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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。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。(2)荧光光子被收集到光电倍增管(尸拉乃的 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）无机闪烁体：无机晶体（掺杂）NaI（Tl CsI（Tl ZnS（Ag）玻璃体LiO2-2SiO2（Ce）（锂玻璃）纯晶体 Bi4Ge3O12 BGO2）有机闪烁体有机晶体意:晶体等;有机液体闪烁体及塑料闪烁体.3）气体闪烁体：4、X得。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，以可”(固),Cs/(77),C(N0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 导世再用原子能级表示，.而用“能带”来描述。=晶体的发光机制 禁带 一4激带取决于整个晶体 J的电子能态。价带对于离子晶体，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 生的电子一空穴对称之为激子。激子只 能在晶格中束缚在一起运动。（激发）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由电子一空穴对。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。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。激发态的杂质原子有三种可能的退激方式: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%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。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”。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。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。0.0300usOJMMg 凶Gn丐xl-MJO-s400 500Wavctcnglh(nm)R qjg)600.O.K6Lo.60.0 350 400 450 300 550 600 650Wavelength(mnlFig.1.Scintillation emission spectrum of BGO.Figure 1 Scintillation emission spectrum of a canned Nal(TI)crystal.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。E发光效率：E马“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。以为例：对粒子13%；对。粒子 Cnp 2.6%)光能产额：y=为_ ph E为产生的闪烁光子总数。发光效率与光能产额的关系：光子数I MeVY _ nph _ Eph 1 _ gp 加一万一石五一而以为例对lMeP的粒子，发射光子平均能量hv-3eV%=4.3x104光子琴乙匠ph 2eV/MeV3）发光衰减时间受激过程大约lO-lO11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，时刻单位时间发 射光子数：n（0）e/了为发光衰减时间，即发光强度降为皿所 需时间。由总光子数00/nph=fn（0）e/a=h（0）to得到：州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：(/)=ns(t)=-e +2e 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N（77）发光效率高，Z2高，适宜于y射线 探测。易潮解，须仔细封装。【庄imimo益;考怎一丁3 j i t I j.80-60-40-20 0 20 40 60 SO 100 120 140 Tempennire Figure 2.Temperature response of various scintillation materialsMX)700600500400300200)00060 20 20 60 l(X)140 18(1Tempenture|*C|Figure 3,Temperature dependence of the decay timeof Nal(TI).。“（77）不潮解，价贵。Zs（/g）将为S（4g）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，测粒子。有机液体闪烁体溶剂（二甲苯）+发光物质（PP。）+移波剂（popop）。放 于玻璃或石英杯中。塑料闪烁体 苯乙烯（单体）+PPO+POPOP,聚合成塑料。Table 1:Summary of Scintillator CharacteristicsNal(TI)BGOCsl(TI)Pure CslBaF2GSO:CePlasticLSOPWOYAPDensity(g/cm3)3.677.134.514.514.886.711.037.358.285.55Refractive Index1.852.151.801.801.581.851.581.822.161.97HygroscopicYesNoSlightlySlightlySlightlyNoNoNoNoNoLuminescence410480530310325430400420470380(nm)220310Decay Time230300100010630302.0401530(nsec)0.9Relative Light Output1001545 to 50-匕i=_SN 山 S1NC 山 Q O H l s o l o H d10080TRANSMISSION MODE PHOTOCATHODEo 086 4 2 086 4 2 12 1 6 s s40200 300 400 500 600 700800 1000120000WAVELENGTH(nm)2）光照灵敏度光阴极的光电子流阴极灵敏度 Sk=M/Lm阳极电流 光通里阳极灵敏度 SA=/4 A/Lm/rwrd普益阳极接受到的电子数 第一打拿极收集到的电子数M=Sc*品=（就二世出 gcK打拿极间电子传输效率3)尸拉丁暗电流与噪声当工作状态下的光电倍增管完全与光辐射隔 绝时，其阳极仍能输出电流(暗电流)及脉冲信 号(噪声)。成因：(1)光阴极的热电子发射。(2)残余气体的电离一一离子反馈；残余气体的激发一一光子反馈。(3)工艺一一尖端放电及漏电指标:噪声能当量。当没有任何光子照射到光阴极上时可测得噪声谱一即噪声输出脉冲幅度的分布，当纵坐标取=500时相应的脉冲幅度 所相应的入射粒子能量，称为噪声能当量单位是以匕阳极暗电流，实际上它是噪声脉冲信号电流的平均值,一般为10,04。4）的时间特性飞行时间（渡越时间）乙一个光电子从光阴极到达阳极的 平均时间。渡越时间离散4的分布函数的半宽 到达阳极的痛个电子都经历了不同的倍增过程和飞行距离，反映了飞行时间的涨落，是决定闪烁 计数器分辨时间的限制因素。5)PMT的稳定性稳定性是指在恒定辐射源照射下,光电倍增管的阳极电流随时间的变化。包含两部分:短期稳定性，指建立稳定工作状态所需的时间。一般在开机后预热半小时才开始正式工作。长期稳定性：在工作达到稳定后，略有下降 的慢变化，与管子的材料、工艺有关，同时 与周1的环境温度有关。长期工作条件下,须采用“稳峰”措施。3、加使用中的几个问题1）光屏蔽，严禁加高压时曝光。2）高压极性：正高压和负高压供电方式。正高压供电方式，缺点是脉冲输出要用耐高压 的电容耦合，耐高压电容体积大，因而分布电 容大。高压纹波也容易进入测量电路。负高压供电方式，阳极是地电位，耦合方式简 单，尤其在电流工作方式。但其阴极处于很高 地负电位，需要注意阴极对处于地电位的光屏 蔽外壳之间的绝缘。3）分压电阻由于当电子在两个联极间运动时，会在分压电阻上流过脉动电流，必须保证脉动电流远小于 由高压电源流经分压电阻的稳定电流，以保证 各打拿极的电压稳定。这也对高压电源的功率 提出了要求。4）最后几级的分压电阻上并联电容，以旁 路掉脉动电流在分压电阻上的脉动电压，达到稳定滤波的效果。9.3闪烁探测器的输出信号I.闪烁探测器输出信号的物理过程及输出回路n.输出脉冲信号的电荷量in.闪烁探测器的电流脉冲信号 w.闪烁探测器的电压脉冲信号 v.闪烁探测器输出信号的涨落I.闪烁探测器输出信号的物理过程及输出回路L闪烁探测器输出信号的过程PHOTOCATHODERADIATIONSOURCESCINTILLATORPMT2.闪烁探测器信号的输出回路3.输出回路 的等效电路+V口I 输出回路的等效电路OIa（t），Ro=co v（t）I R=Rl+V Co=C+C入+分布电容II.输出脉冲信号的电荷量1、光电倍增管输出信号的总电荷量取决于:闪烁体发出的闪烁光子数：nph=Yph-E光子被收集到光阴极上的概率：/A光阴极的转换效率：以光电子被第一打拿极收集的概率：gc,A光电倍增管总的倍增系数：M2、第一打拿极收集到的光电子数为:ne=nph T3、阳极收集到的电子数为:nA=ne-M=nphT-M=EYphT-M4、阳极收集到的总电荷量为:%,=目YnhTMe pn可以看出，闪烁探测器输出脉冲信号的电荷量。是与入射粒子在闪烁体内损耗的能 量E成正比的.即：Qqc Ein.闪烁探测器的电流脉冲信号1、单位时间内第一打拿极收集到的光电子数单位时间内闪烁体发出的光子数为：T单位时间内第一打拿极收集到的光电子数为：一2、单光电子引起的电流脉冲信号单个光电子到达 第一打拿极时刻J1倍增的各电子到达 阳极的时刻*，e2.单个光电子引起的 电流脉冲宿号pQ)电子在光电倍增管中的 平均飞行时间3、一次闪烁所引起的阳极电流脉冲一次闪烁输出电流脉冲为与夕（，）的卷积即:/（，）=代入：段”?7 Jo 工n.T t（一,）/闪烁探测器输出/）=上 e 4pQM电流脉冲一般表工 i 达式的卷积形式n两边微分并整理I.t./I闪烁探测器输出电流脉冲TdT+ph0口一般表达式的微分形式 上式和卷积形式一样给出了输出电流脉冲与发光衰减 时间T及单光电子电流响应P(t)的关系。在很多情况下，与工相比，是一个非常窄的 时间函数，这时可以忽略电子飞行时间的涨落，用3函数来近似P(t)即：可设=MT 0/（，）=0nphttMe邑J/（，）TT M c一（/）/工IV.闪烁探测器的电压脉冲信号%）=由等效电路 IOw R0 TCo v（t）可得:+C0八.、n h T M 代入：/（，）=-人 T令：Q=n n广TMepndtT,房M尺“。_，1、当&。（时 y（t）ccQccEJ/I/%)=9短时间内：即，（，）=3（1-。一”在，a5r,但仍满足/%。0%）=&=C。经过较长时间，即。与。0%）=%V(t)=Q gc Cc G一 Rog-tlx2、当 A。T 时r 对/_n 1 -a凡时 r同6s-iy2nA（1+吸）=ne,811+511b口1n ph 9 T/Aan由此可推算闪烁谱仪的能量分辨率极限值为:AE NhT=-=-=2.36vh=2.36v=2.36E h A n-T ph 1+2.1、修正结果:v2=.-4 nph-f1+i+(1+Vj)%2五ph1、闪烁探测器输出电荷量输出信号小结:闪烁体发出的闪烁 光子数勺第一打拿极收集到 的光电子数ne阳极收集到的电子 数明ph=Yp/Ene=nPh TnA=ne MQ=nAe=ne-Me=nphT-Me=YphET-Me2、闪烁探测器输出电流脉冲信号闪烁体发出的闪烁 光子数的规律n(t)第一打拿极收集到的 光电子数的规律单光电子所引起的电 流脉冲信号p(t)TTpt)=Me-3(t-te)(te )0 tte/(，)=Q加 一e i乙i3、闪烁探测器输出电压脉冲信号由等效电路得：/）=等+。竽 Rq at求解得：V一（一。0）L两种脉冲工作状态：电压脉冲和电流脉冲。电压脉冲型工作状态电流脉冲型工作状态条件脉冲前沿 脉冲后沿 脉冲幅度Rc0 工二导E大:优点快：优点YUE小：缺点>实际应用中，为得到较大幅度和较小宽度，取&C。c 且要尽量减小c4、闪烁探测器输出信号的涨落多级串级随机变量的相对均方涨落闪烁体发出的闪烁光 子数九p/z的涨落（泊松）2 1V=-n ph pn riuph第一打拿极收集到的 光电子数e的涨落（泊松串伯努利=泊松）2 _ 1 _ 1Vne-T ne 3T光电倍增管的倍增系 数M的涨落（多个泊 松的串级）2 8 1y M M R0-1)阳极收集到的电子数 nA的涨落2 1 Z1 2 1/1 5/1、VnA-(1+%)-T(1+J)3 fT 必“1闪烁谱仪能量分辨率的极限:AE Ah77=-=-E h=2.36k=2.36v fl/fl A=2.369.4单晶闪烁谱仪1、v闪烁谱仪的组成与工作原理闪烁体、外以及配套的电子学仪器组成。x或v射线不带电，它与闪烁体的相互作用 是通过三种次级效应实现的，它产生的次级 电子的能谱是相当复杂的，因而由次级电子 产生的输出脉冲幅度谱也是相当复杂的。以闪烁晶体的单晶V闪烁谱仪为例2、单能射线的输出脉冲幅度谱 1）单能了射线在闪烁体内产生的次电子谱Y射线与物质的相互作用：f光电效应：光子消失，产生光电子!康普顿散射：散射光子，反冲电子I电子对效应：光子消失，产生正负电子对正电子湮没产生两个0.511Me V 的湮没光子。(1)小晶体。尺寸小于1。加。可认为由入射y光子产生的次级Co色口修光子 或电子对效应中产生的正电子湮没光子这些 次级辐射离开闪烁体，不再与闪烁体发生相 互作用。逃逸的散射Y光子 单次Co阿加”散射 电子对效应光电吸收逃逸的湮没光子(2)无限大晶体次级光子带走的能量也最终转化为次级电子 的能量，因此单能y光子入射后所产生的总的 次级电子能量就等于入射y光子的能量。全能峰hv E(3)中等大小晶体次级效应中产生的光子部分逃出闪烁体。光电吸收Compton 散射+多次散射后逃 逸的y光子电子对产生单逃逸湮没光子hv Imchv 2mQchv lmc1 hv mc1 抑E图中各部分的面积与入射单能Y光子产生各种效 应的截面有关，也与闪烁体的大小有关。曾 闪烁体越大，光电峰的面积越大勿越小？2）单能了射线输出脉冲幅度谱，首先取决于 入射丫光子所产生的次级电子能谱。因此单能丫射线的输出脉冲幅度谱基本如 上面所示的形状，但是存在一定差别。光电吸收特征X射线Co淹没光奈由于统计涨落引起的展宽闪烁体周围物质的影响mpton(3)PMT的噪声散射 0.2 MeVE3）几个典型单能y射线谱(a)55Fe(b)137cs100030 yr.7/2+010000-(2H dia.x 2H t)Q=1175.63池皿11/2661.66a13756s0a stable00o50S I N n。500CHANNEL NUMBER3、单晶v射线谱仪的性能1）响应函数一闪烁谱仪对某单能v射线的脉 冲幅度谱。2）能量分辨率用全能峰（光电峰）来确定闪烁谱仪的能量分辨率n=Definition of Pulse Height ResolutionS 山 s，n d L0 比山msnNPULSE HEIGHTPulse Height Resolution(FWHM)=群 100%全能峰的半宽度 全能峰顶所在处的幅度值二票牛 2.36%2.36%7=2.36 1+5一次闪烁中0I收集的光电子数串级事件的第一级倍增因子产生一个被第一打拿极收集的光电子所 需要的平均能量。能量分辨率的影响因素:(1)ne=nPh T nph Tl 则小。(2)%大，贝IJ小。(3)高压稳定性的影响.M=aV：n b nx AM A、-=/-M V.至诙 AM右要：1%一般要某寺则要求：竺10.1%0.05%=n道不(4)道宽的影响半高宽3)能量线性单位能量输出幅度与入射粒子能量的关系。理想情况：闪烁体的发光效率C即与入射粒子的 能量无关，这样“全能峰”处的幅度就与入射 Y光子的能量成正比。E=Gx Ch+Eq实际上：由于发光效率与入射粒子种类和能量 有关。对于Y能谱只涉及电子引起的闪光，因 此y谱仪的非线性是由发光效率随电子能量不 同而产生的。对Nal(Tl),在lOOKePIMe匕变化约15%。4)y射线探测效率对平行入射的丫光子束)I晶体厚度探测效率：=LJ。%加高Z,p,大。的闪烁体探测效率高。用谱分析求探测效率，常定义源峰效率:=全能峰的计数%一放射源放出的逸子数5）时间特性对分辨时间，它主要取决于输出电压脉冲 信号的宽度。对电压脉冲工作状态，条件：R0C0 r 取决于居）。对电流脉冲工作状态，条件：RqC0 T 取决于工。对时滞及时间分辨本领：主要取决于光电 倍增管的电子飞行时间。及其离散。为获得好的时间分辨本领须选用快速光电 倍增管。6）稳定性主要由尸决定短期稳定性对短期稳定性，须考虑开机预热达到 稳定的时间。长期稳定性长期稳定性是由环境温度和的老 化和使用寿命决定，为保持长期稳定 性经常采用稳峰（或称稳谱）技术。