4-4闪烁探测器

2 2 t ( E W ) / E W
对于中心位置，若两端时间分 辨相同，则加权平均误差为
t / 2
中心位置是探测器分辨差的区域 无论能否区分，多次击中（末态多粒子、量能器反冲粒子、电子等） 将严重影响时间分辨。



电荷修正 单端时间信息或错误的加权平均
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3、触发系统



光纤结构:
主要由塑料闪烁体制成。 由纤芯部分和包层组成。 只有满足全反射的闪烁光可以 长距离单向传输。3.4% 双涂层闪烁光纤（折射率渐近 减小到1.42）可使光输出效 率提高到5.6%。

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光纤性能和种类：
有机塑料光纤的直径（方光纤的边长）一般250m~5mm，衰 减长度2-4m。 纤芯材料可发不同颜色的光，匹配不同光波段灵敏的光电器件。 不发光的光导光纤 波长移位光纤 直径1mm的闪烁蓝光纤，耦合PMT读出，在1m远位置的最小 电离能损可以得到5个光电子数；用双涂层光纤可得到~8p.e.
• 望远镜系统（提供计数、触发、定位和时间零点等）
• 大面积触发计数器 采用两端耦合PMT，给出粒子击中的平均时间（与位置无关） 作为触发或时间零点 • 利用上下两层塑料闪烁体的时间差可排除宇宙线
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小结



闪烁计数器时间快，效率高，能探测各种类型的带电 粒子，也能探测中性粒子（如中子和射线）。既能测 量粒子的数目，又可以测量粒子的能量，是应用极其 广泛的探测器之一。 塑料闪烁体发光衰减时间只有1－几个ns，允许应用 于高计数率。结构简单，可以加工成不同形状，面积 可以做得很大，可以在强本底下工作，价格便宜，有 较好的机械强度，因此在高能物理实验中被大量使用， 用作触发计数器、飞行时间谱仪、计数器望远镜等， 进行粒子触发、位置测量、飞行时间测量等。 闪烁探测器在核物理实验、粒子天文学、核医学、地 质探测和工业成像等领域应用十分广泛。
发光衰减时间的测量
1. 用快PMT加示波器做相对参考测量

脉冲达到最大值的时刻为
f RC t m RC RC / f ) f ln(



用已知f的闪烁体推算出测量系统的RC，然后再测 量样品的f。 测量中RC应尽量大。 简单但误差大，尤其是参考样品与待测样品的衰减 时间相差较大时；无法确定多组分光的衰减时间
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不同质量的粒子在闪烁体中具有不同的荧光发射，激发 的光具有不同的发光衰减时间。利用此效应可以进行电 子或γ射线与重粒子（n、等）之间的区分 可用快慢两个成分来描述闪烁体的发光
N (t )
N f ()
f
e
t / f
N s(s ) e t / s
对无机闪烁体， 越重的粒子（电离能力强） 具有较短的发光衰减时间， s变化不大、 f 越快。 对有机闪烁体，则正好相反， f变化不大、 s 越快。
• 样品的统计性，与原料、工艺 相关。 • 剂量率要尽量与实际使用情况 相当。大剂量率损伤大因不易 恢复 • 辐照后需避光放置几天再测以 减少自发荧光。
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• 标准的选取与总剂量有关
闪烁体
NaI(T CsI(T l) l)
CsI
BaF2
BGO
GeF
PbWO 4
塑料闪 烁体
累积辐 照剂量 rad
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2、飞行时间探测器

动量为p，质量分别为m1和m2的二 个粒子飞行距离为L的时间差为：
2 2 L L L m12c 2 m2 c t 1 2 1 2 1c 2c c p p
当p>> mc 时,

t
2 2 L ( m1 m2 ) c 2 p2

t _ beam 2c
beam
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每个探测单元采用两端读出
E W E W E W traw traw 2tbeam 2t f (tSc t ) ( t t int Sc int PM PM )
tf与击中闪烁体的位置Z无关，当然traw的修正与Z有关。 两端读出，意味着一次击中， 进行了两次独立的时间测量。将两 端测量的时间以加权平均方式处理， 可以减少时间误差。
四、探测效率
无机闪烁体
• 对带电粒子效率非常高，故一般指 对的探测效率 • 探测效率：原子序数Z大 • 全能峰探测效率：原子序数Z大，能 量分辨好（发光强） • 晶体量能器需测0，效率是指能探 测到多低能量的射线。 发光强度和电子学噪声是关键 有机闪烁体 • 由于材质轻，对射线探测效率低， 主要探测带电粒子。 • 对大面积闪烁体，由于传输衰减， 远端效率较低。 降低甄别阈或提高PMT高压，但同 时增加噪声
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五、晶体的光输出和均匀性测量


晶体的光输出和 均匀性影响能量 分辨率 用单能源测量
1 S ave 9
N 9 i
Siห้องสมุดไป่ตู้
S max S min U S ave
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六、闪烁体的辐照效应

闪烁体在强辐照环境中随着辐 照剂量的增加光输出会减弱。
闪烁体在辐照下，光透过率和 吸收谱发生变化，导致光输出 降低。（颜色发生变化） 一般用比较辐照前后光输出的 变化来标定
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2. 单光子测量法





采用级联射线源 调节装置，使得一个射线激 发只接受一个光子。这个单光 电子信号的时间分布反映了发 光衰减时间。 保证单光子是关键。设置上甄 别阈，卡掉多光子信号。 调节小窗口，使得小窗口时的 计数率为大窗口的5%，此时 单光子的概率为97%。 精度取决于单光子信号端的 PMT的单光子渡越时间涨落 （~150ps）和时间零点的 精度（~60ps）。 可测多组荧光成份

优质因子
D FOM W1 W2
ΔD为甄别谱上两峰之间距离，W1、 W2分别为两峰的半高宽。FOM越 大，说明甄别效果越好。
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二、有机闪烁体的应用
1、闪烁光纤

近20年来得到两个方面的促进：
• 铅-闪烁光纤电磁量能器的研究。制作简单，造价便宜，性能中等。 • 新型高灵敏度、低噪声的光电器件的突破使得闪烁光纤可以应用于 带电粒子的能量和径迹测量。
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电荷比较法
对不同的粒子，有不同的电荷比值：Qf/Q，Qs/Q
全部电荷 Qt
A
i t1
t2
i
部分电荷
Q p Ai
i t3
t4
t1为电流脉冲起始时间，t2一般在4s以上，它与能量 大小，脉冲幅度大小有关。 t3 和 t4介于t1，t2之间。 • 设置不同的积分时间 • QADC: 相同积分时间，一路延迟，另一路不延迟 • FADC读出
测量 符合测量可得效率坪曲线， 以输出幅度最小的区域来确定 PMT的工作高压，一般取坪下边 沿+100V
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五、时间测量

发光衰减时间快的闪烁体，可以用于定时测量
• 有快成份的无机闪烁体如：BaF2，CsF2等（110ns），可测带电粒子和的时间信息。 • 有机闪烁体，~ns，可做成大面积，探测带电粒子的时 间信息。 • 时间分辨包括电子学系统
Flash ADC可在一个通道中进行高频率（可达1G）多次测量 和A/D转换，将每一个电流脉冲随时间的变化经数字化后计录下 来，即可进行波形信息获取。为脉冲形状辨别粒子开辟了崭新的 空间。
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例如：
R
i 20 50 i 1
A
50
i
A
i
右图为不同能量γ（电子）和α粒 子Qt ,Qp的分布，及不同能量下的 R。可以看出， 大200KeV时可 以将γ和α明显地区分开来。
时间分辨的测量


小块闪烁体可采用级联射线源 测量 与粒子的入射能量即光强有关
• 大面积闪烁探测器需考虑位置的影响，
可采用宇宙线。 对塑料闪烁体，传播速度 60ps/cm
• S1尺寸不能大，2cm ~100ps • TDC的门信号直接用S1的信号 4
1 2 tot / 2

闪烁光纤的应用
铅-闪烁光纤电磁量能器（KLOE） 由铅层和闪烁光纤层组成。 能量分辨可达 6% / E(GeV ) 有很好的时间分辨 120ps。 带电粒子径迹测量 U、V、R分别为左斜、右斜和直排 双R层可以得到~70m的位置分辨 4个大单元可将半径压缩到50cm， 从而压缩整个谱仪的尺寸。
103
104
104
104
105
106
105
光输出下降约20%
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§4-5 闪烁探测器的应用
一、无机闪烁体的应用
1、量能器
• 晶体建造的全吸收型电磁量能器是十分典型的应用 测量光子和电子 2% / E(GeV) 能量分辨可达 • 有机闪烁体作为取样量能器的灵敏层
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2、粒子鉴别 脉冲形状甄别
PSD（Pulse Shape Discrimination）
低动量、飞行距离长、质量相差大的 粒子易分辨
利用概率方式判定粒子种类，取决于粒 子的飞行时间差和探测器的时间分辨率 的大小。

Wi
1 2
e

( ti t )2 2 2
若L=120cm， =200ps， K/分辨出2 水平（95%）可达 800MeV的动量，K/P为1.3GeV。
t A
PM Sc int
N p.e
大面积闪烁体或有光导过渡的探测器，传 输导致光的弥散和衰减，时间分辨变差
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脉冲前沿过甄别阈的时间受到电子学的 两个因素的影响。
脉冲前沿在阈值区涨落的影响 幅度大小对过阈时间的影响 • 极端情况为脉冲的上升沿 （快PMT~2ns） • 可用电子学（恒比定时甄别器）或 软件方法（同时测幅度，时幅修正）。 • 叠加在前沿的电子学小扰动 多阈值测量，脉冲光滑分析 • 组成脉冲前沿的光电子数目涨落 小块闪烁体，直接到达光阴极的快 光子多，传输时差也小，反映了该闪 3 烁体的本征时间分辨。