[工学]5闪烁探测器1.ppt

2005年9月－12月 合肥 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 §5-1闪烁探测器的工作原理 一、典型的闪烁探测器装置 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 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 二、工作原理 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?，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。 §5-2 闪烁体 一、闪烁体的基本特性 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和带电粒子在闪烁体内损失的能量之比。 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带电粒子损失能量之比。 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。 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。 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。 发射光谱： 2）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=4150?， ??＝850? 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 利用单光子测量闪烁体发光衰减时间 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。 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。 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。 二、无机闪烁体 大都是固体晶体，是绝缘体。 有快发光