【清华大学工物系课件】电离辐射探测-工程硕士课程(5)-1闪烁探测器

辐射探测学第五章闪烁探测器(scintillationdetectors)2/112whyscintillationdetectors?和气体探测器一样，闪烁探测器也是现在用得最多、最广泛的一种电离辐射探测器。•NaI：在γ能谱测量中的应用。•CsI：在中微子探测中的应用。•BGO：在中子感生γ能谱分析（煤质分析）中的应用。•CdWO4：工业CT•LaBr3：一种新型的优质闪烁探测器闪烁探测器的优点：•探测效率高，适合于测量不带电粒子，如γ射线和中子，能够测量能谱。•时间特性好，有的探测器（如塑料闪烁体、BaF2）能够实现ns的时间分辨3/112第五章闪烁探测器§5.1闪烁探测器的基本原理§5.2闪烁体§5.3光的收集与光导§5.4光电倍增管§5.5闪烁探测器的输出信号§5.6闪烁探测器的主要性能√4/112§5.1闪烁探测器基本原理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。构成部分：闪烁体；光电倍增管；高压电源；分压器；前置放大器入射窗入射粒子荧光光子反射层磁屏蔽层光阴极阳极打拿极管座及高压分压器前置放大器线性放大器高压电源多道分析器闪烁体外壳(暗盒)光耦合窗光电子5/1126/112闪烁探测器的工作过程快电子（重离子）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。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。电子运动在PTM的打拿极间运动并倍增（107~1010）。γ射线的三种效应，中子的核反应，或者带电粒子直接入射①射线沉积能量②电离产生荧光③荧光被转换为光电子④光电子的倍增——决定探测效率——影响能量分辨率——能量分辨率基本被决定——信号的放大决定工作状态：电流、电压？⑤流经外回路——信号的形成7/112§5.1闪烁探测器的基本原理§5.2闪烁体§5.3光的收集与光导§5.4光电倍增管§5.5闪烁探测器的输出信号§5.6闪烁探测器的主要性能√8/112§5.2闪烁体理想的闪烁体应该具有如下的特点：①高探测效率②高发光效率③能量线性好④自吸收小⑤发光时间短⑥可加工性好⑦易于耦合（合适的折射率）为何需要这些特点呢？9/112§5.2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10/112一.闪烁体的分类闪烁体有机闪烁体有机液体闪烁体塑料闪烁体无机闪烁体NaI(Tl)ZnS(Ag)无机盐晶体、22LiO2SiO(Ce)玻璃体2BGOBaF纯晶体、()有机晶体蒽，萘，芪无机闪烁体：探测效率高光输出产额高线性好发光时间较长有机闪烁体：发光时间短光输出产额低气体闪烁体：氩，氙11/112二.闪烁体的发光机制1.无机闪烁体的发光机制0.1eVgE导体：半导体：0.6~2.5eVgE绝缘体：3eVgENaI(Tl)：7.3eVgE重点分析掺杂的无机晶体，以NaI(Tl)，CsI(Tl),CsI(Na)等为最典型，又称卤素碱金属晶体(AlkaliHalideScintillator)。价带禁带激带导带gE12/112•导带上自由电子和价带上空穴可以复合成激子；•激子也可以吸收热运动能量而变成自由电子-空穴。价带禁带激带导带eh•退激可能发出光子•也可能晶格振动而不发光。纯离子晶体：退激发出的光子容易被晶体自吸收，传输出的光子少；禁带宽度大，退激发光在紫外范围，光阴极不响应。入射粒子可以产生电子-空穴对(electron-holepair)也可产生激子(exciton)13/112在晶体中掺杂，叫做激活剂(activator)，含量103量级。禁带价带激带导带eh原子受激产生的电子-空穴迁移到杂质能量的激发态和基态上，使杂质原子处于激发态。形成发光中心或复合中心(luminescencecentersorrecombinationcenters)杂质原子退激：①荧光(fluorescence)：50~500ns③猝灭(quenching)：转换为晶格的热运动。基态激发态杂质形成特殊晶格点，并在禁带中形成局部能级。②磷光(phosphorescence)：亚稳态，发光时间较长。构成了afterglow的主要部分。14/112对许多物质，产生一个电子－空穴对平均约需3倍于禁带宽度的能量；在NaI(Tl)中产生一对电子-空穴对需要~20eV能量；NaI(Tl)的闪烁光能占入射能量~13%，吸收1MeV能量产生总光能：651100.131.310eVphE541.3104.3103phN闪烁光子平均能量~3eV，产生光子数：6411051020eN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：一个电子空穴对一个闪烁光子能量传递给激活剂“晶格点”的效率是很高的15/1122.有机闪烁体的发光机制(略)有机闪烁体都是苯环化合物，分子之间仅有松散的范德瓦尔斯力。其激发与发光是由分子自身的激发和跃迁产生的。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。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。振动能级：0.15eV无辐射内转换：10-12s失去多余振动能量：10-12s/890:10~10tIIes，荧光磷光3:10eorsmor为了提高闪烁效率，可在溶剂中加入高效闪烁物质，构成二元有机闪烁体：液体，塑料。3～4eV16/1123.气体闪烁体的发光机制(略）入射粒子通过介质时，沿径迹产生一批激发了的气体分子，这些激发分子返回基态时便发射出了光子。光子的能量多处在紫外区•必须选用对紫外光敏感的光电倍增管•或者加入少量的第二气体（如氮气），使闪光的波长移入可见光区。17/112三.闪烁体的物理特性1.发射光谱2.发光效率(能量转换效率、光能产额，及相对值)3.发光时间4.闪烁体其它特性哪一项与闪烁体的能量分辨率最相关？18/1121.发射光谱闪烁体发射光子数与光子波长(能量)的关系曲线。发射光谱与闪烁体、激活剂、移波剂、温度有关。19/1122.发光效率发光效率可用三种量来描述：①光能产额②闪烁效率③相对闪烁效率（相对发光效率）NaI(Tl)晶体：Yph(e)=4.3104/MeV。NaI(Tl)晶体：Cnp()=2.6%，Cnp()=13%。(2)闪烁效率（发光效率，能量转换效率）phnpECE(1)光能产额(光输出，光产额)phphnYE20/112闪烁效率与光能产额的关系：npphCYh(3)相对闪烁效率（相对发光效率）闪烁体和闪烁效率(%)相对NaI(Tl)相对蒽NaI(Tl)100230ZnS(Ag)130蒽43100液体闪烁体20~80几种闪烁体的相对闪烁效率希望有较高的发光效率，且对不同能量保持常数。21/1123.闪烁发光时间发光时间包括上升时间与衰减时间。0()(0)tntne单位时间发出的光子数：例如：NaI(Tl)晶体0=0.23s闪烁光脉冲中包含的光子数：000(0)(0)tphnnedtn00()phtnnte所以：上升时间：包括入射粒子耗尽能量的时间(10-9s)和闪烁体中电子激发时间(很短)。衰减时间：22/112对大多数有机晶体和少数无机晶体()fstftsfsnnntee对有机闪烁体()()()()ssffnnenne对一些无机闪烁体()()()()ssffnnenne可以用作粒子甄别。不同类型辐射激发时stilbene晶体的发光衰减曲线与delayedfluorescence有关23/112几种闪烁体的发光衰减时间闪烁体f(ns)s(s)BaF20.60.62CsI(Tl)101.0芪6.20.37蒽330.37液体闪烁体2.40.20塑料闪烁体1.3NaI(Tl)0.23也发现有三种发光衰减时间的闪烁晶体(如PbWO4…)。24/1124.闪烁体的其它特性②透明度和光学均匀性③加工性(malleability)•热锻、车、铣④吸湿性(hygroscopic)⑤温度效应⑥耐辐照特性透明度降低（变色），吸收闪烁光子导致了磷光的产生经过退火可恢复•敏感：Tl掺杂的卤素碱金属，10Gy•不敏感：GSO，106Gy①探测效率•与闪烁体物质(,Z)有关•与体积有关25/112四.常用闪烁体1.NaI(Tl)晶体2.CsI(Tl)和CsI(Na)晶体3.BGO晶体(Bi4Ge3O12)4.ZnS(Ag)晶体5.BaF2晶体6.LaBr3晶体7.蒽晶体8.液体闪烁体9.塑料闪烁体10.气体闪烁体26/1121.NaI(Tl)晶体（sodiumiodide）(1948,RobertHofstadter)密度大，=3.67g/cm3，探测效率高；Z高，碘(Z=53)占重量85%，光电截面大；相对发光效率高，为蒽的2.3倍；发射光谱最强波长415nm，与PMT光谱响应配合；晶体透明性能好；能量分辨率较高，7%@662keV-(有人做到：5.8±0.24%)。可以做得很大：φ500mm×500mm发光时间长(230ns)磷光：0.15秒，9%容易潮解有一定的脆性，机械、热冲击易损坏易受射线损伤：1Gy能量线性问题温度效应中子活化影响Thediscovery,morethananyothersingleevent,usheredintheeraofmodernscintillationspectrometryofgammaradiation27/11228/112NaI(Tl)的温度特性29/112NaI(Tl)晶体封装结构1-硬质玻璃；2-NaI(Tl)晶体；3-光学耦合剂；4-光反射层；5-金属铝壳；6-海绵垫衬；7-密封环氧树脂。30/1122.CsI(Tl)和CsI(Na)晶体密度大，=4.51g/cm3；Z高，铯(Z=55)，碘(Z=53)；机械强度好，柔韧；加工性能好；CsI(Tl)可以用作粒子甄别。发光时间较长：CsI(Na),0.63μsCsI(Tl),1.0μs纯CsI，0.016μsCsI(Na)容易潮解；CsI(Tl)轻度潮解。CsI(Tl)在10Gy的射线剂量后荧光损失10～15％31/112CsI(Tl)在TEXONO中的应用γα32/1123.BGO晶体(Bi4Ge3O12，锗酸铋)单位体积内的光电效率高密度大，=7.13g/cm3；Z高，铋(Z=83)；机械性能好；化学稳定性好；光学透明性好。afterglow小。闪烁效率低，为NaI(Tl)的8～14%。并随温度升高而减小。折射系数大(2.15)，光收集难时间分辨能力不好（factorof2worsethanNaI）价格稍贵于NaI(2～3倍)在高能粒子物理实验中大量使用：～吨计，上海硅酸盐研究所。33/112X光照射下的BGO晶体34/1124.ZnS(Ag)晶体一种古老的无机闪烁体。卢瑟福α粒子大角度散射实验采用ZnS(Ag)屏闪烁效率高，几乎与NaI(Tl)相同多晶粉末；透光性差，不可太厚，约10～20mg/cm2。35/112比较高的密度（4.88g/cm3）高原子序数（56）快响应时间自吸收效应很小，因此晶体可以做得很大（φ10cm×10cm）抗辐照（105Gray）5.BaF2晶体比较好的能量分辨率(对0.662MeV9.1%;1.332MeV6.3%)闪烁效率与温度的关系：快成分：在100～400K（-173～117℃）范围内没有变化慢成分：在250～325K（-23～52℃）的范围内-1.1%/K）光谱在紫外波段，需要专门的PMT配合，如XP2020Q发光效率低，比NaI(Tl)小一个量级。36/1120.6-0.8ns630ns15％85％清华大学物理系徐四大等：φ100×100mmBaF2晶体γ谱仪，时间分辨为0.