闪烁探测器

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。
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
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。
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
探测器介质：闪烁体
无机闪烁体
简单晶体，如氧化晶体、氟化晶体、碘化晶体。 价带上的电子被激发到导带，电子退激发时发射一个光子，发光时 间约为10ns，受外界影响小，但是光子的衰减时间较长，发光弱。 晶体中参杂金属或稀土杂质：NaI(Tl)、CsI(Tl)、CaF2(Eu)、ZnS(Ag) 作为发光中心。杂质的混入使晶格导带和价带之间的禁带变窄，电 子激发产生光子的几率升高，但寿命有很宽的分布 大比重的晶体，具有对粒子高的阻止能力，可以将探测的体积缩小。
闪烁探测器
祝成光
气体探测器利用粒子和气体分子的相互作用，产生 气体分子电离，电离电子在气体中漂移，并被收集 和放大。 闪烁探测器利用粒子和固体、液体或气体分子的相 互作用，产生光子，光子在透明介质中传播并被收 集，再进行放大。 固体或液体介质的分子间距只相当于气体分子间距 的10%左右，电子的漂移比光子困难。 气体介质光产额不足。
光探测器件
光电倍增管
光电倍增管在闪烁探测器中占有非常重要的 地位，它探测到光子和给出电信号只要6－ 30ns的时间。高灵敏度的光电倍增管的放大 倍数得到10 8，能够探测到单个入射的光子
在光电倍增管的真空管内，打拿极依次排列， 电压逐次升高，入射的光子在阴极上打出光 电子。电子在任两个打拿极之间加速，击中 打拿极后产生出更多的电子，电子经过几个 打拿极放大后将达到可观测的电荷量，流过 负载电阻形成电压信号输出。
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。
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。
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。
半导体光电器件
半导体PN节上建立电场，带电粒子或光子击 中后，半导体材料中载流子被激发出来，载 流子在PN节电场的作用下发生类似于气体探 测器的雪崩放大过程，从而将电信号转变为 电信号并放大。
电容耦合器件CCD
半导体上生成数目众多的MOS结构，MOS结 构的耗尽层对粒子和光照是敏感的，辐照产 生的电荷被收集到耗尽层中，足够强度的电 荷量被作为信号读出。
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。
电信号的形状决定于t1（光信号的衰减时间）和 PMT线路的时间常数t2。
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。
有机闪烁体：发光的衰减时间段，约3～5ns
有机晶体：不宜生产大尺寸的闪烁体，使用性较差。 有机液体：液体溶剂配制溶质构成。常用溶剂：三甲苯、甲苯、 对二甲苯。
一些溶质虽然很适合使用，但发射的光波波长较短，和光探测器的 灵敏光谱谱段错位，因此在其中配入第二中溶质，吸收第一溶质发 出的光，然后发出较长波长的光。第二溶质也称为光波位移剂。
探测效率
闪烁探测器对带电粒子的探测效率很高，此处多 Gamma 指对Gamma光子的探测效率。
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。 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。
时间特性：
脉冲上升时间：电脉冲信号从辐度的10％上升到 90 90％的时间，约1～30ns。 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。
高Hale Waihona Puke Baidu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。
闪烁探测器
闪烁体产生的闪烁光被和闪烁体相连的光探 测器探测形成电信号，就形成了闪烁体探测 器。
闪烁体探测器特征
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。
发光衰减时间
入射粒子的能量丢失、电离、激发、退激发和发射光子 数达到最大值的过程是闪烁体发光的增加过程，时间非 常短，对于大多数有机闪烁体约为0.1ns。而无机闪烁体 发光过程较复杂，需要ns量级，这个时间相对于发光之 后的衰减时间而言可以忽略不计。 衰减过程符合指数衰减规律。对有机闪烁体而言约在1－ 10ns量级。同样无机闪烁体的衰减时间较长而且差别较 大。闪烁体发光衰减时间除与温度有关外，还与入射粒 子的种类有关。
因此需要根据实际需要选择反射方法和组合反射方 法。
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。
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，选择有利的反射方式能够减 弱这种衰减。
有机塑料：固体溶剂配制溶质构成：把闪烁溶质溶在塑料单体中 进行热聚合而成。
常用的塑料闪烁溶剂有：聚苯乙烯、聚乙烯基甲苯、二甲基苯乙烯
有机闪烁体对自身发的光透明度很好
闪烁体的性能
无机晶体的发射波段较丰富，从紫外区到黄 光区都有对应的晶体。 有机闪烁体大部分发光光谱在蓝光绿光区。
发光光产额
由于闪烁体光子数目很难测量，所以用发光效率 来描述闪烁体很复杂。 相对NaI（Tl）晶体的光输出：将标准尺寸的测 试晶体和NaI晶体对于单能光子源在全能峰的比 较来定义待测晶体的光输出。 光产额定义为光电子数／MeV，通过单个光电子 信号对单能光子射线全能峰相比较得出测试结果。
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。
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。
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。
闪烁体的辐射效应