第4章 闪烁探测器

的卷积
即：
t
I t
pt dt n t t e
0
代入： ne t
I (t ) n ph T
n ph


T e
t


e
0
t
t t
闪烁探测器输出 pt dt 电流脉冲一般表 达式的卷积形式
两边微分并整理
转化为光的比例。
C np E ph E 100%
Eph闪烁体发射光子的总能量；
E入射粒子损耗在闪烁体中的能量。
以NaI(Tl)为例：
对β粒子
Cnp 13%；对α粒子 Cnp 2.6%
光能产额：Y ph
n ph
E nph为产生的闪烁光子总数。
光子数 MeV
发光效率与光能产额的关系： n ph E ph 1 C np Y ph E hv E hv
2、当 R0C0 时
t Q R0C0 t R0C 0 V t e e C0


对 t
0 0
t Q R0C0 R0C 0 V t 1 e C0
对 t 5 R C ,但仍满足 t V t Q R0C0 h h
非聚焦型
电子倍增系数较 大，多用于能谱 测量系统。 百叶窗结构 盒栅型结构
2、PMT主要性能 1) 光阴极的光谱响应
光阴极受到光照后，发射光电子的概率是 入射光波长的函数，称作“光谱响应”。
2) 光照灵敏度
阴极灵敏度
光阴极的光电子流
Sk
ik
F
A / Lm
光通量
阳极电流 阳极灵敏度
SA
2) 光学耦合 为防止光由光密介质到光疏 介质发生的全反射，用折射 系数 n 1.4 ~ 1.8 的硅脂(或 硅油)。 3) 光导
常用于闪烁体与光电倍增管的尺寸 不符或其它特殊需要。
4、闪烁体的选择
①闪烁体的种类和尺寸应适应于射线的种类、 强度及能量； ②闪烁体的发射光谱应尽可能的和光电倍增管 的光谱响应配合； ③闪烁体具有较大的阻止本领； ④发光效率高、透明度好； ⑤在时间分辨计数或短寿命放射性活度测量中， 应选用发光衰减时间短及能量转换效率高的 闪烁体； ⑥作为能谱测量时，要考虑发光效率对能量响 应的线性范围。

t te
n ph T M e

e
( t te ) /
t
te
IV.闪烁探测器的电压脉冲信号
由等效电路 可得：
V (t ) dV (t ) I t C0 R0 dt
V t
e
t / R0C 0 t
C0
I t e
0
t / R0C 0
dt
R0C0 4
取 = 250ns，C0=1pF
R0C0 / 2.5 R0C0 / 25
分别取R0为：10K，100K， 1M，10M，100M
结论： C 不变， 电压脉冲幅度和宽度均随 增大而增大。
0
R0
电压脉冲随 C0 的变化规律。 R0 不变，
R0C0 / 2.5

dI t dt
闪烁探测器输出电流脉冲 I t n ph T pt 一般表达式的微分形式
上式和卷积形式一样给出了输出电流脉冲与发光衰减 时间 及单光电子电流响应 pt 的关系。
在很多情况下，与 相比， pt 是一个非常窄的 时间函数，这时可以忽略电子飞行时间的涨落， 用函数来近似 pt
iA
F
A Lm
阳极接受到的电子数 PMT增益 M 第一打拿极收集到的电 子数
SA iA n 6 8 M g 10 10 gc SK gc iK
打拿极间电子传输效率
3) PMT 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 绝时，其阳极仍能输出电流(暗电流)及脉冲信 号(噪声)。
4、阳极收集到的总电荷量为：
Q nA e E Yph T M e
可以看出，闪烁探测器输出脉冲信号的电 荷量Q是与入射粒子在闪烁体内损耗的能 量E成正比的.
即：
QE
III. 闪烁探测器的电流脉冲信号 1、单位时间内第一打拿极收集到的光电子数
单位时间内闪烁体发出的光子数为：
nt
为：
n ph

e
t

单位时间内第一打拿极收集到的光电子数
ne t
n ph

T e
t

2、单个光电子引起的电流脉冲信号
t e1
te 2
te 3
t eM
p( t )
面积 M e
t e
3、一次闪烁所引起的阳极电流脉冲
一次闪烁输出电流脉冲为
ne t 与 pt
nt n0 e
需时间。
t

τ为发光衰减时间，即发光强度降为1/e所
3、常用闪烁体
锗酸铋（BGOห้องสมุดไป่ตู้：目前探测效率最高的一
种闪烁体，透明性极好，发光衰减时间0.3微 秒，易加工，不潮解。发光效率差，对低能γ 能量分辨率差；主要用于探测低能X射线和高 能γ射线。
4、光的收集
1) 反射层 在非光子出射面打毛，致使光子 漫反射，并再衬以或涂敷氧化镁 或氧化钛白色粉末。
成因： (1)光阴极的热电子发射。 (2)残余气体的电离----离子反馈；
残余气体的激发----光子反馈。
(3)工艺----尖端放电及漏电
4) PMT 的时间特性
飞行时间(渡越时间) t e
一个光电子从光阴极到达阳极的 平均时间。
渡越时间离散 t e ：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。
闪烁探测器是利用辐射在某些物质中产生 的闪光来探测电离辐射的探测器。
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 管座 暗盒 阳极 光阴极
闪烁探测器的工作过程：
1. 发光过程（闪烁体退激发射荧光）
2.光电转换过程（光电效应）
3.电子倍增过程（打拿极倍增）
4.3 闪烁探测器
知识点：
闪烁探测器的组成 闪烁体 光电转换器件 闪烁探测器的应用
学习目标：
1. 掌握闪烁探测器的组成 2. 了解闪烁体的物理特性，了解几种主要的闪烁体 3. 掌握闪烁体的选择原则 4. 了解光电倍增管等光电转换器件的工作原理及主 要指标 5. 掌握Na(Tl)单晶γ谱仪的应用
1. 闪烁探测器输出信号的过程
2. 闪烁探测器信号的输出回路
Ik
Ia
3. 输 出 回 路 的等效电路
Ia
输出回路的等效电路
R 0 R L // R 入
C0 C C入 分布电容
'
II. 输出脉冲信号的电荷量
1、光电倍增管输出信号的总电荷量取决于： 闪烁体发出的闪烁光子数：
nph Yph E
9.2 光电倍增管
1、PMT的结构——光电倍增管为电真空器件。
1) PMT的主要部件和工作原理
半透明光阴极 入射光
光电子轨迹 真空壳
聚焦电极
打拿极
阳极
2) PMT的类型
(1) 外观的不同
(2) 根据光阴极形式
(3) 根据电子倍增系统
聚焦型 具有较快的响应 时间，用于时间 测量或需要响应 时间快的场合。 直线结构 环状结构
C0

经过较长时间，即 t
Q R0C0 t V t e C0
电流脉冲
电压脉冲型工作状 态输出电压脉冲形 状为电流脉冲在输 出回路上的积分 电流脉冲型工作状 态输出电压脉冲形 状趋于电流脉冲的 形状。
C0
电压脉冲随 R0 的变化规律。 不变，
R0C0 400 R0C0 40
4.脉冲信号成形过程（电子流—>电脉冲）
闪烁探测器可用来测量入射粒子的能量。
9.1 闪烁体
1、闪烁体的分类 1) 无机闪烁体：
• 无机晶体(掺杂) NaITl , CsI Tl , ZnS Ag • 玻璃体 LiO2 2SiO2 Ce (锂玻璃) 纯晶体 Bi4Ge3O12 BGO
取=250ns，R0=100K，
分别取C0为：1pF， 2.5pF，5pF，10pF
R0C0 R0C0 2
R0C0 4
结论： 电压脉冲幅度随 C0 增大而减小。 R 不变，
0
电压脉冲宽度随 C0 增大而增大。
9.4 单晶闪烁谱仪
1、γ闪烁谱仪的组成与工作原理
闪烁体、PMT以及配套的电子学仪器组成。
2) 有机闪烁体：有机晶体——蒽晶体等； 有机液体闪烁体及塑料闪烁体.
3) 气体闪烁体：Ar、Xe等。
2、闪烁体的物理特性 1) 发射光谱
特点：发射光谱为连续谱。各种闪烁体都存在 一个最强波长；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。
2) 发光效率与光能产额
发光效率：指闪烁体将所吸收的射线能量
4) 最后几级的分压电阻上并联电容，以旁 路掉脉动电流在分压电阻上的脉动电压， 达到稳定滤波的效果。
9.3 闪烁探测器的输出信号
Ⅰ.闪烁探测器输出信号的物理过 程及输出回路 Ⅱ.输出脉冲信号的电荷量 Ⅲ.闪烁探测器的电流脉冲信号
Ⅳ.闪烁探测器的电压脉冲信号
Ⅴ.闪烁探测器输出信号的涨落
I.闪烁探测器输出信号的物理过程及输出回路
代入：I ( t ) 令：
n ph T M e
Q n ph T M e
e
t /
R0C0 Q t / R0C 0 t / V (t ) e e C0 ( R0C0 )
1、当 R0C0 时
Q t R0C0 t V t e e C0
以NaI(Tl)为例
对1MeV的β粒子，发射光子平均能量 h 3eV
Y ph
0.13 4 光子数 4.3 10 MeV 3eV
3) 发光衰减时间 受激过程大约 10 9 10 11 Sec 退激过程及闪烁体发光过程按指数规律 对于大多数无机晶体，t时刻单位时间发 射光子数：
3、PMT 使用中的几个问题 1) 光屏蔽，严禁加高压时曝光。 2) 高压极性：正高压和负高压供电方式。
正高压供电方式，脉冲输出要用耐高压的电容 隔开。 负高压供电方式，应注意对地的绝缘。
3) 分压电阻
由于当电子在两个联极间运动时，会在分压电 阻上流过脉动电流，必须保证脉动电流远小于 由高压电源流经分压电阻的稳定电流，以保证 各打拿极的电压稳定。
即：可设 则： I (t )
pt M e t te
e
0 t t t
n ph T


M e (t te )dt
求 解
I t
I t
0
n ph T M e e
( t te ) /
t te


V (t ) Q E
短时间内：即 t R0C0 在 t 5，但仍满足 t R0C0 经过较长时间，即 t R0C0
Q t V t 1 e C0
V t Q h C0
Q t R0C0 V t e C0
R0C0 Q t / R0C 0 t / V (t ) e e C0 ( R0C0 )
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。
F ph 光子被收集到光阴极上的概率：
K 光阴极的转换效率： 光电子被第一打拿极收集的概率：gc
T Fph K gc
光电倍增管总的倍增系数：
M
2、第一打拿极收集到的光电子数为：
ne n ph T
3、阳极收集到的电子数为：
nA ne M nph T M E Yph T M
5) PMT 的稳定性
稳定性是指在恒定辐射源照射下，光电倍增管 的阳极电流随时间的变化。
包含两部分：
① 短期稳定性，指建立稳定工作状态所需的 时间。一般在开机后预热半小时才开始正 式工作。
② 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。长期工作条 件下，须采用“稳峰”措施。