闪烁探测器深入分析

R
Ra
C
C
C
闪烁探测器的输出回路（二）
iA (t )
C0
RD
C
'
Ri
Ci
io
t
Vo Cs Ri Ci
C
D1
Dn 2 Dn 1 Dn
A
R
R
R
RD RD R
C
R
Ra
C
C
闪烁探测器输出脉冲的电荷量
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： 光子被收集到光阴极上的概率：
n ph Yph E
0.6 10 6.2 33 2.4
s (s)
0.62 1.0 0.37 0.37 0.20
快成分在纳秒量级，慢成分在微秒量级。
快、慢两种成分的相对比例随入射粒子的种类而变化 。 有机闪烁体： ns ( ) ns (e) n f ( ) n f (e) 一些无机闪烁体： ns ( ) ns (e) n f ( ) n f (e)
平均量子效率：
nek Qk n ph
发射电子数 Qk ( ) 入射光子数
光阴极光谱响应需要与闪烁体 发射光谱匹配。
Q ( ) P ( )d P ( )d
k S S
2) 光阴极光照灵敏度（实用上）
ik Sk F
ik : A (光电子流)
Lm（光通量）
白光灵敏度；蓝光灵敏度；红光灵敏度
0

所以，
n ph (t )
n ph
0
e t 0
对大多数无机闪烁体是正确的， 衰减时间在微秒量级。
对大多数有机晶体和少数无机晶体， n f t f ns t s 快、慢两种成分 n(t ) e e
f
s
闪 烁 体 BaF2 CsI(Tl) 芪 蒽 液体闪烁体
f (ns)
电子倍增特性
1) 光电倍增管放大倍数
M g 106 108
n
g为打拿集之间电子传递效率；是平均二次发射 系数；n为打拿极级数。
2) 阳极光照灵敏度（实用上）
阳极电流i A S A g c MSK 入射到阴极的光通量 F
第一打拿极光电子收集效率
时间特性
1~3ns
t e1
返回
光电倍增管
作用：将闪烁体发出的光子转换为电子，并进行倍增。 一．基本原理和构造
二．种类
三．分压器 四．主要指标
1、基本原理和构造：
光电子发 射效率高 二次电子发射系数 大,，热电子和光电 子发射系数小。 电子电离 能较大
半透明光阴极 入射光
光电子轨迹
真空壳
电子光学 电子收集效率高
聚焦电极
打拿极
光的收集与光导
目的：将闪烁体发出的光尽可能多地、均匀地收集到光电倍增 管的光阴极上。
1. 反射层：把闪烁体中向四周发 射的光有效地收集到光阴极上
2. 光学耦合剂：避免由于空气存在 全反射 硅油等 闪烁体尺寸与光电倍增管合 适时采用
3. 光导：有机玻璃，石英玻璃等 闪烁体与光电倍增管（尺寸或形 状不合适时）二者无法配合 强磁场中；空间限制，要将光电 倍增管放在比较远的地方
把单电子响应函数的输出电流代入，得：
V (t ) n ph T M e
0C
e
t RC
1 1 ' ' 0 exp RC 0 t dt
t
Q RC t 0 t RC e e C RC 0
• 脉冲输出 • 主要性能 • 应用举例—NaI（Tl）单晶谱仪
闪烁探测器的脉冲输出
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
ia
Ra
Rn
倍增电子向后级漂移，感应电流从外回路流过。
输出回路的 等效电路
Ia
Ra
利用闪烁计数器记录能量较高的辐射时，噪声本底 很容易被甄别掉； 在低能粒子测量中，每次闪烁时间之产生几个光电子， 或光电倍增管作为单光子探测器时，外来粒子的脉冲幅 度与本底脉冲为同数量级，不能以常规电压甄别的方式 去除噪声，只能作为本底计数。
返回
闪烁探测器
在电离辐射探测中是应用较广泛的一种探测器， 应用分为四类：能谱测量；强度测量；时间测量； 剂量测量。
有机闪烁体

有机晶体(蒽，萘，芪)
有机液体闪烁体 塑料闪烁体
闪烁体的物理特性
1. 发射光谱：
与光电倍增管的光谱响应配合
2. 发光效率：
闪烁体将吸收的射线能量转变为光能的比例。
1)光能产额：辐射在闪烁体中损失单位能量闪烁发射的光子数。
Yph
n ph E
光子数/MeV
2)绝对闪烁效率：能量转换效率。
闪烁探测器
Scintillation Detector
利用辐射在某些物质中产生的闪光
来探测射线（电离辐射）的探测器。
工作原理
射线与探测物质（闪烁体）分子作用，使其激发， 退激时发出大量光子，通过光电倍增管把光子转化 为电信号。
1. 电磁辐射入射（ 、 x） 次级电子使闪烁体激发 2. 带电粒子入射 入射粒子及次级电子使闪烁体分子激发 3. 中子入射 通过中子反应产生带电粒子（如反冲质子）使闪烁体激发
F ph
光阴极的转换效率：
光电倍增管总的倍增系数：
QK
T Fph Qk gc
光电子被第一打拿极收集的概率： gc
M
1、第一打拿极收集到的光电子数为： 2、阳极收集到的电子数为：
ne n ph T
na ne M nph T M E Yph T M
C ph
E ph E
3)相对发光效率：相同核辐射在不同闪烁体中损失相同的能量， 输出脉冲幅度或电流的比值。 发光效率越大越好，输出脉冲大，且统计涨落小，改善分辨率； 在能谱测量时，为了线性好，要求发光效率对辐射的能量在相当 宽的范围内为一常数。
3. 发光衰减时间： 入射粒子耗尽能量的时间和闪烁体中电子激发时间：
a）较高电压， 减小空间电荷效 应 b）加旁路电容
电压较低
分压器的要求
• 分压器电阻具有小的温度系数和较高的稳定性；
• 总分压电阻值要适当的小，保证打拿极间电压在 有粒子入射时基本不变。
4、光电倍增管的主要指标：
光电转换特性
1) 光阴极的光谱响应：
光阴极受到光照射后发射光电 子的几率是波长的函数，叫做 光阴极的光谱响应。 量子效率：
3、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
闪烁探测器的电流脉冲
1、光电倍增管的单电子响应函数 P(t )
2、输出电流脉冲 第一打拿极接收光电子的分布： T n ph t 0 ne (t ) T n ph (t ) e
芪
可以用作n甑别。
4. 探测效率： 与入射粒子种类、闪烁体形状和大小；闪烁体 材料的N和Z等有关
5. 光学性能： 透明度高、无缺陷、光学均匀度好等等
易于加工、温度效应等
探测效率高， 发光效率高
探测效率最高，发 光效率低
最快
测量中子
闪烁体的选择原则
1. 根据所测射线种类、强度及能量来选择 种类、尺寸； 2. 与光电倍增管配合； 3. 阻止本领大，入射粒子能损越大越好； 4. 发光效率及光学性能； 5. 时间分辨或短寿命测量中，要求发光衰减 时间短； 6. 能谱测量，发光效率线性好。
辐射的穿透能力
• 气体探测器的五个工作区
电离室 工作 区域 工作 原理 输出 脉冲 饱和区 原电离电子和离子被电极 收集 脉冲与原电离密切相关， 电子脉冲电离室输出脉冲 幅度与原电离地点有关， 要采取相应措施。 稳定性要求不高（<1%） 能量
正比计数管 正比区 阳极附近电子雪崩（次电离） 产生的电子和离子被收集 脉冲与原电离关系不大，主要 由增殖的电子离子来决定。幅 度与原电离地点无关，主要是 倍增正离子的贡献 稳定性高（<0.1%） 能量、计数
te 2
tΒιβλιοθήκη Baidu 3
t eM
渡越时间分散— 时间分辨本领， 聚焦管子：数百 ps至数ns
上升时间
~1.2~30ns
tr
0.1 0.9
tr
p(t )
面积
M e
t pm
~2~40ns 时间响应宽度
渡越时间 20~80ns
各电极发射的电子初速度和方向不同， 电子经过的路径也不尽相同。
一般用脉冲上升时间tr、脉冲时间响应宽度tpm、渡越时间、 渡越时间离散来描述光电倍增管的时间特性。
0
一次闪烁光引起的输出电流：
I (t ) ne (t t ' ) p(t ' )dt '
0
t
对大多数无机闪烁体，单电子响应函数可以用函数 近似，这时输出电流， n ph T M e t 0 I (t ) e
0
闪烁探测器的电压脉冲
输出电压信号的一般形式：
1 t RC t ' t ' RC ' V (t ) e 0 I (t )e dt C
带电粒子使闪烁体激发，再退激发出光子
闪烁探测器由闪烁体、光电倍增管、电子学仪器组成 荧光 光子 反射层
光电倍增管 窗 (打拿极) 分压器
闪烁探头
前置放大器 多道或单道 高压 闪烁体 光电子 阳极 管座 暗盒 光阴极
闪烁探测器组成示意图
有时包有坡莫合金，磁屏蔽，减 小外界磁场对电子运动的影响。
闪烁探测器工作过程
1. 闪烁体分子电离和激发 2. 退激、放出荧光 3. 光收集及光电子产生 4.光电子倍增 5.电信号的处理和记录
闪烁体 闪烁探头
光电倍增管 电子学
一．闪烁体 二．光电倍增管 三．闪烁探测器
闪烁体
闪烁体

无机闪烁体

无机盐晶体NaI(Tl)、ZnS(Ag) 玻璃体LiO 2 2SiO 2 (Ce) 纯晶体BGO、BaF2
阳极
2、种类： (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：时 间性能好， 适用于时间 较快闪烁探 测器
非聚焦型：脉冲 幅度分辨较好， 闪烁能谱测量
3、分压器：
提高信噪比和 能量分辨率 a）电子光学： 提高收集效率 b）时间测量： 电压越高越好， 减小渡越时间
均匀分压
G-M计数器 盖革-弥勒区 除了次电离外，光电效应和 二次电子发射也起作用。气 体内形成自持放电。 有机管脉冲主要是倍增正离 子的贡献，卤素管中电子脉 冲的贡献要大一些 稳定性要求不高（<1%） 计数
电源 要求 功能
三种气体探测器性能比较
脉冲电离室 能量分辨 需要考虑脉 坪特性 冲幅度和电 压的关系 原电离统计涨落决定 了能量分辨的下限 M随电压 的变化 主要由脉冲宽度决定 主要由脉冲宽度决定 离子脉冲电离室：ms 采用脉冲成型等技术 电子脉冲电离室：s 后，可以小到1 s左右 正比计数管 由于倍增过程，电离 统计涨落比电离室增 大约一倍 计数器 不做能谱测量
C0
Ra
C0
对脉冲信号来说，＋V和地是相同的。
C0
Ra
分压器的电阻R足够小，可忽略。
R
C
R R a // R 入
C C0 C入 分布电容
闪烁探测器的输出回路（一）
Vo
iA (t )
C0
Ra
C'
Ri
Ci
t
io C0 A Cs Ri Vo Ci
C
D1
Dn 2 Dn 1
Dn
R
R
R
R
本底— 暗电流
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) 。
• • • • • • • 热发射 欧姆漏电 残余气体电离 场致发射 切伦克夫光子 玻璃管壳放电和玻璃荧光 光阴极曝光
在一定电压或达到一定的阳极光照灵敏度所需的总 电压下测定，通常在10-6-10-10A数量级。
分辨时间
以死时间为主，一般 为几百s量级。 入射粒子所产生的电 子从产生出漂移到阳 极附件的雪崩区域所 需时间，为1-4*10-7s。 时间分辨一般在s量 级，采取特殊措施后， 可达10-7s 带电粒子100%，光 子1%
电流脉冲没有时滞， 初始电子从产生处漂 时滞 电压脉冲要超出电子 移到阳极附近所需要 （时间分 仪器的阈值，由于上 的时间。由于入射位 辨本领） 升时间和阈值的涨落， 置的随机性，时滞也 电压脉冲的时滞也是 是随机的，为s 量级。 涨落不定的。 时间分辨本领也是此 量级。 探测效率 带电粒子100% 带电粒子100%，光子 1%
10 9 10 11 s
闪烁体受激后，电子退激发光过程按指数规律，即 单位时间发出的光子数： n ph (t ) n ph (0)et 0 NaI(Tl)晶体：0 = 0.23s 。 闪烁光脉冲中包含的光子数：
n ph n ph (0)e t 0 dt n ph (0) 0