第九章闪烁探测器.ppt
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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 常用于闪烁体与光电倍增管的尺寸 不符或其它特殊需要。
以NaI(Tl)为例：
对β 粒子 Cnp 13%；对α 粒子 Cnp 2.6%
光能产额：
Yph
nph E
光子数 MeV
nph为产生的闪烁光子总数。
发光效率与光能产额的关系：
Y ph
n ph E
E ph hv
1 E
C np hv
以NaI(Tl)为例 对1MeV的β 粒子，发射光子平均能量 h 3eV
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
指闪烁体将所吸收的射线能量转化为光的比例。
发光效率：Cnp
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。
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 光电子轨迹
入射光
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
Y ph
0.13 3eV
4.3 104
光子数 MeV
3) 发光衰减时间
受激过程大约 109 1011 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：
nt
n0e
t
τ为发光衰减时间，即发光强度降为1/e所
需时间。
由总光子数
nph
(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。
9.1 闪烁体
1、闪烁体的分类
1源自文库 无机闪烁体：
无机晶体(掺杂) NaI Tl , CsI Tl , ZnSAg
玻璃体 LiO2 2SiO2 Ce (锂玻璃)
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。
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。
n0e
t
dt
n0
0
得到：
n t nph 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：
n t
nf
t
ns
t
nf
e
t
f
ns
e
t
s
f
s
快、慢两种成分的相对比例随入射粒子而 变化 。
4、常用闪烁体
纯晶体 Bi4Ge 3O12
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。
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。
晶体的发光机制 取决于整个晶体 的电子能态。
禁带
导带 价带
激带
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）
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。
NaI Tl 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。
ZnSAg 将 ZnSAg 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。
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。
第九章
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 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 光阴极
阳极
管座
暗盒
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。
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”。
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 常用于闪烁体与光电倍增管的尺寸 不符或其它特殊需要。
以NaI(Tl)为例：
对β 粒子 Cnp 13%；对α 粒子 Cnp 2.6%
光能产额：
Yph
nph E
光子数 MeV
nph为产生的闪烁光子总数。
发光效率与光能产额的关系：
Y ph
n ph E
E ph hv
1 E
C np hv
以NaI(Tl)为例 对1MeV的β 粒子，发射光子平均能量 h 3eV
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
指闪烁体将所吸收的射线能量转化为光的比例。
发光效率：Cnp
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。
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 光电子轨迹
入射光
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
Y ph
0.13 3eV
4.3 104
光子数 MeV
3) 发光衰减时间
受激过程大约 109 1011 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：
nt
n0e
t
τ为发光衰减时间，即发光强度降为1/e所
需时间。
由总光子数
nph
(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。
9.1 闪烁体
1、闪烁体的分类
1源自文库 无机闪烁体：
无机晶体(掺杂) NaI Tl , CsI Tl , ZnSAg
玻璃体 LiO2 2SiO2 Ce (锂玻璃)
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。
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。
n0e
t
dt
n0
0
得到：
n t nph 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：
n t
nf
t
ns
t
nf
e
t
f
ns
e
t
s
f
s
快、慢两种成分的相对比例随入射粒子而 变化 。
4、常用闪烁体
纯晶体 Bi4Ge 3O12
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。
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。
晶体的发光机制 取决于整个晶体 的电子能态。
禁带
导带 价带
激带
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）
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。
NaI Tl 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。
ZnSAg 将 ZnSAg 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。
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。
第九章
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 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 光阴极
阳极
管座
暗盒
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。
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”。