4 第四章 闪烁探测器

闪烁体探测器兰州大学核科学与技术学院闪烁体探测器的历史：1911年卢瑟福（Rutherford）在他的α大角散射实验中，以硫化锌屏为闪烁体，使用这种方法数出散射α粒子的数量，最终导致了原子核式结构模型的建立。当时就是通过显微镜用肉眼直接观察α粒子在硫化锌荧光屏上产生的微弱闪光。1944年柯伦（Curran）和贝克（Baker）用光电倍增管替代了肉眼的作用，以后卡尔曼（Kallmann）用萘取代了小而薄的硫化锌晶体，这两种替换使闪烁探测法发生了巨大的变化，使其有可能探测、记录并用电子学方法分析由单个核辐射产生的脉冲。闪烁体探测器主要由闪烁体、光电倍增管和相应的电子学仪器三部分组成。闪烁体：对射线灵敏并能产生闪烁光产生的光子向四面八方发射出去，一般光谱范围从可见光到紫外光反射层：把反射物质包在闪烁体周围，使光子集中向光电倍增管方向射出光电倍增管：由光阴极、若干打拿极和阳极组成光阴极：闪烁体产生的光子在光阴极上发生光电效应，产生的光电子在打拿极间加速及聚焦。闪烁体和光阴极间需加光耦合剂。光阳极：收集倍增后的光电子，并建立起电信号，通过起阻抗匹配作用的射极跟随器输入到后续的电子学仪器中第一节：概述第二节：闪烁体第三节：电子倍增器件第四节：闪烁计数器本章主要内容本章节课后习题作业我们通常将闪烁体、光电倍增管和分压器及射极跟随器安装在一个暗盒中，统称为探头。探头中有时在光电倍增管周围包以起磁屏蔽作用的坡莫合金，防止外界磁场透入管子中。电子仪器组成单元根据闪烁探测器用途而异，常用的有高(低)压电源、线性放大器、单道或多道分析器。闪烁探测器的工作过程可分为以下五个步骤射线进入闪烁体，发生相互作用，闪烁体吸收带电粒子的能量使原子、分子电离激发受激原子、分子退激时发射荧光分子利用反射物和光导将闪烁光子尽可能多地收集到光电倍增管的光阴极上，由于光电效应，光子在光阴极上击出光电子光电子在光电倍增管中倍增，数量由一个增加到104-109个，电子流在阳极负载上产生电信号信号由电子仪器记录和分析返回一、闪烁体的种类：1.有机闪烁体发光机制有机闪烁体发光机制有多种解释，各有所长。由于有机晶体分子间结构松弛，有机闪烁体的发光过程是由单个分子的能级结构决定的，与其物理状态(晶体或溶液)无关。有机晶体大多数由聚合或联苯环构成，苯环碳的四个价电子中，只有两三个与分子的结合很紧密，它们占据了所谓的σ分子轨道，剩余的电子占据了所谓的π分子轨道，可以在分子内自由运动。发光过程主要是由π电子跃迁引起的。无机晶体的闪烁过程决定于材料晶格结构与组分的能态(能带与杂质能级等)。这二者有很大的不同。具有π电子结构的有机分子能级单一态（自旋为0）三重态（自旋为1）从S0到T1禁戒的一种可能：从S1跳回基态发出荧光，约1ns。多余的能量转变为电子的振动，以热能的形式带走，称为焠息过程。另一种可能：从S1跳到三重态T1，T1为亚稳态（寿命约0.1s）再调回基态，发出磷光（ms),由于两个振动能态之间的能量间隔大于平均热运动能量(0.025eV)，在室温下几乎所有的分子都处于S00态。入射带电粒子穿过上述有机分子附近并损失能量，使有机分子的π电子跃上较高的能态。被激发的较高的单一态π电子通过无辐射的内转换迅速地(约10-12s)退激到S1电子态。而且，具有多余振动能量的任一电子态(例如S11或S12)又迅速地失去多余的能量与周围分子达到热平衡。由于分子振动周期仅10-12s，这一过程也是极快的。总之，在一简单的有机晶体中，入射带电粒子产生激发的总效果就是经过一段可忽略的短时间后，产生了处于S10态的激发分子群。处于s10态的激发分子群按一定的平均寿命跃回基态并同时发出光子。设用τ表示s10态的平均寿命，则激发后t时刻单位时间内发射的光子数可表示为I=I0e-t/τ其中I0为t0时刻单位时间内从s10态跃回基态而发出的光子数。一般τ是10-8～10-9s量级，故由s10跃回基态的发光过程是相当快的，称作荧光。基态s0相应于不同的振动态而具有s00、s01、s03、…等能级。当分子由激发态s10跃回基态时，其发射光子的能量为s10与s00、s01、s03…等能级的差值。这就决定了荧光的光谱(域称作“发射光谱”)。一般，这都是在可见光与紫外光区域。有机晶体闪烁体：蒽；茋；萘；对联三苯等有机液体闪烁体：在有机溶剂中溶入少量发光物质，称第一发光物质，另外再溶入一些光谱波长转换剂称为第二类发光物质，组成的闪烁体性能的液体。塑料闪烁体：在有机液体苯乙烯中加入第一类发光物质对联三苯和第二发光物质POPOP后聚合形成的塑料。有机闪烁体的种类：除此以外，还有利用氩、氙等惰性气体作为气体闪烁体，用作记录裂变产物和重粒子的探测器。2.无机晶体闪烁体的发光机制无机闪烁晶体的发光机制取决于整个晶体内的电子能态，而不是由单个分子或原子的能级跃迁决定。我们知道，在晶体中，物质原子的电子发生“公有化”效应，它们将不再从属于某个原子，而是属于整个晶体。这些电子的能态不再用原子能级表示，而是用“能带”来描写。如图所示．当辐射离子进入闪烁体使晶体原子电离和激发。电离：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。激发：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。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。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；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。在晶体中掺入少量的合适的杂质，让它的激发能级比晶体的导带、激带低，而基态比价态高。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，杂质能级就成了发光中心。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。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”。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”。有些陷阱中的电子仅有热运动不能跳入导带，必须由外界给予能量（如加热、光照），这叫热释发光和光释放光。无机晶体闪烁体的种类：掺有少量激活剂的无机盐晶体：碘化钠（铊激活）NaI（Tl）；碘化铯（铊激活）CsI（Tl）硫化锌（银激活）ZnS（Ag）玻璃体：锂玻璃（铈激活）LiO2·2SiO2（Ce）不掺杂纯晶体：锗酸铋（BGO）；钨酸镉（CWO）；氟化钡（BaF2）二、闪烁体的物理性质1.发射光谱闪烁体受核辐射激发后所发射的光并不是单色的，而是一个连续带。对于每种闪烁体，总可找到一、两种波长的光，它的发射概率最大，整个光谱是以该波长为中心的一个或数个发射带。闪烁体的技术说明书上往往给出这个峰位处的波长，称为“发射光谱最强波长”了解不同闪烁体的发射光谱，主要是为了解决闪烁体与光电倍增管光谱响应的匹配问题。几种典型闪烁体的发射光谱2.发光效率发光效率是指闪烁体将吸收的射线能量转变为光的比例。一般使用以下三个量来描述。光能产额：核辐射在闪烁体中损失单位能量闪烁发射的光子数。当粒子在闪烁体中损失的能量为E，闪烁过程发出的总光子数为nph时，则光能产额phphnYE它的单位是光子数/兆电子伏（1/MeV）。1/Yｐｈ表示在闪烁体中每产生一个光子所消耗的核辐射能量。绝对闪烁效率：在一次闪烁中，产生的闪烁光子总能量与核辐射损耗在闪烁体中的能量之比phnpECE相对发光效率：使用一种核辐射在不同闪烁体中损失相同能量，测量它们的相对脉冲输出幅度或电流进行比较。一般以蒽作为标准，如对β射线蒽的相对发光率取１，则NaI（Tl）为2.3。３.发光时间和发光衰减时间闪烁体发光时间包括闪烁脉冲的上升时间和衰减时间两部分。上升时间主要包括带电粒子在闪烁体中耗尽能量所需时间（一般小于１０－９Ｓ）以及闪烁体内电子激发的时间（很短，可忽略）。闪烁体受激后，电子退激发光一般服从指数衰减规律。单位时间发出的光子数（发光强度）：00()()tphphdntnItedt经过时间τ0，脉冲下降到最大值的1/e，称为闪烁体的发光衰减时间，也称为衰减常数。上述公式对大多数无机闪烁体是正确的，其中τ0为微小量级。然而对大多数有机闪烁体和少数无机晶体，上式并不正确。实验表明有机闪烁体的发光衰减过程有快、慢两种成分，其衰减规律可表示为：()fsttfsItIeIeτf和τs分别为快、慢两种成分的发光衰减时间；τf为ns量级τs约为数十至数百ns量级，If和Is分别为快、慢成分的发光强度。闪烁体τf(ns)τs(ns)BaF20.6620芪6.2370蒽33370液闪2.4200对于高强度测量或时间测量的闪烁体，应该要求有尽可能短的发光衰减时间。除了以上几点，使用闪烁体探测器还应考虑以下性质1.探测效率；2.闪烁体透明度高，尽可能无缺陷，光学均匀度好；3.可加工性能。易于加工成各种大小和几何形状；4.闪烁体的发光效率、分辨率和时间特性和温度有关，一般产品说明书中可以查到闪烁体的特性随温度变化的测量值；5.耐辐照的稳定性；三、几种主要闪烁体1.NaI(Tl)晶体①密度大(3.67g／cm3)，含有高原子序数的元素碘，平均原子序数为53，光电效应、康普顿效应和电子对效应的作用截面大，又能制成大体积，对γ射线和x射线有较大的阻止本领和探测效率，是目前探测γ射线最好的闪烁体。②能量转换效率高，存NaI中加入0.1％～0.5％的Tl时，发光效率最好，相对蒽晶体为230％。③室温下主峰位波长为4100A，半高宽约850A。它的吸收谱峰值在2930A和2340A，因而对发射的光是透明的，与光电倍增管的匹配较好。④室温下发光衰减时间为230ns。⑤对于质子和电子，NaI(Tl)晶体的光输出与能量的关系基本上是线性的，只有在低能时偏离线件关系。但是对于重离子，其能量线性响应较差。⑥制备简单，可以加工成各种形状，常用的是圆柱形(最大750×250)、井形、环形、薄片形等。NaI(T1)晶体的最大缺点是容易潮解，吸收空气中水分后会发黄变质而不能使用，所以必须封装在带有光学玻璃窗的容器中，这就给低能测量和重离子测量带来困难。其机械强度差，使用时要防止剧烈振动和冲冲击。对温度变化很灵敏，正常使用温度为-10℃～45℃，环境温度变化不得超过5℃／h，否则晶体会碎裂。使用完毕，要避光贮存在干燥器皿中。碘化钠晶体封装示意图NaI(Tl)晶体可做成井型晶体，放射源放入此井内，几何条件接近4π立体角，对测量弱放射源十分有利。2.CsI(Tl)晶体CsI(Tl)晶体在空气中不潮解，容易加工成薄片，其主要优点在于：1.不会潮解，无需封装，使用方便；2.密度比NaI更大，探测效率高；3.容易做成极薄的蒸发薄膜，对重带电粒子阻止本领高；4.机械强度大，耐冲击及振动，耐温度冲击而不易破裂；5.可在混合场中甄别不同粒子；CsI(Tl)晶体的不足之处是光输出小，对γ射线能量分辨差，价格昂贵。3.ZnS(Ag)闪烁体ZnS(Ag)发光效率极高，对重带电粒子组织本领大，质量厚度为15mg/cm2的ZnS(Ag)层对210Po的α粒子探测效率几乎为100%，但对γ射线极不灵敏，因此适合在β、γ本底场中用幅度甄别方法测量α、p等带电粒子。缺点是ZnS层是半透明的，只能作α强度测量。4.BGO晶体BGO晶体为1975年开发出来的一种优良闪烁体，