相关理论 2 1y 射线与物质的相互作用 丫射线与物质有多种相互作用方式。当y 射线的能量在3 0 m e v 以下时，主 要有三种作用方式： ( 1 ) 光电效应：y 光子与物质原子中的束缚电子作用，光子把能量全部转移 给原子中的束缚电子，使之发射出去，而光子本身消失。光电效应发射出来的电 子称为光电子。 ( 2 ) 康普顿效应：y 光子与原子的核外电子发生非弹性散射，一部分能量转 移给电子，使之脱离原子，而散射光子的能量和运动方向发生改变。 ( 3 ) 电子对效应：丫光子从原子核旁经过，在原子核库伦场作用下，丫光子转 换为一个正电子和一个负电子。 2 2 闪烁体的发展和应用 2 2 1 闪烁体的分类 用于核探测的闪烁体品种繁多，可以分为：无机晶体闪烁体，通常是卤化物 闪烁晶体：n a i ( t 1 ) 、c s i 、c s i ( t 1 ) 、c s i ( n a ) ) 、z n s 、b a f 2 、b g o 、c d w 0 4 等；有 机晶体闪烁体，常用的有葸、芪、萘、对联三苯等，塑料闪烁体：玻璃闪烁体： 液体闪烁体；气体闪烁体六大类阳u 。六类中尤以无机晶体闪烁体应用最广。1 0 0 多 年来无机晶体闪烁体的发展经历了三个阶段： 第一阶段以1 9 0 8 年克鲁斯和雷格纳研制的最早的闪烁计数器z n s ( c u ) 闪烁 镜为代表。 第二阶段以1 9 4 8 年h o f s t a d t e r 2 1 发现n a i ( t 1 ) 的闪烁性能为开端，由此发展出 了一系列卤化碱晶体的应用。这一时期闪烁体的辉煌业绩有：吴健雄用n a i ( t 1 ) 和 蒽晶体探测器验证了杨振宁、李政道提出的宇秤不守恒定律，1 9 5 8 年穆斯堡尔效 应的发现等。 黑龙江大学硕士学位论文 第三阶段从2 0 世纪8 0 年代开始，主要是应高能物理及核物理、医学成像、 地质勘探以及工业生产的需要发展起来的，典型晶体是b g o 、c d w 0 4 、c s i ( t 1 ) 。 这一时期c e 3 + 掺杂的新型闪烁体得到广泛应用。另外应x c t 探测的要求，陶瓷闪 烁体的研究也比较多1 。 为了扩展闪烁体的应用范围，近年来人们对n a i ) 、c s i ( n a ) 、c s i ( t 1 ) 瑚1 、 c d w 0 4 、g s o ：c e 洲1 、b g o 、b a f 2 4 8 1 、y a p ：c e 、l a c l 3 ：c e 舯1 1 等闪烁体的物理 性质、发光成分、发光光谱、衰减时间、温度特性、光输出、能量分辨率等性能 都进行了广泛而深入的研究。 2 2 2 闪烁体的选择 实际应用中希望闪烁体有以下几点理想的性质： ( 1 ) 光产额高，即将带电粒子的动能转变成闪烁光子的效率高； ( 2 ) 良好的线性关系，即入射带电粒于损耗的能量与产生的闪烁光子数成很 好的线性关系，并且这种线性关系的能量范围越大越好； ( 3 ) 高透明度，即发射光谱与吸收光谱不重叠； ( 4 ) 发光常数( 入射粒子产生的闪光的持续时间) 要尽可能的短，以便产生 快的输出信号； ( 5 ) 易于生长成大尺寸并能加工成任意形状。 市场上常见的几种无机闪烁晶体材料见表l 蚴。 表1 无机闪烁体的类型和几种代表性的闪烁材料 t a b 1t h et y p eo fi n o r g a n i cs c i n t i l l a t o ra n ds o m er e p r e s e n t a t i v ef l a s h i n gm a t e r i a l 无掺杂的闪烁体 添加激活剂闪烁体 核化合价发光闪烁体 c s l ，b a f 2 ，b i 4 g e 3 0 1 2 ，c e f 3 ，c d w 0 4 ，l u t a 0 4 ，c u l ，h g l 2 ，p b l 2 b a f 2 c s l ：t l + ，c s i ：n a + ，n ai ：t 1 + ，c a f 2 ：e u 2 + ，l u 2 s i 0 5 ：c e 3 + ，l a c l 3 ：c e 3 + ， l a a l 0 3 ：c c 3 + ，g l a s s ：c e 3 + ，c d s ：t e 2 ，z n o ：g a , c d s ：i n b a y 2 ，c s f ，r b f ，k m 萨3 ，b a l u 2f 8 任何一种闪烁晶体都不能同时满足这些条件，使用中需要根据该领域的特点 和测量条件等因素考虑。表2 t s 3 1 列出了一些领域对闪烁体的要求。 第2 章核探测的相关理论 表2 叫不同领域对闪烁体的要求 t a b 2t h ed i f f e r e n tr e q u i r e m e n t so fi n o r g a n i cs c i n t i l l a t i o nc r y s t a lf o rd i f f e r e n ta p p l i c a t i o n s m a i na p p l i c a t i o n s r e q u i r e m e n t sf o rv a r i o u sa p p l i c a t i o n s a h i g hl i g h to u t p u t ；b s h o r td e c a yt i m e ；c l o wa f t e r g l o w ； x - c t ( m e d i c a l ) d h i g ha d s 。r p t i c o e f f i c i e n tf o rx r a y ，e t c p e t c h i g l l l i 出。州( 8 5 0 0 p h o t o 训e v ) a l a r g ev o l u m e ；b h i 曲zn u m b e r ；c s h o r td e c a yt i m e ； w e l ll o g g i n g d h i g hl i g h to u p u t ；e g o o de n e r g yr e s o l u t i o n ； f h i g hu s a b l et e m p e r a t u r e ( 1 5 0 c ) ；g r e s i s t a n tt os h o e k ；e t c 1 n d u s t r i mx - c t a l a r g el i g h to u t p u tt oe n a b l eh i g ht r a n s m i s s i o nm e a s u r e m e n t ； b h i g hd e n s i t yt oa c h i e v es p a t i a lr e s o l u t i o n ； a h i 曲d e n s i t y ( 1 a r g ea b s o r p t i o n ，s m a l lm o l i e r er a d i u s ) ； h i 曲e n e r g yp h y s i c s b s h o r td e c a yt i m e ；c h i g hr a d i a t i o nh a r d n e s s ； d m o d e r a t ep r i c e ；e t c n u c l e a rp h y s i c s a g o o de n e r 科r e s o l u i o n ；b f 破q e c a yt i m 锐 c h i g hl i g h to u t p u tf o rl a r g ed e t e c t i o ne f f i c i e n e y ；e t c a g o o de n e r g yr e s o l u t i o n ( 1k e v ) ； a s t r o p h y s i c sb h i g hs e n s i t i v i t y ( 1 0 一5 1 0 7p h o t o n s c r l l 2 s ) ； c r e s i s t i v et oh a r di r r a d i a t i o n ；d g o o dt e m p e r a t u r ec o e f t i c i e n t ；e t e 表3 是各种闪烁体的性质比较，使用时可以根据相应需要选择不同的闪烁体。 新型闪烁体在密度、衰减时间、折射率和是否潮解方面明显优于n a i ( t 1 ) 晶体。随 着生产工艺的进步和材料科学的发展，在一些高精度测量领域n a i ( t 1 ) 已淡出了人 们的视线。但是，难生长、不易加工成大尺寸、价格高昂等因素严重制约着新型 闪烁体的发展。而n a i ( t 1 ) 晶体不仅易生长成大尺寸、价格低，并且闪烁效率大、 能量分辨率较好、光能产额较高，在一些应用范围广的领域。如机场、火车站行 李、邮件的不开箱检查、爆炸、失火的安全稽查，石油化工、冶金领域的流量、 流速、液位检测等对晶体的需求量大，精度不很高的领域仍是使用最广泛的闪烁 体。 据不完全统计，2 0 0 0 年全球闪烁晶体的需求量约为8 0 吨以上，并以1 0 年的 黑龙江大学硕士学位论文 速度递增阳1 。而n a i ( t 1 ) 晶体占据了其中一半以上的份额。 表3 几种常用无机闪烁体的性质吲 材料 密度( a e i e ) 发射光谱最衰减常数折射率 y 闪烁 是否 ( 酢m 3 ) ( 6 6 2 k e v ) 强处波长姗 ( 以) 效率 潮解 2 3n a i ( t 1 ) 闪烁晶体探测器 n a l ( t 1 ) 闪烁晶体探测器由两部分组成：n o a ( t 1 ) 闪烁晶体和光电倍增管。二者少 了任一方都无法实现核信号的测量。下面对二者的物理性质和工作原理做一个简 单的介绍。 2 3 1n ai ( t1 ) 晶体 第2 章棱探测的相关理论 ( 1 ) 物理性质 n a l f n ) 闪烁晶体，为无色透明的晶体。属于立方晶系。能量线性响应范围为 1 5 0 k e v l l 0 m e v 。近年来，因再加工的热锻压工艺的成功应用，极大的改善了 n m ( t 1 ) 晶体的机械性能，并能制备出直径3 0 f f 一4 0 0 r r m a 的圆盘状闪烁体和 , # 5 0 m m x 0 8 0 3 0 a m 的长棒闪烁体。且价格低廉，广泛用于工业核测量。 一 图2 - in m ( t i ) 闪烁晶体 f 唔2 - in a k l l ) s c i n t i l l a t i o nc r y s t a l ( 2 ) 发光机制 n a l 属于无机闪烁晶体，其发光机理遵从无机闪烁体的发光机理。可用晶体的 能带理论予以解释侧。在晶体中，按电子的能量由低到高依次为满带、价带和导 带。在满带与价带之间、价带与导带之间的能区，因不能存在电子能级，所以称 为禁带，如图2 2 所示。 在价带已填满的情况下，必须有电子被激发到更高的能带一导带上去，才能 产生电流。此时，在价带中形成一个“空穴”，在导带中有一个电子，即产生一 个自由的电子一空穴对。在纯晶体中，伴随着电子返回价带，将发出一个光子， 但这光子又会被重复吸收，最终对闲烁体的光输出是无效的。然而在闪烁体中， 由辐射激发的电子一空穴对仍可能束缚着，称为“激子”。它们在晶格中一起运 动，而不是独立地运动，因此在外电场作用下也无净电流产生，其能带在导带之 黑龙江大学硕士学位论文 下，称为“激子带 ，如图2 - 2 所示。 - 锈镰镟j誊甏戮锈；i 秀镶毳锈l 豫秀甏；瓷 i 一枞蚴一 量了： i ht i 燃 禁带 匪霪霪霪霪凌霪霪圆满带 图2 - 2 无机闪烁晶体发光机制 f i g 2 - 2i i l o r g a m cs c i n t i l l a t i o nc r y s t a ll i g h tm e c h a n i s m 自由的导带电子和价带空穴可以复合成“激子 ；“激子”也可以受热运动 变成自由电子一空穴对。 当有足够能量的核辐射进入闪烁晶体时，将产生下列两种情况： 电子从价带激发到导带，产生自由电子一空穴对，即电离过程； 能量仅够将价带电子激发到激带，激子互相束缚着，而可以成对地一起在晶 体中自由运动。 接着，电子从导带或激带到价带跃迁退激的过程中将发出荧光光子。但是， 纯净的无机晶体闪烁体却不能起到闪烁体的作用。因为退激发出的光子尚未逸出 晶体就被晶体中其他原子所吸收，又产生电子从价带激发到导带，于是发光、激 发、退激的交替过程将使晶体放出的光子被晶体本身吸收掉。 当在晶体中掺杂少量的“杂质 原子作为激活剂( 如t i ，a g 等) 时，激活剂 原子在晶格中形成特殊的晶格点，使得晶体的能带发生变化。由于激活剂的加入， 在禁带中杂质原子附近存在一些局部能级，如图2 2 所示。 自由电子或激子在晶格中运动时，当遇到杂质原子时将被激活剂离子形成的 发光中心所俘获，到达孤立的杂质能级上。当电子从这些局部的激活剂激发能级 第2 章核探测的相关理论 跃回基态能级时，所发出的光子的能量将低于禁带的宽度。这些光子属于可见光 区域，而且由于它的能量低于禁带宽度，因而一般不能再引起晶体的激发而吸收， 故可以传输出来。 ( 3 ) 发光光谱 了解了n a i ( t i ) 的发光机制后会发现，闪烁体受辐射离子激发后所发射的光并 不是单色的，而是占有一定波长范围的连续谱。如图2 3 所示。 波长( n m ) 图2 3n a i ( t 】) 发光光谱踟 f i g 2 - 3n a i ( t di u m i n e s c e n c es p e c t r o s c o p y 对于每种闪烁体总可以找到一、二种波长的光，它的发射概率最大。每个闪烁 体都有这个峰位处的波长值，称作“发射光谱最强处的波长”。由图2 3 可以看出， n a i ( t 1 ) 的发射光谱最强波长为4 1 5 n m 。 ( 4 ) 发光衰减时间 n a i ( t 1 ) 的衰减时间常数随温度变化( 表3 中给出的是n a i ( t 1 ) 在室温下的一个主 要的指数衰减时间常数) ，如图2 4 。 黑龙江大学硕士学位论文 3 = 三 苔 q 图2 - 4n a l ( t 1 ) 晶体的衰减时间常数与温度的关系 f i g 2 - 4t h er e l a t i o no f n a i ( t 1 ) c r y s t a ld e c a yt i m e c o n s t a n ta n dt e m p e r a t u r e ( 5 ) 相对光输出与温度的关系 n a i ) 晶体的相对光输出受到温度变化的影响，如图2 - 5 。 习 ， 鬏 麓 孽 虞戌 图2 - 5n a i ( t 1 ) 晶体相对光输出随温度变化曲线嘲 f i g 2 - 5 t h ec b r v eo f n a i ( t 1 ) c r y s t a lr e l a t i v el i g h to u t p u tv a r i e sw i t ht e m p e r a t u r e 2 3 2 光电倍增管的结构和特性 ( 1 ) 基本结构和工作原理 光电倍增管是将n a i ( t 1 ) 晶体发出的荧光信号转化成电信号的器件，其实质是 兰：兰至堡塑塑堡兰圣兰 一个放大倍数大于1 0 6 的放大器。光电倍增管的机构如图2 - 6 所示。 尤板 耵幸扭 掘 先干 脉 冲 信 号 一癣鞫 冒卜1 目l 图2 - 6 光电倍增管结构图 f i g2 石p m tc h a r t 主要由光导、光阴极、电子光学系统( 包括倍增极和阻容器件) 、光阳极组成。 各部分的作用和材料是： 光导：有效地把光更多、更好的传递给光电倍增管的光阴授。光导的材料有 聚乙烯基甲苯、聚苯乙烯塑料、有机玻璃、石英玻璃等。 光阴极：接收光子并发射出光电子，即将光信号转换成电信号。光阴极材料 有几十种，常用的为锑铯化合物( c s s b ) 和k - c s s b 双碱阴极。 电子光学系统由若干个倍增极( 打拿极) 和阻容元件构成。其作用是将光阴 极发射出的光电子的数量成比例的放大，在阳极形成足够大的电流输出，最终形 成脉冲电压输出以方便后续处理。阻容元件的作用是给各个打拿极提供合适的加 速电压。 阳极：收集电荷，输出电流。 光电倍增管的工作原理是光电效应，具体工作过程是：从闪烁体输出的荧光 光子经光导射向光阴极，由于光电效应，在光阴极上打出光电子，经加速后射向 第一打拿极。每个光电子在打拿极上打出若干个电子，这些电子再射向第二打拿 极、第三打拿极，逐级倍增直到最后一个打拿极。最后所有电子在阳极上沉积并 被收集，形成电流输出给外接电容，外接电容先充电再放电，输出电压脉冲信号。 脉冲的幅度代表了入射粒子的能量。 光电倍增管中一般放卜1 4 个打拿极。对打拿极的要求是：二次发射系数大， 黑龙江大学硕士学位论文 热电子及电子发射小，大电流工作时稳定性好。 光电倍增管中各极的电位由外电阻分压器抽头供给。如图2 7 中r 1 一r l o 。 图2 - 7 光电倍增管打拿极分压示意图 f i g 2 - 7 t h ep i c t u r eo f p m t sh i ta n dt a k ep o l es h a r ei nv o l t a g e 适当调整各极的电位分布可以使大部分光电子都能顺利到达下一个打拿极， 从而获得更大的收集效率。 在最后几个打拿极上，由于脉冲电流过大，使极间电压下降，一般在分压电 阻上并联旁路电容，如图2 7 中c 1 、c 2 、c 3 。 ( 2 ) 光谱响应 图2 1 0 为双碱型光电倍增管的光谱响应曲线，对比图2 3 可以看出n a i ( t i ) 的 发射光谱最强处的波长大约为4 1 5 n m ，适合与带有双碱光电阴极的光电倍增管相 配。 o 晕 砖 颁 掣 、- ， 髓 强 ；3 0 0 4 0 0 5 0 d 6 0 0 7 0 0 波 f f j n m 图2 - 8 光电倍增管的光谱响应图翻 f i g 2 8 t h es p e c t r a lr e s p o n s eg r a p ho fp h o t o m u l t i p l i e r 因n a i ( t i ) 晶体和光电倍增管的机械性能差、易碎，所以二者都被封装在钢筒 1 4 - 第2 覃核探测的相关理论 中。一同被封装在钢筒中的还有光电倍增管的分压器电路和探测器的射极输出电 路。 2 4n a i ( t 1 ) 闪烁晶体探测器脉冲输出 通过以上论述可知，从核辐射进入闪烁体到光电倍增管阳极负载上建立电压 脉冲，将经历以下五个过程： ( 1 ) 丫光子在闪烁体中损失能量； ( 2 ) 闪烁体发光； ( 3 ) 光子由闪烁体传输到光阴极； ( 4 ) 光阴极发出电子； ( 5 ) 电子经光电倍增管放大。 最终在阳极收集到的电荷量可由下式表述。 g ：他m ：警g c 西k 。口呓r ( 2 - 1 ) 力y 。 毛入射丫光子能量； 彳入射丫光子能量留在闪烁体中的份额； c 印闪烁体发光效率； l 光阴极光子收集效率； h 普朗克常数： y 光子频率； g c 光电倍增管收集效率； q q ) 为光阴极对波长为九的光子的量子效率； 光电倍增管打拿极间电压； a 、b 为常数。 上式表明，光电倍增管的阳极电荷与入射丫光子的能量成正比。同时该式也 是核能谱探测、放射源强度、活度检测的基础，同时也是稳峰电路设计的理论基 础。 黑龙江大学硕士学位论文 经过几个打拿极的逐极倍增，最初的电荷脉冲到达阳极时已被大大地放大。 在积分时间常数r c 比脉冲持续时间大得多的近似条件下，输出电压脉冲的幅度 为佑： 圪= 罟p 丙( 2 - 2 ) c 电容器电容； p 电子电荷； m 光电倍增管平均增益； 能够到达光电倍增管系统的电子数目。其中概括了光子传输的多个物 理量。 收集到的电荷经r 积分电路积分后，输出与电荷值成正比的脉冲信号，该 信号的幅度就代表了入射y 光子的能量。 2 5y 能谱 2 5 1 能谱 n a i ( t i ) 闪烁晶体探测器的输出电压脉冲幅度与入射y 光子能量成正比。对于 某一放射性核素，其衰变放出的 r 光子能量是一个确定值，称为该核素的特征能 量。根据放射性衰变规律，一定时间内核素衰变放出的具有特定能量的7 光子数 量服从统计规律。一段时问内分别记录放射源放出的每一能量的光子数目，用横 坐标表示丫光子能量，纵坐标表示该能量光子的计数，即可得到一个曲线图，称 为该放射性核素的衰变能谱。能谱仪上各能量值是记录在各自的存储单元上的， 这些存储单元称为道址。道址代表脉冲的幅度及入射y 光子的能量。道址数越高， 对应的脉冲幅度越高，代表的y 光子能量就越大。 以1 3 7 c s 为例，室温下其能谱如图2 - 9 所示。 第2 章核探测的相关理论 图2 - 91 3 7 c s 能谱图 f i g 2 - 91 7 c se n e r g ys p e c t r u m a 峰是全能峰或特征峰，是1 3 7 c s 的特征丫射线贡献的，该峰对应的道址直接 反应了丫光子的能量。 b 称为康普顿坪区，是康普顿散射效应贡献的。 c 峰是反散射峰。 d 峰是1 3 7 c sd 衰变子体1 3 7 b a 特征x 射线贡献的。 a 峰与横轴围成的面积( 计数) 就是1 3 7 c s 的强度。能谱测量就是通过该能谱 找到a 峰中心位置所对应的能量e 来判断核素的。工业核仪表就是根据有无物料 时特征峰内的计数不同的原理工作的。图2 1 0 是在实验室条件下在放射源与探测 器之间放一块铝板前后的能谱形状比较。 黑龙江大学硕士学位论文 5 0 0 静 裁 4 3 0 0 2 1 0 0 0 02 4 0 0 6 0 08 0 01 0 0 0 1 2 道址 图2 - 1 0 铝板厚度测量前后的能谱 f i g 2 - 10t h ee n e r g ys p e o n m ao f b e f o r ea n da f t e rm e a s u r ea l u m i n u mt h i c k n e s s 可见，在加入铝板前后特征峰与横轴所围的面积有明显的变化。工业上就是 通过这种原理来测量产品的厚度、密度和流量的。如在物位检测中所用的放射源 是已知的，有物料情况下，特征峰与横轴所围的面积小，无物料情况下，所围面 积就大。根据所围面积( 计数) 的大小判断物料多少的方法是：首先确定特征峰 的位置，标定脉冲计数与所测物理量的关系，建立函数关系式。控制系统将根据 建立的数学关系实现对物理量的测量。 2 5 2 峰漂 常温下，特征峰的位置是不变的。当环境温度发生明显变化后，其能谱将发 生变化。图2 1 1 是不同温度条件下能谱中特征峰位置的比较图。 第2 章核探测的相关理论 8 0 0 7 0 0 6 0 0 5 0 0 蓁4 0 0 3 0 0 2 1 o 图2 1 1 峰位置随温度的变化 f i g 2 11p h o t o e l e c t r i cp e a l ( p o s i t i o nw i t ht e m p e r a t u r e 可见，环境温度变化后，特征峰的位置发生了变化，核测量中称为峰漂。峰 漂的结果致使标定的特征峰范围内的计数率发生变化，原来建立的计数率与待测 物理量问的关系不再适用，导致测量结果发生变化，增大了测量误差。 产生峰漂的原因是因为n a i ( t 1 ) 闪烁晶体和光电倍增管的温度性质显著，当环 境温度发生升高时，导致n a l ( t 1 ) 闪烁晶体的发光效率上升，光电倍增管的相对 脉冲输出减小。同时电子学线路所用的阻容元件的阻值、容值，集成电路的放大 倍数等都随温度的变化而变化。这些变化的最终作用结果是光电倍增管输出电压 脉冲幅度变化，体现在谱仪上是相应能量的脉冲计数改变，所以特征峰的中心位 置将发射漂移。随着环境温度的涨落，峰位将左右晃动。能谱测量中实际读到的 能量e 不再是核素衰变的准确能量；工业测量中，计数率的过度变化会带来极大 的误差和控制器误差，如灰斗开关的反复吸合等。 解决的办法是根据( 2 1 ) 式，在 r 射线能量e 已知的情况下，阳极输出电荷q 与有关。改变光电倍增管各倍增极间的电压珞，进而改变光电倍增管的二次发 射系数6 ，以达到改变增益m 的目的。这样也就改变了输出脉冲幅度，补偿了因 黑龙江大学硕士学位论文 温度变化引起的幅度变化，从而起到稳定峰位的作用。 所以有必要设计一个电路系统来实现对高压的控制。并在电路设计的每个环 节充分考虑温度对电子元器件的影响，力求将温度对系统的影响降到最低。而控 制高压的前提是对峰漂的合理判断。 第3 章稳峰电路设计 第3 章稳峰电路设计 3 1 稳峰电路的设计思想 因为放射性衰变是一个随机过程，总体上服从统计规律，所以特征峰的形状 是不规则的。为了处理问题的方便，可以近似地把特征峰看成正态分布函数来处 理。判断峰漂的方法是选择正态函数的中心轴所在的道址为特征峰的峰位，设该 位置对应1 3 7 c s 的y 射线能量e = 6 6 2 k e v 。该轴将特征峰分成a 、b 两部分，以该 轴为中心在左右两边分别选择道址b 和道址c ，b 、c 就是a 、b 两部分的边沿道址。 b 、c 位置的选取应将特征峰充分包含在k c 区间内，且满足a 、b 两部分内的计数 率相等或二者的差值在计数误差允许的范围内，且不应包含过多的康普顿散射区 和本底区，详见图3 1 。当峰位向右漂移时，a 部分内的计数将增加，b 部分内的 计数将减小；反之a 部分内计数减小，b 部分内计数增加。根据两部分内计数率 的差值即可判断峰位的漂移方向和漂移的多少： 哥3 瓤 太 抛 瑚 1 1 5 0 o a ： l ；u 目 | c 。 卿硼ui u u 删w u 1 1 i i 朋 道址 图3 - 1 稳峰模型 f i g - 3 1s t a b l ep e a km o d e l 经放大器放大的脉冲信号形状可用图3 2 的示意图表示，根据能谱测量原理， 能谱上的道址与进入定标器的脉冲幅度存在一一对应关系，即a 、b 、c 分别对应 a