闪烁体荧光时间特性的观测与分析.pdf

闪烁体荧光时间特性的观测与分析实验目的：1.学会正确实用数字示波器来分析闪烁计数器的输出脉冲波形2.学会根据记录的波形了解闪烁体的时间特性实验原理：（见实验预习）实验内容：1.观测闪烁体荧光时间特性对输出波形的影响，辨认快慢闪烁体2.观测光电倍增管输出回路的时间常数对输出脉冲波形的影响3.用δ光源测定光电倍增管的响应函数*（t） 4.分析记录不同闪烁体的荧光衰减时间常数τ s实验仪器和样品：1.记录单词脉冲的数字存储示波器2.可切换闪烁体的闪烁计数器系统，包括高压电源3.切伦科夫辐射体（有机玻璃），NaI（Tl） ， CsI （Tl） ，塑料闪烁体，氟化铈晶体（CeF3） 实验数据：共测量了6 种材料的曲线，每种测量了10 次 6 种材料分别为：BGO, BaF2, NaI, CsI, 塑料和有机玻璃数据量太大，这里不予显示数据处理：对每种材料，先将每次的数据除以maximum ，进行归一，然后再取10 次的平均值并将电压 -时间图作出本实验，我采用了2 种方案进行拟合：1）第一种方案：利用简易公式，即在RC<< τ的情况下，有近似的函数，t(tt )/0Q RU(t)e （ 1）进行拟合，选择的是origin7.0 中的函数y = A*( 1 - exp(-k*(x-xc)) ) ，由此可直接拟出k 的值，进而求出衰减时间τ。

2）第二种方案：利用书中的方法，使用公式st/t/RC0sQ RU(t)(ee)（2）以 NaI 为参考，假定 τ s = 250ns，拟合 RC ，再拟合其他材料的衰减时间在用origin7.0 中拟合的并不是很好，所以作为第二种方案进行比较一．利用公式（1）NaI 的相关拟合 ：先做出电压幅值随时间的整体变化图像，取衰减部分进行拟合，以函数y = A*( 1 - exp(-k*(x-xc)) ) 进行拟合，得出如下图像：-1000-5000500100015002000-0.8-0.6-0.4-0.20.00.2t/nsV/|Vm|NaI电压时间 曲 线可以从数据曲线上得出k≈0.0037，故 NaI 的衰减时间约为：τ≈1/k= 270.270（ns） BaF2的相关拟合：先做出电压幅值随时间的整体变化图像，0200400600800100012001400160018002000-1.0-0.8-0.6-0.4-0.20.00.2t/nsV/|Vm|NaI电压时间 曲 线（衰减 部分）Data: Data2_B Model: MnMolecular Equation: y = A*( 1 - exp(-k*(x-xc)) ) Weighting: yNo weightingChi^2/DoF= 0.00028 R^2= 0.99362A0.03028? .00065 xc995.47904? .11363 k0.0037? .00002取衰减部分进行拟合，以函数y = A*( 1 - exp(-k*(x-xc)) ) 进行拟合，得出如下图像：可以从数据曲线上得出k≈0.00221，故 BaF2 的衰减时间约为：τ≈1/k= 452.489 （ns） 。

2000-100001000200030004000-1.0-0.8-0.6-0.4-0.20.00.2t/nsV/|Vm|FaF2电压时间 曲 线-50005001000150020002500300035004000-1.0-0.8-0.6-0.4-0.20.00.2V/|Vm|BaF2电压时间 曲 线（衰减 部分）t/nsData: Data2_B Model: MnMolecular Equation: y = A*( 1 - exp(-k*(x-xc)) ) Weighting: yNo weightingChi^2/DoF= 0.00071 R^2= 0.96453A0.00305? .00092 xc2426.89454? 24.24752 k0.00221? .00002BGO的相关拟合：先做出电压幅值随时间的整体变化图像，取衰减部分进行拟合，以函数y = A*( 1 - exp(-k*(x-xc)) ) 进行拟合，得出如下图像：-3000-2000-10000100020003000-1.0-0.8-0.6-0.4-0.20.0V/Vmt/nsBGO电压时间 曲 线05001000150020002500-1.0-0.8-0.6-0.4-0.20.00.2t/nsV/|Vm|BGO电压时间 曲 线（衰减 部分）Data: Data2_B Model: MnMolecular Equation: y = A*( 1 - exp(-k*(x-xc)) ) Weighting: yNo weightingChi^2/DoF= 0.00082 R^2= 0.96216A0.00679? .00112 xc1375.85389? 1.80944 k0.00336? .00004可以从数据曲线上得出k≈0.00336，故 BGO的衰减时间约为：τ≈1/k= 297.62（ ns） 。

综上得出的三种材料的衰减时间为：NaI 的衰减时间约为：τ≈270.270（ns）BaF2的衰减时间约为：τ≈452.489（ns）BGO的衰减时间约为：τ ≈297.62（ns）二、利用公式（2）首先假定 NaI 的衰减时间为250ns，然后开始拟合其中的RC的值在 origin7.0 中，我定义了拟合用的函数，对NaI 来说，函数为：u=P1*(exp(-t/250)-exp(-t/P2))/250 其中， u 为电压幅值，P1为总系数，而P2 为 RC所拟合的值拟合曲线如下：由图读出， RC ≈ 30.55737（ ns）利用此 RC的值，拟合BGO和 BaF2，此时所用的函数为：u=P1*(exp(-t/P2)-exp(-t/30.55737))/P2 0200400600800100012001400160018002000-1.0-0.8-0.6-0.4-0.20.00.2V/|Vm|NaI电压时间 曲 线（衰减 部分）t/nsData: Data2_B Model: Fdec Equation: u=P1*(exp(-t/250)-exp(-t/P2))/250 Weighting: uNo weightingChi^2/DoF= 0.00065 R^2= 0.98534P1-307.5302? .07932 P230.55737? .89957其中 P1为总的系数，而P2 为所要拟合的衰减时间常数。

对于 BGO，有如下曲线：可以看到，只有衰减的后半部分可以和点比较吻合，由此所拟合出的BGO的衰减时间约为：τ≈ 243.428（ns）这个数据与简易拟合差距很大，我认为有两方面原因，一是NaI 用 250ns 所拟合出的RC会有较大误差，二是这个所拟合出的曲线前半部分没有吻合，所以也会带来较大误差对于 BaF2，有如下曲线：05001000150020002500-1.0-0.8-0.6-0.4-0.20.00.2BGO电压时间 曲 线（衰减 部分）t/nsV/|Vm|Data: Data2_B Model: Fdec Equation: u=P1*(exp(-t/P2)-exp(-t/30.55737))/P2 Weighting: uNo weightingChi^2/DoF= 0.00329 R^2= 0.84715P1-205.35997? .54154 P2243.42842? .20697可以看到， BaF2 出现的问题和BGO很相似，原因也类似由此所拟合出的BaF2的衰减时间约为：τ≈399.272（ns）故用方案二所拟合出的RC ，以及衰减时间为：RC ≈ 30.55737（ns）BGO的衰减时间约为：τ≈243.428（ns）BaF2的衰减时间约为：τ≈399.272（ns）其中认定 NaI 的衰减时间为250ns 另外，由书中的假定，R=1MΩ，以及拟合的RC时间，可以得出分布电容：C≈30.55737/1000000=30.55737 （μF）综上所述，与实验室给定的几种数据进行比较，可以认为，总体上来说，NaI和 BGO的数据较为精确，而BaF2的数据误差稍大。

50005001000150020002500300035004000-1.0-0.8-0.6-0.4-0.20.00.2t/nsV/|Vm|BaF2电压时间 曲 线（衰减 部分）Data: Data2_B Model: Fdec Equation: u=P1*(exp(-t/P2)-exp(-t/30.55737))/P2 Weighting: uNo weightingChi^2/DoF= 0.0021 R^2= 0.89578P1-292.26216? .59368 P2399.27177? .66957思考题 : 1.宇宙线 μ子通过有机玻璃样品和通过闪烁体引起的光信号的形成机理有什么本质区别？答：无机晶体是绝缘体，禁带比半导体宽，入射粒子除了由于电离而导带中产生电子和在满带中产生空穴之外，还有因激发而产生的激子入射粒子通过后， 产生激子， 电子和空穴，都能自由经晶格很快的运动加入某种合适杂质，成为发光中心无极晶体原子间联系很紧密而形成能带结构，是粒子晶体，有机晶体为分子晶体不过分子内原子之间相互作用仍较强，因此有机晶体的发光主要是由于分子自己的能量状态改变而引起的，为分子固有性质，不需要像无机晶体那样加入激活剂。

2.为什么有机玻璃样品给出的发光信号可以看成一种近似的δ光源答：为切伦科夫辐射，辐射时间实际上就是等于粒子穿过辐射介质的时间t=l/v 没有时间惯性，一般小于10e-9s，所以衰减时间非常短，可以近似认为是δ 光源。