第八章 闪烁探测器

第八章闪烁探测器西安交通大学核科学与技术学院第八章闪烁探测器西安交通大学核科学与技术学院2011.05liu_shuhuan8.1闪烁探测器的工作原理8.2闪烁体8.3电子倍增器件8.4闪烁探测器的输出信号8.5闪烁探测器的性能8.6单晶能谱仪8.1闪烁探测器的工作原理一、典型的闪烁探测器装置闪烁探测器是利用辐射与物质相互作用，使其电离，激发而发出的荧光来探测电离辐射的探测器。西安交通大学核科学与技术学院2011.05liu_shuhuan闪烁体光电倍增管(打拿极)反射层管座分压器高压多道或单道光阴极阳极荧光光子光电子暗盒窗前置放大器闪烁体：次级电子，电离激发，退激发光；光电倍增管：入射窗，光阴极，打拿极，阳极；分压器，各个电极电位，前置放大器。一、典型的闪烁探测器装置西安交通大学核科学与技术学院2011.05liu_shuhuan一、典型的闪烁探测器装置西安交通大学核科学与技术学院2011.05liu_shuhuan一、典型的闪烁探测器装置西安交通大学核科学与技术学院2011.05liu_shuhuan西安交通大学核科学与技术学院2011.05粒子入射、次级电子、激发收集光子、形成光电子电子倍增，输出信号引出信号，分析记录。10~144~10(3~6)10NM光电倍增管的电子倍增系数：光电倍增管通常N有10-14级打拿极，每一打拿极的电子倍增系数~3-6，避光外壳：闪烁晶体、光电倍增管、分压器、射极跟随器。坡莫合金：防止外界磁场影响对电子的聚焦、传输性能。退激发光一、典型的闪烁探测器装置西安交通大学核科学与技术学院2011.05•入射粒子进到闪烁体内，使闪烁体的原子分子电离和激发，受激原子分子退激发时发光，称作荧光。荧光光子打到光电倍增管的光阴极上转换成光电子，光电子在光电倍增管中倍增，最后被阳极收集，输出电压或电流脉冲，被电子学仪器记录。•激发：带电粒子进入闪烁体通过库仑作用直接使闪烁体原子分子电离和激发从而损失能量；若是X射线和射线和γ射线入射，则通过光电效应、康普顿效应和电子对效应损失能量产生次级带电粒子，次级带电粒子再使闪烁体原子分子电离和激发。西安交通大学核科学与技术学院2011.05liu_shuhuan二、工作原理•设入射粒子能量为设入射粒子能量为Ei,在闪烁体内损失的能量为K1Ei，如K1=1，则入射粒子能量完全损失在闪烁体内；如K11，则有一部分粒子跑出闪烁体。•退激：设发射光子的几率为P，产生光子的平均能量为,则发射光子的数目为：西安交通大学核科学与技术学院2011.05liu_shuhuanvh二、工作原理•􀂄光的传输：光子通过闪烁体和光导，到达光电倍增管的光阴极，有一部分在传输过程中会被吸收或被散射而无法到达光阴极。设光子的传输系数为设光子的传输系数为l，则到达光阴极的光子数R’＝lR。希望l尽可能大，就要求闪烁体的发射光谱和吸收光谱不重合，使闪烁体发射的大，使闪烁体发射的光子尽量少自吸收，并在闪烁体和光电倍增管之间增加光导。•光电转换：光阴极吸收光子发射光电子。设光电转换效率为ε，从光阴极到第一倍增极的电子传输系数为q，则光阴极发射到第一倍增极的光电子数:􀂄西安交通大学核科学与技术学院2011.05liu_shuhuan二、工作原理西安交通大学核科学与技术学院2011.05•倍增：光电子在光电倍增管中倍增，最后在阳极被收集。设光电倍增管的倍增系数为M，则在阳极得到Mn个电子，相应的电荷为电子，相应的电荷为Q＝Mne，输出电容为C，则电压脉冲:二、工作原理西安交通大学核科学与技术学院2011.05•输出：形成的电压脉冲经射极跟随器或前置放大器输出，被一套电子学仪器放大、分析和记录。•输出脉冲与入射粒子能量成正比。•选择光产额大的晶体，提高光阴极光电转换效率ε，电子传输系数q和光电倍增管的放大倍数M，都可以使输出脉冲幅度增大。二、工作原理即：闪烁探测器的工作过程可概括为：(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。西安交通大学核科学与技术学院2011.05liu_shuhuan二、工作原理西安交通大学核科学与技术学院2011.058.2闪烁体一．闪烁体的分类二．闪烁体的发光机制三．闪烁体的物理特性四．常用闪烁体五.闪烁体的选择理想的闪烁体：探测效率高，转换效率高，线性范围大，自吸收小，发光时间短，加工性能好。六．闪烁光的收集西安交通大学核科学与技术学院2011.05一、闪烁体的分类1)无机闪烁体：玻璃体无机晶体(掺杂)AgZnSTlCsITlNaI,,CeSiOLiO222(锂玻璃)1234OGeBiBGO2)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。西安交通大学核科学与技术学院2011.05无机闪烁体：光输出产额高、线性好，发光时间较长。1、无机闪烁体的发光机制2、有机闪烁体的发光机制3、气体闪烁体有机闪烁体：发光时间短，光输出产额低。二．闪烁体的发光机制西安交通大学核科学与技术学院2011.05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。晶体的发光机制取决于整个晶体的电子能态。晶体中电子的能态不再用原子能级表示，而用“能带”来描述。激活剂禁带导带价带激带激活体受激态1.无机闪烁体的发光机制：二．闪烁体的发光机制西安交通大学核科学与技术学院2011.05价带禁带激带导带1.无机闪烁体的发光机制：0.1eVEg导体：半导体：0.6~2.5eVEg绝缘体：3eVEg二．闪烁体的发光机制西安交通大学核科学与技术学院2011.05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。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）1.无机闪烁体的发光机制：西安交通大学核科学与技术学院2011.05B）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。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。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；出现的问题：1.无机闪烁体的发光机制：西安交通大学核科学与技术学院2011.05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。解决办法：在晶体中掺入少量杂质,叫做激活剂，含量103量级。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。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。1.无机闪烁体的发光机制：西安交通大学核科学与技术学院2011.05杂质原子退激：荧光：107sec.。猝灭：转换为晶格的热运动。禁带价带激带导带eh基态激发态磷光：亚稳态，发光时间较长。1.无机闪烁体的发光机制：西安交通大学核科学与技术学院2011.051.无机闪烁体的发光机制：西安交通大学核科学与技术学院2011.05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”。1.无机闪烁体的发光机制：西安交通大学核科学与技术学院2011.05③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”。1.无机闪烁体的发光机制：西安交通大学核科学与技术学院2011.05在NaI(Tl)中产生一对电子-空穴对需要~20eV能量。如果入射带电粒子在NaI(Tl)中损失1MeV能量，产生的电子-空穴对数：6411051020eN651100.131.310eVphE吸收1MeV能量产生总光能：541.3104.3103phN产生光子数：闪烁光子平均能量~3eV，1.无机闪烁体的发光机制：西安交通大学核科学与技术学院2011.052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。西安交通大学核科学与技术学院2011.05主要成分是芳香族化合物，分子由聚合或联苯环构成。分成三大类：有机晶体、塑料闪烁体和液体闪烁体。•塑料闪烁体和液体闪烁体都由溶剂和溶质组成。溶质是发光物质，溶剂是透明度好的有机固溶体或液体。•溶质有两种：第一溶质和第二溶质。前者退激发后发出波长3500－4000Å的荧光；后者又称波长位移剂，它将发出的荧光光子全部吸收再发出波长4200－4800Å的光子。这样的波长对闪烁体更透明，与光电倍增管的光阴极的频率响应更好，从而提高了光的传播和收集效率。1、有机晶体：如蒽、芪、联三苯等。发光衰减时间比无晶体快1－2个数量级，为探测快速高通量的带电粒子提供了可能。但缺点是晶体很难做大。2有机闪烁体的发光机制西安交通大学核科学与技术学院2011.052、塑料闪烁体:•可以测量α、β、γ、快中子、质子、宇宙射线及裂变碎片等。•制作简便：柱、片、矩形、井形、管形、薄膜等，可以做成大面积闪烁体，上百厘米。•发光衰减时间短（1~3ns），适用于纳秒量级的时间测量。•透明度高，光传输性能好。•性能稳定，机械强度高，耐振动，耐冲击，耐潮湿，不需要封装，避光储存8到10年发光效率无明显变化。•耐辐照性能好，居于各种闪烁体的首位。•能量分辨本领差，只做强度测量。•溶剂通常采用聚苯乙烯或聚乙烯基甲苯。第一溶质采用联三苯、四苯丁二烯TPB或PBD；第二溶质常用POPOP及BBO。2有机闪烁体的发光机制西安交通大学核科学与技术学院2011.053、液体闪烁体：溶剂常用甲苯、二甲苯等，溶质成分与塑料闪烁体的相似。其特点发光衰减时间短，透明度好，易制备。缺点是有一定毒性，操作时要注意。4、载体闪烁体：有机闪烁体含大量的氢原子，可记录快中子。为了测量慢中子，在闪烁体内加硼和钆；为了测量γ射线，加入重元素如锡等。2有机闪烁体的发光机制有机闪烁体的发光机制有多种理论解释，各有所长。有一种理论认为：是由单分子的能级结构引起的。即处在比较自由的轨道上的部分价电子（称作π电子）的能级之间的跃迁引起的。有机分子π电子能级结构分单态和三重态，每种激发能级内有一系列的精细能级，相当分子的振动能级。带电粒子进入闪烁体使其π电子激发。退激时一种可能是从激发态分别跳回各基态发出荧光，称作荧光过程。多余的能量转变为π电子的振动以热量形式带走，不发光，称作猝灭过程。另一种可能（几率很小）是从激发态跳到三重态T1，，T1是亚稳态，π电子滞留一段时间后再跳到基态，发出磷光，称作磷光过程。••西安交通大学核科学与技术学院2011.05•由于π电子跃迁时，一部分能量以热运动形式带走，因此发射光子能量总是小于吸收光子能量，造成吸收光谱和发射光谱间的位移，从而减少了光的自吸收。•为了改善光的传输，在有机闪烁体中加第二溶质－波长位移剂。其作用是吸收荧光后再发射波长较长的光，等于将发射光谱向长波方向移动。•发射光谱与吸收光谱2有机闪烁体的发光机制西安交通大学