1、第五章閃爍探測器，5-1閃爍探測器工作原理5-2閃爍探測器5-3光電倍增管5-4光收集系統(tǒng)5-5閃爍探測器應用，2020/6/25，中國科學大學王曉蓮，2，5-1閃爍探測器工作光電倍增轉換為光電的光電光子在光電倍增管(光電倍增管)中翻倍，最后由陽極收集，輸出電壓或電流脈沖由電子器件記錄。這里：過帳的粒子通過庫侖作用電離并產(chǎn)生閃爍原子分子，從而失去能量。在x射線和射線注入的情況下，通過光電效應、康普頓效應和電子對效果損失能量產(chǎn)生第二次帶電粒子，第二次帶電粒子電離并刺激閃爍體原子分子。如果將入射粒子能量設置為Ei，將閃爍體內(nèi)丟失的能量設置為K1=1，則入射粒子能量在閃爍體內(nèi)完全丟失。某些粒子(如K

2、11)退出閃爍器。反激：如果將發(fā)射光子的概率設置為p，產(chǎn)生光子的平均能量為HV，則光子數(shù)，2020/6/25，中國科學大學王曉蓮，4，光的傳輸：光子通過光學器件和光電倍增管到達光電倍增管的部分光電池在傳輸過程中被吸收或散射，無法到達光極。光子的傳輸系數(shù)為l時，到達光電池的光子數(shù)r=lr。要盡可能大，必須使閃爍體的發(fā)射光譜和吸收光譜不匹配，以便盡可能少地自吸收閃爍體發(fā)出的光子，并在閃爍體和光電倍增管之間制定光電導。光電轉換：光電池吸收光子，發(fā)射光電。光電子轉換效率是光電子的1倍電子傳輸系數(shù)為q時，光電子的1倍光電子的數(shù)倍。光電在光電倍增管中翻倍，最后在陽極收集。如果將光電倍增管的倍增系數(shù)設置為m

3、，則在陽極上獲得Mn個電子，其電荷為q=MNE，輸出電容為c時的電壓脈沖，2020/6/25，中國科學大學王曉蓮，5，輸出：形成的電壓脈沖由電子集放大、分析和記錄的電樞或前置放大器輸出輸出脈沖與入射粒子能量成正比。增加輸出脈沖振幅的方法：1)選擇光產(chǎn)量大的決定；2)提高光伏光電轉換效率；3)提高電子傳輸系數(shù)q。4)增加光電倍增管放大m。2020/6/25，中國科技王曉蓮，6，2020/6/25，中國科技王曉蓮，7，5-2閃爍體，第一，閃爍體的基本特征1，可以用兩個量來表示。1)光輸出s:定義在一次閃爍過程中傳輸?shù)墓庾訑?shù)r和入射粒子在閃爍體內(nèi)丟失的能量e的比例。2)能量轉換效率p:定義在一次閃爍

4、過程中產(chǎn)生的光子總能量與入射粒子損失的能量之比。3)光輸出和能量轉換效率這兩種金額的絕對測量很復雜，實際上與標準閃爍體蒽晶體相比，經(jīng)常提供相對值。2020/6/25，中國科技王曉蓮，8，2，能量響應：表示輸出脈沖振幅和入射粒子能量之間的關系。閃爍探測器的能量響應與入射粒子種類(電荷和質量)和粒子能量都相關，因此不是線性的。僅在高能量情況下近似線性關系。氣體閃爍器最好，武器閃爍器最好，有機閃爍器最差。3，發(fā)射光譜：閃爍體發(fā)射的光子數(shù)的波長的分布稱為閃爍體的發(fā)射光譜。1)圖表方法：經(jīng)常給出光致發(fā)光光譜。P127圖5-3，可見光區(qū)域中高能粒子刺激后閃爍體發(fā)出的光譜。不同閃爍體和不同入射粒子具有不同的

5、光譜特性。，2020/6/25，中國科技王曉蓮，9，2)平均波長或平均能量表示：NaI(Tl)確定，3)主要峰值位波長0和半高(例如NaI(Tl)確定，0=光子的生成速度比衰減過程快得多，因此可以忽略光子生成過程，并通過發(fā)光的衰減過程描述整個過程。不同的閃爍體具有不同的發(fā)光衰減時間，慢分量，約為2020/6/25，中國分公司王曉蓮，10，4，發(fā)光衰減時間，相同閃爍休的情況下，決定CsI(T1)，粒子入射=1100 nn輸出脈沖形狀不同，可以區(qū)分接收粒子種類的脈沖形狀不同。使用此方法識別和；中子和。還與溫度相關，溫度下降，衰減時間縮短。氣體閃爍器是壓力p的函數(shù)。通常隨著p的增加而減少。例如，氖，

6、p=5 cmhg，=14 ns，P=48.5cmHg，=5.5 ns。2020/6/25，中國科技王曉蓮，11，用單光子測量閃爍體發(fā)光衰減時間，2020/6/25，中國科技王曉蓮，12，5，能量分辨率，閃爍體能量影響能量分辨率的因素包括：1)閃爍體的發(fā)光效率；2)閃爍體的固有分辨率；3)PMT光電池的光收集效率；4)光電轉換效率；5)第一乘數(shù)收集效率和第二電子乘數(shù)系數(shù)等。如果閃爍體的固有能量分辨率不同，則NaI(Tl)閃爍體的能量分辨率在各種閃爍體中最佳。有機閃爍體的能量分辨率更差。2020/6/25，中國科學技術大王孝廉，13，6，描述技術衰退的長度，光在閃光的身體內(nèi)傳播的一個物理量。定義如

7、下：閃爍光在閃爍身體內(nèi)傳播時，光衰減到初始時間的1/e的距離除以該特征的衰減長度和技術衰減長度。固有衰減長度主要由閃爍體的組件決定。技術衰減長度與閃爍體的形狀、表面反射情況等外部技術條件有關。7、其他特性檢測效率：粒子在閃爍中脈沖信號與入射粒子數(shù)的比率溫度效應：閃爍器性能隨溫度變化。照射效果：閃爍體的性能隨照射劑量的積累而變化。2020/6/25，中國科技王曉蓮，14，2，無機閃爍體，大部分固體晶體，絕緣體。快速發(fā)光特性或發(fā)光成分中具有快速發(fā)光過程的晶體。例如，BaF2、CaF、NaI、CsI等。BGO、LSO(Ge)、LuAP(Ge)、PWO等，密度高，粒子阻擋能力強，非常適合于能源探測器的

8、小型化。最廣泛使用的是堿金屬鹵化物閃爍晶體，包括NaI(Tl)、CsI(Tl)、ZnS(Ag)等。P130表5-1，2020/6/25，中國科技王曉蓮，15，1，武器閃爍體的發(fā)光機制：固體能帶理論，NaI(Tl)的情況下，禁帶寬度為7.3eV。當粒子進入閃爍體時，除了由電離引起的電子孔對外，刺激還會產(chǎn)生激子。也就是說，入射粒子給電子的能量不能電離到導帶上，只能位于導帶下的激子帶(刺激帶)上。激子是沖擊帶內(nèi)電子和原子價帶內(nèi)腔的總稱，它沒有完全電離，有靜電約束，在晶格內(nèi)一起運動。2020/6/25，中國科學技術王曉蓮，16，晶體中雜質和晶格缺陷形成熒光中心、淬火中心、艦艇三個捕獲中心。捕獲中心分為

9、基態(tài)和激發(fā)態(tài)。捕獲基態(tài)激子的空洞或原子價區(qū)域的空洞，此狀態(tài)捕獲激子的電子或傳導區(qū)域的電子。捕獲中心從基態(tài)到達激發(fā)態(tài)，捕獲中心的基態(tài)電子直接到達激發(fā)態(tài)，就像到達激發(fā)態(tài)一樣。撤退的時候有三種可能性。1)在熒光中心，處于此狀態(tài)的電子快速發(fā)射光子，以基態(tài)運行，短時間(10-9s)，作為閃光的快速成分稱為熒光。(2)在急冷中心，處于此狀態(tài)的電子產(chǎn)生可以傳遞給周圍晶格的振動，不發(fā)射光子，以熱的形式消耗這里的能量，這是急冷過程。3)陷阱中的電子停留在準穩(wěn)定狀態(tài)下，不是停留很久，不是輻射，而是轉移回原子價，或從晶格振動中獲得能量，轉移回導向，然后將過程重復到一、二基態(tài)。每個過程的發(fā)光光子稱為磷光，發(fā)光時間長，

10、閃爍光的緩慢成分，通常大于10-6s。2020/6/25，中國科技大學王曉聯(lián)，17，有些陷阱中，電子不能單靠熱運動回到指南上，必須從外部重新提供照明和加熱等能源?？梢酝ㄟ^加熱發(fā)射的光稱為熱釋光。光能發(fā)射的光稱為光發(fā)射。這是兩種固體發(fā)光材料，通常用作外部照射個人劑量計。從雜質的單獨能級后退到原子價時釋放的光子能量小于帶隙寬度。也就是說，閃爍體發(fā)光頻率不等于吸收頻率，閃爍體的發(fā)射光譜不等于其吸收光譜。所以閃爍體不會自我吸收。為了提高閃爍體的發(fā)光效率，可以像Tl、Ag等“激活器”一樣摻雜?；钚詣┝Ｗ有纬砂l(fā)光中心或誘捕中心。但實驗表明，活化劑不是必需的。2020/6/25，中國科技王曉蓮，18，2，一

11、般無機閃爍體1)NaI(Tl)晶體，特點：高發(fā)光效率，密度，高原子序數(shù)碘含量，射線檢測效率高，良好的透明度、簡單的準備、多種形狀的加工，通常使用圓柱形(最高750250)、井、圓形、薄片等。缺點：衰減時間長，潮解容易。包：2020/6/25，中國科技王曉蓮，19，2)CsI(Tl)晶體密度和平均原子數(shù)均大于NaI(Tl)，因此射線檢測更有效，不易排版。但是，通常發(fā)光效率低于NaI(Tl)，能量分辨率不如NaI(Tl)。但是，液氮溫度下的發(fā)光效率比NaI(Tl)高。3)ZnS(Ag)白色多晶粉末，使用時噴射在有機玻璃板上。發(fā)光效率高，但透明度低，可做的非常薄，不適合檢測電子或射線，主要用于檢測粒

12、子或重粒子。ZnS(Ag)撒在聚苯乙烯塑料球的內(nèi)壁上測量氣體放射性。Zns (ag)有機玻璃粉末熱壓快中子屏；使Zns (ag)甘油硼酸或10B成為慢中子屏。2020/6/25，中國科技王曉蓮，20，4)鍺酸鉍(BGO)晶體密度為7.13g/cm3，發(fā)射光譜主峰位于4800，與光電倍增管容易匹配，不溶藻(5)鎢酸鉛(PWO)晶體無色透明晶體，折射率2.16，密度8.28 g/cm3，發(fā)射光譜主峰為4000-5000，與光電倍增管容易匹配?？梢詫⑻綔y器小型化，輻射長度為0.89厘米，莫利埃半徑為2.2厘米。不助攻，抵抗調(diào)查。最大的缺點是礦山低。(6)玻璃閃爍體制造簡單，成本低，透明度好，化學性穩(wěn)

13、定，耐酸堿，潮濕，耐低溫，發(fā)光衰減時間為0.1厘米。最大的缺點是發(fā)光效率低，僅占NaI(Tl)的4%。主要用于中子鉛玻璃檢測的LiO2或10B玻璃：主要用于檢測射線。2020/6/25，中國科技王曉蓮，21，7)快速晶體氟化鋇(BaF2)波長為195nm、220nm和310nm，其發(fā)光衰減時間分別為0.87ns、0.88ns和600ns。氟化鈰(CeF3)兩種快速成分，沒有慢成分。硅酸鐠(LSO)對伽馬射線的反應時間很快(8個光電/mev2 .90%，2020/6/25，中國科學大學王曉蓮，46，5-3光電倍增管，1，基本原理和結構，2020/6/25，中國科學大學王曉蓮，47，1，光電倍增管

14、的結構實用光電池種類：1)銻銫化合物Sb-Cs:對350-650nm的光敏感，電阻低于雙堿時間，適合大電流過流時間測量，主要用于反射型光電池。(2)雙堿：具有類似Sb-Rb-Cs、Sb-K-Cs、Sb-Cs的(300-550nm)光譜特性，但靈敏度高，暗電流小，NaI(Tl)另一種雙堿Sb-Na-K可以經(jīng)受175 0C的高溫，也可以在石油勘探等高溫環(huán)境中使用。室溫下，暗電流很小，用于單光子測量和低噪聲測量。(3)Cs-I:對陽光不敏感，被稱為“飛盲”。(。波長為200nm時，靈敏度急劇下降。波長范圍：115-200納米。要測量波長115nm的光，必須使用無窗PMT。(4)多堿Cs-Na-K-C

15、s:在紫外光-850納米下具有光光譜，用于氮氧化合物的化學發(fā)光檢測。(5)Ag-O-Cs:通過類型300-1200nm敏感，反射型300-1100nm敏感，用于紅外檢測，In-Ga-As(Cs)是900-1000nm的信噪比，2020/6/25，中國科技王曉蓮，49，晶型時間極高的量子效率，長波長，多種光電池的量子效率，2020/6/25，中國科技王曉蓮，50，光學二次發(fā)射乘數(shù)系統(tǒng)：由8 13個乘數(shù)組成，在工作時將每個電極依次增量的電位相加。如果每個乘數(shù)的電子乘數(shù)系數(shù)為3到6倍，則PMT的比例為m=n，n乘數(shù)數(shù)。二次發(fā)射系數(shù)大，熱電發(fā)射少，大電流運行穩(wěn)定性好。常用材料與光電池非常相似。Sb-K

16、-Cs、Sb-Cs化合物、AgHg、CuBe合金和Ga-P-Cs等材料。陽極：最后收集電子并輸出信號的電極，如鎳、鉬、銀等，利用電子逃逸力大的材料，一般用網(wǎng)紗制成。2020/6/25，中國科技王曉蓮，52，2，PMT類型，直焦類型：時間分辨率好的能量分辨率。環(huán)聚焦類型：結構緊湊，通過時間小。百葉窗非聚焦：暗電流較小線性電流大，外部磁場不敏感，能量分辨率好，但時間分辨率差。盒式非聚焦：時間、能量特性都不好，但結構可以變得簡單。集中結構具有較低的交叉時間分布、較大的脈沖線性電流、極間電壓變化對增益的影響較大，因此具有較好的時間分辨率和較好的能量分辨率。2020/6/25，中國科技王曉蓮，53，PMT類型，2020/6/25，中國科技大學王曉蓮，54，PMT類型，R=109-1011，3。M=104-10