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第五章 闪烁探测器荧光物质，闪烁体荧光物质，闪烁体时间特性好，探测效率高时间特性好，探测效率高闪烁体闪烁体光电倍增管光电倍增管闪烁探测器的输出信号闪烁探测器的输出信号闪烁探测器的性能闪烁探测器的性能单晶单晶 能谱仪能谱仪§ §5.1 构成和工作原理构成和工作原理构成构成(探头探头): 闪烁体闪烁体光电倍增管光电倍增管( (打拿极打拿极) )反射层反射层管座管座分压器分压器高压高压多道或单道多道或单道光阴极光阴极阳极阳极荧光荧光光子光子光电子光电子暗盒暗盒窗窗前置放大器前置放大器闪烁探测器的工作过程闪烁探测器的工作过程：：(1)核辐射核辐射射入闪烁体使射入闪烁体使闪烁体原子闪烁体原子电离电离或激发或激发,受受激原子激原子退激退激而发出波长在而发出波长在可见光波段可见光波段的的荧光荧光荧光荧光2)荧光光子荧光光子被收集到被收集到光电倍增管光电倍增管光电倍增管光电倍增管(PMT)的的光阴极光阴极光阴极光阴极，，通过通过光电效应光电效应光电效应光电效应打出打出光电子光电子光电子光电子3) (3) 电子运动并倍增电子运动并倍增电子运动并倍增电子运动并倍增,并在并在阳极阳极阳极阳极输出回路输出输出回路输出输出回路输出输出回路输出信号信号。

闪烁探测器闪烁探测器可用来测量可用来测量入射粒子入射粒子的的能量能量§ §5.2 闪烁体闪烁体理想的闪烁体理想的闪烁体：： 探测效率高，转换效率高，线性范围大，探测效率高，转换效率高，线性范围大， 自吸收小，发光时间短，加工性能好自吸收小，发光时间短，加工性能好一．闪烁体的分类二．闪烁体的发光机制三．闪烁体的物理特性四．常用闪烁体一、闪烁体的分类一、闪烁体的分类二、闪烁体的发光机制二、闪烁体的发光机制无机闪烁体：无机闪烁体： 光输出产额高、线性好，发光时间较长光输出产额高、线性好，发光时间较长有机闪烁体：有机闪烁体： 发光时间短，光输出产额低发光时间短，光输出产额低1、无机闪烁体的发光机制、无机闪烁体的发光机制2、有机闪烁体的发光机制、有机闪烁体的发光机制(自学自学)无机闪烁体的发光机制：无机闪烁体的发光机制： 掺杂的无机晶体：NaI(Tl)、CsI(Tl)，也叫卤素碱金属晶体导带激带禁带满带导 体：Eg<0.1ev半导体：Eg=0.6~2.5ev绝缘体：Eg>3evNaI(Tl): Eg=7.3ev▼导带上自由电子和满带上空穴可以复合成激子；导带上自由电子和满带上空穴可以复合成激子； ▼入射粒子可以产生电子入射粒子可以产生电子-空穴对，也可产生激子。

退激可空穴对，也可产生激子退激可能发出光子，也可能晶格振动而不发光能发出光子，也可能晶格振动而不发光纯离子晶体纯离子晶体：：退激发出的光子容易退激发出的光子容易被晶体自吸收，传输被晶体自吸收，传输出的光子少禁带宽度出的光子少禁带宽度大，退激发光在紫外大，退激发光在紫外光范围，光阴极不响光范围，光阴极不响应应导带激带禁带满带在晶体中掺杂在晶体中掺杂,叫做激活剂叫做激活剂,含量含量10 3量级量级杂质形成特殊晶杂质形成特殊晶格点格点,并在禁带中形成局部能级原子受激产生的电子并在禁带中形成局部能级原子受激产生的电子-空穴空穴迁移到杂质能量的激发态和基态上迁移到杂质能量的激发态和基态上,使杂质原子处于激发态使杂质原子处于激发态杂质原子退激：杂质原子退激：荧光：荧光：<10 7 sec.猝灭：转换为晶格的热运猝灭：转换为晶格的热运动动.磷光：亚稳态，发光时间磷光：亚稳态，发光时间较长导带激带禁带满带激发态基态he 在在NaI(Tl)中产生一对电子中产生一对电子-空穴对需要空穴对需要~20eV能量 如果入射带电粒子在如果入射带电粒子在NaI(Tl)中损失中损失1MeV能量，产能量，产生的电子生的电子-空穴对数：空穴对数：NaI(Tl)的闪烁光能占入射能量的闪烁光能占入射能量~13% ，吸收，吸收1MeV能量产生总光能：能量产生总光能：闪烁光子平均能量闪烁光子平均能量~3eV ，产生光子数：，产生光子数：三、闪烁体的物理特性三、闪烁体的物理特性1、发光光谱、发光光谱2、发光效率、发光效率(能量转换效率、光能产额及相对值能量转换效率、光能产额及相对值)3、发光时间、发光时间4、闪烁体其他特性、闪烁体其他特性1 1、发光光谱、发光光谱• 特点：发射光谱为特点：发射光谱为连续谱连续谱。

各种闪烁体都存在一各种闪烁体都存在一个个最强波长最强波长；要注意发射光谱与光电倍增管光阴；要注意发射光谱与光电倍增管光阴极的光谱响应是否匹配极的光谱响应是否匹配2、发光效率、发光效率•闪烁体将闪烁体将所吸收的所吸收的射线能量射线能量转化为转化为光光的的比例比例•发光效率发光效率：：•Eph闪烁体闪烁体发射光子发射光子的的总能量总能量；；•E入射粒子入射粒子损耗在损耗在闪烁体闪烁体中的中的能量能量•以以NaI(Tl)为例：为例： 对对β粒子粒子 ，对，对α粒子粒子光输出光输出( (光能产额、光产额光能产额、光产额) )定义：： nph为产生的闪烁光子总数为产生的闪烁光子总数 发光效率与光输出的关系：发光效率与光输出的关系：例：以以NaI(Tl)为例，对为例，对1MeV的的β粒子，发射光子平粒子，发射光子平均能量均能量 ，求光产额，求光产额解：根据公式解：根据公式练习：当入射粒子在蒽晶体内损失1MeV能量时，产生20300个平均波长为447nm的光子，试计算蒽晶体的闪烁效率3、闪烁发光时间、闪烁发光时间•闪烁体的发光过程包括闪烁的闪烁体的发光过程包括闪烁的上升和衰减上升和衰减两个过两个过程。

程•对大多数无机晶体，闪烁衰减成对大多数无机晶体，闪烁衰减成指数指数规律，有：规律，有：•式中：式中： 为受激原子衰减时间常数为受激原子衰减时间常数 t时刻已退激发出的光子数时刻已退激发出的光子数N光子光子(t)为为•则单位时间内发出的光子数为则单位时间内发出的光子数为(发光光强度度)：：对大多数有机晶体和少数无机晶体对大多数有机晶体和少数无机晶体，发光衰减有快，发光衰减有快慢两种成份，其衰减规律为：慢两种成份，其衰减规律为：快、慢两种成分快、慢两种成分的的相对比例相对比例随随入射粒子入射粒子而变化而变化 见书见书P243，图，图4.7 四．常用闪烁体四．常用闪烁体1、NaI(Tl)晶体2、CsI(Tl)和CsI(Na)晶体3、BGO晶体(Bi4Ge3O12)4、ZnS(Ag)晶体 5、液体闪烁体6、塑料闪烁体1、、NaI(Tl)晶体晶体优点：优点： 密度大，密度大，  =3.67g/cm3 ，探测效率高；，探测效率高； Z高，碘高，碘(Z=53)占重量占重量85% ，光电截面大；，光电截面大； 相对发光效率高，为蒽的相对发光效率高，为蒽的2.3倍；倍； 发射光谱最强波长发射光谱最强波长415nm，与，与PMT光谱响应配合；光谱响应配合； 晶体透明性能好；晶体透明性能好； 能量分辨率较高，能量分辨率较高，~7.5%,662keV- 。

缺点缺点：容易潮解容易潮解1-硬质玻璃；硬质玻璃；2-NaI(Tl)晶体；晶体；3-光学耦合剂；光学耦合剂；4-光反射层；光反射层；5-金属铝壳；金属铝壳；6-海绵垫衬；海绵垫衬；7-密封环氧树脂密封环氧树脂NaI(Tl)晶体封装结构晶体封装结构2、、CsI(Tl)和和CsI(Na)晶体晶体优点：优点：• 密度大，密度大，  =4.51g/cm3 ；；• Z高，铯高，铯(Z=55)，碘，碘(Z=53) ；；• 机械强度好；机械强度好；• 加工性能好；加工性能好；• CsI(Tl)可以用作粒子鉴别可以用作粒子鉴别缺点：缺点：CsI(Na)容易潮解；容易潮解；CsI(Tl)轻度潮解轻度潮解3、、BGO晶体晶体 (Bi4Ge3O12 ，锗酸铋，锗酸铋)优点：优点：• 密度大，密度大，  =7.13g/cm3；；• Z高，铋高，铋(Z=83)；；•机械性能好；机械性能好；• 化学稳定性好；化学稳定性好；• 光学透明性好光学透明性好缺点：缺点：发光效率低，为发光效率低，为NaI(Tl)的的8~14%4、、ZnS(Ag)晶体晶体•发光效率高；发光效率高；•多晶粉末多晶粉末；；• 透光性差，厚度约透光性差，厚度约10~20mg/cm2 。

5、、有机液体闪烁体有机液体闪烁体•发光衰减时间短，发光衰减时间短，~2.4ns ；；• 透明度好，制备容易，成本低透明度好，制备容易，成本低6、塑料闪烁体、塑料闪烁体•发光衰减时间短，发光衰减时间短， 1~3ns ；；•透明度高，光传输性能好透明度高，光传输性能好；；• 机械性能好，性能稳定；机械性能好，性能稳定；• 耐辐射特性好耐辐射特性好•由溶剂由溶剂(苯乙烯苯乙烯)+荧光物质荧光物质+波长转换剂，波长转换剂，聚合而成聚合而成7.7.闪烁体的选择闪烁体的选择•闪烁探测器的性能与闪烁体有很大关系闪烁探测器的性能与闪烁体有很大关系•在实际应用中闪烁体的选择应考虑在实际应用中闪烁体的选择应考虑:①①选用的闪烁体在测量一种核辐射时能排除其他辐射的干扰②要考虑测量的物理量；③应考虑放射源的特点；④考虑与所用的光电倍增管的配合及经济方面的因素问题：试解释试解释NaI(T1)闪烁探测器的能量分辨率优于闪烁探测器的能量分辨率优于BGO闪烁探测器的原因，为何后者的探测效率要更高一闪烁探测器的原因，为何后者的探测效率要更高一些？些？闪烁体原子序数Z密 度发光效率NaI(Tl)11, 533.67100Bi4Ge3O1283, 32, 87.137~14§ §5.3 光学收集系统光学收集系统•反射层、耦合剂和光导。

反射层、耦合剂和光导•反射层作用：反射层作用： 把闪烁体中向各个方向发射的光有效地反射到光电倍增管的光阴极上 氧化镁、二氧化钛、聚四氟乙烯塑料袋等•光学耦合剂光学耦合剂 作用：作用：排除交界面间的空气，减少光在交界面的全反射，使光有效地传输到光电倍增管的光阴极 当光子由光密物质(n1)射向光疏物质(n2)时,发生全反射的临界角： 加入折射率大的透明媒质，增大临界角，透射光增加 用用折射系数折射系数 的的硅脂硅脂(或或硅油硅油)•光导：•具有一定形状的光学透明固体材料,连接闪烁体与光电倍增管 闪烁体窗面积、形状与PMT窗面积、形状不同时； 强磁场中探测时，用较长的光导连接,把闪烁体与PMT分隔开; 在空间较小处，用光纤连接较小的闪烁体与PMT; 用硅油填充闪烁体-光导、光导-PMT的交界面§ §5.4 光电倍增管光电倍增管光电倍增管，通道型电子倍增器件光电倍增管，通道型电子倍增器件一．光电倍增管的结构与工作原理一．光电倍增管的结构与工作原理二．光电倍增管的供电回路二．光电倍增管的供电回路三．光电倍增管的主要性能三．光电倍增管的主要性能 一、光电倍增管的结构与工作原理一、光电倍增管的结构与工作原理•光阴极，电子倍增系统(打拿极)，电子收集(阳极)极，聚焦极及加速极。

 光阴极：通常为化合物材料 电子光学系统：聚焦极、加速极 阳 极：镍、钽、钨，二次电子发射小工作原理：工作原理： 光阴极由于光电效应将闪烁体发出的微弱的光转变成光电子，光电子经电子光学系统加速、聚集后射向倍增极，电子不断增加，阳极收集最后一极倍增极的二次电子而输出一个电信号.分类分类具有较快的响应时间，具有较快的响应时间，用于时间测量或需要用于时间测量或需要响应时间快的场合响应时间快的场合非聚焦型非聚焦型电子倍增系数较大，电子倍增系数较大，多用于能谱测量系统多用于能谱测量系统直线结构直线结构环状结构环状结构百叶窗结构百叶窗结构盒栅型结构盒栅型结构聚焦型聚焦型二．光电倍增管的供电回路二．光电倍增管的供电回路•K-D1电压较高，提高电压较高，提高S/N和能量分辨率；和能量分辨率；•中间各打拿极一般均匀分压；中间各打拿极一般均匀分压；•最后几个打拿极间高电压、大电流，电容稳压；最后几个打拿极间高电压、大电流，电容稳压；•最后打拿极与阳极间电压较小最后打拿极与阳极间电压较小正高压供电方式正高压供电方式：负高压供电方式：负高压供电方式：三、主要性能三、主要性能1)光阴极的光谱响应光阴极的光谱响应 光阴极受到光照射后光阴极受到光照射后,量量子效率随波长的关系曲线。

子效率随波长的关系曲线量子效率量子效率: 光阴极光谱响应需要与光阴极光谱响应需要与闪烁体发射光谱匹配闪烁体发射光谱匹配2)光阴极光阴极(阳极阳极)的光照灵敏度的光照灵敏度其中：其中：i 是光电子流是光电子流( A)，，F是光通量是光通量(lm)3)光电倍增管的电流放大倍数光电倍增管的电流放大倍数其中：其中：a a为各级的电子收集效率，为各级的电子收集效率，δδ为各级电子倍增系数为各级电子倍增系数, , n n为倍增级数为倍增级数4) PMT 暗电流与噪声暗电流与噪声 当工作状态下的光电倍增管完全与光辐射隔绝当工作状态下的光电倍增管完全与光辐射隔绝时，其阳极仍能输出电流时，其阳极仍能输出电流(暗电流暗电流)及脉冲信号及脉冲信号(噪声噪声) 成因：成因：(1)光阴极光阴极的的热电子发射热电子发射(2)管内残余气体电离和激发管内残余气体电离和激发(3) 工艺工艺----尖端放电尖端放电及及漏电漏电5 5) ) PMT PMT 的稳定性的稳定性 稳定性稳定性稳定性稳定性是指在是指在恒定恒定辐射源辐射源照射下，照射下，光电倍增管光电倍增管的的阳极电流阳极电流随随时间时间的变化。

的变化包含两部分：包含两部分：短期稳定性短期稳定性短期稳定性短期稳定性，指，指建立稳定工作状态建立稳定工作状态所需的时间一所需的时间一般在开机后般在开机后预热预热半小时才开始正式工作半小时才开始正式工作长期稳定性长期稳定性长期稳定性长期稳定性：在工作达到稳定后，：在工作达到稳定后，略有下降的慢变略有下降的慢变化化，与管子的材料、工艺有关，同时与周围的环境，与管子的材料、工艺有关，同时与周围的环境温度有关长期工作条件下，须采用温度有关长期工作条件下，须采用“稳峰稳峰稳峰稳峰”措施。