【清华大学工物系课件】电离辐射探测-工程硕士课程(5)-1闪烁探测器资料.ppt

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1、【清华大学工物系课件】【清华大学工物系课件】电离辐射探测电离辐射探测-工程硕士工程硕士课程课程(5)-1(5)-1闪烁探测器闪烁探测器why scintillation detectors?和气体探测器一样，闪烁探测器也是现在和气体探测器一样，闪烁探测器也是现在和气体探测器一样，闪烁探测器也是现在和气体探测器一样，闪烁探测器也是现在用得最多用得最多用得最多用得最多、最广泛的一种电离辐射探测器。最广泛的一种电离辐射探测器。最广泛的一种电离辐射探测器。最广泛的一种电离辐射探测器。NaI：在：在能谱测量中的应用。能谱测量中的应用。CsI：在中微子探测中的应用。：在中微子探测中的应用。BGO：在中子感

2、生：在中子感生能谱分析（煤质分析）中的应用。能谱分析（煤质分析）中的应用。CdWO4：工业：工业CTLaBr3：一种新型的优质闪烁探测器：一种新型的优质闪烁探测器闪烁探测器的优点闪烁探测器的优点：探测效率高探测效率高探测效率高探测效率高，适合于测量不带电粒子，如，适合于测量不带电粒子，如射线和中子，射线和中子，能够测量能谱。能够测量能谱。时间特性好时间特性好时间特性好时间特性好，有的探测器（如塑料闪烁体、，有的探测器（如塑料闪烁体、BaF2）能够）能够实现实现ns的时间分辨的时间分辨2 2第五章 闪烁探测器5.1 5.1 5.1 5.1 闪烁探测器的基本原理闪烁探测器的基本原理闪烁探测器的基本

3、原理闪烁探测器的基本原理5.2 5.2 闪烁体闪烁体5.3 5.3 光的收集与光导光的收集与光导5.4 5.4 光电倍增管光电倍增管5.5 5.5 闪烁探测器的输出信号闪烁探测器的输出信号5.6 5.6 闪烁探测器的主要性能闪烁探测器的主要性能3 35.1 闪烁探测器基本原理闪烁探测器闪烁探测器闪烁探测器闪烁探测器是利用辐射在某些物质中产生的是利用辐射在某些物质中产生的闪光闪光闪光闪光来探测电离辐射的探测器。来探测电离辐射的探测器。构成部分：构成部分：构成部分：构成部分：闪烁体；光电倍增管；高压电源；闪烁体；光电倍增管；高压电源；分压器；前置放大器分压器；前置放大器入射窗入射窗入射粒子入射粒子

4、荧光光子荧光光子反射层反射层磁屏蔽层磁屏蔽层光阴极光阴极阳极阳极打拿极打拿极管座及高管座及高压分压器压分压器前置放大器前置放大器线性线性放大器放大器高压电源高压电源多道多道分析器分析器闪烁体闪烁体外壳外壳(暗盒暗盒)光耦合光耦合 窗窗光电子光电子4 45 5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。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荧光光子被收集到光电倍增管(PMT)的光阴极，通过光电效的光阴极，通过光电效应打出光电子。应打出光电子。电子运动在电子运动在PTM的

5、打拿极间运动并倍增（的打拿极间运动并倍增（1071010）。）。射线的三种效应，中子的核反应，或者带电粒子直接入射射线的三种效应，中子的核反应，或者带电粒子直接入射射线沉积能量射线沉积能量射线沉积能量射线沉积能量电离产生荧光电离产生荧光电离产生荧光电离产生荧光荧光被转换为光电子荧光被转换为光电子荧光被转换为光电子荧光被转换为光电子光电子的倍增光电子的倍增光电子的倍增光电子的倍增决定探测效率决定探测效率决定探测效率决定探测效率影响能量分辨率影响能量分辨率影响能量分辨率影响能量分辨率能量分辨率基本被决定能量分辨率基本被决定能量分辨率基本被决定能量分辨率基本被决定信号的放大信号的放大信号的放大信号的

6、放大决定工作状态：电流、电压？决定工作状态：电流、电压？流经外回路流经外回路流经外回路流经外回路信号的形成信号的形成信号的形成信号的形成6 65.1 5.1 闪烁探测器的基本原理闪烁探测器的基本原理5.2 5.2 5.2 5.2 闪烁体闪烁体闪烁体闪烁体5.3 5.3 光的收集与光导光的收集与光导5.4 5.4 光电倍增管光电倍增管5.5 5.5 闪烁探测器的输出信号闪烁探测器的输出信号5.6 5.6 闪烁探测器的主要性能闪烁探测器的主要性能7 75.2 闪烁体理想的闪烁体应该具有如下的特点：理想的闪烁体应该具有如下的特点：高探测效率高探测效率高发光效率高发光效率能量线性好能量线性好自吸收小自

7、吸收小发光时间短发光时间短可加工性好可加工性好易于耦合（合适的折射率易于耦合（合适的折射率）为何需要这些特点呢？为何需要这些特点呢？8 85.2 闪烁体1 1闪烁体的分类闪烁体的分类闪烁体的分类闪烁体的分类2 2闪烁体的发光机制闪烁体的发光机制闪烁体的发光机制闪烁体的发光机制3 3闪烁体的物理特性闪烁体的物理特性闪烁体的物理特性闪烁体的物理特性4 4常用闪烁体常用闪烁体常用闪烁体常用闪烁体9 9一.闪烁体的分类无机闪烁体：无机闪烁体：无机闪烁体：无机闪烁体：探测效率高探测效率高光输出产额高光输出产额高线性好线性好发光时间较长发光时间较长有机闪烁体：有机闪烁体：有机闪烁体：有机闪烁体：发光时间短

8、发光时间短光输出产额低光输出产额低1010二.闪烁体的发光机制 1.无机闪烁体的发光机制无机闪烁体的发光机制重点分析掺杂的无机晶体，以重点分析掺杂的无机晶体，以NaINaI(TlTl)，CsICsI(TlTl),),CsICsI(NaNa)等为等为最典型，又称卤素碱金属晶体最典型，又称卤素碱金属晶体(Alkali Halide Scintillator)。1111导带上自由电子和价带上空穴可以复合导带上自由电子和价带上空穴可以复合成激子；成激子；激子也可以吸收热运动能量而变成自由激子也可以吸收热运动能量而变成自由电子电子-空穴。空穴。退激可能发出光子退激可能发出光子也可能晶格振动而不发光。也可

9、能晶格振动而不发光。纯离子晶体：纯离子晶体：纯离子晶体：纯离子晶体：s退激发出的光子容易被退激发出的光子容易被晶体自吸收，传输出的晶体自吸收，传输出的光子少；光子少；s禁带宽度大，退激发光禁带宽度大，退激发光在紫外范围，光阴极不在紫外范围，光阴极不响应。响应。入射粒子入射粒子可以产生可以产生电子电子电子电子-空穴对空穴对空穴对空穴对(electron-hole pair)(electron-hole pair)也可产生也可产生激子激子激子激子(excitonexciton)1212在晶体中掺杂，叫做在晶体中掺杂，叫做激活剂激活剂(activator)，含，含量量10 3量级量级。原子受激产生的

10、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。形成发光中心发光中心发光中心发光中心或复合中心复合中心复合中心复合中心(luminescence centers or recombination centers)杂质原子退激：杂质原子退激：杂质原子退激：杂质原子退激：荧光荧光荧光荧光(fluorescence)(fluorescence)：50500ns猝灭猝灭猝灭猝灭(quenching)(quenching)：转换为晶格的热运动。杂质形成特殊晶格点，杂质形成特殊晶格点，并在禁带中形成局部并在禁带中形成局部能级。能级。磷光磷光磷光磷光(phosphorescence)(pho

11、sphorescence)：亚稳态，发光时间较长。构成了afterglow的主要部分。1313对许多物质，产生一个电子空穴对平均约需对许多物质，产生一个电子空穴对平均约需3 3倍于倍于倍于倍于禁带宽禁带宽度的能量；度的能量；在在NaI(Tl)中产生一对电子中产生一对电子-空穴对需要空穴对需要20eV能量能量；NaI(Tl)的闪烁光能占入射能的闪烁光能占入射能量量13%，吸收，吸收1MeV能量产能量产生生总光能总光能总光能总光能：闪烁光子平均能量闪烁光子平均能量3eV，产，产生生光子数光子数光子数光子数：如果入射带电粒子在如果入射带电粒子在NaI(Tl)中损失中损失1MeV能量，产生的能量，产生

12、的电子电子电子电子-空穴对数空穴对数空穴对数空穴对数：一个电子一个电子一个电子一个电子空穴对空穴对空穴对空穴对一个闪烁一个闪烁一个闪烁一个闪烁光子光子光子光子能量传递给能量传递给激活剂激活剂激活剂激活剂“晶晶晶晶格点格点格点格点”的效率是很高的的效率是很高的14142.有机闪烁体的发光机制有机闪烁体的发光机制(略略)有机闪烁体都是苯环化合物，分子之间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。其激发与发仅有松散的范德瓦尔斯力。其激发与发光是由光是由分子自身分子自身分子自身分子自身的激发和跃迁产生的。的激发和跃迁产生的。有机闪烁体的发射光谱和吸收光谱有机闪烁体的发射光谱和吸收光谱的

13、峰值是的峰值是分开分开分开分开的，所以，有机闪烁的，所以，有机闪烁体对其所发射的荧光是透明的。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发射谱的短波部分与吸收谱的长波部分有波部分有重叠重叠重叠重叠，为此在有的有机，为此在有的有机闪烁体中加入闪烁体中加入移波剂移波剂移波剂移波剂，以减少自，以减少自吸收。吸收。振动能级：振动能级：振动能级：振动能级：0.15eV0.15eV0.15eV0.15eV无辐射内转换：无辐射内转换：无辐射内转换：无辐射内转换：10101010-12-12-12-12s s s s失去多余振动能量：失去多余振动能量：失去多余振动能量：失去多余振动能量：1010

14、1010-12-12-12-12s s s s荧光荧光荧光荧光磷光磷光磷光磷光为了提高闪烁效率，可在溶剂中为了提高闪烁效率，可在溶剂中加入高效闪烁物质，构成二元有加入高效闪烁物质，构成二元有机闪烁体：液体，塑料。机闪烁体：液体，塑料。3 3 3 34eV4eV4eV4eV15153.气体闪烁体的发光机制气体闪烁体的发光机制(略）略）入射粒子通过介质时，沿径迹产生一批入射粒子通过介质时，沿径迹产生一批激发激发激发激发了的气体了的气体分子，这些激发分子分子，这些激发分子返回基态返回基态返回基态返回基态时便发射出了时便发射出了光子光子光子光子。光子的能量多处在紫外区紫外区紫外区紫外区必须选用对紫外光

15、敏感紫外光敏感紫外光敏感紫外光敏感的光电倍增管光电倍增管光电倍增管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。1616三.闪烁体的物理特性1.发射光谱发射光谱2.发光效率发光效率(能量转换效率、光能产额，及相对值能量转换效率、光能产额，及相对值)3.发光时间发光时间4.闪烁体其它特性闪烁体其它特性哪一项与闪烁体的哪一项与闪烁体的哪一项与闪烁体的哪一项与闪烁体的能量分辨率能量分辨率能量分辨率能量分辨率最相关？最相关？最相关？最相关？17171.发射光谱闪烁体发射光子数与光子波长闪烁体发射光子数与光子波长(能量能量)的关系曲线。的关系曲线。发射光谱与闪烁体、激活剂、移波剂

16、、温度有关。发射光谱与闪烁体、激活剂、移波剂、温度有关。18182.发光效率发光效率可用三种量来描述：发光效率可用三种量来描述：光能产额光能产额光能产额光能产额 闪烁效率闪烁效率闪烁效率闪烁效率 相对闪烁效率（相对发光效率相对闪烁效率（相对发光效率相对闪烁效率（相对发光效率相对闪烁效率（相对发光效率）NaI(Tl)晶体：Yph(e)=4.3104/MeV。NaI(Tl)晶体：Cnp()=2.6%，Cnp()=13%。(2)(2)闪烁效率闪烁效率闪烁效率闪烁效率（发光效率，能量转换效率）（发光效率，能量转换效率）(1)(1)光能产额光能产额光能产额光能产额(光输出，光产额光输出，光产额)1919

17、闪烁效率闪烁效率闪烁效率闪烁效率与与光能产额光能产额光能产额光能产额的关系：的关系：(3)(3)相对闪烁效率相对闪烁效率相对闪烁效率相对闪烁效率（相对发光效率）（相对发光效率）闪闪 烁烁 体体 和和 闪烁效率闪烁效率(%)相对相对NaI(Tl)相对蒽相对蒽NaI(Tl)100230ZnS(Ag)130蒽蒽43100液体闪烁体液体闪烁体2080几种闪烁体的相对闪烁效率几种闪烁体的相对闪烁效率希望有希望有希望有希望有较高的发光效率较高的发光效率较高的发光效率较高的发光效率，且对不同能量，且对不同能量，且对不同能量，且对不同能量保持常数保持常数保持常数保持常数。20203.闪烁发光时间发光时间包括上

18、升时间上升时间上升时间上升时间与衰减时间衰减时间衰减时间衰减时间。单位时间发出的光子数：单位时间发出的光子数：单位时间发出的光子数：单位时间发出的光子数：例如：例如：NaI(Tl)晶体晶体 0=0.23 s 闪烁光脉冲中包含的光子数：闪烁光脉冲中包含的光子数：闪烁光脉冲中包含的光子数：闪烁光脉冲中包含的光子数：所以：所以：上升时间上升时间上升时间上升时间：包括入射粒子耗尽能量的时间包括入射粒子耗尽能量的时间(10-9s)和闪烁体和闪烁体中电子激发时间中电子激发时间(很短很短)。衰减时间衰减时间衰减时间衰减时间：2121对大多数对大多数有机晶体有机晶体有机晶体有机晶体和和少数无机晶体少数无机晶体

19、少数无机晶体少数无机晶体对有机闪烁体对有机闪烁体对一些无机闪烁体对一些无机闪烁体可以用作粒子可以用作粒子可以用作粒子可以用作粒子甄别。甄别。甄别。甄别。不同类型辐射激发时不同类型辐射激发时stilbene晶体的发光衰减曲线晶体的发光衰减曲线与与delayed fluorescencedelayed fluorescence有关有关2222几种闪烁体的发光衰减时间几种闪烁体的发光衰减时间闪闪 烁烁 体体 f (ns)s(s)BaF20.60.60.62CsI(Tl)101.0芪芪6.20.37蒽蒽330.37液体闪烁体液体闪烁体2.40.20塑料闪烁体塑料闪烁体1.3NaI(Tl)0.23也发现

20、有也发现有也发现有也发现有三种发光衰减时间三种发光衰减时间三种发光衰减时间三种发光衰减时间的闪烁晶体的闪烁晶体的闪烁晶体的闪烁晶体(如如如如PbWOPbWO4 4)。23234.闪烁体的其它特性透明度和光学均匀性透明度和光学均匀性透明度和光学均匀性透明度和光学均匀性加工性加工性加工性加工性(malleabilitymalleability)热锻、车、铣热锻、车、铣吸湿性吸湿性吸湿性吸湿性(hygroscopic)(hygroscopic)温度效应温度效应温度效应温度效应耐辐照特性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经过退火可恢复经过退火可恢复经过退火可恢复敏

21、感：Tl掺杂的卤素碱金属，10Gy不敏感：GSO，106Gy探测效率探测效率与闪烁体物质与闪烁体物质(,Z)有关有关与体积有关与体积有关2424四.常用闪烁体1.NaI(Tl)NaI(Tl)晶体2.CsI(Tl)CsI(Tl)和CsI(Na)CsI(Na)晶体3.BGOBGO晶体(Bi4Ge3O12)4.ZnS(Ag)ZnS(Ag)晶体5.BaF.BaF2 2晶体6.LaBrLaBr3 3晶体7.蒽蒽蒽蒽晶体8.液体液体液体液体闪烁体9.塑料塑料塑料塑料闪烁体10.气体气体气体气体闪烁体25251.NaI(Tl)晶体（sodium iodide）(1948,Robert Hofstadter)

22、密度大，密度大，=3.67g/cm=3.67g/cm3 3，探测效率高；探测效率高；Z高，碘高，碘(Z=53Z=53)占重量占重量85%，光电截面大；，光电截面大；相对相对发光效率高发光效率高发光效率高发光效率高，为蒽的，为蒽的2.3倍；倍；发射光谱最强波长发射光谱最强波长415nm，与，与PMT光谱响应配合光谱响应配合光谱响应配合光谱响应配合；晶体晶体透明性能好透明性能好透明性能好透明性能好；能量分辨率较高，能量分辨率较高，10cm10cm）抗辐照（抗辐照（105Gray）5.BaF2晶体比较好的能量分辨率比较好的能量分辨率(对对0.662MeV 9.1%;1.332MeV 6.3%)闪烁效

23、率与温度的关系：闪烁效率与温度的关系：快成分：在快成分：在100400K（-173117）范围内没有变化）范围内没有变化慢成分：在慢成分：在250325K（-2352）的范围内）的范围内-1.1%/K）光谱在紫外波段，需光谱在紫外波段，需要专门的要专门的PMT配合，配合，如如XP2020Q发光效率低，比发光效率低，比NaI(Tl)小一个量级。小一个量级。35350.6-0.8ns630ns1585清华大学物理系徐四大等：清华大学物理系徐四大等：100100mmBaF2晶体晶体谱仪，谱仪，时间分辨为时间分辨为0.9ns，对，对137Cs的的能量分辨率能量分辨率12.6%36366.LaBr3晶体

24、潮解潮解目前价格目前价格还较贵还较贵闪烁效率高闪烁效率高闪烁效率高闪烁效率高 NaI:3810NaI:3810NaI:3810NaI:38103 3 3 3 Photons/MeV Photons/MeV Photons/MeV Photons/MeV LaBrLaBrLaBrLaBr3 3 3 3:6710:6710:6710:67103 3 3 3 Photons/MeV Photons/MeV Photons/MeV Photons/MeV 数据来源：数据来源：数据来源：数据来源：www.detectors.saint-www.detectors.saint-www.detectors.

25、saint-www.detectors.saint-发光衰减时间短：发光衰减时间短：发光衰减时间短：发光衰减时间短：26ns26ns26ns26ns原子序数高：原子序数高：原子序数高：原子序数高：57575757，35353535密度大：密度大：密度大：密度大：5.29g/cm5.29g/cm5.29g/cm5.29g/cm3 3 3 3能量线性很好（在低能区，最大偏差能量线性很好（在低能区，最大偏差能量线性很好（在低能区，最大偏差能量线性很好（在低能区，最大偏差5%5%5%5%）光输出对温度不敏感光输出对温度不敏感光输出对温度不敏感光输出对温度不敏感说明什么呢？有什么好处？有什么好处？有什么

26、好处？有什么好处？3737一些常用无机闪烁体的分辨率光电子数光电子数分辨率分辨率vs?vs?这样的趋势这样的趋势这样的趋势这样的趋势反映了射线反映了射线反映了射线反映了射线测量过程中测量过程中测量过程中测量过程中的什么特性的什么特性的什么特性的什么特性？38387.蒽晶体制作困难，价格昂贵；容易损坏。8.液体闪烁体发光衰减时间短，2.4ns；透明度好，制备容易，成本低。由溶剂由溶剂由溶剂由溶剂(二甲苯二甲苯二甲苯二甲苯)+)+)+)+荧光物质荧光物质荧光物质荧光物质+波长转换剂组成波长转换剂组成波长转换剂组成波长转换剂组成。发光效率高，常用作标准；原子量低，含氢量大；39399.塑料闪烁体发光

27、衰减时间短，发光衰减时间短，1 13ns 3ns；透明度高，光传输性能好透明度高，光传输性能好；机械性能好，性能稳定；机械性能好，性能稳定；耐辐射特性好。耐辐射特性好。可以做得很大可以做得很大由溶剂由溶剂由溶剂由溶剂(苯乙烯苯乙烯苯乙烯苯乙烯)+)+)+)+荧光物质荧光物质荧光物质荧光物质+波长波长波长波长转换剂，聚合而成转换剂，聚合而成转换剂，聚合而成转换剂，聚合而成。404010.气体闪烁体气体退激时间为气体退激时间为nsns量级，是最快的闪烁材料之一量级，是最快的闪烁材料之一大小、形状易于改变大小、形状易于改变能量线性很好能量线性很好XeXe、KeKe、ArAr、HeHe等高纯等高纯等高

28、纯等高纯度气体都是闪烁气体；度气体都是闪烁气体；度气体都是闪烁气体；度气体都是闪烁气体；光子发射有竞争过程（分子相互碰撞、内猝灭），气体闪光子发射有竞争过程（分子相互碰撞、内猝灭），气体闪烁体的效率比较低烁体的效率比较低阻止本领小，探测效率低，在能谱测量中的应用局限于阻止本领小，探测效率低，在能谱测量中的应用局限于粒子、裂变碎片或其它重带电粒子粒子、裂变碎片或其它重带电粒子41415.1 5.1 闪烁探测器的基本原理闪烁探测器的基本原理5.2 5.2 闪烁体闪烁体5.3 5.3 5.3 5.3 光的收集与光导光的收集与光导光的收集与光导光的收集与光导5.4 5.4 光电倍增管光电倍增管5.5

29、5.5 闪烁探测器的输出信号闪烁探测器的输出信号5.6 5.6 闪烁探测器的主要性能闪烁探测器的主要性能42425.3 光的收集与光导闪烁光的收集需要：闪烁光的收集需要：1.1.反射层反射层2.2.耦合剂耦合剂3.3.光导光导1.1.1.1.光学反射层：光学反射层：光学反射层：光学反射层：反射方式：反射方式：镜面反射、漫反射。镜面反射、漫反射。材料：材料：铝箔、镀铝塑料薄膜，氧化镁、二氧化钛、铝箔、镀铝塑料薄膜，氧化镁、二氧化钛、聚四氟乙烯塑料带等。聚四氟乙烯塑料带等。43432.2.2.2.光学耦合剂光学耦合剂光学耦合剂光学耦合剂 当光子由光密物质当光子由光密物质(n0)射向光疏物质射向光疏

30、物质(n1)时，发生全反射的时，发生全反射的临界角：临界角：周围介质周围介质(折射系数折射系数=n1)闪烁体闪烁体(折射系数折射系数=n0)在闪烁体与在闪烁体与在闪烁体与在闪烁体与PMTPMT之间填充硅油之间填充硅油之间填充硅油之间填充硅油(n n1 1 1.51.5)。44443.3.3.3.光导光导光导光导具有一定形状的光学透明固体材料，连接具有一定形状的光学透明固体材料，连接具有一定形状的光学透明固体材料，连接具有一定形状的光学透明固体材料，连接闪烁体与光电倍增管。闪烁体与光电倍增管。闪烁体与光电倍增管。闪烁体与光电倍增管。闪烁体窗面积、形状与闪烁体窗面积、形状与PMTPMT窗面积、形状

31、不同时；窗面积、形状不同时；强磁场中探测时，用较长的光导连接把闪烁体与强磁场中探测时，用较长的光导连接把闪烁体与PMTPMT分隔开。分隔开。在空间较小处，用光纤连接较小的闪烁体与在空间较小处，用光纤连接较小的闪烁体与PMTPMT。一个光导，不管其形状多么复杂，在光导内部任一个光导，不管其形状多么复杂，在光导内部任一点的单位面积、单位立体角内的光子流量绝不一点的单位面积、单位立体角内的光子流量绝不可能大于它的输入端的光子流量。因此，截面积可能大于它的输入端的光子流量。因此，截面积由闪烁体到光电倍增管逐渐减小的任何光导都会由闪烁体到光电倍增管逐渐减小的任何光导都会带来显著的光损失。带来显著的光损失

32、。用硅油填充闪烁体用硅油填充闪烁体-光导、光导光导、光导-PMT-PMT的交界面。的交界面。45455.1 5.1 闪烁探测器的基本原理闪烁探测器的基本原理5.2 5.2 闪烁体闪烁体5.3 5.3 光的收集与光导光的收集与光导5.4 5.4 5.4 5.4 光电倍增管光电倍增管光电倍增管光电倍增管5.5 5.5 闪烁探测器的输出信号闪烁探测器的输出信号5.6 5.6 闪烁探测器的主要性能闪烁探测器的主要性能46465.4 光电倍增管1 1光电倍增管的类型光电倍增管的类型光电倍增管的类型光电倍增管的类型2 2光电倍增管的结构与工作原理光电倍增管的结构与工作原理光电倍增管的结构与工作原理光电倍增

33、管的结构与工作原理3 3光电倍增管的供电回路光电倍增管的供电回路光电倍增管的供电回路光电倍增管的供电回路4 4光电倍增管的主要性能光电倍增管的主要性能光电倍增管的主要性能光电倍增管的主要性能4747一 光电倍增管的类型1.1.外观的不同外观的不同2.2.根据光阴极形式根据光阴极形式4848聚焦型聚焦型非聚焦型非聚焦型3.3.根据电子倍增系统根据电子倍增系统具有较快的响应时间，用于具有较快的响应时间，用于时间测量或需要响应时间快时间测量或需要响应时间快的场合。的场合。电子倍增系数较大，多用于电子倍增系数较大，多用于能谱测量系统。能谱测量系统。聚焦线状结构圆栅型结构百叶窗结构盒栅型结构4949二.

34、光电倍增管的结构与工作原理结构：1.光学窗2.光阴极3.电子倍增系统(打拿极)4.电子收集(阳极)50501.光学窗：光学窗：硼玻璃窗硼玻璃窗石英玻璃窗石英玻璃窗光电效应光电效应电子迁移到表面电子迁移到表面克服介质与真空间的势垒克服介质与真空间的势垒(potential barrier)，逸出功，逸出功2.光阴极光阴极(photocathode)：通常为化：通常为化合物材料，两种形式合物材料，两种形式锑铯化合物锑铯化合物(Cs-Sb)双碱阴极双碱阴极(K2-Cs-Sb)热电子噪声热电子噪声热电子噪声热电子噪声(thermionic (thermionic noise)noise)：金属金属金属

35、金属(势垒高势垒高势垒高势垒高)：100/m100/m2 2s s 半导体半导体半导体半导体(势垒低势垒低势垒低势垒低)：10106 610108 8/m/m2 2s s势垒的存在势垒的存在所有光阴极都所有光阴极都所有光阴极都所有光阴极都有截止波长：有截止波长：有截止波长：有截止波长：红、近红外红、近红外红、近红外红、近红外escape depthescape depth 金属：能量损失率大，几金属：能量损失率大，几金属：能量损失率大，几金属：能量损失率大，几nmnm 半导体：能量损失率半导体：能量损失率半导体：能量损失率半导体：能量损失率 小，小，小，小，25nm25nm并非所有光子都并非所

36、有光子都会被转换为电子会被转换为电子量子量子量子量子效率效率效率效率51513.打拿极打拿极(dynode)：次级电子产额大；次级电子产额大；热电子与光电子发射小；热电子与光电子发射小；大电流工作时性能稳定；大电流工作时性能稳定；快速响应。快速响应。次级电次级电次级电次级电子产额子产额子产额子产额打拿极材料：打拿极材料：传统材料：传统材料：BeO，MgO，Cs3Sb1keV，10（最大）（最大）NEA（负电子亲和）材料：（负电子亲和）材料：GaP(Cs)1keV，：50604.阳极阳极(anode)：仅用于收集电子，不需要倍增。仅用于收集电子，不需要倍增。镍、钼、铌镍、钼、铌次级电子产额小次级

37、电子产额小5252三光电倍增管的供电回路K-D1K-D1电压较高，几倍于其它打拿极间电压较高，几倍于其它打拿极间的电压，可有效收集光电子，减少电的电压，可有效收集光电子，减少电子飞行时间的离散；子飞行时间的离散；中间各打拿极一般中间各打拿极一般均匀分压；均匀分压；最后几个打拿极最后几个打拿极间高电压、大电间高电压、大电流，电容稳压；流，电容稳压；最后打拿极与阳极最后打拿极与阳极间电压较小。间电压较小。聚焦聚焦聚焦聚焦电极电极电极电极提供静态工作点，提供静态工作点，直流电流应显著大直流电流应显著大于阳极电流于阳极电流s分压器所用电阻的温度系数分压器所用电阻的温度系数应当小，稳定性高。应当小，稳定

38、性高。s总功率不要太大，以免总功率不要太大，以免PMT因为温度升高而漂移因为温度升高而漂移载载载载流流流流子子子子？5353正高压供电方式：正高压供电方式：正高压供电方式：正高压供电方式：负高压供电方式：负高压供电方式：负高压供电方式：负高压供电方式：简单，阴极接地简单，阴极接地需要隔直电容，不适合需要隔直电容，不适合于高计数率情况，不适于高计数率情况，不适合于电流情况，易受高合于电流情况，易受高压纹波的影响压纹波的影响无需隔直电容，适合无需隔直电容，适合高计数率、适合电流高计数率、适合电流模式模式阴极处于高压，需防阴极处于高压，需防止与周围接地材料之止与周围接地材料之间的高压漏电信号、间的高

39、压漏电信号、场致发光场致发光都是常用的供电方式5454四光电倍增管的主要性能1.1.光阴极的光谱响应光阴极的光谱响应2.2.光阴极的光照灵敏度光阴极的光照灵敏度3.3.第一打拿极的电子收集系数第一打拿极的电子收集系数4.4.光电倍增管的放大倍数光电倍增管的放大倍数5.5.阳极光照灵敏度阳极光照灵敏度6.6.光电倍增管的暗电流与噪声光电倍增管的暗电流与噪声7.7.光电倍增管的时间特性光电倍增管的时间特性8.8.光阴极的均匀性光阴极的均匀性9.9.稳定性稳定性光电转光电转换特性换特性电子倍电子倍增特性增特性55551.1.光阴极的光谱响应光阴极的光谱响应光阴极受到光照射后发射光电子光阴极受到光照射

40、后发射光电子的几率是波长的函数，叫做光阴的几率是波长的函数，叫做光阴极的光谱响应。极的光谱响应。光阴极光谱响应需要与光阴极光谱响应需要与光阴极光谱响应需要与光阴极光谱响应需要与闪烁体闪烁体闪烁体闪烁体发射光谱匹配发射光谱匹配发射光谱匹配发射光谱匹配定义：量子效率定义：量子效率定义：量子效率定义：量子效率(quantum efficiency)(quantum efficiency)(quantum efficiency)(quantum efficiency)光子能量 入射窗另一种表示量子效另一种表示量子效另一种表示量子效另一种表示量子效率的方法：率的方法：率的方法：率的方法：NaI(Tl)N

41、aI(Tl)NaI(Tl)NaI(Tl)：若：若：若：若Q=2530%Q=2530%Q=2530%Q=2530%，则，则，则，则光电子光电子光电子光电子/100120eV/100120eV/100120eV/100120eVbasicinformationcarrierbasicinformationcarrier气体中如何？气体中如何？气体中如何？气体中如何？5656平均量子效率：57572.2.光阴极的光照灵敏度光阴极的光照灵敏度gc对对PMT的幅度分辨率影响较大，的幅度分辨率影响较大，在有聚焦极的光电倍增管中，在有聚焦极的光电倍增管中，gc可达可达95%以上。以上。其中：其中：i 是光电

42、子流是光电子流(A)，F是光通量是光通量(lm)。3.3.第一打拿极的电子收集系数第一打拿极的电子收集系数58584.4.光电倍增管的电流放大倍数光电倍增管的电流放大倍数聚焦型：聚焦型：g 1；非聚焦型：非聚焦型：g 0时，时，脉冲前沿脉冲前沿 0，脉冲后沿，脉冲后沿R0C0，Vmax Q。随随R0C0减小，后沿下降加快减小，后沿下降加快，脉冲宽度变窄。，脉冲宽度变窄。8080在短时间区域，在短时间区域，在足够长的时间区域，在足够长的时间区域，(2)当当R0C0 0时，时，上升时间上升时间 R0C0，下降时间，下降时间 0，Vmax 。随随R0C0减小，上升时间加快减小，上升时间加快。8181

43、V(t)在在t=R0C0处取极大值，处取极大值，在实际使用中，常选取在实际使用中，常选取R0C0=0。(3)当当R0C0=0时，时，只有当只有当C0=0时，时，V=I(t)R0；而一般情况下，而一般情况下，C0 0。当单电子响应函数不为当单电子响应函数不为 函数时，函数时，使输出脉宽变大，脉冲前沿变慢。使输出脉宽变大，脉冲前沿变慢。幅度足够大幅度足够大脉宽足够窄脉宽足够窄8282电流脉冲型工作状态电流脉冲型工作状态电流脉冲型工作状态电流脉冲型工作状态输出电压脉冲形状趋于电流脉冲的形状 电压脉冲型工作状态电压脉冲型工作状态电压脉冲型工作状态电压脉冲型工作状态输出电压脉冲形状为电流脉冲在输出回路上

44、的积分 电流脉冲电流脉冲8383五输出信号的涨落光电倍增管输出电荷数N Na a是串级型随机变量：闪烁体发出的光子数N Nphph，服从泊松分布泊松分布泊松分布泊松分布；对应于闪烁体发出一个光子，第一打拿极收集到的光电子数N Ne e，是伯努利型随机变量伯努利型随机变量伯努利型随机变量伯努利型随机变量；PMT的电子倍增系数MM。第一打拿极收集的光电子数Ne服从泊松分布，平均值与方差为：输出信号的幅度PMT输出的电荷量8484阳极输出电子数阳极输出电子数Na是由是由Ne和和M组成的二级串级型随组成的二级串级型随机变量，其平均值与方差为，机变量，其平均值与方差为，PMT电子倍增系数电子倍增系数M是

45、各级倍增因子是各级倍增因子 i串级而成的串级而成的多级串级型随机变量，平均值为：多级串级型随机变量，平均值为：8585所以，所以，于是，于是，Na的方差为，的方差为，M的方差，假设的方差，假设服从泊松分布服从泊松分布从实验结果来看，从实验结果来看，并非严格服从并非严格服从泊松分布，可以有其它的分布如泊松分布，可以有其它的分布如Polya distribution或或compound Poisson分布来描述倍增过程的统分布来描述倍增过程的统计规律。计规律。尚无定论，也许打拿极特性、电尚无定论，也许打拿极特性、电子轨迹的不同使得无法找到一个通子轨迹的不同使得无法找到一个通用的模型。用的模型。86

46、86进一步的研究给出更精细的结果，进一步的研究给出更精细的结果，因此，闪烁探测器的能量分辨率为，因此，闪烁探测器的能量分辨率为，光电转换系数光电转换系数的不一致性的不一致性Nph不服从泊不服从泊松分布松分布试着估算一下试着估算一下NaI(Tl)探测器对探测器对662keV的能量分的能量分辨率（最佳）？辨率（最佳）？8787输出信号小结1.1.闪烁探测器输出电荷量闪烁探测器输出电荷量闪烁探测器输出电荷量闪烁探测器输出电荷量闪烁体发出的闪烁闪烁体发出的闪烁光子数光子数第一打拿极收集到第一打拿极收集到的光电子数的光电子数阳极收集到的电子阳极收集到的电子数数2.2.闪烁探测器输出电流脉冲信号闪烁探测器

47、输出电流脉冲信号闪烁探测器输出电流脉冲信号闪烁探测器输出电流脉冲信号闪烁体发出的闪烁闪烁体发出的闪烁光子数的规律光子数的规律第一打拿极收集到的第一打拿极收集到的光电子数的规律光电子数的规律单光电子所引起的电单光电子所引起的电流脉冲信号流脉冲信号88883.3.闪烁探测器输出电压脉冲信号闪烁探测器输出电压脉冲信号闪烁探测器输出电压脉冲信号闪烁探测器输出电压脉冲信号由等效电路得：由等效电路得：求解得：求解得：两种脉冲工作状态：电压脉冲和电流脉冲。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压脉冲型工作状态 电流脉冲型工作状态电流脉冲型工作状态 条件条件 脉冲前沿脉冲前沿 脉冲幅度脉冲

48、幅度 脉冲后沿脉冲后沿 慢：缺点慢：缺点快：优点快：优点大：优点大：优点小：缺点小：缺点实际应用中，为得到较大幅度和较小宽度，取实际应用中，为得到较大幅度和较小宽度，取实际应用中，为得到较大幅度和较小宽度，取实际应用中，为得到较大幅度和较小宽度，取且要尽量减小且要尽量减小且要尽量减小且要尽量减小89894.4.闪烁探测器输出信号的涨落闪烁探测器输出信号的涨落闪烁探测器输出信号的涨落闪烁探测器输出信号的涨落多级串级随机变量多级串级随机变量的相对均方涨落的相对均方涨落闪烁体发出的闪烁光闪烁体发出的闪烁光子数子数 的涨落的涨落(泊松泊松)第一打拿极收集到的光第一打拿极收集到的光电子数电子数 的涨落的

49、涨落(泊松串伯努利泊松串伯努利=泊松泊松)光电倍增管的倍增系数光电倍增管的倍增系数M 的涨落（多个泊松的涨落（多个泊松的串级）的串级）阳极收集到的电子数阳极收集到的电子数 的涨落的涨落闪烁谱仪能量分辨率的极限：闪烁谱仪能量分辨率的极限：闪烁谱仪能量分辨率的极限：闪烁谱仪能量分辨率的极限：90905.1 5.1 闪烁探测器的基本原理闪烁探测器的基本原理5.2 5.2 闪烁体闪烁体5.3 5.3 光的收集与光导光的收集与光导5.4 5.4 光电倍增管光电倍增管5.5 5.5 闪烁探测器的输出信号闪烁探测器的输出信号5.6 5.6 5.6 5.6 闪烁探测器的主要性能闪烁探测器的主要性能闪烁探测器的

50、主要性能闪烁探测器的主要性能91915.6 闪烁探测器的主要性能1 1 闪烁谱仪的组成与工作原理闪烁谱仪的组成与工作原理闪烁谱仪的组成与工作原理闪烁谱仪的组成与工作原理2 2单能单能单能单能 射线的次级电子能谱射线的次级电子能谱射线的次级电子能谱射线的次级电子能谱3 3 射线的输出脉冲幅度谱射线的输出脉冲幅度谱射线的输出脉冲幅度谱射线的输出脉冲幅度谱4 4NaI(TlNaI(Tl)单晶闪烁谱仪的性能单晶闪烁谱仪的性能单晶闪烁谱仪的性能单晶闪烁谱仪的性能9292一 闪烁谱仪的组成与工作原理PMT高压电源高压电源多道分析器多道分析器前置放大器前置放大器主放大器主放大器探测次级电子能谱。探测次级电子