闪烁探测器（中科大版）

1、第五章闪烁探测器，5-1闪烁探测器工作原理5-2闪烁探测器5-3光电倍增管5-4光收集系统5-5闪烁探测器应用，2020/6/25，中国科学大学王晓莲，2，5-1闪烁探测器工作光电倍增转换为光电的光电光子在光电倍增管(光电倍增管)中翻倍，最后由阳极收集，输出电压或电流脉冲由电子器件记录。这里：过帐的粒子通过库仑作用电离并产生闪烁原子分子，从而失去能量。在x射线和射线注入的情况下，通过光电效应、康普顿效应和电子对效果损失能量产生第二次带电粒子，第二次带电粒子电离并刺激闪烁体原子分子。如果将入射粒子能量设置为Ei，将闪烁体内丢失的能量设置为K1=1，则入射粒子能量在闪烁体内完全丢失。某些粒子(如K

2、11)退出闪烁器。反激：如果将发射光子的概率设置为p，产生光子的平均能量为HV，则光子数，2020/6/25，中国科学大学王晓莲，4，光的传输：光子通过光学器件和光电倍增管到达光电倍增管的部分光电池在传输过程中被吸收或散射，无法到达光极。光子的传输系数为l时，到达光电池的光子数r=lr。要尽可能大，必须使闪烁体的发射光谱和吸收光谱不匹配，以便尽可能少地自吸收闪烁体发出的光子，并在闪烁体和光电倍增管之间制定光电导。光电转换：光电池吸收光子，发射光电。光电子转换效率是光电子的1倍电子传输系数为q时，光电子的1倍光电子的数倍。光电在光电倍增管中翻倍，最后在阳极收集。如果将光电倍增管的倍增系数设置为m

3、，则在阳极上获得Mn个电子，其电荷为q=MNE，输出电容为c时的电压脉冲，2020/6/25，中国科学大学王晓莲，5，输出：形成的电压脉冲由电子集放大、分析和记录的电枢或前置放大器输出输出脉冲与入射粒子能量成正比。增加输出脉冲振幅的方法：1)选择光产量大的决定；2)提高光伏光电转换效率；3)提高电子传输系数q。4)增加光电倍增管放大m。2020/6/25，中国科技王晓莲，6，2020/6/25，中国科技王晓莲，7，5-2闪烁体，第一，闪烁体的基本特征1，可以用两个量来表示。1)光输出s:定义在一次闪烁过程中传输的光子数r和入射粒子在闪烁体内丢失的能量e的比例。2)能量转换效率p:定义在一次闪烁

4、过程中产生的光子总能量与入射粒子损失的能量之比。3)光输出和能量转换效率这两种金额的绝对测量很复杂，实际上与标准闪烁体蒽晶体相比，经常提供相对值。2020/6/25，中国科技王晓莲，8，2，能量响应：表示输出脉冲振幅和入射粒子能量之间的关系。闪烁探测器的能量响应与入射粒子种类(电荷和质量)和粒子能量都相关，因此不是线性的。仅在高能量情况下近似线性关系。气体闪烁器最好，武器闪烁器最好，有机闪烁器最差。3，发射光谱：闪烁体发射的光子数的波长的分布称为闪烁体的发射光谱。1)图表方法：经常给出光致发光光谱。P127图5-3，可见光区域中高能粒子刺激后闪烁体发出的光谱。不同闪烁体和不同入射粒子具有不同的

5、光谱特性。，2020/6/25，中国科技王晓莲，9，2)平均波长或平均能量表示：NaI(Tl)确定，3)主要峰值位波长0和半高(例如NaI(Tl)确定，0=光子的生成速度比衰减过程快得多，因此可以忽略光子生成过程，并通过发光的衰减过程描述整个过程。不同的闪烁体具有不同的发光衰减时间，慢分量，约为2020/6/25，中国分公司王晓莲，10，4，发光衰减时间，相同闪烁休的情况下，决定CsI(T1)，粒子入射=1100 nn输出脉冲形状不同，可以区分接收粒子种类的脉冲形状不同。使用此方法识别和；中子和。还与温度相关，温度下降，衰减时间缩短。气体闪烁器是压力p的函数。通常随着p的增加而减少。例如，氖，

6、p=5 cmhg，=14 ns，P=48.5cmHg，=5.5 ns。2020/6/25，中国科技王晓莲，11，用单光子测量闪烁体发光衰减时间，2020/6/25，中国科技王晓莲，12，5，能量分辨率，闪烁体能量影响能量分辨率的因素包括：1)闪烁体的发光效率；2)闪烁体的固有分辨率；3)PMT光电池的光收集效率；4)光电转换效率；5)第一乘数收集效率和第二电子乘数系数等。如果闪烁体的固有能量分辨率不同，则NaI(Tl)闪烁体的能量分辨率在各种闪烁体中最佳。有机闪烁体的能量分辨率更差。2020/6/25，中国科学技术大王孝廉，13，6，描述技术衰退的长度，光在闪光的身体内传播的一个物理量。定义如

7、下：闪烁光在闪烁身体内传播时，光衰减到初始时间的1/e的距离除以该特征的衰减长度和技术衰减长度。固有衰减长度主要由闪烁体的组件决定。技术衰减长度与闪烁体的形状、表面反射情况等外部技术条件有关。7、其他特性检测效率：粒子在闪烁中脉冲信号与入射粒子数的比率温度效应：闪烁器性能随温度变化。照射效果：闪烁体的性能随照射剂量的积累而变化。2020/6/25，中国科技王晓莲，14，2，无机闪烁体，大部分固体晶体，绝缘体。快速发光特性或发光成分中具有快速发光过程的晶体。例如，BaF2、CaF、NaI、CsI等。BGO、LSO(Ge)、LuAP(Ge)、PWO等，密度高，粒子阻挡能力强，非常适合于能源探测器的

8、小型化。最广泛使用的是碱金属卤化物闪烁晶体，包括NaI(Tl)、CsI(Tl)、ZnS(Ag)等。P130表5-1，2020/6/25，中国科技王晓莲，15，1，武器闪烁体的发光机制：固体能带理论，NaI(Tl)的情况下，禁带宽度为7.3eV。当粒子进入闪烁体时，除了由电离引起的电子孔对外，刺激还会产生激子。也就是说，入射粒子给电子的能量不能电离到导带上，只能位于导带下的激子带(刺激带)上。激子是冲击带内电子和原子价带内腔的总称，它没有完全电离，有静电约束，在晶格内一起运动。2020/6/25，中国科学技术王晓莲，16，晶体中杂质和晶格缺陷形成荧光中心、淬火中心、舰艇三个捕获中心。捕获中心分为

9、基态和激发态。捕获基态激子的空洞或原子价区域的空洞，此状态捕获激子的电子或传导区域的电子。捕获中心从基态到达激发态，捕获中心的基态电子直接到达激发态，就像到达激发态一样。撤退的时候有三种可能性。1)在荧光中心，处于此状态的电子快速发射光子，以基态运行，短时间(10-9s)，作为闪光的快速成分称为荧光。(2)在急冷中心，处于此状态的电子产生可以传递给周围晶格的振动，不发射光子，以热的形式消耗这里的能量，这是急冷过程。3)陷阱中的电子停留在准稳定状态下，不是停留很久，不是辐射，而是转移回原子价，或从晶格振动中获得能量，转移回导向，然后将过程重复到一、二基态。每个过程的发光光子称为磷光，发光时间长，

10、闪烁光的缓慢成分，通常大于10-6s。2020/6/25，中国科技大学王晓联，17，有些陷阱中，电子不能单靠热运动回到指南上，必须从外部重新提供照明和加热等能源。可以通过加热发射的光称为热释光。光能发射的光称为光发射。这是两种固体发光材料，通常用作外部照射个人剂量计。从杂质的单独能级后退到原子价时释放的光子能量小于带隙宽度。也就是说，闪烁体发光频率不等于吸收频率，闪烁体的发射光谱不等于其吸收光谱。所以闪烁体不会自我吸收。为了提高闪烁体的发光效率，可以像Tl、Ag等“激活器”一样掺杂。活性剂粒子形成发光中心或诱捕中心。但实验表明，活化剂不是必需的。2020/6/25，中国科技王晓莲，18，2，一

11、般无机闪烁体1)NaI(Tl)晶体，特点：高发光效率，密度，高原子序数碘含量，射线检测效率高，良好的透明度、简单的准备、多种形状的加工，通常使用圆柱形(最高750250)、井、圆形、薄片等。缺点：衰减时间长，潮解容易。包：2020/6/25，中国科技王晓莲，19，2)CsI(Tl)晶体密度和平均原子数均大于NaI(Tl)，因此射线检测更有效，不易排版。但是，通常发光效率低于NaI(Tl)，能量分辨率不如NaI(Tl)。但是，液氮温度下的发光效率比NaI(Tl)高。3)ZnS(Ag)白色多晶粉末，使用时喷射在有机玻璃板上。发光效率高，但透明度低，可做的非常薄，不适合检测电子或射线，主要用于检测粒

12、子或重粒子。ZnS(Ag)撒在聚苯乙烯塑料球的内壁上测量气体放射性。Zns (ag)有机玻璃粉末热压快中子屏；使Zns (ag)甘油硼酸或10B成为慢中子屏。2020/6/25，中国科技王晓莲，20，4)锗酸铋(BGO)晶体密度为7.13g/cm3，发射光谱主峰位于4800，与光电倍增管容易匹配，不溶藻(5)钨酸铅(PWO)晶体无色透明晶体，折射率2.16，密度8.28 g/cm3，发射光谱主峰为4000-5000，与光电倍增管容易匹配。可以将探测器小型化，辐射长度为0.89厘米，莫利埃半径为2.2厘米。不助攻，抵抗调查。最大的缺点是矿山低。(6)玻璃闪烁体制造简单，成本低，透明度好，化学性稳

13、定，耐酸碱，潮湿，耐低温，发光衰减时间为0.1厘米。最大的缺点是发光效率低，仅占NaI(Tl)的4%。主要用于中子铅玻璃检测的LiO2或10B玻璃：主要用于检测射线。2020/6/25，中国科技王晓莲，21，7)快速晶体氟化钡(BaF2)波长为195nm、220nm和310nm，其发光衰减时间分别为0.87ns、0.88ns和600ns。氟化铈(CeF3)两种快速成分，没有慢成分。硅酸镨(LSO)对伽马射线的反应时间很快(8个光电/mev2 .90%，2020/6/25，中国科学大学王晓莲，46，5-3光电倍增管，1，基本原理和结构，2020/6/25，中国科学大学王晓莲，47，1，光电倍增管

14、的结构实用光电池种类：1)锑铯化合物Sb-Cs:对350-650nm的光敏感，电阻低于双碱时间，适合大电流过流时间测量，主要用于反射型光电池。(2)双碱：具有类似Sb-Rb-Cs、Sb-K-Cs、Sb-Cs的(300-550nm)光谱特性，但灵敏度高，暗电流小，NaI(Tl)另一种双碱Sb-Na-K可以经受175 0C的高温，也可以在石油勘探等高温环境中使用。室温下，暗电流很小，用于单光子测量和低噪声测量。(3)Cs-I:对阳光不敏感，被称为“飞盲”。(。波长为200nm时，灵敏度急剧下降。波长范围：115-200纳米。要测量波长115nm的光，必须使用无窗PMT。(4)多碱Cs-Na-K-C

15、s:在紫外光-850纳米下具有光光谱，用于氮氧化合物的化学发光检测。(5)Ag-O-Cs:通过类型300-1200nm敏感，反射型300-1100nm敏感，用于红外检测，In-Ga-As(Cs)是900-1000nm的信噪比，2020/6/25，中国科技王晓莲，49，晶型时间极高的量子效率，长波长，多种光电池的量子效率，2020/6/25，中国科技王晓莲，50，光学二次发射乘数系统：由8 13个乘数组成，在工作时将每个电极依次增量的电位相加。如果每个乘数的电子乘数系数为3到6倍，则PMT的比例为m=n，n乘数数。二次发射系数大，热电发射少，大电流运行稳定性好。常用材料与光电池非常相似。Sb-K

16、-Cs、Sb-Cs化合物、AgHg、CuBe合金和Ga-P-Cs等材料。阳极：最后收集电子并输出信号的电极，如镍、钼、银等，利用电子逃逸力大的材料，一般用网纱制成。2020/6/25，中国科技王晓莲，52，2，PMT类型，直焦类型：时间分辨率好的能量分辨率。环聚焦类型：结构紧凑，通过时间小。百叶窗非聚焦：暗电流较小线性电流大，外部磁场不敏感，能量分辨率好，但时间分辨率差。盒式非聚焦：时间、能量特性都不好，但结构可以变得简单。集中结构具有较低的交叉时间分布、较大的脉冲线性电流、极间电压变化对增益的影响较大，因此具有较好的时间分辨率和较好的能量分辨率。2020/6/25，中国科技王晓莲，53，PMT类型，2020/6/25，中国科技大学王晓莲，54，PMT类型，R=109-1011，3。M=104-10