核电子学1(2007)

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U 0 rc (r ) ln r ra
rc

A Ne / C
应用范围： 石油测井、地质勘探、 核医学、环境监测、 高能物理等领域。

常用核探测器——闪烁计数器


3.闪烁体
BGO晶体： BGO是Bi2O3-GeO2系化合物的总称 锗酸铋的缩写，目前又往往特指其中的一 种化合物Bi4Ge3O12。这种BGO是一种 闪烁晶体，无色透明。当一定能量的电子、 γ射线或重带电粒子进入BGO时，它能发 出蓝绿色的荧光，记录荧光的强度和位置， 就能计算出入射电子、γ射线等的能量和 位置。这就是BGO的“眼睛”作用，即可 用作高能粒子的“探测器”。
常用核探测器
常用核探测器

放射性同位素发出的射线与物质相互作用， 会直接或间接地产生电离和激发等效应，利 用这些效应，可以探测放射性的存在、放射 性同位素的性质和强度。用来记录各种射线 的数目，测量射线强度，分析射线能量的仪 器统称为探测器（probe）。
常用核探测器——闪烁计数器
闪烁计数器

常用核探测器——闪烁计数器

光衰减长度
• 光子在闪烁体中传播按指数规律衰减，除了对 吸收光谱中光子的吸收外，闪烁体的衰减常数 是闪烁体的一个重要参数。
• 在实际的闪烁体中，闪烁体的边界反射会助长 这种衰减。
常用核探测器——闪烁计数器

探测效率
• 闪烁探测器对带电粒子的探测效率很高，此处 多指对Gamma光子的探测效率。
常用核探测器——闪烁计数器

时间特性：
• 脉冲上升时间：电脉冲信号从辐度的10％上升 到90％的时间，约1～30ns。 • 渡越时间：从光进入光电倍增管到电信号输出 的时间，约6～50ns。
• 渡越时间涨落：渡越时间的分布的半宽度， 0.1ns～1ns。
常用核探测器——闪烁计数器

高压极性：
• 多数高压倍增管，将阳极接地而阴极工作在负高压， 负高压容易和处在地电位的磁屏蔽之间发生放电而引 起噪音。可在两者之间增设一层和阴极同电位的电极 层，将放电排除在真空管以外 • 可以使阴极处于地电位，而阳极处在正高压。但是在 阳极到前端电子学电路之间串接耐高压电容隔直。使 最初的打拿极不会发生放电。
常用核探测器——闪烁计数器
外部电路

光电倍增管的输出电流流入阻容电路。电 阻为PMT的负载电阻和放大电路的的输入 阻抗的并联，电容为PMT的分布电容和输 入电容的并联。
常用核探测器——闪烁计数器

电信号的形状决定于PMT输出电荷的衰减常数t1 （即，输入光信号的衰减）和放大电路阻容时间 常数t2。

电流放大：
• 相同光强照射下阴极电流和阳极电流之比，这个比值 在光电倍增管工作时保持稳定。
常用核探测器——闪烁计数器

量子效应：
• 产生的光电子数和入射的光子数之比，和辐照 灵敏度直接相关。

光谱效应：
• 辐照灵敏度随光频率的变化而产生的变化，因 此光电倍增管具有仅对某些波段的光灵敏特性
常用核探测器——闪烁计数器
应用范围： 石油测井、地质勘探、 核医学、环境 监测、高能物理等领域。

常用核探测器——闪烁计数器

3.闪烁体—物理性能
常用核探测器——闪烁计数器

3.闪烁体—光谱特性
常用核探测器——闪烁计数器

3.闪烁体
常用核探测器——闪烁计数器
闪烁计数器


4.光电倍增管
今天我们使用的光电器件中，光电倍增管（PMT）是一种具有极高 灵敏度和超快时间响应的光探测器件。典型的光电倍增管如图1所示， 在真空管中，包括光电发射阴极（光阴极）和聚焦电极、电子倍增极 和电子收集极（阳极）的器件。 当光照射光阴极，光阴极向真空中激发出光电子。这些光电子按聚焦 极电场进入倍增系统，通过进一步的二次发射得到倍增放大。放大后 的电子被阳极收集作为信号输出。 因为采用了二次发射倍增系统，光电倍增管在可以探测到紫外、可见 和近红外区的辐射能量的光电探测器件中具有极高的灵敏度和极低的 噪声。光电倍增管还有快速响应、低本底、大面积阴极等特点。
常用核探测器——闪烁计数器

能量分辨率：
• 能量分辨率是指对单能光子的能量测量峰的半宽度， 它是闪烁体计数器的主要性能。
• 闪烁晶体电磁量能器的能量分辨率与粒子能量近似成1 ／E1／4的关系。 • 在低能粒子探测中，NaI（Tl）、CsI（Tl）的应用占 主导地位，能量分辨率小于4％，而且价格较便宜。
• 当t2很大时，电荷释放很慢，PMT电荷逐渐积累， PMT的输出电压信号从零逐渐增长至最大值。
• 当t1很大时，电荷得不到积累就被释放掉，因此PMT 的电压信号幅值很小，而且时间宽度窄。

因此PMT的放大电路需要接合实际的需要和闪烁 体的特征参数来设计。
常用核探测器——闪烁计数器


5.闪烁计数器性能
常用核探测器——闪烁计数器
PET用探测器模块
气体探测器
气体探测器

电离室


正比计数器
多丝正比室

G-M计数管
气体探测器
气体探测器
气体探测器
气体探测器

核辐射引起的气体电离 初级电离：入射粒子与气体分子或原子直接 碰撞而导致的气体电离； 次级电离：直接电离所产生的电子或紫外光 及X射线而导致的气体电离。 复合过程：正离子和电子或负离子复合成中 性粒子的过程。
《常用核电子技术 》
Nuclear Electronics
物理工程学院—赵书俊
第一部分：探测器、信号、噪声和分析方法 常用核探测器 核探测器的信号 信号和噪声分析方法 核电子学噪声 核探测器的高压电源
常用核探测器
常用核探测器



一般将探测器分为两大类，一是“径迹型”探测 器，如照像乳胶、云室、气泡室、火花室、电介 质粒子探测器和光色探测器等，它们主要用于高 能粒子物理研究领域。二是“信号型”探测器， 包括电离计数器，正比计数器，盖革计数管，闪 烁计数器，半导体计数器和契伦科夫计数器等。 闪烁计数器 气体探测器，丝室 半导体探测器

因此需要根据实际需要选择反射方法和组合反方法。
常用核探测器——闪烁计数器

接受均匀性
• 粒子穿过闪烁体的不同位置会造成光传播到光 探测器的衰减不同，波形有变化，因此对作为 量能器的闪烁体探测器，需要进行特殊的设计 使光接收度趋向均匀。 • 闪烁体和探测器的耦合可以使用光导，光导的 使用会进一步弱化所收集的光子。
常用核探测器——闪烁计数器


3.闪烁体
NaI(Tl)主要性能： 密度：3.67 g/cm3 熔点：651℃ 莫氏硬度：2.1 热膨胀系数：47.4 x 10-6 K-1 解理面：(100) 最大发射波长处折射率：1.85 最大发射波长：415 nm 衰减常数：250 ns 光产额：38 x 103 Photons / MeV γ

阴极暗电流：在没有光入射的情况下，仍有电流输 出。
• 热电子发射，因此应让光电倍增管工作在较低的温度下 • 残余气体电离：电子电离管内的残余气体，电离出的正离 子会打击在打拿极上产生了新的电子，电子随后被打拿极 放大产生信号，这种噪音出现在正常信号的尾端。 • 玻璃闪烁：环境射线或玻璃内射线，引起的非正常的电信 号输出。 • 漏电流：光电倍增管内结构材料绝缘或表面的电流 • 场发射：工作电压过高时，产生的尖端放电电子引起。
光收集 • 闪烁体产生的闪烁光在闪烁体内按光学规律传播，可以 直接进入光探测器或经过闪烁体边界反射后进入。 • 光反射后的会出现衰减和时间上的滞后：

只接受可发生全反射的光，相当大比例的光子被浪费， 但是缓解光子到达的滞后效应。 镜面反射，每次反射都会损失光子，不适合多次散射。 漫反射的反射次数多，滞后效应明显。
发，被激发的原子、分子退激时发出微弱荧光，荧光被
收集到光电倍增管，倍增的电子流形成电压脉冲，由电 子仪器放大分析和记录 。
常用核探测器——闪烁计数器
闪烁计数器
常用核探测器——闪烁计数器
常用核探测器——闪烁计数器
常用核探测器——闪烁计数器
闪烁计数器


2.探测器特点
闪烁计数器的优点是效率高，有很好的时间分辨率和空间
可用的闪烁体种类很多 ，用得较多的有NaI （加微量Tl)、CSI(加微量Tl)、ZnS(加微 量Ag )等无机盐晶体和蒽、茋、对联三苯等 有机晶体，也有用液体、塑料或气体的闪烁 体。
常用核探测器——闪烁计数器


3.闪烁体
NaI(Tl)单晶是一种性能优良的闪烁晶体。它是以 NaI为基质材料掺以适当浓度的TlI生长而成，其最大 发射波长在415nm，可与光电倍增管的光阴极很好地 匹配，有很高的发光效率，并且在发光波段没有明显的 自吸收，对Χ射线和γ射线均有良好的分辨能力，有着 悠久而广泛的应用。 热锻NaI(Tl)晶体是以NaI(Tl)单晶为毛坯，在一 定的温度和压力下通过塑性形变而成。热锻后晶体的机 械强度和抗冲击震动能力得到提高，而闪烁性能不变。 此外，通过热锻工艺更易于制备各种复杂几何形状和大 尺寸的晶体。


常用核探测器——闪烁计数器
光电倍增管
常用核探测器——闪烁计数器
光电倍增管
常用核探测器——闪烁计数器

4.光电倍增管—光电倍增管的光谱响应
常用核探测器——闪烁计数器
4.光电倍增管
光电倍增管的参数

辐照灵敏度：
• 标准频率和功率的光照射，电信号的输出强度和入射 光强度之比。辐照灵敏度定义为安培／流明
• 在高能区，粒子的能量不能完全沉积，量能器往往做 成闪烁塑料和重金属材料片组成的多层结构取样量能 器。闪烁计数器测量粒子的dE/dX。能量分辨率大于 10％／E1／2。
常用核探测器——闪烁计数器

闪烁体的能量线性：
• 指闪烁体的光输出和入射粒子能量沉积的关系， 多数闪烁探测器的这种关系是线性的。 • 当粒子的能量沉积过高，闪烁体发光出饱和时 会破坏这种线性。


1.探测原理 2.特点 3.闪烁体 4.光电倍增管 5.闪烁计数器性能
常用核探测器——闪烁计数器
闪烁计数器


1.探测原理
利用射线引起闪烁体的发光而进行记录的辐射探测器 。 1947年由J.W. 科尔特曼和 H.P.卡尔曼所发明 。它由 闪烁体、光电倍增管(见光电管)和电子仪器等单元组成。 射线同闪烁体相互作用，使其中的原子、分子电离或激
分辨率，时间分辨率达10-9秒 ，空间分辨率达毫米量级。
它不仅能探测各种带电粒子，还能探测各种不带电的核辐 射；不仅能探测核辐射是否存在，还能鉴别它们的性质和 种类；不但能计数，还能根据脉冲幅度确定辐射粒子的能 量。在核物理和粒子物理实验中应用十分广泛。
常用核探测器——闪烁计数器
闪烁计数器


3.闪烁体
-U0 d z 阳极 ++++++++ - - - - - - - 阴极

0
气体探测器
气体探测器

脉冲波形
0 t

Nez U (t ) Cd
-Nez/Cd -Ne/C -U
Ne Ee U (t ) C Cw

气体探测器
气体探测器

正比计数器：脉冲幅度正比于入射粒子能量。 电场强度： 脉冲电压：
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磁场效应：
• 磁场的存在会影响电子的移动轨迹，而使部分 电子不能被下一级的打拿极接收到，从而降低 了放大倍数。 • 光电倍增管多放置在磁场屏蔽套中，减小磁场 的影响。
常用核探测器——闪烁计数器

线性和饱和：
• 入射光超过一定数值时，光阴极的光电转换达 到饱和。 • 高压过高，放大倍数大造成后几级打拿极之间 的漂移电荷影响了电场分布从而造成电子增益 缩小。
常用核探测器——闪烁计数器

时间测量和分辨率。
• 类似于能量分辨率的定义，分辨率定义为时间 测量分布的半高宽度。 • 影响时间分辨率有脉冲幅度、脉冲前沿在阈值 区涨落。
常用核探测器——闪烁计数器

闪烁体的辐射效应
• 闪烁体经过高能粒子的长时间照射后，光输出 会逐渐减少，闪烁体出现颜色。因此需要对于 特定实验的闪烁体的抗辐射能力进行测量。


气体探测器
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气体探测器

气体探测器的特点： 探测器的灵敏体积大小和形状几乎不受 限制；

没有辐射损伤或极易恢复；
经济可靠。
气体探测器
气体探测器

气体探测器的工 作电压
气体探测器
气体探测器

电离室
气体探测器
气体探测器

电离室 脉冲电离室：记录单个 辐射粒子，主要用于测 量重带电粒子的能量和 强度。 电流电离室：记录大量 粒子平均效应，主要用 于测量X, g, b 和中子的 强度或通量。