4 第四章 闪烁探测器解析

闪烁体探测器主要由闪烁体、光电倍 增管和相应的电子学仪器三部分组成。
光电倍增管：由光阴极、 光阳极：收集倍增后的光 若干打拿极和阳极组成 电子，并建立起电信号， 通过起阻抗匹配作用的射 反射层：把反射物质包在闪烁体周围，使光子 极跟随器输入到后续的电 光阴极：闪烁体产生的光子在光阴 集中向光电倍增管方向射出 子学仪器中 极上发生光电效应，产生的光电子 在打拿极间加速及聚焦。闪烁体和 闪烁体：对射线灵敏并能产生闪烁光 光阴极间需加光耦合剂。 产生的光子向四面八方发射出去，一般光谱范 围从可见光到紫外光
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一、闪烁体的种类：
1.有机闪烁体发光机制
有机闪烁体发光机制有多种解释，各有所长。由于有机晶 体分子间结构松弛，有机闪烁体的发光过程是由单个分子的 能级结构决定的，与其物理状态(晶体或溶液)无关。有机晶 体大多数由聚合或联苯环构成，苯环碳的四个价电子中，只 有两三个与分子的结合很紧密，它们占据了所谓的σ分子轨 道，剩余的电子占据了所谓的π分子轨道，可以在分子内自 由运动。发光过程主要是由π电子跃迁引起的。无机晶体的 闪烁过程决定于材料晶格结构与组分的能态(能带与杂质能级 等)。这二者有很大的不同。
由于两个振动能态之间的能量间隔大于平均热运动能量 (0.025eV)，在室温下几乎所有的分子都处于S00态。 入射带电粒子穿过上述有机分子附近并损失能量，使有机 分子的π 电子跃上较高的能态。被激发的较高的单一态π 电子 通过无辐射的内转换迅速地(约10-12s)退激到S1电子态。而且， 具有多余振动能量的任一电子态(例如S11或S12)又迅速地失去多 余的能量与周围分子达到热平衡。由于分子振动周期仅10-12s， 这一过程也是极快的。总之，在一简单的有机晶体中，入射带 电粒子产生激发的总效果就是经过一段可忽略的短时间后，产 生了处于S10态的激发分子群。
闪烁探测器的工作过程可分为以下五个步骤
射线进入闪烁体，发 生相互作用，闪烁体吸 收带电粒子的能量使原 子、分子电离激发 受激原子、分 子退激时发射荧 光分子
信号由 电子仪器 记录和分 析
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
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 的光阴极上，由于光 电效应，光子在光阴 极上击出光电子
闪烁体探测器
兰州大学
核科学与技术学院
闪烁体探测器的历史： 1911年卢瑟福（Rutherford）在他的α大角散射实验中， 以硫化锌屏为闪烁体，使用这种方法数出散射α 粒子的数量， 最终导致了原子核式结构模型的建立。当时就是通过显微镜 用肉眼直接观察α粒子在硫化锌荧光屏上产生的微弱闪光。 1944年柯伦（Curran）和贝克（Baker）用光电倍增管替代 了肉眼的作用，以后卡尔曼（Kallmann）用萘取代了小而薄 的硫化锌晶体，这两种替换使闪烁探测法发生了巨大的变化， 使其有可能探测、记录并用电子学方法分析由单个核辐射产 生的脉冲。
单一态 （自旋为0）
三重态 （自旋为1）
一种可能：从S1跳回基 态发出荧光，约1ns。多 余的能量转变为电子的 振动，以热能的形式带 走，称为焠息过程。
从S0到T1禁戒的
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
另一种可能：从S1跳到 三重态T1，T1为亚稳态 （寿命约0.1s）再调回 基态，发出磷光（ms),
具有π电子结构 的有机分子能级
对纯离子晶体，退激发出的光子容易被晶体自吸收，传输到晶体外 的光子很少； 由于离子晶体禁带宽度大，退激发出的光子能量为紫外范围，一般 光电倍增管的光阴极不能响应，这些发射的光子不能被有效利用。
有机液体闪烁体：在有机溶剂中溶入少量发光物质，称第一发 光物质，另外再溶入一些光谱波长转换剂称为第二类发光物质， 组成的闪烁体性能的液体。 塑料闪烁体：在有机液体苯乙烯中加入第一类发光物质对联三 苯和第二发光物质POPOP后聚合形成的塑料。 除此以外，还有利用氩、氙等惰性气体作为气体闪烁体，用 作记录裂变产物和重粒子的探测器。
处于s10态的激发分子群按一定的平均寿命跃回基态并同时发 出光子。设用τ表示s10态的平均寿命，则激发后t时刻单位 时间内发射的光子数可表示为 I=I0e-t/τ
其中I0为t0时刻单位时间内从s10态跃回基态而发出的光子数。 一般τ是10-8～10-9s量级，故由s10跃回基态的发光过程是相 当快的，称作荧光。
2.无机晶体闪烁体的发光机制 无机闪烁晶体的发光机制取决于整个晶体内的电子能态，而 不是由单个分子或原子的能级跃迁决定。我们知道，在晶体 中，物质原子的电子发生“公有化”效应，它们将不再从属 于某个原子，而是属于整个晶体。这些电子的能态不再用原 子能级表示，而是用“能带”来描写。如图所示．
当辐射离子进入闪烁体使晶体原子电离和激发。
电离：结果使得价带中的一些电子由原来位置跃迁过禁带而进入导 带，成为自由电子，同时在价带中形成空穴。 激发：电子也可能跃迁到较低的激带，这时产生的电子－空穴对称 之为激子。激子只能在晶格中束缚在一起运动。
导带上的自由电子和价带空穴可以复合成激子，相反，激子也可以 受热运动而变成自由电子－空穴对。
退激过程将可能发出光子，也可能变成晶格振动能而不发光。
本章主要内容
第一节： 概 述
第二节： 闪 烁 体
第三节： 电 子 倍 增 器 件 第四节： 闪 烁 计 数 器
本章节课后习题作业
我们通常将闪烁体、光电倍增管和分压器及射极跟随器安 装在一个暗盒中，统称为探头。探头中有时在光电倍增管周 围包以起磁屏蔽作用的坡莫合金，防止外界磁场透入管子中。
电子仪器组成单元根据闪烁探测器用途而异，常用的有 高 (低)压电源、线性放大器、单道或多道分析器。
基态s0相应于不同的振动态而具有s00、s01、s03、…等能级。 当分子由激发态s10跃回基态时，其发射光子的能量为s10与s00、 s01、s03…等能级的差值。这就决定了荧光的光谱(域称作“发 射光谱”)。一般，这都是在可见光与紫外光区域。
有机闪烁体的种类：
有机晶体闪烁体： 蒽；茋；萘；对联三苯等