09第九章闪烁体探测器

τ为发光衰减时间，即发光强度降为1/e所需时间。
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3、闪烁发光时间
对大多数有机晶体和少数无机晶体，发光衰减有快、
慢两种成分
n(t) = n f e−t τ f + ns e−t τ s
τf
τs
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有机闪烁体的发光衰减曲线
几种闪烁体的发光衰减时间
闪烁体 BaF2 CsI(Tl) 芪 蒽
液体闪烁体 塑料闪烁体
NaI(Tl)
τf (ns)
0.6 10 6.2 33 2.4 1.3
τs (µs)
0.62 1.0 0.37 0.37 0.20
0.23
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使用闪烁体时还应考虑：
（1）探测效率，与闪烁体的几何形状及大小有关；与组成闪 烁体的物质的密度以及平均原子序数有关 （2）要求闪烁体透明度高，尽可能无缺陷，光均匀度好
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发射光谱与闪烁体、激活剂、移波剂、温度有关。
2、发光效率
发光效率（闪烁体将所吸收到的射线能量转化为光 的比例）
（1）.光能产额：（核辐射在闪烁体中损失单位能量闪烁发
射的光子数）
Y ph
=
n ph E
光子数 MeV
nph为产生的闪烁光子总数。
以NaI(Tl)为例：对1MeV的β粒子，发射光子平均能量 hν = 3eV
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四．常用闪烁体
2、BGO晶体 (Bi4Ge3O12 ，锗酸铋) 优点：
密度大，ρ =7.13g/cm3； Z高， 铋(Z=83)；
机械性能好；
化学稳定性好；
光学透明性好。
缺点：
发光效率低，为NaI(Tl)的8~14%。
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五．闪烁光的收集
反射层、耦合剂、光导。 1. 光学反射层：
镜面反射、漫反射。 铝箔、镀铝塑料薄 膜，氧化镁、二氧化钛、 聚四氟乙烯塑料带，等。
M
=
阳极收集到的电子数 第一打拿极收集到的电子数
=
(gδ
)n
其中：g是电子传输效率（g≤1）；
δ是各级电子倍增系数；
n是倍增电极数。
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3、光电倍增管的暗电流与本底脉冲
当光电倍增管无光照射时（完全隔绝辐射时），所产生的阳极电 流称为暗电流，通常在10-6~10-10A数量级；引起暗电流的主要原 因如下：
将 ZnS (Ag ) 粉末加1%有机玻璃粉末溶于有机溶
剂涂于有机玻璃板上，透明度差，薄层，测
α,β粒子。
原子序数高，密度大，透明性好，机械性能好； 发光效率较低
苯乙烯(单体)+ PPO + POPOP，聚合成塑料。 17
四．常用闪烁体
1、NaI(Tl)晶体
优点：
密度大，ρ =3.67g/cm3 ，探测效率高； Z高，碘(Z=53)占重量85% ，光电截面大；
荧光 光子
反射层 窗
光电倍增管 (打拿极) 分压器
前置放大器
多道或单道 高压
闪烁体
光电子 光阴极
阳极
管座
暗盒
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§9.1 闪烁探测器基本原理
光电倍增管通常N有10-14级打拿极， 每一打拿极的电子倍增系数δ - 3-6，
光电倍增管的电子倍增系数：
M = δ N = (3 ~ 6)10~14 = 104~10
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二．光电倍增管的供电回路
光电倍增管中各电极的点位由外加电阻分压器抽头供给，下图为使用正高压 的电路，阴极接地，阳极处于高电位，输出端必须使用耐高压电容C0隔开： 正高压供电方式：
下图为使用负高压的电路，阴极处于高电位，应注意对地绝缘
负高压供电方式：
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二．光电倍增管的供电回路
正高压供电方式：
第九章 闪烁探测器
核辐射与某些透明物质相互作用，会使其电离、激发 而发射荧光；闪烁探测器就是利用这一特性工作的
时间特性好，探测效率高。
闪烁体
光电倍增管
闪烁探测器的输出信号
闪烁探测器的性能
单晶γ能谱仪—NaI(Tl)晶体谱仪
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§9.1 闪烁探测器基本原理
闪烁探测器是利用辐射在某些物质中产生的电离、激 发而产生的荧光来探测电离辐射的探测器。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。
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3、闪烁发光时间
闪烁发光时间包括闪烁脉冲的上升时间和衰减时间
上升时间主要由闪烁电子激发时间(很短，可以不计） 以及带电粒子在闪烁体重耗尽能量所需的时间（小 于10-9s）决定。
闪烁体受激后，电子退激过程及闪烁体发光过程一般服从指 数衰减规律
对于大多数无机晶体，t时刻单位时间发射光子数：
n(t) = n(0)e− tτ
（3）易于加工成各种大小和几何形状
（4）当温度发生变化时，闪烁体的发光效率、分辨率、和时 间特性也会改变 使用中需注意 （5）耐辐照的稳定性
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四．常用闪烁体
NaI (Tl )
CsI (Tl )
ZnS(Ag )
BGO晶体 塑料闪烁体
发光效率高，Z,ρ高，适宜于γ射线探测。易潮
解，须仔细封装。
不潮解，价贵。
常用的光学耦合剂材料有硅油、硅脂、甘油等等。 22
3. 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。 光导的作用使有效地把光传递给光电倍增管的光阴极 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。
X或γ射线不带电，它与闪烁体的相互作用是通过 三种次级效应实现的，它产生的次级电子的能谱是 相当复杂的，因而由次级电子产生的输出脉冲幅度 谱也是相当复杂的。
以NaI(Tl)闪烁晶体的单晶γ闪烁谱仪为例。
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一． γ闪烁谱仪的组成与工作原理
前置放大器
闪烁探测器
主放大器
高压电源
多道分析器
探测次级电子能谱。 光电效应，Compton效应，电子对效应。
闪烁体及塑料闪烁体.
3) 气体闪烁体：Ar、Xe等。
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二．闪烁体的物理特性
1、发射光谱 2、发光效率(能量转换效率、光能产额，及相对值) 3、发光时间 4、闪烁体其他特性
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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 个连续带。闪烁体发射光子数随光子波长(能量)的关系曲线， 称为闪烁体的发射光谱曲线。
K-D1电压：较高，提高信号噪声比和能量分辨率； 中间各打拿极：一般均匀分压； 最后几个打拿极间：电流较大，采用非均匀分压使得其间有较高电压，以
避免空间电荷效应；为避免极间电压因电流过大下降， 在分压电阻上并联旁路电容稳压； 最后打拿极与阳极间：阳极仅仅收集电子而不倍增，故其间电压较小。29
三．光电倍增管的主要性能
（1）热发射 （2）欧姆漏电 （3）残余气体电离 （4）场致发射 （5）切伦科夫光子 （6）玻璃管壳放电和玻璃荧光 （7）光阴极曝光
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4、光电倍增管的时间特性
光电倍增管阴极接收到光信号时，并不能立即就在阳极输出 电流脉冲，因为光电子从光阴极经过多级打拿极倍增到阳 极，其间飞行一段路程需要一定时间，这个时间称为光电倍 增管的渡越时间。
能量转换效率与光能产额的关系： Cnp = Yph ⋅ hν
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2、发光效率
（3）.相对发光效率：
由于光能产额以及绝对闪烁效率的测量技术复杂，所以通常 用相对值来度量不同闪烁体的发光效率。
使用一种核辐射在不同闪烁体中损失相同的能量，测量他们 的相对脉冲输出幅度或电流进行比较。一般以蒽作为标准，
如对β射线的相对发光效率取为1，则Na(Tl)为2.3
相对发光效率高，为蒽的两倍多；
发射光谱最强波长415nm，与PMT光谱响应配合；
晶体透明性能好；
能量分辨率较高，~7.5%@662keV-γ。
缺点：容易潮解，吸收空气中水分而变质失效。
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NaI(Tl)晶体封装结构
1-硬质玻璃； 2-NaI(Tl)晶体； 3-光学耦合剂； 4-氧化镁粉末 （光反射层） ； 5-金属铝壳； 6-海绵垫衬； 7-密封环氧树脂。
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
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一．闪烁体的分类
1) 无机闪烁体：
无机晶体(掺杂) NaI(Tl), CsI(Tl), ZnS(Ag)
玻璃体 纯晶体
LiO2 ⋅ 2SiO2 (Ce) (锂玻璃)
Bi4Ge3O12 BGO
2) 有机闪烁体：有机晶体——蒽晶体等；有机液体
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五．闪烁光的收集
2. 光学耦合剂：
当光子由光密物质(n0)射向光疏物质(n1)时，发生全反
射；为减少光线在交接面上发生全反射，以利于将光子大部 分收集到光阴极上去，需要在闪烁体与光电倍增管之间加上 一层“耦合剂”。 光学耦合剂是有效的把光传给光电倍增管的光阴极，减少光 在闪烁体与光阴极窗界面的全反射。
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二．单能γ射线的次级电子能谱
1、单能射线的输出脉冲幅度谱
单能γ射线在闪烁体内产生的次级电子在NaI(Tl)晶体 中产生闪烁发光。 γ射线与物质的相互作用：
光电效应： 光子消失，产生光电子（能量为 Ee = hv − εi） 康普顿散射： 散射光子，反冲电子（能量连续） 电子对效应： 光子消失，产生正负电子对（能量为 0 ~ (hv − 2m0c2）)
光阴极光谱响应需要与闪烁体发射光谱匹配。
光阴极的光照灵敏度—一定光通量F的白光照射阴极所能获得的光电子流ik 称
为光阴极光照灵敏度
Sk
=
ik F
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其中：i 是光电子流(µA)，F是光通量(lm)。
2、电子倍增特性—光电倍增管的放大倍数
光电倍增管的放大倍数（增益）M—从光阴极射出，到达第一打
拿极的一个电子，经过多次倍增后在阳极得到的电子数，叫做光电倍增 管电流放大倍数（增益）
闪烁体和光电倍增管之间充以折射系数和玻璃差不多的硅 油，使光子损失大大减少。
坡莫合金(避光外壳)：
防止外界磁场影响对电子的聚焦、传输性能。
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§9.1 闪烁探测器基本原理
闪烁探测器的工作过程：
(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 能量而使闪烁体原子、分子电离或激发；
(2)受激原子退激而发出荧光光子；
飞行时间(渡越时间)te : 一个光电子从光阴极到达阳极的平均时间。
渡越时间离散 ∆te ：te的分布函数的半宽度
到达阳极的每个电子都经历了不同的倍增过程和飞行距离，反映了 飞行时间的涨落，是决定闪烁计数器分辨时间的限制因素。 34
一§9．.4 γ闪单烁晶谱γ闪仪烁的组谱成仪与工作原理
闪烁体、PMT以及配套的电子学仪器组成。
(3)利用反射物和光导将闪烁光子尽可能多地收集到光电倍增管
(PMT)的光阴极，通过光电效应打出光电子；
(4)光电子在光电倍增管中倍增，数量由一个增加到104-109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
闪烁探测器可用来测量入射粒子的能量。
4
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§9.2 闪烁体
理想的闪烁体： 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。
用硅油填充闪烁体-光导、光导-PMT的交界面。
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§9.3 光电倍增管
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 三．光电倍增管的主要性能
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一．光电倍增管(PMT)的结构与工作原理 光学窗，光阴极，电子光学输入系统， 电子倍增系统(打拿极)，电子收集(阳极)。
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一．光电倍增管(PMT)的结构与工作原理
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二．单能γ射线的次级电子能谱
1、单能射线的输出脉冲幅度谱
（1）光电效应： 光子消失，产生光电子（能量为 Ee = hv − εi ）光电效应主要发 生在K壳层，外层电子填充空穴时，跃迁过程中放出的X光子 在闪烁晶体中很容易再产生一次新的光电效应，又将能量转 移给光电子，闪烁体得到的能量为两次光电效应产生的光电
光学窗：硼玻璃窗（可见光）、石英玻璃窗（紫外光）。 光阴极：接收光子并放出电子的电极；通常为化合物材料。 电子光学系统：聚焦极、加速极。 加速电位。
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一．光电倍增管(PMT)的结构与工作原理
打拿极：二次发射系数大；热电子与光电子发射小； 大电流工作时性能稳定；形状；快速响应。
阳 极：镍、钼、铌，电子电离能大，二次电子发射小。
Yph = 4.3×104 光子数 MeV
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2、发光效率
（2）.绝对闪烁效率（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消耗在闪烁体中
的能量之比）
C np
=
E ph E

× 100%
Eph：闪烁体发射光子的总能量；E：核辐射损耗在
闪烁体中的能量
以NaI(Tl)为例：
对β粒子 C np = 13 %；对α粒子 C np ≈ 2.6%
1、光电转换特性 2、电子倍增特性
3、噪声或暗电流 4、时间特性
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1、光电转换特性—光阴极的光谱响应和灵敏度
光阴极受到光照射后发射光电子的几率是波长的函数，叫做光阴极的光 谱响应。
量子效率—光阴极上发射电子数和入射光子数的比值称为量子转换效 率，简称量子效率：
发射电子数
Qk (λ) = 入射光子数