大学物理创新实验讲义II

实验一实验一 发光材料的热释光光谱测量发光材料的热释光光谱测量 一、实验目的一、实验目的 1、掌握热释光三维发光谱的测量方法； 2、采用热释光三维光谱法分析发光材料的发光特性； 3、采用高温固相法合成发光材料，分析杂质和缺陷在发光材料中的作用。 二、实验原理二、实验原理 1、热释光现象和理论模型、热释光现象和理论模型 热释光（thermoluminescence，简称 TL）现象是吸收了电离辐射能的半导体 或绝缘体受热发光的现象，很多晶体、玻璃、陶瓷和有机化合物都存在热释光现 象，在三千多种矿石中，有四分之三的矿石可显示出热释光的性质。由于热释光 强度与物质所吸收的辐射剂量存在一定关系， 以这一关系为基础的热释光剂量学， 已经广泛地应用于辐射防护、辐射治疗、环境监测、考古学和地质测年学等诸多 领域。 根据能带论， 固体中电子的能级分成若干个能带。 能量最高的容许带是导带， 导带之下隔着一个禁带是价电子带。 当固体中含有杂质时， 在禁带中将出现分立 的能级。一般情况下，绝缘体未被辐射源照射以前，导带是没有自由电子的，价 带及其以下各容许带均被电子填满。 在晶体中加入正离子激活剂可以在禁带形成 俘获电子的能级，加入负离子激活剂则可能在禁带形成俘获空穴的能级。 如果电 子或空穴在这些能级上的寿命较长， 则称这些亚稳态能级为俘获中心或陷阱。 晶 体中的杂质、位错、空位、间隙原子和表面缺陷等均可形成俘获中心。负离子空 位或过剩的正离子的电子能级降低， 在禁带中靠近导带处出现了能俘获电子的能 级。一般情况下，在基态时该能级和导带一样是空的。正离子空位或过剩的负离 子的电子能级升高， 在禁带中靠近价电子带处出现了分立的能级。这些能级是从 价带中分离出来的，是空穴的俘获中心。晶体中的自由电子、空穴和激子均可通 过多种方式被俘获到这些能级。 在碱金属的卤化物中俘获了电子的负离子空位称 为 F 心，俘获了空穴的陷阱称为 H 心。如果陷阱能级较深，则处于俘获中心的电 子或空穴自发跃迁几率很小，可能长期处于陷阱中。有选择地加入激活剂，可以 控制晶体中俘获中心的浓度、能级深度和寿命。电离辐射使固体（包括晶体、玻 璃和塑料等） 中能级或能带的填充情况发生的持久变化， 可通过热激发、 光激发、 热电导和热电子发射等多种方式进行测量，用以测定吸收剂量。 (a) (b) 图 1-1 热释光电子跃迁过程的能级图 图 1-1 给出了热释光电子跃迁过程的简化能级示意图。 电离辐射作用于磷光 体时，导致足够能量传递给价带中的电子，电离后的电子跃迁至导带，同时在价 带中形成空穴， (见图 1-1(a)中过程 )。 电子和空穴分别以不同的几率被禁带中两 类不同电性的陷阱俘获，形成俘获中心和复合中心 (如图 1-1(a)中的 H 和 A)。 对辐照过的固体加热时， 能量传递给陷阱中的电子， 较浅的俘获能级中的电 子在较低的加热温度下就释放了， 而较深陷阱中的的电子要在较高的加热温度下 才释放。释放出来的电子可能被激发至导带（图 1-1(b)中 过程） ，然后，可能 被再俘获（图 1-1(b)中 过程） ，或者与不同的复合中心复合发光（图 1-1(b)中过 程 ） ；这些电子也可能跃迁到陷阱 H 的激发态 H ，然后发生再俘获或与不同的 复合中心结合，释放出光子。此外，也存在受激电子退激时不发光的可能性。 2、 热释光光释光三维光谱仪热释光光释光三维光谱仪 导带 价带 禁带 H A 导带 价带 禁带 H A 导带 价带 禁带 H A H hv hv hv 热释光和光释光的三维发光谱，即包含温度（或衰退时间）和波长与发光强 度的三维图谱的测定有助于识别发光中心的类型和了解相关的缺陷结构， 为热释 光和光释光的发光机制研究提供新的参数。因此， 热释光和光释光发光谱的三维 测量系统成为热释光和光释光研究的重要手段 热释光光释光三维光谱仪结构热释光光释光三维光谱仪结构 我们研制的热释光光释光三维光谱仪结构示意图如图 3-1。主要由以下功 能块组成： 3、 高温固相合成法 高温固相合成是指在高温（6001500）下，固体界面间经过接触，反应， 成核，晶体生长反应而生成一大批复合氧化物，如含氧酸盐类、二元或多元陶瓷 化合物等。 高温固相法是一种传统的制粉工艺， 虽然有其固有的缺点， 如能耗大、 效率低、粉体不够细、易混入杂质等，由于该法制备的粉体颗粒无团聚、填充性 好、成本低、产量大、制备工艺简单等优点，迄今仍是常用的方法。 CCD 探测器 微机接口 （ADC、主控电路） 光 栅 样品 样品室 光电倍 增管 （PMT） 高压 电源 计算机 加热器 步进电机 激发光源 滤光片 光纤 狭缝 图3-1 热释光光释光光谱仪结构框图 示例：掺杂稀土的硫酸盐磷光体的热释光发光谱示例：掺杂稀土的硫酸盐磷光体的热释光发光谱 图 4-4(a) MgSO4:Tm 的热释光发光谱 MgSO4:Tm（0.1mol%）热处理温度为 900，经 90Sr射线辐照 100Gy 以后 的三维热释光发光谱如图4-4所示。 可以看到， MgSO4掺入Tm之后， 相对于MgSO4 热释光强度有了明显的增加， 主要有 4 个剂量峰， 分别位于 140、 200、 260 和 360左右。 光谱中发光波长位于 362nm、 455nm、 470nm、 655nm 和 750nm。 300400500600700800 Wavelength (nm) 0 100 200 300 400 Temperature (oC) 图 4-4(b) MgSO4:Tm 的热释光发光谱的等高线图 CaSO4:Tm（0.1mol%）热处理温度为 600，经 90Sr射线辐照 100Gy 以后的 三维热释光发光谱如图 4-5 所示。可以看到，CaSO4主要的剂量峰位于 230， 还有几个较弱的发光峰分别位于120、 370左右。 主要的发光波长和MgSO4:Tm 相同。 图 4-5 CaSO4:Tm 的热释光发光谱 SrSO4:Tm（0.1mol%）热处理温度为 900，经 90Sr射线辐照 100Gy 以后的 三维热释光发光谱如图 4-6 所示。可以看到， SrSO4主要的剂量峰位于 230， 还有几个较弱的发光峰分别位于 120、180、220和 440左右。主要的发 光波长和 MgSO4:Tm 和 CaSO4:Tm 相同。上述三种硫酸盐掺 Tm 的磷光体，从发光 峰温和灵敏度来看，CaSO4:Tm 是比较好的材料。 图 4-6 SrSO4:Tm 的热释光发光谱 MgSO4:Dy（0.1mol%）热处理温度为 900，经 90Sr射线辐照 100Gy 以后的 三维热释光发光谱如图 4-7 所示。 可以看到， MgSO4掺入 Dy 之后， 相对于 MgSO4 热释光强度有了明显的增加， 主要有 4 个剂量峰， 分别位于 140、 200、 260 和 360左右。光谱中发光波长位于 480nm、575nm、660nm 和 750nm。 图 4-7(a) MgSO4:Dy 的热释光发光谱 图 4-7(b) MgSO4:Dy 的热释光发光谱 CaSO4:Dy（0.1mol%）热处理温度为 600，经 90Sr射线辐照 100Gy 以后的 三维热释光发光谱如图 4-8 所示。可以看到，CaSO4主要的剂量峰位于 230， 还有几个较弱的发光峰分别位于 120、 230和 370左右。 主要的发光波长和 MgSO4:Dy 相同。 300400500600700800 Wavelength (nm) 0 100 200 300 400 Temperature (oC) 图 4-8 CaSO4:Dy 的热释光发光谱 SrSO4:Dy（0.1mol%）热处理温度为 900，经 90Sr射线辐照 100Gy 以后的 三维热释光发光谱如图 4-9 所示。可以看到， SrSO4主要的剂量峰位于 230， 还有几个较弱的发光峰分别位于 120、180、220和 440左右。主要的发 光波长和 MgSO4:Dy 及 CaSO4:Dy 相同。与掺 Tm 的硫酸盐类似，CaSO4:Dy 是三者 之中发光峰温和灵敏度最好的一种。 100Gy 图 4-9 SrSO4:Dy 的热释光发光谱 三、实验步骤（略）三、实验步骤（略） 实验二实验二 闪烁探头的研制与测试闪烁探头的研制与测试 一、实验目的一、实验目的 1、掌握闪烁体探测器的原理； 2、掌握闪烁体探测器的结构； 3、研制闪烁体探测器，并采用放射源进行测试。 二、实验原理二、实验原理 1、闪烁体 主要由闪烁体、 光的收集部件和光电转换器件组成的辐射探测器。当粒子进入闪 烁体时， 闪烁体的原子或分子受激而产生荧光。利用光导和反射体等光的收集部 件使荧光尽量多地射到光电转换器件的光敏层上并打出光电子。 这些光电子可直 接或经过倍增后，由输出级收集而形成电脉冲。早在 1903 年就有人发现 粒子 照射在硫化锌粉末上可产生荧光的现象。但是，直到 1947 年，将光电倍增管与 闪烁体结合起来后才制成现代的闪烁探测器。 很多物质都可以在粒子入射后而受 激发光，因此闪烁体的种类很多，可以是固体、液体或气体。 无机闪烁体 固体的无机闪烁体一般是指含有少量其它种晶体（激活剂）的无机盐晶体。 虽然用纯无机盐晶体也可作为闪烁体，但加了激活剂后能明显提高发光效率。 当 闪烁体中原子的轨道电子从入射粒子接受大于其禁带宽度的能量时,便被激发跃 迁至导带。然后,再经过一系列物理过程回到基态，根据退激的机制不同而发射 出衰落时间很短的荧光（约 10 纳秒）或是较长的磷光（约 1 纳秒或更长）。最 常用的无机晶体是用铊激活的碘化钠晶体， 即碘化钠 （铊） ， 最大可做到直径 500 毫米以上。它有很高的发光效率和对 射线的探测效率。 其他无机晶体还有碘化 铯（铊）、碘化锂（铕）、硫化锌（银）等，各有特点。新出现的有锗酸铋等。 气体和液体的无机闪烁体，多用惰性气体及其液化态制成、如氙、氪、氩、氖、 氦等。其中以氙的光输出最大而较多使用。 有机闪烁体 编辑 有机闪烁体大多属于苯环结构的芳香族碳氢化合物， 其发光机制主要由于分 子本身从激发态回到基态的跃迁。同无机晶体一样，有机闪烁体也有两个发光成 分,荧光过程小于 1 纳秒。有机闪烁体又可分为有机晶体闪烁体、液体闪烁体和 塑料闪烁体。有机晶体主要有蒽、茋、萘等，具有比较高的荧光效率，但体积不 易做得很大。液体闪烁体和塑料闪烁体可看作是一个类型，都是由溶剂、溶质和 波长转换剂三部分组成， 所不同的只是塑料闪烁体的溶剂在常温下为固态。还可 将被测放射性样品溶于液体闪烁体内，这种“无窗”的探测器能有效地探测能量很 低的射线。液体和塑料闪烁体还有易于制成各种不同形状和大小的优点。 塑料闪 烁体还可以制成光导纤维，便于在各种几何条件下与光电器件耦合。 2、光电转换器 编辑 光电转换器件一般采用光电管与光电倍增管。 但是， 后出现的半导体光电器 件， 具有高的量子转换效率和低功耗，便于闪烁探测器的微型化和提高空间分辨 率。 已有人研制成闪烁体与光电器件均用半导体材料组成的单片集成化的闪烁探 测器。 利用光电倍增管倍增系统所做成的电子倍增器， 也可单独用来探测辐射。 将 分立的二次级改为连续的二次级后， 形成通道型电子倍增器。微型化的通道型电 子倍增器微通道板可以做到在 1c 面积上具有几十万个微通道。 用微通道板 作为电子倍增系统的光电转换器件， 不但可以得到较高的灵敏度，而且还具有良 好的时间特性和位置分辨率。 闪烁探测器具有探测效率高和灵敏体积大等优点。 其能量分辨率虽然不如半 导体探测器好，但对环境的适应性较强。特别是有机闪烁体的定时性能，中子、 分辨能力和液体闪烁的内计数本领均有其独具的优点。因此，它仍是广泛使用 的辐射探测器。 3、 前置放大器 1） 前置放大器的作用 合理布局，便于调节和使用。为缩小体积，紧靠辐射源的前置放大器通常要 求有一定的放大倍数，工作稳定可靠，并做成非调节式。 实现阻抗转换和匹配。前置放大器是在探测器和主放大器之间作为一个阻抗 转换器， 探测器通常要求后级有高的输入阻抗以便于信号的输出， 而前置放大器 通过电缆远距离传送给主放大器时， 则要求有能与电缆阻抗相匹配的低的输出阻 抗及传递信号。 2） 前置放大器的分类 电压灵敏前置放大器：利用放大器输入总电容对探测器输出的电流信号 进行积分，电路简单，用于能量分辨率要求不高的探测系统。 电流灵敏前置放大器：电流灵敏前置放大器是对探测器输出电流信号直电流灵敏前置放大器是对探测器输出电流信号直 接进行放大。常用于高速应用场合，比如时间测量系统。接进行放大。常用于高速应用场合，比如时间测量系统。 电荷灵敏前置放大器：电路形式为带有电容负反馈的电流积分器，电路带有电容负反馈的电流积分器，电路 输出的幅值正比于探测器输出的电荷量。高分辨率能谱测量系统均采用输出的幅值正比于探测器输出的电荷量。高分辨率能谱测量系统均采用 这种形式的电路。这种形式的电路。 4、在辐射探测中的应用 X 射线、CT、核医学放射性核素成像、环境辐射监测、高能射线探测，其 原理都是利用光子流作为射线源，射线穿透人体或物质， 再从人体或物质中发射 出来或射线直接被探测器接收而形成影像。 所以探测器系统对射线的接收程度就 成为关键的因素之一，常用的技术有：气体电离室探测、半导体材料探测、闪烁 晶体探测等。 而闪烁晶体因其固有的吸收射线辐射发光的特性就成为测量射线能 量和强度的良好材料。无机闪烁晶体主要应用领域有高能物理、核物理、核医学 （如 XCT、 PET 以及 g 相机） 、 工业应用 （工业 CT） 、 地质勘探、 石油测井等。 闪烁晶体在射线的激发下能发出位于可见光波段的光波， 不同的闪烁体最大闪烁 发射波长、光产额、闪烁衰减时间、辐射长度、辐照硬度及密度、熔点、硬度、 吸潮性等物理性质都有所不同。 现实中没有任何一种闪烁体能满足全部使用要求， 每种闪烁晶体都有各自的优缺点， 使用中需根据具体要求及应用领域选择不同的 材料。一般来说无机闪烁晶体用于辐射探测时基本应具备以下几个条件： 对探测粒子有较大的阻止本领，使入射粒子在晶体中的损耗量较大，为 此闪烁体的密度及有效原子序数应较大。 具有较高的发光效率及较好的能量分辨率。 在自身发光波段内无吸收，即有较高的透过率。 较短的发光衰减时间（时间分辨好）。 发射光与光探测元件光谱响应相匹配。 较大的辐照硬度（抗辐射损伤）。 较好的热稳定性（ 发光效率受温度影响小）。 易于加工成各种形状和尺寸。 较好的化学稳定性（不吸潮）。 现已开发的无机闪烁体如下：NaI(Tl) 、CsI. CsI(Na)、CsI(Tl) .LiF(Eu) 、 CaF2(Eu) .CdF2、BaF2、CeF3 、BGO(Bi3Ge4O12) 、ZWO(ZnWO4) 、 CWO(CdWO)4 、PWO(PbWO4)、GSO:Ce(Gd2SiO2O5:Ce)、 LAP:Ce(LaAlO3:Ce)、YAP:Ce（Y AlO3:Ce）、LSO:Ce(Lu2Si2O5:Ce)等。 应用领域： NaI 和 BGO(锗酸铋)是应用较多的闪烁晶体，NaI(Tl)光输出大。对 NaI(Tl) 光输出的界定是以最早的塑料闪烁体-蒽（C14H10）来标定，相对于蒽， NaI(Tl) 的相对光输出为 230%。 NaI(Tl) 晶体密度较低 （3.65g/cm3） ， BGO 有较高的密度 （7.13g/cm3） ， 但光输出较低（只有 NaI(Tl)的 8%）。现处于较前沿的闪烁晶体有：GSO(Ce)、 YAP (Ce)、 LAP(Ce)、 LSO(Ce)等。 这些晶体光输出较高， 如 LSO(Ce)约为 NaI(Tl) 的 75%，且衰减时间快、密度高。因其优良的性能，尽管造价昂贵，但仍不失 为高能探测的理想材料。 三、实验步骤（略）三、实验步骤（略） 实验三实验三 陶瓷器的断代研究陶瓷器的断代研究 一、实验目的一、实验目的 1、掌握陶瓷器热释光断代的原理； 2、掌握陶瓷器热释光古剂量测量方法。 二、实验原理二、实验原理 1、热释光测年法热释光测年法 热释光是一种自然现象，是某些固体物质因长时间受到射线的辐照，在辐射 电离作用下，固体物质产生电子-空穴对，一些电子被晶体的缺陷所俘获，在室 温下，这种俘获状态是稳定的。 如果将晶体加热，被俘获的电子则从陷阱中逃逸出来与空穴复合，同时以光 子的形式释放出它们所贮存的能量， 这就是热释光， 即 TL(Thermoluminescence) 这种光很微弱，只有用高灵敏度的测光量仪器才能测出来，并且在冷却以后 再加热时，这种光是不能重新再现的。 自然界的所有沉积物，都含有铀、钍、钾等长寿命放射性元素，它们衰变放 出、射线。射线使固体物质电离，或使电子被激发到高能态。多数电子 会很快恢复到基态， 但有一部分电子在晶格内的运动中，会陷入到较高能态的原 有晶体的缺陷里，成为被俘获的电子。只有通过加热，才能使陷阱中的电子增加 动能而被激发出来，与空穴复合，并以光量子的形式放出能量。 加热放出的总光子数，与陷阱中释放出的电子数成正比。而总电子数与发光 体（具有热释光特性的物质）所吸收的辐射能量成正比。因此，年代越久，物质 所接受的放射性越强，贮存的能量也越高，热释光量也越大。即热释光量与所接 受的放射性总剂量成正比。 铀、钍、钾的半衰期长达 109年（10 亿年） ，在较短的时距内（第四纪） ，可 以认为其放射性强度是个常数。因此，热释光的光强大小与年代成正比。也就是 说，在同样的辐射剂量下，样品年龄越老，热发光就越强。 已知样品的自然热释光量（I）与样品所受的总辐射剂量（D）成正比，即： I=k D 其中， k 是样品对辐照的灵敏度， k=人工辐照引起的热释光量/人工辐照剂量， D=Rt，R 是年辐照剂量，t 是受辐照的时间。由上可以得出 t=D/R=I/Rk (I 为自 然热释光量) 样品积累热释光以后，遇到光热事件（如火山活动；粘土被烧制成瓷器； 岩石受风化侵蚀作用，受太阳光中紫外线照射，再沉积下来） ，就会使原来积 存的热释光基本消除，即热释光“时钟”调零。再沉积以后，受周围放射性元素 辐照，又重新积累热释光。这样就可以根据热释光来测量陶器、火山活动等的年 代，这就是热释光测年法。 陶器在烧制过程中，经过 500-1000左右的高温，陶器粘土中的矿物晶体 释放原来贮藏的热释光。 热释光不同于一般加热后的炽热发光， 它是放射性能量 储存的标志。释放完后，陶器晶体继续接受、贮藏大小恒定的固定辐射能，这些 辐射能是陶器烧成后开始增加的，可以作为陶器年龄的标志，换句话说，热释光 测