第4章闪烁探测器

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。
出现的问题：
A）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； B）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。
解决办法：在晶体中掺入少量杂质。 称为“激活剂”的杂质在晶格形成特殊的 晶格点，并在禁带中形成一些局部能级。 选择合适的杂质，使它的激发能级比晶体 的导带、激带低，而基态比价态高。杂质 能级成为发光中心。 由于杂质的电离能小于典型晶格点的电离 能，原子受激产生的电子、空穴将迅速迁 移到杂质能级的激发态和基态，即使杂质 原子处于激发状态。
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
4、阳极收集到的总电荷量为：
Q nA e E Yph T M e
常用于闪烁体与光电倍增管的尺寸 不符或其它特殊需要。
4.2 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ห้องสมุดไป่ตู้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
非聚焦型
n ph

T e
t

2、单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 的卷积
t 即： I t ne t t pt dt 0
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 10 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：
9 11
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
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
即：可设 则： I (t )
pt M e t te
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
第四章
闪烁探测器
Scintillation Detector
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 光电倍增管 窗 (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) 辐射射入闪烁体使闪烁体原子电离或 激发，受激原子退激而发出波长在可见光 波段的荧光。 (2) 荧光光子被收集到光电倍增管(PMT)的 光阴极，通过光电效应打出光电子。 (3) 电子运动并倍增，并在阳极输出回路 输出信号。 闪烁探测器可用来测量入射粒子的能量。
塑料闪烁体
苯乙烯(单体)+ PPO + POPOP， 聚合成塑料。
5、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。 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
③ 激发态是亚稳态，电子可以在此状态保持一 段较长的时间，像掉入陷阱一样。 这些电子可以从晶格振动中获得能量，重新跃迁 到导带，然后再通过发射光子而退激，因而发光 的衰减时间较长，称之为“磷光”。
2) 有机闪烁体的发光机制
有机闪烁体的发射光谱和吸收光谱的峰值是分 开的，所以，有机闪烁体对其所发射的荧光是 透明的。但发射谱的短波部分与吸收谱的长波 部分有重叠，为此在有的有机闪烁体中加入移 波剂，以减少自吸收。
阳极暗电流，实际上它是噪声脉冲信号 电流的平均值，一般为10-6～10-10A。
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。
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，缺点是脉冲输出要用耐高压 的电容耦合，耐高压电容体积大，因而分布电 容大。高压纹波也容易进入测量电路。 负高压供电方式，阳极是地电位，耦合方式简 单，尤其在电流工作方式。但其阴极处于很高 地负电位，需要注意阴极对处于地电位的光屏 蔽外壳之间的绝缘。
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)。
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
指标：
噪声能当量。当没有任何光子照射到光阴极
上时可测得噪声谱——即噪声输出脉冲幅度的 分布，当纵坐标取 n=50cps 时相应的脉冲幅度 所相应的入射粒子能量，称为噪声能当量，单 位是KeV。
对于离子晶体，辐射射入闪烁体使晶体 原子电离和激发。 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。（电离） 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。（激发） 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。
激发态的杂质原子有三种可能的退激方式：
① 电子从激发态立即跳回基态，发射出光子， 发光的衰减时间通常在10-7s以内，称为“荧光”。 荧光光子为可见光的范围，且有效地克服了发 光的自吸收，使晶体的发射光谱和吸收光谱有 效的分离。 ② 电子把激发能转换为晶格的振动(热运动)而 到达价带，并不发射光子，这种过程称为“淬 灭过程”。
电子倍增系数较 大，多用于能谱 测量系统。
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
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
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
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
dI t 闪烁探测器输出电流脉冲 I t n ph T p t 一般表达式的微分形式 dt
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：
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。 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。
4、常用闪烁体 NaITl 发光效率高，Z,高，适宜于射线
探测。易潮解，须仔细封装。
CsI Tl 不潮解，价贵。
ZnS Ag 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。 有机液体闪烁体 溶剂(二甲苯)+发光物质 (PPO)+移波剂(POPOP)。放 于玻璃或石英杯中。
3、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：C np
E ph E 100%
指闪烁体将所吸收的射线能量转化为光的比例。
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。
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
t te

e
2、闪烁体的发光机制
1) 无机闪烁体的发光机制
激活剂
重点分析掺杂的无机晶体，以NaI(Tl)， CsI(Tl),CsI(Na)属于离子晶体等为最典 型，又称卤素碱金属晶体。
晶体中电子的能态不 再用原子能级表示， 而用“能带”来描述。 禁带 晶体的发光机制 取决于整个晶体 的电子能态。 导带 激带 价带
4.1 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
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。
由总光子数 n ph n0e
0

t

dt n0
得到：
nt
n ph

e
t

对于大多数有机闪烁体及若干无机闪烁体 的发光有快、慢两种成分：
nt n f t ns t nf
f
e
t
f

s
ns
e
t
s
快、慢两种成分的相对比例随入射粒子而 变化 。
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
以NaI(Tl)为例
对1MeV的β 粒子，发射光子平均能量 h 3eV
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。这也对高压电源的功率 提出了要求。
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。
4.3 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 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
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