南华大学《核辐射探测学》教学课件 第三章 闪烁探测器

第一节 概述,第三章 闪烁探测器 1911年卢瑟福在做著名的大角散射实验，开始使用闪烁体，经过几十年来的不断进步，现在闪烁探测器已成为相当完善的得到广泛应用的一种探测器。,一·闪烁探测器的基本组成和工作原理 闪烁探测器由闪烁体、光电倍增管和相应的电子仪器 三个主要部分组成。如下图所示,闪烁探测器组成示意图,2019/1/13,南华大学核辐射探测学,1,最左边的是一个对射线灵敏能产生闪烁光的闪射体。当射线（例如Y）进入闪烁体时，在某一地点产生次级电子，它使闪烁体分子电离和激发，退激时发出大量光子。一帮光谱范围从可见光到紫外光，并且光子向四面八方发射出去。在闪烁体周围包以反射物质（但有一面要透光），这样能使光子集中向光电倍增管,2019/1/13,南华大学核辐射探测学,2,方向发射出去。光电倍增管是一个电真空器件，它由光阴极、若干个打拿极和一个阳极组成。光阴极前有一个玻璃或者石英制成的窗，整个器件外壳为玻璃，各电极由针脚引出。通过高压电源和分压电阻，使阳极各个打拿极阴极间建立从高到低的电位分布。闪烁光子从入射到光阴极上时，由于光电效应会产生光电子，这些光电子受极间电场加速和聚焦，打在第一个打拿极上，产生36个二次电子，这些二次电子在以后各级打拿极上又发生同样的倍增过程，直到最后在阳极上可接收到 个电子。这种器件称为光电倍增管。大量电子会在阳极负载上建立起电信号，通常为电流脉冲或电压脉冲，然后通过起阻抗匹配作用的射极跟随器，由电缆将信号传输到电子学仪器中去。 闪烁体透光一面与光电倍增管窗之间充以折射系数和玻璃差不多的硅油,就能使光子损失大大减少。,2019/1/13,南华大学核辐射探测学,3,实用上常将闪烁体、光电倍增管和分压器及射极跟随器都安装在一个暗盒中，组成探头。探头中有时在光电倍增管周围包以起磁屏蔽作用的坡莫合金，防止环境中磁场透入管子中去。电子仪器的组成单元则根据闪烁探测器的用途而异，常用的有高（低）压电源、线性放大器、单道或多道脉冲幅度分析器，有时也可包括门电路、定时电路、符合电路、定标器、计数率仪及其它辅助电子学单元（例如示波器、脉冲发生器），还有国产NIM系统标准插件，可方便而灵活搭配。,二、闪烁计数器的工作过程 （1）.射线进入闪烁体，与之发生相互作用，闪烁体吸收带电粒子能量而使原子、分子的电离和激发； （2）.受激原子、分子退激时发射荧光光子； （3）.利用反射物和光导将闪烁光子尽可能多地收集到,2019/1/13,南华大学核辐射探测学,4,光电倍增管的光阴极上，由于光电效应，光子在光阴极上击出光电子。当闪烁体与光电倍增管不能直接接触或闪烁体与光阴极面积相差较大时，要在它们之间加光导。 （4）.光电子在光电倍增管中倍增，数量由一个增加到 个，电子流在阳极负载上产生电信号。 （5）.此信号由电子仪器记录和分析。,2019/1/13,南华大学核辐射探测学,5,第二节 闪烁体,一、闪烁体按其化学性质可分为两大类（无机闪烁体和有机闪烁体） 1、无机晶体闪烁体。通常是含有少量杂质（称为“激活剂”）的无机盐晶体和玻璃体，常用的有碘化钠（铊激活）单晶体，即NaI(Tl)；碘化铯（铊激活）单晶体即CsI(Tl)；硫化锌（银激活）多晶体，即ZnS(Ag)等。玻璃体有铈激活锂玻璃 。此外，近年来还开发了不掺杂的纯晶体，如锗酸铋（简称BGO)；钨酸镉（CdWO4 ,简称CWO)和氟化钡（BaF2）等。,2、有机闪烁体。它们都是环碳氢化合物，可分为三种。 （1）有机晶体闪烁体。例如蒽、芪、萘、对联三苯等有机晶体。,2019/1/13,南华大学核辐射探测学,6,（2） 有机液体闪烁体。在有机液体溶剂（如甲苯、二甲苯）中溶入少量发光物质（如对联三苯），称第一发光物质，另外再溶入一些光谱波长转换剂（如POPOP化合物）称为第二发光物质，组成有闪烁体性能的液体。,（3） 塑料闪烁体。它是在有机液体苯乙烯中加入第一发光物质对联三苯和第二发光物质POPOP后，聚合而成的塑料。,3、气体闪烁体。常用气体是氩、氙等惰性气体，主要是作为记录裂变产物和重粒子。,二、闪烁体的物理特性,1、 发射光谱,闪烁体受核辐射激发后所发射的光并不是单色的，而是一个连续谱。下图为几种典型闪烁体发射光谱曲线。,2019/1/13,南华大学核辐射探测学,7,表示光在波长 之间的发射强度。对于每种闪烁体，总可找到一、两种波长的光，它的发射概率最大，整个光谱是以该波长为中心的一个或数个发射带。闪烁体的技术说明书上往往给出这个峰位处的波长，称为“发射光谱最强的波长”。,几种典型闪烁体的发射光谱,2019/1/13,南华大学核辐射探测学,8,选择的闪烁体的发射光谱，要与光电倍增管光谱响应相匹配。,2、发光效率 发光效率是指闪烁体将所吸收的射线能量转变为光的比例。一般使用下面三个量来描述。,（1）光能产额。它定义为核辐射在闪烁体中损失单位能量闪烁发射的光子数。当粒子在闪烁体中损失的能量为E，闪烁过程发出的总光子数为 时，则光能产额,它的单位是光子数/兆电子伏（ )。例如在NaI(Tl)中，快中子的 显然 表示在闪烁体中每产生一个光子所消耗的核辐射能量。,2019/1/13,南华大学核辐射探测学,9,（2）绝对闪烁效率。它就是能量转换效率，表示在一次闪烁中，产生的闪烁光子总能量与核辐射损耗在闪烁中体的能量之比； 脚标np表示由核能转化为光能。相同能量不同种类的粒子，例如、质子和， 数值是不同的。例如NaI(Tl)对的绝对闪烁效率 0.13，对粒子， 0.026 。 假如整个发射光谱的光子平均能量为,(3)相对发光效率。它是使用一种核辐射在不同闪烁体中损失相同的能量，测量它们的相对脉冲输出幅度或电流进行比较，虽然用脉冲幅度来量发光效率仍然是不严格的，但这一相对比较方法在技术上十分容易做到，故至今仍然被使用。,2019/1/13,南华大学核辐射探测学,10,一般以蒽作为标准，如对射线蒽的相对发光效率取为1，则NaI(Tl)为2.3。 闪烁体的发光效率越高越好，这时不仅输出脉冲幅度大，并且由于光子较多，因而统计涨落小，能量分辨率也有所改善。在能谱测量时，为了使线性好，还要求发光效率对核辐射的能量在相当宽的范围内为一常数。,3.发光时间和发光衰减时间 闪烁发光时间包括闪烁脉冲的上升时间和衰减时间两部分。上升时间主要由闪烁体原子激发时间以及带电粒子在闪烁体中耗尽所需的时间决定，前者时间很短，可以忽略不计，后者一般小于 。 闪烁体受激后，退激发光一般服从指数衰减归规律。单位时间发出的光子数（即发光强度）为：,2019/1/13,南华大学核辐射探测学,11,显然，经过时间 ，脉冲下降到最大值的 ， 称为闪烁体发光 衰减时间，也称衰减常数。例如对NaI(Tl), 。 这一公式对大多数无机闪烁体是正确的，其中 为微秒数量级。对大多数有机闪烁体和少数无机晶体，发光衰减有快、慢二种成分，其衰减规律可以用下式描述： 其中， 和 分别为快、慢二种成分的发光衰减时间， 和 ，则为快、慢成分发光强度。一般认为， 为ns量级， 为s级。快慢两种成分的强度相对值因入射粒子种类的不同而变。,三、几种常用的闪烁体介绍（见原子核物理实验方法P108图 表给出）,2019/1/13,南华大学核辐射探测学,12,四、闪烁体的选择 在实际使用中，选择闪烁体时主要考虑以下几个方面的问题：,(1)、所选闪烁体的种类和尺寸应适应于所探测射线的种类、强度及能量。,(2)、闪烁体的发射光谱应尽可能好地和所用光电倍增管的光谱响应配合，以获得高的光电子产额。,(3)、闪烁体对所测的粒子有较大的阻止本领，使入射粒子在闪烁体中损耗较多的能量。,(4)、闪烁体的发光效率足够高，有较好的透明度和较小折射率以使闪烁体发射的光子尽量被收集到光电倍增管的光阴极上。,(5)、在作时间分辨计数或寿命放射性活度测量中，应选取发光衰减时间短及能量转换效率高的闪烁体。,(6)、作为能谱测量时，要考虑发光效率对能量响应的线性范围。,2019/1/13,南华大学核辐射探测学,13,所谓闪烁体的能量响应通常包括两个含义，一是指闪烁体的能量转换效率与入射粒子能量的关系，另一是指闪烁体的探测效率（或灵敏度）与入射粒子能量的关系。,五、光的收集与光导,1、光学收集系统包括反射层、耦合剂、光导等。它们主要作用是使闪烁体发射的光能够均匀、有效地收集在光电倍增管的光阴极上，如下图所示。,闪烁计数器光学收集系统示意图,2019/1/13,南华大学核辐射探测学,14,2、反射层 反射层的作用是把闪烁体中向四周发射的光有效的收集到光阴极上。一般情况下，晶体封装时四周填充一层漫散射物质氧化镁粉末，使光子经过多次反射，仍能到达光阴极上面被收集。塑料闪烁体等周围和顶面则用铝薄膜包起来，组成反射镜，使射向四周边界的光子反射回来，最后落在光阴极上。晶体用聚四氟乙烯带子缠绕作反射层效果较好。,3、光学耦合剂 为了尽量减少光线在闪烁体与光阴极交界面上发生全反射以利于将光子大部分收集到光阴极上去，在闪烁体与光电倍增管之间加上一层“耦合剂”。为防止对塑料闪烁体有腐蚀性，最好使用甲基硅油。对经常要拆换的闪烁体，宜用稀一些的硅油，如果长期固定使用，可用较稠的硅油。,4、光导,光导的作用是有效地把光传递给光电倍增管的光阴极。光导的一般用于下述几种情况：,2019/1/13,南华大学核辐射探测学,15,（1）.当使用的闪烁体面积比光电倍增管面积大时，可以用光导作为中间过度，使闪烁体的光子较多地进入光阴极。,（2）.在强电磁场中探测射线时，光电倍增管不能放置在此强电磁场中，可用较长的光导将光引到光电倍增管的光阴极上。,（3）.由于受空间限制：如医学诊断中，有时只能把体积很的闪烁体放在体内，这时可用长的纤维光导将光引到光阴极上。,（4）当闪烁体的表面和光阴极表面形状不一致时，也需要用光 导过渡。,光导材料有聚乙烯基甲苯、聚苯乙烯塑料、有机玻璃、石英玻璃等。各种光导材料对光的投射率与入射光的波长、光导的长度有一定的关系。因此，可以根据闪烁体的发射光谱和实际应用情况选择光导材料和长度。光导的形状和尺寸应根据用途而定。,2019/1/13,南华大学核辐射探测学,16,第三节 光电倍增管,1、光电倍增管的工作原理及各电极情况,下图是光电倍增管的基本结构和工作原理图。,2019/1/13,南华大学核辐射探测学,17,从闪烁体出来的光子通过光导射向光电倍增管的光阴极，由于光电效应，在光阴极上打出光电子。光电子经过电子光学输入系统加速、聚焦后射向第一“打拿极”（又称倍增极）。每个光电子在打拿极上击出几个电子，这些电子射向第二打拿极，再经过倍增管射向第三打拿极，直到最后一个打拿极。所以，最后射向阳极的电子数目是多的。阳极把所有电子收集起来，转变成电信号输出。,光电倍增管由加速极和聚焦极组成的电子光学输入系统。光阴极产生的光电子经过光学输入系统的加速、聚焦后，被收集到打拿极D1上，再进行倍增放大。简单的电子光学系统就由光阴极和第一打拿极D1组成，中间无聚焦极。这时，收集到D1上的光电子较少，其他性能也稍差。复杂的输入系统则中间有聚焦极和加速极，它们使光阴极射出的光电子尽可能都收集到D1上，而且能同时和均匀地射到D1上。对于大面积的光阴极和要求有较好的时间特性的管子，电子光学输入系统是要认真考虑的。,2019/1/13,南华大学核辐射探测学,18,打拿极是在镍片上经真空蒸发形成或化合物,或采用经激活处理的合金电极。新型负电子亲和性材料，则是在表面覆以单原子层。当一个电子打在打拿极上后，一般可以从这些材料上打出36个电子，则可高达60个