第三章 电离辐射探测方法

第三章射线探测试用讲义，请勿传播射线探测探测原则主要探测器类型电离探测器闪烁探测器其他探测原则一个粒子若要被探测到，这个粒子必须与探测器进行某种作用并在探测器中沉积下一定的能量。对于大多数探测器，入射粒子在探测器的灵敏区直接或间接激发出一定量的电荷，这些电荷被收集起来形成信号输出（也可以通过其他方式记录）。带电粒子一般可以直接探测；高能光子通常与核外电子作用后进行间接测量；中子一般通过核反应产生带电粒子进行间接测量。探测器的主要类型电离探测器气体或液体电离室，正比管，G-M探测器半导体探测器闪烁探测器有机闪烁体无极闪烁体其他云室、气泡室、胶片、热释光、固体径迹探测器、IP板…切伦科夫辐射、穿越辐射电离室(IonizationChamber)/info/encyclopedia/i/ionizationchamber.htm电离室核心部件是一对电极及其间充满满的绝缘气体或液体，电极分别接外电路的正负极。无辐射时电极间无电流，当带电粒子在灵敏区通过时电离产生电子离子对，在电极间的电场作用下电子和正离子分别向阳极和阴极漂移，形成电流。多用于剂量测量。/ptp/collection/ionchamber/introionizationchamberr.htm入射带电粒子与靶原子的核外电子通过库仑作用，使电子获得能量而引起原子的电离或激发。

入射粒子直接产生的离子对称为原电离。初电离产生的高速电子足以使气体产生的电离称为次电离。总电离=原电离+次电离平均电离能：带电粒子在气体中产生一电子离子对所需的平均能量。对不同的气体，

W大约为30eV

若入射粒子的能量为E0，当其能量全部损失在气体介质中时，产生的平均离子对数为：法诺噪声(Fanonoise)与法诺因子(Fanofactor)带点粒子在探测器中产生电子离子对的数目正比于带电粒子的能损，但存在一定的波动，称为法诺噪声。法诺因子：其中w为时间窗口（测量时间），σ2为方差，μ为测量平均值。对于泊松过程F=1，法诺因子业可以写为：其中O为实验观察量，P为泊松过程估计量作业:估算能量极限分辨率电子与离子在气体中的运动

当不存在外加电场的情况下，电离产生的电子和正离子在气体中运动，并和气体分子或原子不断地碰撞，处于平衡状态。其结果会发生以下物理过程：

扩散Diffusion

电子吸附ElectronAttachment

复合Recombination

漂移Drift（存在外电场时）扩散(Diffusion)

在气体中电离粒子的密度是不均匀的，原电离处密度大。由于其密度梯度而造成的离子、电子的定向运动叫扩散。由气体动力学，可得到扩散方程：电子或离子粒子流密度电子或离子的扩散系数电子或离子密度若电离粒子的速度遵守麦克斯韦分布，则扩散系数

D与电离粒子的杂乱运动的平均速度

之间的关系为：平均自由程

电子的平均自由程和热运动的平均速度都比离子的大，因此其扩散系数比离子的大，因而电子的扩散效应比离子的严重。电子吸附

电子在运动过程中与气体分子碰撞时可能被气体分子俘获，形成负离子，这种现象称之为吸附效应。Electronattachmente-Negativeion例如O2、H2O的

，卤素达

每次碰撞中被电子俘获的概率称为吸附系数

h。h大(h>10-5)的气体称为负电性气体。复合(Recombination)

有两个过程：电子与正离子，或负离子与正离子，相遇时可能复合成中性的原子或分子。Recombinatione-＋—＋：复合系数

复合引起的离子对数目的损失率：负离子运动速度远小于电子，正离子与负离子的复合系数要比正离子与电子的复合系数大得多。离子和电子在外加电场中的漂移

离子和电子除了与作热运动的气体分子碰撞而杂乱运动和因空间分布不均匀造成的扩散运动外，还有由于外加电场的作用沿电场方向定向漂移。这种运动称为“漂移运动”，定向运动的速度为“漂移速度”。电子漂移速度一般为：离子漂移速度一般为：(2)电子的漂移速度对组成气体的组分极为灵敏在单原子分子气体中（如卤素）加入少量多原子分子气体（如CO2、H2O等）时，电子的漂移速度有很大的增加。脉冲工作的电离室气体有：惰性气体，N2，空气，混合气体等射线射入电离室→使气体电离→在电极上产生感应电荷→电子离子在电场中漂移→形成漂移电流→RC上输出波形+RCHV前置放大电路电离电流射线-假设回路中没有负载电阻

极板a上加高压V0，极板ab间电容量为C1，则两极板的电荷量：输出信号产生的物理过程在电离室内某一点引入一单位正电荷e+它将在两极板上分别感应出一定的负电荷，设分别为-q1、-q2根据高斯定律：这就相当于感应电荷从外回路流过，即在外回路流过电流

i+(t)。当

电荷沿电场向收集极运动，则上极板a上感应电荷

减少，下极板b上感应电荷

增加。且正离子漂移所引起的负感应电荷在回路中流过的电荷量为：电子(负离子)漂移所引起的正感应电荷在回路中流过的电荷量为：同一点引入正负电荷：

当同时在同一位置引入一离子对，则在外回路流经的电流：i(t)=i+(t)+i

–(t)

流过外回路的总电荷量：△q++△q-=e(当入射粒子在探测器灵敏体积内产生N个离子对，它们均在外加电场作用下漂移，这时，产生的总电流信号是：当N个离子对全部被收集时，流过外电路的总电荷量的为：测量仪器总电阻总电容RL

：负载电阻；C1：探测器电容；R入

：

测量仪器输入电阻；C入

：

测量仪器输入电容；：杂散电容；如,电缆电容~100pF/m。探测等效电路t2为开始有正离子到达b极板的时间；t1为开始有电子到达a极板的时间；T–

为电子全部到达a极板的时间；T+为正离子全部到达b极板的时间。u

为电子或粒子的漂移速度；d

为平行板电极间距；平行板电离室输出电流曲线当外电路的时间常数远大于离子漂移时间时的输出电压曲线输出电压包含了正离子漂移的贡献，工作于此状态的电离室成为离子脉冲电离室当外电路的时间常数远小于离子漂移时间但远大于电子漂移时间时的输出电压曲线输出电压只包含电子漂移的贡献，工作于此状态的电离室成为电子脉冲电离室影响输出信号形状的因素圆柱型电子脉冲电离室屏栅电离室（TheGriddedIonChamber）输出信号计算如果入射粒子的能量为E，并且全部损失在电离室内，气体的平均电离能为ω

一般气体为20—40eV，空气为33eV，则产生的平均离子对数为：则电容上产生的总电荷数为：则电容上产生的电压为：N0=E/ω

Q0=eN0=eE/ω

V0=Q0/C=eE/(Cω)输出计算的例子设入射粒子为210Po发射的α粒子，能量为5.3MeV，并在空气电离室内消耗其全部能量。若空气的平均电离能ω取35eV，则一个α粒子产生的离子对数N0=5.3×106/35=1.5×105个离子对。这些离子对全部被收集后的总电荷：

Q=1.5×l05×1.6×l0-19=2.4×10-14C设总电容量为20pF，则输出脉冲幅度为

△V=2.4×10-14/2.0×10-11=1.2mV常用气体的特性气体ZEex(eV)Wi(eV)H2210.837He219.841N2248.135O2267.931Ne2016.636Ar1811.626Kr3610.024Xe548.422CO2225.233CH41028正比计数管/~allen/252/PHY251_Geiger.htmlI区——复合区：电离出的离子与电子在漂移中由于碰撞而复合，成为中性原子，此复合几率随外加的电压（偏压）的增加而减小。II区——饱和区：原电离出的离子和电子全部被吸收，无复合效应。III.1区——正比区：由于电场强度大到足以使加速电子撞击原子产生新的电离，离子对数将倍增（10—104倍），这种现象叫气体放大。在固定外加电压下，气体放大系数M恒定。III.2区——有限正比区：在固定外加电压下，气体放大系数M不能恒定与初电离失去正比关系。IV区——G—M区：外加电压较高，离子对增加比D区更为猛烈，高达108电离电流猛增，产生持续放电现象，要终止放电应加淬熄气体（卤素和有机物），此区电离电流大小不再与入射粒子的能量有关。V区——连续放电区

工作区与探测器工作区气体探测器作用及性能复合区无无饱和区电离室可作能量、强度、剂量的测量，输出较小正比区正比计数管可作能量、强度的测量，输出较大有限正比区无无G-M区G-M计数器只作强度测量（计数测量），输出幅度大连续放电区闪烁室、火光室略/wiki/Proportional_counterhttp://www.mssl.ucl.ac.uk/~mwt/propcounters/intro.htm通常正比计数管采用细丝作为阳极，可以在阳极周围产生一个较大的电场满足雪崩放大的要求

在一个大气压下，电子在气体中的自由程约10-3～10-4cm，气体的电离电位～20eV。要使电子在一个自由程就达到电离电位，场强须>104V/cm。例：当V0＝1000V，a＝25m，b＝1cm时，在r＝0.02cm处，电场强度相当于临界场强ET。输出脉冲幅度的涨落是一个二级串级型随机变量：输出脉冲幅度：正比计数器的能量分辨率实验得到

能量分辨率

影响正比计数器能量分辨率的其他因素：①阳极丝的均匀性。④电子学系统的影响。③末端效应和室壁效应。②负电性气体的存在。使不同区域A不同，故同样能量粒子在不同入射位置产生信号的大小不同。使一些初级电子消失，影响输出脉冲幅度。入射粒子能量未完全损失在灵敏体积。放大器噪声等的影响。多丝正比室：原理，读出方式，用途，发展GEM探测器：原理，用途GM计数管(Geiger–Müllertube)/~derose/labs/exp2.html/nucrad/detect.htmGM计数管使用较低的充气气压（0.1atm）电子在其中具有较大的平均自由程。在两次碰撞间可以在电场中获得更大能量，并在与气体分子碰撞时产生紫外光子。紫外光子在管壁或工作气体中激发出电子继续参与气体放大，这个过程可以蔓延到整个阳极附近区域。由于电子的漂移速度比离子大三个量级，电子在阳极周围倍增并迅速被收集，而在阳极周围留下正离子形成鞘层，使样机附近电场低于雪崩倍增的阈值，放大过程终止。光致电离Cs原子的电离电位最低，3.88eV；

相应的光子波长为3184Å

，在紫外区；

紫外光或能量更高的光才能产生光致电离。

介质中原子吸收一个光子，放出一个电子而电离。

紫外光子能量较低，光致电离产生的电子动能很低，一般不能再引起新的电离或激发。G-M计数管的淬灭，死时间和恢复时间Geiger放电后，正离子从阳极附近向阴极漂移，到达阴极表面后与阴极表面释放的电子复合。Geiger计数管工作气体为惰性气体，若其电离能大于将电子从阴极表面释放的能量的两倍，则可能在阴极表面上激发出自由电子。自由电子会向阳极漂移产生新的Geiger放电，这个过程可能重复导致探测器持续放电。为解决这个问题，需要对Geiger放电进行淬灭，一般会加入淬灭气体，也可以利用外电路进行淬灭。从探测到一个带点粒子产生Geiger放电到淬灭之间，探测器对灵敏区内的带电粒子不响应，这段时间为死时间。第一次放电后短时间内探测器探测到带电粒子时输出明显小于正常值，这段时间为恢复时间。报告：G-MTube的淬灭（原理，方法）及导致的死时间（原理，测量方法，对测量的影响）/wiki/Geiger%E2%80%93M%C3%BCller_tube火花室(sparkchamber)http://www.hep.ph.bham.ac.uk/general/outreach/SparkChamber2/http://www.hep.phy.cam.ac.uk/~lester/teaching/SparkChamber/SparkChamber.html性能并不突出，目前仅作展示用半导体探测器/nsep/courses/basic-radiation-detection/semiconductor-detectors/introduction/introductionSiSiSiSiSiPN-型半导体SiSiSiSiSiSi纯净半导体晶体SiSiSiSiSiBP-型半导体自由电子产生空穴本征半导体半导体类型空穴在Ge中的漂移速度电场一定时，低温的漂移速度大。饱和速度时的场强：低温：Es~103V/cm；室温：Es~104V/cm。电场强度较小时，u与场强成正比；电场强度较大时，u随场强增加速度变慢。电子在Si中的漂移速度饱和速度~107cm/s半导体平均电离能的特点：1.近似与入射粒子种类和能量无关，根据电子－空穴对可以推得入射粒子的能量2.入射粒子电离产生的电子和空穴的数目是相同的。无论是与本征半导体反应，还是与n型、p型半导体反应。3.半导体的平均电离能很小～3eV，<<气体平均电离能(～30eV)平均电离能与入射粒子也有一定的关系：质子与α粒子相差2.2%。平均电离能与温度也有关系，对于Si，液氮温度时比室温时大3%。与射线的能量也有一定的关系，特别是低能X射线部分。能量降低，平均电离能增大。一些半导体的性质

Z

EG

W

riatRT (eV) (eV/ehp) (W)Si 14 1.12 3.6 ~104Ge 32 0.66 2.9 50InP 49/15 1.4 4.2 107GaAs 31/33 1.4 4.3 108CdTe 48/52 1.4 4.4 109CdZn0.2Te 48/52 1.6 4.7 1011HgI2

80/53

2.1 4.2 1013TlBr 81/35

2.7 5.9 1011Diamond 6 5 13 >1013利用半导体材料作为测量物质(灵敏物质)的探测器；半导体探测器P-N结型P-I-N型（锂漂移型）HPGe型化合物型探测原理：

将辐射吸收在固态半导体中，当辐射与半导体晶体相互作用时将产生电子—空穴对。这些电子——空穴被外电路所收集，形成电信号输出，得到了辐射信息。由于产生电子—空穴对的能量较低，所以该种探测器具有能量分辨率高且线性范围宽等优点。P-N结的构成26mV结型探测器反向电流特性曲线反向电流特性反向电流是使探测器产生噪声的主要原因。反向电流必须很小。RCHV前置放大电路电离电流射线P区PN结N区

利用反向偏置的PN结即可构成PN结型半导体探测器，耗尽层即为探测器的灵敏区。在反向偏置时，外加电压几乎全部加在耗尽层的两端。而结区内的P区和N区内的自由载流子浓度较高，电阻率很低，相当于两个电极。射线进入灵敏区使介质发生电离而产生大量的电子-空穴对。在电场作用下，电子和空穴迅速向正、负两极漂移并被收集，从而在输出电路中形成电信号。等效电路i(t)tt1t2t3RoCoi(t)

探测器输出的信号，可以等效为一个电流源

i(t)，Co为探测器的等效输出电容，Ro为探测器的等效输出电阻。ttPN结加上反向电压→产生足够厚度的PN区（叫灵敏区）→射线进入灵敏区→电离产生电子—空穴对→电子向阳极漂移→形成电流输出→外电路输出电压；电离效应假设射线能量E全部消耗在灵敏区内，硅Si的平均电离能为ω;V0=Q/C=eN/C=eE/(Cω);C=Cd为探测器的结电容;输出幅值比气体大10倍;Si：3.76eV(77K)，3.62(300K)Ge：2.96eV(77K)，2.80(300K)空气:35eV;金硅面垒探测器结构+金膜N-Si氧化层铜镍-利用N型硅单晶片作基片，基片表面经过酸处理后，曝露在空气中，表面会形成一层氧化层。于真空中在这氧化层上镀上一层薄金膜(约100Å)，则靠近金膜的氧化层具有P型硅的特性，并在与基片交界面附近形成PN结;结区厚度d外加工作电压基片电阻率N型硅材料：d=5.3×10-5(V·ρ)1/2cmP型硅材料：d=3.2×10-5(V·ρ)1/2cm

结区电容Cd结区面积介电常数存在下面关系式结电容是探测器的重要参数，因为输出脉冲幅度△V与结电容有关电荷灵敏放大器Cd的变化影响探测器的输出，为了尽量减小Cd的变化，探测器的前置放大器要使用电荷灵敏放大器。探测器的输出脉冲幅度为P-I-N型半导体探测器PPNNImmcm，V>200cm3杂质浓度电荷分布电位电场二．锂漂移探测器的工作原理空间电荷分布、电场分布及电位分布杂质浓度电荷分布电位电场在本征区（I）：完全补偿区，呈电中性为均匀电场；为耗尽层，电阻率可达1010cm；厚度可达10～20mm，为灵敏体积。P-I-N结的形成

基体用P型半导体(因为极高纯度的材料多是P型的)，例如掺硼的Si或Ge单晶。(1)一端表面蒸Li，Li离子化为Li+,形成PN结。(2)另一端表面蒸金属，引出电极。外加电场，使Li+漂移。Li+与受主杂质(如Ga-)中和，并可实现自动补偿形成I区。(3)形成P-I-N结，未漂移补偿区仍为P，引出电极。ab63PN+IntrinsicFrontmetallizationOhmicbackcontactTopositivebiasvoltage

由硅作为基体的探测器称为Si(Li)探测器，由锗作为基体的探测器称为Ge(Li)探测器。锂离子是用于漂移成探测器的唯一的离子。工作条件为了降低探测器本身的噪声和场效应管（FET）的噪声，同时为降低探测器的表面漏电流，锂漂移探测器和场效应管FET都置于真空低温的容器内，工作于液氮温度(77K)。对Ge(Li)探测器由于锂在锗中的迁移率较高，须保持在低温下，以防止Li+Ga-离子对

离解，使Li+沉积而破坏原来的补偿；

对Si(Li)探测器由于锂在硅中的迁移率较低，在常温下保存而无永久性的损伤。要求低温条件：室温下，离子对会离解；降低反向电流和噪声。高纯锗（HPGe）探测器一种具有厚灵敏区的PN节探测器。大体积灵敏区：增加工作电压V，降低杂质密度N。纯化，N~1010/cm3，一般半导体的纯度为1015/cm3利用HPGe，可使W>10mm电荷分布电位电场1)P区存在空间电荷，HPGe半导体探测器是PN结型探测器。2)P区为非均匀电场。3)P区为灵敏体积，其厚度与外加电压有关，一般工作于全耗尽状态。4)HPGe半导体探测器可在常温下保存，低温下工作。68本征半导体探测器至放大器CRLRdCd+早期使用金刚石（绝缘晶体）电阻率高载流子寿命很短(10-8s)：载流子来不及被收集（电子－空穴的收集时间～10-7s）“极化效应”：形成“空间电荷”，导致“反向电场”，随着入射粒子数目的增多，计数器无法工作1/1000的金刚石可用。晶体材料温度[K]空穴迁移率μp[厘米2/伏·秒]空穴寿命τp[秒]μp`τp[厘米2/伏]金刚石300120010－810－5硅3005002×10－31掺金硅14010410－710－3锗300180010－31.8锗781.5×10410－315碲30056010－85×10－6砷化铟3003×1046×10－82×10－3砷化镓3001037×10－77×10－4硫化镉3005010－85×10－7碲化镉3001002×10－62×10－4碲锌镉3008010－68×10－5碘化汞300410－54×10－5半导体的载流子寿命较长，但是电阻率较低。在本征半导体两端施加电压后会产生显著的电流带来很大的噪声。解决办法：室温半导体补偿法，提高材料的电阻率利用补偿法制备具有本征电阻率的硅晶体，在100K的低温下工作，则电阻率可以满足要求。在N型硅中掺杂3倍于施主数目的金。载流子寿命变短。选择禁带宽度大的材料，在室温下本征电阻率也足够高，例如化合物半导体材料：GaAs，CdTe，CZT(CdZnTe)，HgI2，CVD(ChemicalVaporDeposition)金刚石探测器72CdTe,CdZnTe,HgI2

的特性参数CdTeCdaZnbTeHgI2SiGe原子序数48/5248/30/5280/531432禁带宽度(eV)1.441.64(a=0.8,b=0.2)1.53(a=0.96,b=0.04)7密度(g/cm3)6.2

～66.42.335.33电阻率(Ωcm)10910111013upto104

50电子迁移率(cm2/V.s)1100135010014003900空穴迁移率(cm2/V.s)10012044801900μτ(e)(cm2/V)3.3×10-31×10-310-4>1>1μτ(h)(cm2/V)2×10-46×10-64×10-5≈1>1电离能/e-h对4.435.04.33.61(300K)3.76(300K)2.98(77K)最佳γ射线能量分辨率1.7keV@60keV(300K)3.5keV@122keV(300K)11.6keV@662keV(300K)3.2keV@122keV(300K)5.96keV@662keV(300K)400eV@60keV（77K）550eV@122keV(77K)400eV@122keV(77K)900eV@662keV(77K)1300eV@1332keV(77K)高Z探测器的优势85%的100keV光子被完全吸收：1mm厚的HgI2,2.6mm厚的CdTe,10mm厚的Ge高探测效率(高Z，高密度），

CdTe的光电几率是Ge4～5倍,HgI2

为

50倍室温操作（高带宽）高电阻率小的探测器体积闪烁探测器闪烁体可以将带电粒子在其中沉积的能量转换为光输出，好的闪烁材料应该具有以下特性：能够高效的将带电粒子的动能转化为可探测的光子；光输出应该正比与带电粒子沉积的能量；对自身发射的光子是透明的；光输出的衰减时间短；应具有好的光学性质，能加工为足够大的尺寸；折射系数与玻璃（约1.5）接近。闪烁体无机闪烁体NaI(Tl)CsI(Tl),BGO…ZnS(Ag),GOS有机闪烁体有机晶体塑料闪烁体液体闪烁体光输出高，密度较大，但速度慢，一般达到几百ns速度快，价格低廉，但光输出较低。密度低，富含氢，适于探测电子及快中子禁带导带价带激带晶体中电子的能态用“能带”来描述。晶体的发光机制取决于整个晶体的电子能态。对于离子晶体，辐射射入闪烁体使晶体原子电离和激发。结果使得价带中的一些电子由原来位置跃迁过禁带而进入导带，成为自由电子，同时在价带中形成空穴（电离）。电子也可能跃迁到较低的激带，这时产生的电子－空穴对称之为激子。激子只能在晶格中束缚在一起运动（激发）。导带上的自由电子和价带空穴可以复合成激子，相反，激子也可以受热运动而变成自由电子－空穴对。

无机闪烁体发光机制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。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。

存在的问题解决办法：在晶体中掺入少量杂质（激活剂）。激活剂在晶格形成特殊的晶格点，并在禁带中形成一些局部能级。选择合适的激活剂，使它的激发能级比晶体的导带、激带低，而基态比价态高。激活剂能级成为发光中心。由于激活剂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。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”。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”。激发态是亚稳态，电子可以在此状态保持一段较长的时间。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”。闪烁体发射光谱为连续谱。各种闪烁体都存在一个最强波长。探测器设计时需要考虑光敏元件的响应光谱需要与闪烁体发射光谱匹配。对β粒子；对α粒子发光效率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。对于NaI(Tl)以NaI(Tl)为例对1MeV的β粒子，发射光子平均能量光能产额：nph为产生的闪烁光子总数。发光效率与光能产额的关系：发光衰减时间受激过程大约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：τ为发光衰减时间，即发光强度降为1/e所需时间。

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：快、慢两种成分的相对比例随入射粒子而变化

。由总光子数得到：/tharriso/ast536/ast536week9.htmlMaterialDensity[g/cm3]EmissionMax[nm]DecayConstant(1)RefractiveIndex(2)ConversionEfficiency(3)Hygro-scopicNaI(Tl)3.674150.23ms1.85100yesCsI(Tl)4.515500.6/3.4ms1.7945noCsI(Na)4.514200.63ms1.8485slightlyCsIundoped4.5131516ns1.954-6noCaF2(Eu)3.184350.84ms1.4750no6LiI(Eu)4.084701.4ms1.9635yes6Li-glass2.6390-43060ns1.564-6noCsF4.643903-5ns1.485-7yes(1)EffectiveaveragedecaytimeForg-rays.

(2)Atthewavelengthoftheemissionmaximum.

(3)Relativescintillationsignalatroomtemperaturefor

g-rayswhen

coupledtoaphotomultipliertubewithaBi-Alkalaiphotocathode.CommonlyUsedScintillatorsMaterialDensity[g/cm3]EmissionMaximum[nm]DecayConstant(1)RefractiveIndex(2)ConversionEfficiency(3)HygroscopicBaF24.883152200.63ms0.8ns1.501.54165noYAP(Ce)5.5535027ns1.9435-40noGSO(Ce)6.7144030-60ns1.8520-25noBGO7.134800.3ms2.1515-20noCdWO47.90470/54020/5ms2.325-30noPlastics1.03375-6001-3ms1.5825-30no(1)EffectiveageragedecaytimeForg-rays.

(2)Atthewavelengthoftheemissionmaximum.

(3)Relativescintillationsignalatroomtemperaturefor

g-rayswhen

coupledtoaphotomultipliertubewithaBi-Alkalaiphotocathode.CommonlyUsedScintillators/tharriso/ast536/ast536week9.html/uploadedFiles/SGdetectors/Documents/Brochures/Organics-Brochure.pdf/index.php/products/liquid-scintillators封装的液体闪烁体塑料闪烁体/tharriso/ast536/ast536week9.html/theory/pmtintro.html光电倍增管：光阴极将入射光子转换为光电子，光电子被收集并加速轰击到打拿极上产生二次电子，选择合适的材料及加速电压可以由一个入射电子获得几个二次电子而形成倍增。如果二次电子发射系数为5，经过10级倍增可以获得510≈107的电子倍增。闪烁探测器输出信号的涨落闪烁探测器输出信号正比于PMT阳极收集到的电子数是由三个随机变量串级而成的串级型随机变量。遵守泊松分布

1、闪烁体发出的闪烁光子数

的涨落一般近似认为

则：

T为PMT光阴极的转换系数2、第一打拿极收集到的光电子数的涨落由其中为服从泊松分布的随机变量

为伯努利型随机变量则：可知：是由和两个随机变量串级而成的串级型随机变量。3、阳极收集到的电子数的涨落倍增系数

M是各打拿极的倍增因子多级串级随机变量，则其他打拿极的倍增因子均为则如设和服从泊松分布串级而成的若第一打拿极的倍增因子为由此可推算闪烁谱仪的能量分辨率极限值为：修正结果：N0/2N0△hhE脉冲幅度能量分辨探测器对单能的入射带电粒子的响应有一定的展宽，峰的半高宽为分辨率。例：对于高纯锗探测器：分辨率为900eV@662keV(77K)MCP：原理，用途，典型指标半导体光敏元件调研（原理，结构，有点，缺点，应用领域）：PDPIDAPD光子能量测量光子与探测器不直接发生作用，而是先与探测器的核外电子发生作用，产生次级电子，探测次级电子而获得光子的能量信息。光子与核外电子发生作用的机制包括：光电效应康普顿散射电子对效应不同机制产生的电子能量不同，探测器输出幅度也不同。/physics/syjx/jxnr/cha5/s55.htm137Cs的脉冲高度谱多道分析器测出的１３７Ｃｓ的能谱，其横坐标是道数ｎ，纵坐标是计数值Ｎ，测得的γ能谱有３个峰和１个平台。最右边的峰Ａ称为光电峰或全能峰。此时γ射线的能量几乎全部交给光电子，所以光电子动能即为γ射线的能量（对于１３７Ｃｓ射线的能量就是０.６６２ＭｅＶ）。平台状曲线Ｂ称康普顿平台，γ光子与原子的电子作用而被散射，发生了方向的改变，损失部分能量同时打出一个反冲电子，反冲电子的能量随散射角连续变化，所以康普顿电子能谱是一个连续谱，形成平台Ｂ。峰Ｃ是反射峰，即散射角等于１８０°的反射光子返回闪烁体时，被记录的结果（１３７Ｃｓ的反散射光子能量为０.１８４ＭｅＶ）。Ｄ峰为１３７Ｃｓ的β衰变体１３７Ｂａ的０.６６２ＭｅＶ激发态在放出内转换电子后造成Ｋ层电子空位，外层电子跃迁至Ｋ层产生Ｘ射线所致。NaIScintillatorGeDetector单能射线在闪烁体内产生的次电子谱射线与物质的相互作用：光电效应：康普顿散射：电子对效应：光子消失，产生光电子散射光子，反冲电子光子消失，产生正负电子对正电子湮没产生两个0.511MeV的湮没光子。光电吸收逃逸的散射光子单次Compton散射逃逸的湮没光子电子对效应小晶体。尺寸小于1cm。可认为由入射光子产生的次级Compton光子或电子对效应中产生的正电子湮没光子这些次级辐射离开闪烁体，不再与闪烁体发生相互作用。全能峰(光电峰)Compton连续谱Compton边沿全能峰(光电峰)Compton连续谱双逃逸峰无限大晶体次级光子带走的能量也最终转化为次级电子的能量，因此单能光子入射后所产生的总的次级电子能量就等于入射光子的能量。光电吸收Compton散射电子对效应全能峰中等大小晶体光电吸收多次散射后逃逸的光子Compton散射单逃逸湮没光子电子对产生次级效应中产生的光子部分逃出闪烁体。全能峰(光电峰)多次Compton散射全能峰(光电峰)多次Compton散射单逃逸峰双逃逸峰(1)由于统计涨落引起的展宽③②淹没峰反散射峰①特征X射线峰(2)闪烁体周围物质的影响(3)PMT的噪声特征X射线光电吸收Compton散射淹没光子③①②110峰康比峰顶计数与康普顿坪平均计数之比：20~90。增大探测器灵敏体积改善几何形状：长度＝直径通过康普顿反符合技术可进一步提高峰康比一个量级分析复杂γ能谱时，希望有高的峰康比几个典型单能射线谱NaI(Tl)vs.HPGENaI(Tl)vs.HPGENeutronEnergyClassification探测器对中子的响应SlowNeutronDetectionNeedexoenergetic(positiveQ)reactionstoprovideenergeticreactionproductsUsefulReactionsinSlowNeutronDetection10B(n,a)7Li6Li(n,a)3H3He(n,p)3H(n,fission)The10B(n,a)Reaction[10B(n,a)7Li*]Conservationofenergy: Eli+Ea=Q=2.31MeVConservationofmomentum:OtherReactionsDetectorsBasedontheBoronReactionTheBF3proportionaltubeBoron-linedproportionaltubeBoron-loadedscintillatorTheBF3TubeTypicalBF3pressure<1atmTypicalHV:2