电离辐射探测工程硕士课程闪烁探测器课件.pptx

1、why scintillation detectors?NaI：在：在能谱测量中的应用。能谱测量中的应用。CsI：在中微子探测中的应用。：在中微子探测中的应用。BGO：在中子感生：在中子感生能谱分析（煤质分析）中的应用。能谱分析（煤质分析）中的应用。CdWO4：工业：工业CT LaBr3：一种新型的优质闪烁探测器：一种新型的优质闪烁探测器：，适合于测量不带电粒子，如，适合于测量不带电粒子，如射线和中子，射线和中子，能够测量能谱。能够测量能谱。，有的探测器（如塑料闪烁体、，有的探测器（如塑料闪烁体、BaF2）能够）能够实现实现ns的时间分辨的时间分辨第五章 闪烁探测器5.2 5.2 闪烁体闪烁体

2、5.3 5.3 光的收集与光导光的收集与光导5.4 5.4 光电倍增管光电倍增管5.5 5.5 闪烁探测器的输出信号闪烁探测器的输出信号5.6 5.6 闪烁探测器的主要性能闪烁探测器的主要性能5.1 闪烁探测器基本原理是利用辐射在某些物质中产生的是利用辐射在某些物质中产生的来探测电离辐射的探测器。来探测电离辐射的探测器。闪烁体；光电倍增管；高压电源；闪烁体；光电倍增管；高压电源；分压器；前置放大器分压器；前置放大器入射窗入射窗入射粒子入射粒子荧光光子荧光光子反射层反射层磁屏蔽层磁屏蔽层光阴极光阴极阳极阳极打拿极打拿极管座及高管座及高压分压器压分压器前置放大器前置放大器线性线性放大器放大器高压电

3、源高压电源多道多道分析器分析器闪烁体闪烁体外壳外壳(暗盒暗盒)光耦合光耦合 窗窗光电子光电子闪烁探测器的工作过程快电子（重离子）使闪烁体原子电离或激发，受激原子退激快电子（重离子）使闪烁体原子电离或激发，受激原子退激而发出波长在可见光波段的荧光。而发出波长在可见光波段的荧光。荧光光子被收集到光电倍增管荧光光子被收集到光电倍增管(PMT)的光阴极，通过光电效的光阴极，通过光电效应打出光电子。应打出光电子。电子运动在电子运动在PTM的打拿极间运动并倍增（的打拿极间运动并倍增（1071010）。）。射线的三种效应，中子的核反应，或者带电粒子直接入射射线的三种效应，中子的核反应，或者带电粒子直接入射决

4、定工作状态：电流、电压？决定工作状态：电流、电压？5.1 5.1 闪烁探测器的基本原理闪烁探测器的基本原理5.3 5.3 光的收集与光导光的收集与光导5.4 5.4 光电倍增管光电倍增管5.5 5.5 闪烁探测器的输出信号闪烁探测器的输出信号5.6 5.6 闪烁探测器的主要性能闪烁探测器的主要性能5.2 闪烁体高探测效率高探测效率高发光效率高发光效率能量线性好能量线性好自吸收小自吸收小发光时间短发光时间短可加工性好可加工性好易于耦合（合适的折射率易于耦合（合适的折射率）构成了afterglow的主要部分。对大多数无机闪烁体，单电子响应函数可以用函数近似，这时输出电流，X光照射下的BGO晶体阳极

5、(anode)：分压器的电阻足够小可忽略快电子（重离子）使闪烁体原子电离或激发，受激原子退激而发出波长在可见光波段的荧光。Z高，碘(Z=53)占重量85%，光电截面大；6 闪烁探测器的主要性能BGO：在中子感生能谱分析（煤质分析）中的应用。因此，截面积由闪烁体到光电倍增管逐渐减小的任何光导都会带来显著的光损失。上升时间：包括入射粒子耗尽能量的时间(10-9s)和闪烁体中电子激发时间(很短)。ia是阳极电流(A)，3 光的收集与光导分压器的电阻足够小可忽略光电效应，Compton效应，电子对效应。闪烁探测器的能量分辨率为，单位时间发出的光子数：仅用于收集电子，不需要倍增。光电倍增管的单电子响应函

6、数3 光的收集与光导5.2 闪烁体一.闪烁体的分类闪烁体有机闪烁体有机液体闪烁体塑料闪烁体无机闪烁体NaI(Tl)ZnS(Ag)无机盐晶体、22LiO2SiO(Ce)玻璃体2BGOBaF纯晶体、()有机晶体 蒽，萘，芪探测效率高探测效率高光输出产额高光输出产额高线性好线性好发光时间较长发光时间较长 发光时间短发光时间短 光输出产额低光输出产额低气体闪烁体：氩，氙二.闪烁体的发光机制0.1eVgE 导体：半导体：0.6 2.5eVgE 绝缘体：3eVgE NaI(Tl)：7.3eVgE 重点分析掺杂的无机晶体，以重点分析掺杂的无机晶体，以 等为等为最典型，又称卤素碱金属晶体最典型，又称卤素碱金属

7、晶体(Alkali Halide Scintillator)。价带禁带激带导带gE 导带上自由电子和价带上空穴可以复合导带上自由电子和价带上空穴可以复合成激子；成激子；激子也可以吸收热运动能量而变成自由激子也可以吸收热运动能量而变成自由电子电子-空穴。空穴。价带禁带激带导带eh退激可能发出光子退激可能发出光子也可能晶格振动而不发光。也可能晶格振动而不发光。s退激发出的光子容易被退激发出的光子容易被晶体自吸收，传输出的晶体自吸收，传输出的光子少；光子少；s禁带宽度大，退激发光禁带宽度大，退激发光在紫外范围，光阴极不在紫外范围，光阴极不响应。响应。入射粒子入射粒子可以产生可以产生也可产生也可产生

8、在晶体中掺杂，叫做在晶体中掺杂，叫做激活剂激活剂(activator)，含，含量量10 3量级量级。禁带价带激带导带eh原子受激产生的电子-空穴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。形成或(luminescence centers or recombination centers)：50500ns：转换为晶格的热运动。基态激发态杂质形成特殊晶格点，杂质形成特殊晶格点，并在禁带中形成局部并在禁带中形成局部能级。能级。：亚稳态，发光时间较长。构成了afterglow的主要部分。对许多物质，产生一个电子空穴对平均约需对许多物质，产生一个电子空穴对平均约需禁带禁带宽度的能量；宽度的能量

9、；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能量能量；NaI(Tl)的闪烁光能占入射能的闪烁光能占入射能量量13%，吸收，吸收1MeV能量产能量产生生：651 100.131.3 10 eVphE 541.3 104.3 103phN闪烁光子平均能量闪烁光子平均能量3eV，产，产生生：641 105 1020eN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，产生的能量，产生的：能量传递给能量传递给的效率是的效率是很高的很高的有机闪烁体都是苯环化合物，分子之间有机闪烁体都是苯环化合物，分子之间仅有松散的范德瓦尔斯力。其激发与发仅有松

10、散的范德瓦尔斯力。其激发与发光是由光是由的激发和跃迁产生的。的激发和跃迁产生的。有机闪烁体的发射光谱和吸收光谱有机闪烁体的发射光谱和吸收光谱的峰值是的峰值是的，所以，有机闪烁的，所以，有机闪烁体对其所发射的荧光是透明的。体对其所发射的荧光是透明的。发射谱的短波部分与吸收谱的长发射谱的短波部分与吸收谱的长波部分有波部分有，为此在有的有机，为此在有的有机闪烁体中加入闪烁体中加入，以减少自，以减少自吸收。吸收。/890:1010tII es，3:10 eorsmor为了提高闪烁效率，可在溶剂中为了提高闪烁效率，可在溶剂中加入高效闪烁物质，构成二元有加入高效闪烁物质，构成二元有机闪烁体：液体，塑料。机

11、闪烁体：液体，塑料。入射粒子通过介质时，沿径迹产生一批入射粒子通过介质时，沿径迹产生一批了的气体了的气体分子，这些激发分子分子，这些激发分子时便发射出了时便发射出了。光子的能量多处在 必须选用对的 或者加入少量的第二气体（如氮气），使闪光的波长移入可见光区。三.闪烁体的物理特性1.发射光谱发射光谱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.闪烁体其它特性闪烁体其它特性1.发射光谱闪烁体发射光子数与光子波长闪烁体发射光子数与光子波长(能量能量)的关系曲线。的关系曲线。发射光谱与闪烁体、激活剂、移波剂、温度有关。发射光谱与闪烁体、

12、激活剂、移波剂、温度有关。2.发光效率发光效率可用三种量来描述：发光效率可用三种量来描述：）NaI(Tl)晶体：Yph(e)=4.3104/MeV。NaI(Tl)晶体：Cnp()=2.6%，Cnp()=13%。（发光效率，能量转换效率）（发光效率，能量转换效率）phnpECE(光输出，光产额光输出，光产额)phphnYE光屏蔽严禁加高压时曝光。一次闪烁光引起的输出电流：能量分辨率基本被决定猝灭(quenching)：转换为晶格的热运动。高Z,，大D的闪烁体探测效率高。对应于闪烁体发出一个光子，第一打拿极收集到的光电子数Ne，是伯努利型随机变量；荧光光子被收集到光电倍增管(PMT)的光阴极，通过

13、光电效应打出光电子。传统材料：BeO，MgO，Cs3Sb阳极暗电流：实际上它是噪声脉冲信号电流的平均值，一般为10-610-10A。闪烁效率低，为NaI(Tl)的814%。二闪烁探测器的输出回路5 闪烁探测器的输出信号basic information carrier几种闪烁体的相对闪烁效率总功率不要太大，以免PMT因为温度升高而漂移长期稳定性：在工作达到稳定后，略有下降的慢变化，与管子的材料、工艺有关，同时与周围的环境温度有关。1keV，：5060另一种表示量子效率的方法：NaI：在能谱测量中的应用。较低能射线：全能、康普顿边缘、康普顿坪；CsI(Tl)和CsI(Na)晶体与与的关系：的关系

14、：npphCYh（相对发光效率）（相对发光效率）闪闪 烁烁 体体 和和 闪烁效率闪烁效率(%)相对相对NaI(Tl)相对蒽相对蒽NaI(Tl)100230ZnS(Ag)130蒽蒽43100液体闪烁体液体闪烁体2080几种闪烁体的相对闪烁效率几种闪烁体的相对闪烁效率3.闪烁发光时间发光时间包括与。0()(0)tn tne例如：例如：NaI(Tl)晶体晶体 0=0.23 s 000(0)(0)tphnnedtn00()phtnn te：包括入射粒子耗尽能量的时间包括入射粒子耗尽能量的时间(10-9s)和闪烁体和闪烁体中电子激发时间中电子激发时间(很短很短)。：对大多数对大多数和和()fstftsf

15、snnn tee对有机闪烁体对有机闪烁体()()()()ssffnn enne对一些无机闪烁体对一些无机闪烁体()()()()ssffnn enne不同类型辐射激发时不同类型辐射激发时stilbene晶体的发光衰减曲线晶体的发光衰减曲线与与delayed fluorescencedelayed fluorescence有关有关几种闪烁体的发光衰减时间几种闪烁体的发光衰减时间闪闪 烁烁 体体 f (ns)s(s)BaF20.62CsI(Tl)101.0芪芪6.20.37蒽蒽330.37液体闪烁体液体闪烁体2.40.20塑料闪烁体塑料闪烁体1.3NaI(Tl)0.234.闪烁体的其它特性 热锻、车

16、、铣热锻、车、铣 透明度降低（变色），吸收闪烁光子 导致了磷光的产生 敏感：Tl掺杂的卤素碱金属，10Gy 不敏感：GSO，106Gy 与闪烁体物质与闪烁体物质(,Z)有关有关 与体积有关与体积有关四.常用闪烁体1.晶体2.和晶体3.晶体(Bi4Ge3O12)4.晶体5晶体6.晶体7.晶体8.闪烁体9.闪烁体10.闪烁体1.NaI(Tl)晶体（sodium iodide）(1948,Robert Hofstadter)密度大，密度大，探测效率高；，探测效率高；Z高，碘高，碘()占重量占重量85%，光电截面大；，光电截面大；相对相对，为蒽的，为蒽的2.3倍；倍；发射光谱最强波长发射光谱最强波长4

17、15nm，与，与PMT；晶体晶体；能量分辨率较高，能量分辨率较高，(有人做到：有人做到：5.80.24%)。可以做得很可以做得很：500mm500mm发光时间长发光时间长(230ns)(230ns)磷光：磷光：0.150.15秒，秒，9%9%容易潮解容易潮解有一定的脆性，机械、热冲击易损坏有一定的脆性，机械、热冲击易损坏易受射线损伤：易受射线损伤：1Gy1Gy能量线性问题能量线性问题温度效应温度效应中子活化影响中子活化影响The discovery,more than any other single event,ushered in the era of modern scintillati

18、on spectrometry of gamma radiationNaI(Tl)晶体封装结构晶体封装结构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。理想的闪烁体应该具有如下的特点：发光衰减时间短：26nsV(t)在t=R0C0处取极大值，5 闪烁探测器的输出信号Z高，铋(Z=83)；由溶剂(苯乙烯)+荧光物质+波长转换剂，聚合而成。能量分辨率的影响因素：在NaI(Tl)中产生一对电子-空穴对需要20eV能量；能量线性很好（在低能区，最大偏差10cm10

19、cm）抗辐照（抗辐照（105Gray）5.BaF2晶体 比较好的能量分辨率比较好的能量分辨率(对对0.662MeV 9.1%;1.332MeV 6.3%)闪烁效率与温度的关系：闪烁效率与温度的关系：快成分：在快成分：在100400K（-173117）范围内没有变化）范围内没有变化慢成分：在慢成分：在250325K（-2352）的范围内）的范围内-1.1%/K）光谱在紫外波段，需光谱在紫外波段，需要专门的要专门的PMT配合，配合，如如XP2020Q 发光效率低，比发光效率低，比NaI(Tl)小一个量级。小一个量级。0.6-0.8ns630ns1585清华大学物理系徐四大等：清华大学物理系徐四大等

20、：100100mmBaF2晶体晶体谱仪，谱仪，时间分辨为时间分辨为0.9ns，对，对137Cs的的能量分辨率能量分辨率12.6%6.LaBr3晶体 潮解潮解 目前价格目前价格还较贵还较贵说明什么呢？有什么好处？有什么好处？有什么好处？有什么好处？一些常用无机闪烁体的分辨率7.蒽晶体制作困难，价格昂贵；容易损坏。8.液体闪烁体发光衰减时间短，2.4ns；透明度好，制备容易，成本低。(350 420nm)入射粒子激发溶剂分子荧光物质(420 480nm)波长转换剂光输出发光效率高，常用作标准；原子量低，含氢量大；9.塑料闪烁体发光衰减时间短，发光衰减时间短，1 13ns 3ns；透明度高，光传输性

21、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。可以做得很大可以做得很大10.气体闪烁体 气体退激时间为气体退激时间为nsns量级，是最快的闪烁材料之一量级，是最快的闪烁材料之一 大小、形状易于改变大小、形状易于改变 能量线性很好能量线性很好 光子发射有竞争过程（分子相互碰撞、内猝灭），气体闪光子发射有竞争过程（分子相互碰撞、内猝灭），气体闪烁体的效率比较低烁体的效率比较低 阻止本领小，探测效率低，在能谱测量中的应用局限于阻止本领小，探测效率低，在能谱测量中的应用局限于粒子、裂变碎片或其它重带电粒子粒子、裂变碎片或其它重带电粒子5.1 5.1

22、 闪烁探测器的基本原理闪烁探测器的基本原理5.2 5.2 闪烁体闪烁体5.4 5.4 光电倍增管光电倍增管5.5 5.5 闪烁探测器的输出信号闪烁探测器的输出信号5.6 5.6 闪烁探测器的主要性能闪烁探测器的主要性能5.3 光的收集与光导闪烁光的收集需要：闪烁光的收集需要：1.1.反射层反射层2.2.耦合剂耦合剂3.3.光导光导反射方式：反射方式：镜面反射、漫反射。镜面反射、漫反射。材料：材料：铝箔、镀铝塑料薄膜，氧化镁、二氧化钛、铝箔、镀铝塑料薄膜，氧化镁、二氧化钛、聚四氟乙烯塑料带等。聚四氟乙烯塑料带等。当光子由光密物质当光子由光密物质(n0)射向光疏物质射向光疏物质(n1)时，发生全反

23、射的时，发生全反射的临界角：临界角：110sincnn周围介质周围介质(折射系数折射系数=n1)闪烁体闪烁体(折射系数折射系数=n0)c高Z,，大D的闪烁体探测效率高。对电流脉冲工作状态，条件：(3)相对闪烁效率（相对发光效率）发光时间长(230ns)脉冲前沿0，脉冲后沿R0C0，Vmax Q。单能射线的次级电子能谱1 闪烁探测器的基本原理几种闪烁体的相对闪烁效率分压器所用电阻的温度系数应当小，稳定性高。哪一项与闪烁体的能量分辨率最相关？67g/cm3，探测效率高；1 闪烁探测器的基本原理ia是阳极电流(A)，发光时间长(230ns)Z高，铯(Z=55)，碘(Z=53)；随R0C0减小，后沿下

24、降加快，脉冲宽度变窄。对NaI(Tl)，在100KeV1MeV，变化约15。CsI(Tl)和CsI(Na)晶体传统材料：BeO，MgO，Cs3SbFph：光子传输系数；单能射线的次级电子能谱VD是倍增电极之间的电压 闪烁体窗面积、形状与闪烁体窗面积、形状与PMTPMT窗面积、形状不同时；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强磁场中探测时，用较长的光导连接把闪烁体与PMTPMT分隔开。分隔开。在空间较小处，用光纤连接较小的闪烁体与在空间较小处，用光纤连接较小的闪烁体与PMTPMT。一个光导，不管其形状多么复杂，在光导内部一个光导，不管其形状多么复杂，在光导内部任一点的单

25、位面积、单位立体角内的光子流量任一点的单位面积、单位立体角内的光子流量绝不可能大于它的输入端的光子流量。因此，绝不可能大于它的输入端的光子流量。因此，截面积由闪烁体到光电倍增管逐渐减小的任何截面积由闪烁体到光电倍增管逐渐减小的任何光导都会带来显著的光损失。光导都会带来显著的光损失。用硅油填充闪烁体用硅油填充闪烁体-光导、光导光导、光导-PMT-PMT的交界面。的交界面。5.1 5.1 闪烁探测器的基本原理闪烁探测器的基本原理5.2 5.2 闪烁体闪烁体5.3 5.3 光的收集与光导光的收集与光导5.5 5.5 闪烁探测器的输出信号闪烁探测器的输出信号5.6 5.6 闪烁探测器的主要性能闪烁探测

26、器的主要性能5.4 光电倍增管一 光电倍增管的类型1.1.外观的不同外观的不同2.2.根据光阴极形式根据光阴极形式聚焦型聚焦型非聚焦型非聚焦型3.3.根据电子倍增系统根据电子倍增系统具有较快的响应时间，用于具有较快的响应时间，用于时间测量或需要响应时间快时间测量或需要响应时间快的场合。的场合。电子倍增系数较大，多用于电子倍增系数较大，多用于能谱测量系统。能谱测量系统。聚焦线状结构圆栅型结构百叶窗结构盒栅型结构二.光电倍增管的结构与工作原理结构：1.光学窗2.光阴极3.电子倍增系统(打拿极)4.电子收集(阳极)1.光学窗：光学窗：硼玻璃窗硼玻璃窗石英玻璃窗石英玻璃窗 光电效应光电效应 电子迁移到

27、表面电子迁移到表面 克服介质与真空间的势垒克服介质与真空间的势垒(potential barrier)，逸出功，逸出功 3heV 1.5 2CsSbeV半导体：2.光阴极光阴极(photocathode)：通常为化：通常为化合物材料，两种形式合物材料，两种形式锑铯化合物锑铯化合物(Cs-Sb)双碱阴极双碱阴极(K2-Cs-Sb)势垒的存在势垒的存在并非所有光子都并非所有光子都会被转换为电子会被转换为电子 3 4eV金属：3.打拿极打拿极(dynode)：次级电子产额大；次级电子产额大；热电子与光电子发射小；热电子与光电子发射小；大电流工作时性能稳定；大电流工作时性能稳定；快速响应。快速响应。发

28、射的次级电子数入射的初级电子数打拿极材料：打拿极材料：传统材料：传统材料：BeO，MgO，Cs3Sb1keV，10（最大）（最大）NEA（负电子亲和）材料：（负电子亲和）材料：GaP(Cs)1keV，：50604.阳极阳极(anode)：仅用于收集电子，不需要倍增。仅用于收集电子，不需要倍增。镍、钼、铌镍、钼、铌次级电子产额小次级电子产额小三光电倍增管的供电回路K-D1K-D1电压较高，几倍于其它打拿极间电压较高，几倍于其它打拿极间的电压，可有效收集光电子，减少电的电压，可有效收集光电子，减少电子飞行时间的离散；子飞行时间的离散；中间各打拿极一般中间各打拿极一般均匀分压；均匀分压；最后几个打拿

29、极最后几个打拿极间高电压、大电间高电压、大电流，电容稳压；流，电容稳压；最后打拿极与阳极最后打拿极与阳极间电压较小。间电压较小。提供静态工作点，提供静态工作点，直流电流应显著大直流电流应显著大于阳极电流于阳极电流s分压器所用电阻的温度系数分压器所用电阻的温度系数应当小，稳定性高。应当小，稳定性高。s总功率不要太大，以免总功率不要太大，以免PMT因为温度升高而漂移因为温度升高而漂移简单，阴极接地简单，阴极接地需要隔直电容，不适合需要隔直电容，不适合于高计数率情况，不适于高计数率情况，不适合于电流情况，易受高合于电流情况，易受高压纹波的影响压纹波的影响无需隔直电容，适合无需隔直电容，适合高计数率、

30、适合电流高计数率、适合电流模式模式 阴极处于高压，需防阴极处于高压，需防止与周围接地材料之止与周围接地材料之间的高压漏电信号、间的高压漏电信号、场致发光场致发光都是常用的供电方式四光电倍增管的主要性能1.1.光阴极的光谱响应光阴极的光谱响应2.2.光阴极的光照灵敏度光阴极的光照灵敏度3.3.第一打拿极的电子收集系数第一打拿极的电子收集系数4.4.光电倍增管的放大倍数光电倍增管的放大倍数5.5.阳极光照灵敏度阳极光照灵敏度6.6.光电倍增管的暗电流与噪声光电倍增管的暗电流与噪声7.7.光电倍增管的时间特性光电倍增管的时间特性8.8.光阴极的均匀性光阴极的均匀性9.9.稳定性稳定性光电转光电转换特

31、性换特性电子倍电子倍增特性增特性光阴极受到光照射后发射光电子光阴极受到光照射后发射光电子的几率是波长的函数，叫做光阴的几率是波长的函数，叫做光阴极的光谱响应。极的光谱响应。()kQ发射电子数入射光子数光子能量 入射窗光电子数闪烁体中损失的能量350nm普通玻璃160nm石英窗dPdPQSSk)()()(phekknnQ 平均量子效率：gc对对PMT的幅度分辨率影响较大，的幅度分辨率影响较大，在有聚焦极的光电倍增管中，在有聚焦极的光电倍增管中，gc可达可达95%以上。以上。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)。kkiSFcg 第一打拿极收集到的光电子数光阴极发出

32、的光电子数聚焦型：聚焦型：g 1；非聚焦型：非聚焦型：g 0时，时，0000()t R CtQV teeC 脉冲前沿脉冲前沿 0，脉冲后沿，脉冲后沿R0C0，Vmax Q。随随R0C0减小，后沿下降加快减小，后沿下降加快，脉冲宽度变窄。，脉冲宽度变窄。在短时间区域，在短时间区域，0000()1t R CRV tQe0t在足够长的时间区域，在足够长的时间区域，000()tRV tQe0t(2)当当R0C0 0时，时，0000000()tt R CR C QV teeC上升时间上升时间 R0C0，下降时间，下降时间 0，Vmax 。0000R C QC 随随R0C0减小，上升时间加快减小，上升时间

33、加快。V(t)在在t=R0C0处取极大值，处取极大值，max0QVC e在实际使用中，常选取在实际使用中，常选取R0C0=0。(3)当当R0C0=0时，时，00000()t R CQtV teC R C只有当只有当C0=0时，时，V=I(t)R0；而一般情况下，而一般情况下，C0 0。当单电子响应函数不为当单电子响应函数不为 函数时，函数时，使输出脉宽变大，脉冲前沿变慢。使输出脉宽变大，脉冲前沿变慢。幅度足够大幅度足够大脉宽足够窄脉宽足够窄输出电压脉冲形状趋于电流脉冲的形状输出电压脉冲形状为电流脉冲在输出回路上的积分电流脉冲电流脉冲五输出信号的涨落光电倍增管输出电荷数是串级型随机变量：闪烁体发

34、出的光子数，服从；对应于闪烁体发出一个光子，第一打拿极收集到的光电子数，是；PMT的电子倍增系数。ephNNT第一打拿极收集的光电子数Ne服从泊松分布，平均值与方差为：211eNephNNT输出信号的幅度PMT输出的电荷量aephNNMNT M阳极输出电子数阳极输出电子数Na是由是由Ne和和M组成的二级串级型随组成的二级串级型随机变量，其平均值与方差为，机变量，其平均值与方差为，PMT电子倍增系数电子倍增系数M是各级倍增因子是各级倍增因子 i串级而成的串级而成的多级串级型随机变量，平均值为：多级串级型随机变量，平均值为：2211aNMphphNTNT211MphNT11nM所以，所以，2111

35、M211111aNphNT于是，于是，Na的方差为，的方差为，M的方差，假设的方差，假设服从泊松分布服从泊松分布22111111111Mn21111n从实验结果来看，从实验结果来看，并非严格服从并非严格服从泊松分布，可以有其它的分布如泊松分布，可以有其它的分布如Polya distribution或或compound Poisson分布来描述倍增过程的统分布来描述倍增过程的统计规律。计规律。尚无定论，也许打拿极特性、电尚无定论，也许打拿极特性、电子轨迹的不同使得无法找到一个通子轨迹的不同使得无法找到一个通用的模型。用的模型。122221111(1)aphNTTNphphNTN进一步的研究给出更

36、精细的结果，进一步的研究给出更精细的结果，因此，闪烁探测器的能量分辨率为，因此，闪烁探测器的能量分辨率为，2.355aN1112.35511phNT光电转换系数光电转换系数的不一致性的不一致性Nph不服从泊不服从泊松分布松分布试着估算一下试着估算一下NaI(Tl)探测器对探测器对662keV的能量分的能量分辨率（最佳）？辨率（最佳）？输出信号小结闪烁体发出的闪烁闪烁体发出的闪烁光子数光子数第一打拿极收集到第一打拿极收集到的光电子数的光电子数阳极收集到的电子阳极收集到的电子数数phnenAnphphnYEephnnTAennMAephphQnenM enT M eYE T M e闪烁体发出的闪烁

37、闪烁体发出的闪烁光子数的规律光子数的规律第一打拿极收集到的第一打拿极收集到的光电子数的规律光电子数的规律单光电子所引起的电流单光电子所引起的电流脉冲信号脉冲信号()n t()en t()p t/()phtnn te/()phtenn tT e()()ep tM ett()et()/00 ()()()eetet tettI tn tt p t dtQett00()()()V tdV tI tCRdt由等效电路得：由等效电路得：求解得：求解得：00/00000()()t R CtQR CV teeCR C两种脉冲工作状态：电压脉冲和电流脉冲。两种脉冲工作状态：电压脉冲和电流脉冲。电压脉冲型工作状态

38、电压脉冲型工作状态电流脉冲型工作状态电流脉冲型工作状态条件条件00RC00R C脉冲前沿脉冲前沿1te001tR Ce脉冲幅度脉冲幅度0QhEC000QR ChEC 脉冲后沿脉冲后沿00t R Cete00RC0C多级串级随机变量多级串级随机变量的相对均方涨落的相对均方涨落闪烁体发出的闪烁光闪烁体发出的闪烁光子数子数 的涨落的涨落(泊松泊松)第一打拿极收集到的光第一打拿极收集到的光电子数电子数 的涨落的涨落(泊松串伯努利泊松串伯努利=泊松泊松)光电倍增管的倍增系数光电倍增管的倍增系数M 的涨落（多个泊松的涨落（多个泊松的串级）的串级）阳极收集到的电子数阳极收集到的电子数 的涨落的涨落phnen

39、An21phnphvn211enephvnnT221111(1)(1()1AnMephvvnnT211(1)MEhEh2.362.36Ahn1112.3611phnT5.1 5.1 闪烁探测器的基本原理闪烁探测器的基本原理5.2 5.2 闪烁体闪烁体5.3 5.3 光的收集与光导光的收集与光导5.4 5.4 光电倍增管光电倍增管5.5 5.5 闪烁探测器的输出信号闪烁探测器的输出信号5.6 闪烁探测器的主要性能一 闪烁谱仪的组成与工作原理PMT高压电源高压电源多道分析器多道分析器前置放大器前置放大器主放大器主放大器探测次级电子能谱。探测次级电子能谱。光电效应，光电效应，Compton效应，电子

40、对效应。效应，电子对效应。低压电源低压电源闪烁体闪烁体二.单能射线的次级电子能谱闪烁体仅吸收次级电闪烁体仅吸收次级电子的能量。子的能量。闪烁体吸收全部次级闪烁体吸收全部次级电子、次级电磁辐射电子、次级电磁辐射能量。能量。闪烁体吸收次级电子能量，闪烁体吸收次级电子能量，以一定几率吸收次级电磁辐以一定几率吸收次级电磁辐射能量。射能量。前述两种都是理想中的探测器前述两种都是理想中的探测器三射线的输出脉冲幅度谱输出幅度涨落使峰宽度、输出幅度涨落使峰宽度、边界展宽。边界展宽。PMT噪声与暗电流形成噪声与暗电流形成小幅度连续谱。小幅度连续谱。较高能较高能 射线：全能、单逃、双逃、康普顿、湮没峰；射线：全能

41、、单逃、双逃、康普顿、湮没峰；较低能较低能 射线：全能、康普顿边缘、康普顿坪；射线：全能、康普顿边缘、康普顿坪；特征特征x射线峰、反散射峰。射线峰、反散射峰。闪烁体闪烁体原子序数原子序数Z密密 度度发光效率发光效率NaI(Tl)11,533.67100Bi4Ge3O1283,32,87.13714探测效率、探测效率、能量分辨率、能量分辨率、光电峰、光电峰、逃逸峰。逃逸峰。脉冲幅度每道相对计数用于确定33英吋 NaI(Tl)探测器响应函数的射线谱33英吋圆柱形NaI(Tl)闪烁体对0.3352.75MeV 射线的能谱响应函数Monte-Carlo模拟与实验能谱的比较四NaI(Tl)单晶闪烁谱仪的

42、性能 电子倍增系数电子倍增系数M与工作电压与工作电压V0的关系：的关系：0b nMaV其中，其中，V0是是PMT总电压，总电压，a、b是常数，是常数，n是打拿极数。是打拿极数。7b n 工作电压波动引起的倍增系数变化：工作电压波动引起的倍增系数变化：007MVMV通常要求通常要求PMT的电源稳定性好于的电源稳定性好于0.1%。所以：所以：1E闪烁探测器的能量分辨率为，闪烁探测器的能量分辨率为，1112.35511phNT1112.35511phE YT能量分辨率的影响因素：(2)大，则大，则小。小。(1)ephnnTphn1T 则则小。小。(3)的影响的影响(4)道宽的影响道宽的影响210.2

43、8h道宽道宽半高宽半高宽0b nMaV7b n007MVMV若要：若要：1%MM则要求：则要求：000.1%VV一般要求：一般要求：000.05%VV与的关系。理想情况：理想情况：闪烁体的发光效率闪烁体的发光效率Cnp与入射粒子的能与入射粒子的能量无关，这样量无关，这样“全能峰全能峰”处的幅度就与处的幅度就与入射入射 光子的能量成正比。光子的能量成正比。实际上：实际上：由于发光效率与入射粒子种类和能量有由于发光效率与入射粒子种类和能量有关。对于关。对于 能谱只涉及电子引起的闪光，能谱只涉及电子引起的闪光，因此因此 谱仪的非线性是由发光效率随电谱仪的非线性是由发光效率随电子能量不同而产生的。子能

44、量不同而产生的。0EGChE对NaI(Tl)，在100KeV1MeV，变化约15。对平行入射的对平行入射的 光子束：光子束：01phcpNDAe 探测效率：探测效率：晶体厚度晶体厚度高高Z,，大大D的闪烁体探测效率高。的闪烁体探测效率高。全能峰面积峰总比全谱面积全能峰高度峰康比康普顿坪平均高度对及：主要取决于光电倍增管的电子飞行时间 及其离散 。为获得好的时间分辨本领须选用快速光电倍增管。etet对，它主要取决于输出电压脉冲信号的宽度。对，条件：00R C取决于R0C0对，条件：00R C取决于短期稳定性短期稳定性对短期稳定性，须考虑开机预热达到稳定的时间。长期稳定性是由环境温度和PMT的老化

45、和使用寿命决定，为保持长期稳定性经常采用稳峰(或称稳谱)技术。长期稳定性长期稳定性why scintillation detectors?NaI：在：在能谱测量中的应用。能谱测量中的应用。CsI：在中微子探测中的应用。：在中微子探测中的应用。BGO：在中子感生：在中子感生能谱分析（煤质分析）中的应用。能谱分析（煤质分析）中的应用。CdWO4：工业：工业CT LaBr3：一种新型的优质闪烁探测器：一种新型的优质闪烁探测器：，适合于测量不带电粒子，如，适合于测量不带电粒子，如射线和中子，射线和中子，能够测量能谱。能够测量能谱。，有的探测器（如塑料闪烁体、，有的探测器（如塑料闪烁体、BaF2）能够）

46、能够实现实现ns的时间分辨的时间分辨5.1 闪烁探测器基本原理是利用辐射在某些物质中产生的是利用辐射在某些物质中产生的来探测电离辐射的探测器。来探测电离辐射的探测器。闪烁体；光电倍增管；高压电源；闪烁体；光电倍增管；高压电源；分压器；前置放大器分压器；前置放大器入射窗入射窗入射粒子入射粒子荧光光子荧光光子反射层反射层磁屏蔽层磁屏蔽层光阴极光阴极阳极阳极打拿极打拿极管座及高管座及高压分压器压分压器前置放大器前置放大器线性线性放大器放大器高压电源高压电源多道多道分析器分析器闪烁体闪烁体外壳外壳(暗盒暗盒)光耦合光耦合 窗窗光电子光电子几种闪烁体的发光衰减时间几种闪烁体的发光衰减时间闪闪 烁烁 体体

47、 f (ns)s(s)BaF20.62CsI(Tl)101.0芪芪6.20.37蒽蒽330.37液体闪烁体液体闪烁体2.40.20塑料闪烁体塑料闪烁体1.3NaI(Tl)0.236.LaBr3晶体 潮解潮解 目前价格目前价格还较贵还较贵说明什么呢？有什么好处？有什么好处？有什么好处？有什么好处？其中：其中：ia是阳极电流是阳极电流(A)，F是入射到光阴极的光通量是入射到光阴极的光通量(lm)。aaiSF()nackckSggSg MS 光阴极的热电子发射光阴极的热电子发射 残余气体的电离（离残余气体的电离（离子反馈、光子反馈）子反馈、光子反馈）欧姆漏电欧姆漏电 场致发射场致发射当工作状态下的光电倍增管完全与光辐射隔绝时，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：切伦科夫效应切伦科夫效应 玻璃管壳放电玻璃管壳放电 玻璃荧光玻璃荧光 光阴极曝光光阴极曝光5.1 5.1 闪烁探测器的基本原理闪烁探测器的基本原理5.2 5.2 闪烁体闪烁体5.3 5.3 光的收集与光导光的收集与光导9.4 9.4 光电倍增管光电倍增管5.6 5.6 闪烁探测器的主要性能闪烁探测器的主要性能