5闪烁探测器1_08

第五章闪烁探测器§5-1闪烁探测器的工作原理§5-2闪烁体§5-3光电倍增管§5-4光收集系统§5-5闪烁探测器的应用2020/6/15中国科大汪晓莲2§5-1闪烁探测器的工作原理一、典型的闪烁探测器装置电子学仪器光电倍增管闪烁体闪烁探测器2020/6/15中国科大汪晓莲3二、工作原理•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。设入射粒子能量为Ei,在闪烁体内损失的能量为如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hv,则发射光子的数目1iEKPRh1iKE2020/6/15中国科大汪晓莲4•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，使闪烁体发射的光子尽量少自吸收，并在闪烁体和光电倍增管之间价光导。•光电转换：光阴极吸收光子发射光电子。设光电转换效率为，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•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Q＝Mne，输出电容为C，则电压脉冲'NqR11iiKPlqeMEneMEQVChCCKPlqNnhE入射粒子单位能量产生的光电子数2020/6/15中国科大汪晓莲5•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。•增大输出脉冲幅度的方法：1）选择光产额大的晶体；2）提高光阴极光电转换效率；3）提高电子传输系数q；4）提高光电倍增管的放大倍数M。2020/6/15中国科大汪晓莲62020/6/15中国科大汪晓莲7§5-2闪烁体一、闪烁体的基本特性1、发光效率：表示闪烁体把所吸收的粒子能量转变为光的本领。可用两个量来表示。1）光输出S：定义在一次闪烁过程中传输的光子数目R和入射粒子在闪烁体内损失的能量E之比。2）能量转换效率P：定义一次闪烁过程中产生的光子总能量和入射粒子损失能量之比。3）光输出和能量转换效率这两个量的绝对测量很复杂，实际中往往与标准闪烁体蒽晶体相比较给出相对值。/MeVRSE光子数，入射粒子损失单位能量产生的光子数。RhPShE通常用%表示2020/6/15中国科大汪晓莲82、能量响应：表示输出脉冲幅度与入射粒子能量之间的关系。闪烁探测器的能量响应线性并不好，既与入射粒子种类（电荷和质量）有关，又与粒子能量有关。只在较高能量情况下才近似线性关系。气体闪烁体最好，无机闪烁体次之，有机闪烁体最差。3、发射光谱：闪烁体发射的光子数随波长的分布称作闪烁体的发射光谱。1）图表法：常给出的是光致发光光谱。P127图5－3闪烁体在受到高能粒子激发后发射的光谱在可见光区。不同的闪烁体和不同的入射粒子，其光谱特性不同。2020/6/15中国科大汪晓莲92）平均波长或平均能量表示法：如NaI(Tl)晶体，3）用主峰位波长0和半高宽表示：如NaI(Tl)晶体，0=4150Å，＝850Å4、发光衰减时间闪烁体原子受激后发射光子的增加和退激后光子的衰减都是随时间按指数规律变化。由于光子产生的过程比衰减过程快得多，光子产生过程可忽略，用发光的衰减过程来描述整个过程。不同闪烁体有不同发光衰减时间，有快慢成分之分，近似表示为04100A124003.04100CeVEhheV平均波长＝，响应的平均能量/0()tItIe//fsttfsfsItIeIens，：数量级，：几十——几百ns数量级2020/6/15中国科大汪晓莲104、发光衰减时间•对同一闪烁休，τ与入射粒子种类有关，例如对CsI(T1)晶体，粒子入射τ=1100ns，粒子入射τ=430ns。不一样将造成输出脉冲形状不同，可以通过辨别脉冲形状来区分入射粒子的种类。利用这种方法可鉴别和；中子和。还与温度有关，温度降低，衰减时间变短。•对气体闪烁体，是气压P的函数。一般地说，随着P的增大，减小。例如对氖，P=5cmHg,=14ns；P=48.5cmHg，=5.5ns。2020/6/15中国科大汪晓莲11利用单光子测量闪烁体发光衰减时间2020/6/15中国科大汪晓莲125、能量分辨率闪烁计数器的能量分辨率包括了闪烁体和光电倍增管的贡献。影响能量分辨率的因素有：1）闪烁体的发光效率；2）闪烁体的固有分辨率；3）PMT光阴极的光收集效率；4）光阴极光电转换效率；5）第一倍增极收集效率和二次电子倍增系数等。不同闪烁体的固有能量分辨率不同，NaI(Tl)闪烁体的能量分辨率在各种闪烁体中是最好的。有机闪烁体的能量分辨率都比较差。222TsPMT2020/6/15中国科大汪晓莲136、技术衰减长度描述光在闪烁体内传播的一个物理量。定义为：闪烁光在闪烁体内传播时，光衰减到初始时的1/e所走过的距离分为本征衰减长度和技术衰减长度。本征衰减长度是由闪烁体内部光学性能决定的，主要取决于闪烁体的成分。技术衰减长度与闪烁体的形状、表面反射情况等外部技术条件有关。7、其他特性探测效率：粒子在闪烁体内产生脉冲信号与入射粒子数之比温度效应：闪烁体性能随温度的变化。辐照效应：闪烁体性能随辐照剂量的累积发生的变化。0NN2020/6/15中国科大汪晓莲14二、无机闪烁体•大都是固体晶体，是绝缘体。•有快发光特点或发光成分中有快发光过程的晶体。如：BaF2，CaF，NaI，CsI等。•大比重的晶体，如：BGO，LSO(Ge)，LuAP(Ge)，PWO等，密度大，对粒子阻止本领大，适于高能探测器小型化。•应用最广泛的是碱金属卤化物闪烁晶体，常用的有：NaI(Tl)，CsI(Tl)，ZnS(Ag)等。P130表5－12020/6/15中国科大汪晓莲151、无机闪烁体的发光机制：固体能带论•以NaI(Tl)为例，其禁带宽度为7.3eV。在闪烁体中入射粒子除了由于电离产生电子空穴对以外，还会因激发产生激子。即入射粒子给予电子的能量不能使它电离到导带上，而只能处在导带下面的激子能带（激带）上。激子是激带内的电子和价带中的空穴的总称，它们没有完全电离，还有静电约束，在晶格中一起运动。2020/6/15中国科大汪晓莲16•晶体内的杂质和晶格缺陷形成三种俘获中心：荧光中心、猝灭中心和陷阱。俘获中心分基态和激发态。基态俘获激子的空穴或价带的空穴，激发态俘获激子的电子或导带的电子。俘获中心从基态被激发而到达激发态，就好像俘获中心基态的电子直接被激发到激发态。退激时有三种可能。1）在荧光中心激发态的电子，很快发射光子跳回基态，时间很短(10-9s)，是闪烁光的快成分，称作荧光。2）在猝灭中心激发态的电子，将激发能传给周围的晶格作振动，以热能形式消耗激发能而不发射光子，这就是猝灭过程。3）在陷阱中的电子处在亚稳态，停留较长时间，或以非辐射跃迁回到价带，或从晶格振动中获得能量，重新跃迁到导带，再重复过程一或二回到基态。按过程一，发射光子称作磷光，发光时间较长，是闪烁光的慢成分，一般大于10-6s。2020/6/15中国科大汪晓莲17•有的陷阱中的电子仅有热运动跳不回导带，必须由外界再给它能量，如光照、加热等。靠加热才能发射的光叫热释光；靠光照才能发射的光叫光释光。这是两种固体发光材料，常用作外照射个人剂量仪。•由杂质的孤立能级退激到价带时，发出的光子能量小于禁带宽度。即闪烁体发光频率不等于吸收频率，闪烁体的发射光谱与其吸收光谱不重合。所以闪烁体不会自吸收这部分光。•为了提高闪烁体的发光效率，可以掺杂，如Tl、Ag等“激活剂”。激活剂粒子形成发光中心或俘获中心。但实验发现激活剂并不是必不可少的。2020/6/15中国科大汪晓莲182、常用无机闪烁体1）NaI(Tl)晶体•特点：发光效率高，密度大，含有大量原子序数高的碘，因此对射线探测效率高，有较好的能量分辨率，是探测射线的主要探测器。透明度好，制备简单，可以加工成各种形状，常用的是圆柱形（最大750×250）、井型、环形、薄片形等。•缺点：衰减时间长，易潮解。•封装：2020/6/15中国科大汪晓莲192）CsI(Tl)晶体密度和平均原子序数比NaI(Tl)还要大，因此对射线探测效率更高，且不易潮解。但通常发光效率比NaI(Tl)低，能量分辨也不如NaI(Tl)。然而在液氮温度下比NaI(Tl)有更高的发光效率。3）ZnS(Ag)白色多晶粉末，使用时喷涂在有机玻璃板上。它的发光效率高，但透明度差，只能做的很薄，故不适合探测电子和射线，主要用于探测粒子和重粒子。ZnS(Ag)喷在聚苯乙烯塑料球内壁测量气体放射性。ZnS(Ag)＋有机玻璃粉热压成快中子屏；ZnS(Ag)＋甘油＋硼酸或10B做成慢中子屏。2020/6/15中国科大汪晓莲204）锗酸铋（BGO）晶体密度为7.13g/cm3，发射光谱主峰位在4800Å，易于与光电倍增管匹配，不潮解，是高能物理实验重要的闪烁体之一。5）钨酸铅（PWO）晶体无色透明晶体，折射率2.16，密度为8.28g/cm3，发射光谱主峰位在4000-5000Å，易于与光电倍增管匹配。辐射长度0.89cm，莫利哀半径2.2cm，可使探测器小型化。不潮解，抗辐照。最大的缺点是光产额较低。6）玻璃闪烁体•制造简单，成本低，透明度好，化学性能稳定，耐酸碱，耐潮湿，耐高低温，发光衰减时间0.1s。最大的缺点是发光效率低，仅为NaI(Tl)的4％。•掺LiO2或10B的玻璃，主要用于探测中子•铅玻璃：主要用于探测射线。2020/6/15中国科大汪晓莲217）快晶体•氟化钡（BaF2）波长为195nm，220nm和310nm，对应的发光衰减时间分别为0.87ns，0.88ns和600ns。•氟化铈（CeF3）2个快成分，无慢成分。•硅酸镥（LSO）对γ射线具有响应时间快(50ns)、发光产额高(为NaI(Tl)的76%)、抗辐照性能强、不易潮解，具有较强的中子、γ分辨本领。•硅酸钆（GSO）密度6.71g/cm3，辐射长度X0=1.38cm，核作用长度为22.2cm，发光产额大（为NaI(Tl)的30%）发光衰减时间为56ns。•铝酸钇（YAP:Ce）Z=39；密度5.37g/cm3；能量分辨率好；发光产额大（NaI(Tl)的40%～50%），发光衰减时间短（25～30ns），最大发射波长为350nm，光输出随温度的变化率小于0.01%/0C。2020/6/15中国科大汪晓莲22BGO,LSO&LYSOSamplesCubic:1.7cm3(1.5X0);Long:2.5x2.5x20cm(18X0)CPILYSOSaint-GobainLYSOSICBGOCTILSO2020/6/15中国科大汪晓莲231.5X0CubicFullSizeSamplesBaBarCsI(Tl):16X0L3BGO:22X0CMSPWO(Y):25X0BaBarCsI(Tl)L3BGOCMSPWO(Y)PbWO4BGOCeF3BaF2CsI2020/6/15中国科大汪晓莲24LightYieldandDecayKinetics2020/6/15中国科大汪晓莲25三、有机闪烁体•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。•