第九章闪烁探测器课件.ppt

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1、第九章第九章 闪烁探测器闪烁探测器Scintillation Detector闪烁探测器闪烁探测器是利用是利用辐射辐射在某些物质中产生在某些物质中产生的的闪光闪光来探测来探测电离辐射电离辐射的探测器。的探测器。闪烁体闪烁体光电倍增管光电倍增管(打拿极打拿极)反射层反射层管座管座分压器分压器高压高压多道或单道多道或单道光阴极光阴极阳极阳极荧光荧光光子光子光电子光电子暗盒暗盒窗窗前置放大器前置放大器闪烁探测器闪烁探测器的的工作过程工作过程：(1)辐射辐射射入闪烁体使射入闪烁体使闪烁体原子闪烁体原子电离电离或或激发激发，受激原子受激原子退激退激而发出波长在而发出波长在可见光可见光波段波段的的荧光荧光

2、。(2)荧光光子荧光光子被收集到被收集到光电倍增管光电倍增管(PMT)的的光阴极光阴极，通过，通过光电效应光电效应打出打出光电子光电子。(3)电子运动并倍增电子运动并倍增，并在，并在阳极阳极输出回路输出回路输出输出信号信号。闪烁探测器闪烁探测器可用来测量可用来测量入射粒子入射粒子的的能量能量。9.1 闪烁体闪烁体1、闪烁体闪烁体的的分类分类1)1)无机无机闪烁体闪烁体：玻璃体玻璃体纯晶体纯晶体无机晶体无机晶体(掺杂掺杂)(锂玻璃锂玻璃)2)2)有机有机闪烁体闪烁体：有机晶体有机晶体蒽晶体蒽晶体等；等；有机液体有机液体闪烁体闪烁体及及塑料塑料闪烁体闪烁体.3)3)气体气体闪烁体闪烁体：Ar、Xe

3、等等。2、闪烁体闪烁体的的发光机制发光机制1)无机无机闪烁体闪烁体的的发光机制发光机制重点分析重点分析掺杂掺杂的的无机晶体无机晶体，以，以NaI(Tl)，CsI(Tl),CsI(Na)属于属于离子晶体离子晶体等为最典等为最典型，又称型，又称卤素碱金属卤素碱金属晶体晶体。禁带禁带导带导带价带价带激带激带晶体晶体的的发光机制发光机制取决于取决于整个整个晶体晶体的的电子能态电子能态。晶体晶体中中电子电子的的能态能态不不再用再用原子能级原子能级表示，表示，而用而用“能带能带”来描述。来描述。激活剂激活剂导带导带上的上的自由电子自由电子和和价带价带空穴空穴可以可以复合成复合成激子激子，相反，相反，激子激

4、子也可以受也可以受热运动热运动而变成而变成自由电子空穴对自由电子空穴对。对于对于离子晶体离子晶体，辐射辐射射入射入闪烁体闪烁体使使晶体晶体原子原子电离电离和和激发激发。结果使得结果使得价带价带中的一些中的一些电子电子由原来位置跃由原来位置跃迁过迁过禁带禁带而进入而进入导带导带，成为，成为自由电子自由电子，同，同时在时在价带价带中形成中形成空穴空穴。（电离）。（电离）电子也可能跃迁到较低的激带，这时产电子也可能跃迁到较低的激带，这时产生的生的电子空穴对电子空穴对称之为称之为激子激子。激子激子只只能在能在晶格中晶格中束缚在一起运动。（激发）束缚在一起运动。（激发）B B）由于由于离子晶体离子晶体禁

5、带宽度大禁带宽度大，退激退激发出的发出的光子能量光子能量为为紫外范围紫外范围，一般，一般光电倍增管光电倍增管的的光阴极光阴极不能响应不能响应，这些发射的，这些发射的光子光子不能不能被被有效利用有效利用。退激过程退激过程将可能发出将可能发出光子光子，也可能变成，也可能变成晶晶格格振动能振动能而而不发光不发光。A A）对对纯纯离子晶体离子晶体，退激退激发出的发出的光子光子容易被容易被晶体晶体自吸收自吸收，传输到，传输到晶体晶体外的外的光子光子很少；很少；出现的出现的问题问题：选择合适的选择合适的杂质杂质，使它的，使它的激发能级激发能级比比晶体晶体的的导带导带、激带激带低低，而，而基态基态比比价态价

6、态高高。杂质杂质能级能级成为发光中心。成为发光中心。解决办法解决办法：在：在晶体晶体中掺入中掺入少量杂质少量杂质。称为称为“激活剂激活剂”的的杂质杂质在在晶格晶格形成特殊的形成特殊的晶格点晶格点，并在，并在禁带禁带中形成一些中形成一些局部能级局部能级。由于由于杂质杂质的的电离能电离能小于小于典型晶格点典型晶格点的的电离电离能能，原子原子受激产生的受激产生的电子、空穴电子、空穴将迅速迁将迅速迁移到移到杂质能级杂质能级的的激发态激发态和和基态基态，即使，即使杂质杂质原子原子处于处于激发状态激发状态。激发态的杂质原子激发态的杂质原子有有三种三种可能的可能的退激方式退激方式：电子电子从从激发态激发态立

7、即跳回立即跳回基态基态，发射出，发射出光子光子，发光的发光的衰减时间衰减时间通常在通常在1010-7-7s以内，称为以内，称为“荧光荧光”。荧光光子荧光光子为为可见光可见光的范围，且有效地的范围，且有效地克服克服了了发发光光的的自吸收自吸收，使，使晶体晶体的的发射光谱发射光谱和和吸收光谱吸收光谱有有效的分离效的分离。电子电子把把激发能激发能转换为转换为晶格晶格的的振动振动(热运动热运动)而而到达到达价带价带，并不发射，并不发射光子光子，这种过程称为，这种过程称为“淬淬灭过程灭过程”。2)2)有机闪烁体有机闪烁体的的发光机制发光机制有机闪烁体有机闪烁体的的发射光谱发射光谱和和吸收光谱吸收光谱的的

8、峰值是分峰值是分开的开的，所以，所以，有机闪烁体有机闪烁体对其所发射的对其所发射的荧光荧光是是透明的透明的。但发射谱的短波部分与吸收谱的长波。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部分有重叠，为此在有的有机闪烁体中加入移移波剂波剂，以减少自吸收。，以减少自吸收。激发态激发态是是亚稳态亚稳态，电子电子可以在此状态保持一可以在此状态保持一段段较长较长的时间，像掉入陷阱一样。的时间，像掉入陷阱一样。这些这些电子电子可以从可以从晶格振动晶格振动中中获得能量获得能量，重新跃迁，重新跃迁到到导带导带，然后再通过，然后再通过发射光子发射光子而而退激退激，因而发光，因而发光的的

9、衰减时间衰减时间较长较长，称之为，称之为“磷光磷光”。3 3、闪烁体闪烁体的的物理特性物理特性1)1)发射光谱发射光谱特点特点：发射光谱发射光谱为为连续谱连续谱。各种闪烁体都存在。各种闪烁体都存在一个一个最强波长最强波长；要注意发射光谱与光电倍增管；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。光阴极的光谱响应是否匹配。以以NaI(Tl)为例：为例：对对粒子粒子；对对粒子粒子2)2)发光效率发光效率与与光能产额光能产额指指闪烁体将闪烁体将所吸收的所吸收的射线能量射线能量转化为转化为光光的的比例比例。发光效率发光效率：Eph闪烁体闪烁体发射光子发射光子的的总能量总能量；E入射粒子入射粒子损

10、耗在损耗在闪烁体闪烁体中的中的能量能量。以以NaI(Tl)为例为例对对1 1MeV的的粒子粒子，发射光子发射光子平均能量平均能量光能产额光能产额：nph为产生的为产生的闪烁光子闪烁光子总数总数。发光效率发光效率与与光能产额光能产额的关系：的关系：3)3)发光衰减时间发光衰减时间受激过程受激过程大约大约退激过程退激过程及闪烁体及闪烁体发光过程发光过程按按指数规律指数规律对于大多数对于大多数无机晶体无机晶体，t时刻时刻单位时间单位时间发发射射光子数光子数：为为发光衰减时间发光衰减时间，即，即发光强度发光强度降为降为1/e所所需时间需时间。对于大多数对于大多数有机闪烁体有机闪烁体及若干及若干无机闪烁

11、体无机闪烁体的的发光发光有有快、慢快、慢两种成分两种成分：快、慢两种成分快、慢两种成分的的相对比例相对比例随随入射粒子入射粒子而而变化变化 。由总光子数由总光子数得到：得到：4 4、常用闪烁体、常用闪烁体发光效率高发光效率高，Z,高高，适宜于，适宜于 射线射线探测。探测。易易潮解潮解，须仔细封装。，须仔细封装。不不潮解潮解，价贵价贵。塑料闪烁体塑料闪烁体将将 粉末加粉末加1%1%有机玻璃粉末有机玻璃粉末溶于溶于有机溶剂有机溶剂涂于涂于有机玻璃有机玻璃板上，板上，透明度透明度差，差，薄层薄层，测，测,粒子。粒子。溶剂溶剂(二甲苯二甲苯)+)+发光物质发光物质(PPO)+)+移波剂移波剂(POPO

12、P)。放于放于玻璃玻璃或或石英石英杯中杯中。有机液体闪烁体有机液体闪烁体苯乙烯苯乙烯(单体单体)+)+PPO+POPOP，聚合成聚合成塑料塑料。5 5、光的收集、光的收集1)1)反射层反射层2)2)光学耦合光学耦合常用于常用于闪烁体闪烁体与与光电倍增管光电倍增管的的尺寸尺寸不符不符或其它或其它特殊特殊需要。需要。在在非光子出射面非光子出射面打毛打毛，致使，致使光子光子漫反射漫反射，并再，并再衬以衬以或或涂敷涂敷氧化镁氧化镁或或氧化钛氧化钛白色粉末。白色粉末。3)3)光导光导为防止光由为防止光由光密介质光密介质到到光疏光疏介质介质发生的发生的全反射全反射，用，用折射折射系数系数 的的硅脂硅脂(或

13、或硅油硅油)。9.2 光电倍增管光电倍增管1、PMT的的结构结构光电倍增管为光电倍增管为电真空器件电真空器件。1)PMT的主要部件的主要部件和工作原理和工作原理 真空壳真空壳打拿极打拿极阳极阳极光电子轨迹光电子轨迹入射光入射光聚焦电极聚焦电极半透明半透明光阴极光阴极2)PMT的类型的类型 (1)外观的不同外观的不同(2)根据光阴极形式根据光阴极形式聚焦型聚焦型非聚焦型非聚焦型(3)根据电子倍增系统根据电子倍增系统具有具有较快的响应较快的响应时间时间，用于，用于时间时间测量或需要响应测量或需要响应时间快的场合时间快的场合。电子电子倍增系数较倍增系数较大大，多用于，多用于能谱能谱测量系统测量系统。

14、直线结构直线结构环状结构环状结构百叶窗结构百叶窗结构盒栅型结构盒栅型结构2、PMT主要性能主要性能1)1)光阴极的光谱响应光阴极的光谱响应光阴极光阴极受到受到光照光照后，发射后，发射光电子光电子的的概率概率是是入射光入射光波长波长的的函数函数，称作，称作“光谱响应光谱响应”。PMT增益增益打拿极打拿极间间电子传输效率电子传输效率阳极阳极灵敏度灵敏度阳极电流阳极电流2)2)光照灵敏度光照灵敏度阴极阴极灵敏度灵敏度光阴极光阴极的的光电子流光电子流光通量光通量(1)(1)光阴极光阴极的的热电子发射热电子发射。3)3)PMT 暗电流与噪声暗电流与噪声当当工作状态工作状态下的下的光电倍增管光电倍增管完全

15、完全与与光辐射光辐射隔隔绝绝时，其时，其阳极阳极仍能仍能输出电流输出电流(暗电流暗电流)及及脉冲脉冲信号信号(噪声噪声)。(2)(2)残余气体残余气体的的电离电离-离子反馈离子反馈；残余气体残余气体的的激发激发-光子反馈光子反馈。(3)(3)工艺工艺-尖端放电尖端放电及及漏电漏电成因：成因：噪声能当量噪声能当量。当没有任何光子照射到光阴极当没有任何光子照射到光阴极上时可测得噪声谱上时可测得噪声谱即噪声输出脉冲幅度的即噪声输出脉冲幅度的分布，当纵坐标取分布，当纵坐标取 n=50cps 时时相应相应的脉冲幅度的脉冲幅度所相应的所相应的入射粒子能量入射粒子能量，称为噪声能当量，单，称为噪声能当量，单

16、位是位是KeV。阳极暗电流阳极暗电流，实际上它是噪声脉冲信号，实际上它是噪声脉冲信号电流的平均值，一般为电流的平均值，一般为10-610-10A。指标：指标：4)4)PMT 的时间特性的时间特性飞行时间飞行时间(渡越时间渡越时间)一个一个光电子光电子从从光阴极光阴极到达到达阳极阳极的的平均时间平均时间。渡越时间渡越时间离散离散到达到达阳极阳极的的每个电子每个电子都经历了都经历了不不同的同的倍增过程倍增过程和和飞行距离飞行距离，反映，反映了了飞行时间飞行时间的的涨落涨落，是决定，是决定闪烁闪烁计数器计数器分辨时间分辨时间的限制因素。的限制因素。：te的的分布函数分布函数的的半宽度半宽度5)5)P

17、MT 的稳定性的稳定性稳定性稳定性是指在是指在恒定恒定辐射源辐射源照射下，照射下，光电倍增管光电倍增管的的阳极电流阳极电流随随时间时间的变化。的变化。包含两部分：包含两部分：短期稳定性短期稳定性，指，指建立稳定工作状态建立稳定工作状态所需的时间。所需的时间。一般在开机后一般在开机后预热预热半小时才开始正式工作。半小时才开始正式工作。长期稳定性长期稳定性：在工作达到稳定后，：在工作达到稳定后，略有下降的略有下降的慢变化慢变化，与管子的材料、工艺有关，同时与周，与管子的材料、工艺有关，同时与周围的环境温度有关。长期工作条件下，须采用围的环境温度有关。长期工作条件下，须采用“稳峰稳峰”措施。措施。3

18、、PMT 使用中的几个问题使用中的几个问题1)1)光屏蔽光屏蔽，严禁严禁加高压时曝光加高压时曝光。2)2)高压极性高压极性：正高压正高压和和负高压负高压供电方式。供电方式。正高压供电方式正高压供电方式，缺点是脉冲输出要用，缺点是脉冲输出要用耐高压耐高压的电容耦合的电容耦合，耐高压电容体积大，因而分布电，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。容大。高压纹波也容易进入测量电路。负高压供电方式负高压供电方式，阳极是地电位，阳极是地电位，耦合方式简耦合方式简单单，尤其在电流工作方式。但其阴极处于很高，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地

19、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。蔽外壳之间的绝缘。3)3)分压电阻分压电阻4)4)最后几级的最后几级的分压电阻分压电阻上上并联电容，并联电容，以旁以旁路掉路掉脉动电流脉动电流在在分压电阻分压电阻上的上的脉动电压脉动电压，达到达到稳定滤波稳定滤波的效果。的效果。由于当电子在两个联极间运动时，会在分压电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，阻上流过脉动电流，必须保证脉动电流远小于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由高压电源流经分压电阻的稳定电流，以保证，以保证各打拿极的各打拿极的电压稳定电压稳定。这也对高压电源的功率。这也对高压电源的

20、功率提出了要求。提出了要求。.闪烁探测器输出信号的闪烁探测器输出信号的物理过物理过程程及及输出回路输出回路.输出脉冲信号的输出脉冲信号的电荷量电荷量.闪烁探测器的闪烁探测器的电流脉冲电流脉冲信号信号.闪烁探测器的闪烁探测器的电压脉冲电压脉冲信号信号.闪烁探测器输出信号的闪烁探测器输出信号的涨落涨落9.3 闪烁探测器的输出信号闪烁探测器的输出信号I.I.闪烁探测器输出信号的闪烁探测器输出信号的物理过程物理过程及及输出回路输出回路1.1.1.1.闪烁探测器输出信号的过程闪烁探测器输出信号的过程闪烁探测器输出信号的过程闪烁探测器输出信号的过程2.2.2.2.闪烁探测器信号的输出回路闪烁探测器信号的输

21、出回路闪烁探测器信号的输出回路闪烁探测器信号的输出回路IaIkIa3.3.3.3.输输输输出出出出回回回回路路路路的等效电路的等效电路的等效电路的等效电路输出回路的等效电路输出回路的等效电路输出回路的等效电路输出回路的等效电路II.II.输出脉冲信号的输出脉冲信号的电荷量电荷量1 1、光电倍增管输出信号的光电倍增管输出信号的总电荷量总电荷量取决于取决于：闪烁体发出的闪烁体发出的闪烁光子数闪烁光子数：光子被光子被收集到光阴极收集到光阴极上的上的概率概率：光阴极光阴极的的转换效率转换效率：光电子光电子被被第一打拿极第一打拿极收集的收集的概率概率：光电倍增管总的光电倍增管总的倍增系数倍增系数：2 2

22、、第一打拿极第一打拿极收集到的收集到的光电子数光电子数为：为：3 3、阳极阳极收集到的收集到的电子数电子数为：为：4 4、阳极阳极收集到的收集到的总电荷量总电荷量为：为：可以看出，闪烁探测器输出脉冲信号的可以看出，闪烁探测器输出脉冲信号的电电荷量荷量Q是与入射粒子是与入射粒子在闪烁体内损耗的能在闪烁体内损耗的能量量E成成正比正比的的.即：即：III.III.闪烁探测器的闪烁探测器的电流脉冲电流脉冲信号信号u 单位时间内单位时间内闪烁体发出闪烁体发出的的光子数光子数为：为：u 单位时间内单位时间内第一打拿极第一打拿极收集到的收集到的光电子数光电子数为：为：1 1、单位时间内单位时间内第一打拿极第

23、一打拿极收集到的收集到的光电子数光电子数2 2、单光电子单光电子引起的引起的电流脉冲电流脉冲信号信号 面积面积3 3、一次闪烁一次闪烁所引起的所引起的阳极电流脉冲阳极电流脉冲一次闪烁一次闪烁输出输出电流脉冲电流脉冲为为即：即：代入：代入：两边微分并整理两边微分并整理与与的的卷积卷积闪烁探测器输出闪烁探测器输出电流脉冲电流脉冲一般表一般表达式的达式的卷积形式卷积形式 闪烁探测器输出闪烁探测器输出电流脉冲电流脉冲一般表达式的一般表达式的微分形式微分形式 上式和卷积形式一样给出了输出上式和卷积形式一样给出了输出电流脉冲电流脉冲与与发光衰减发光衰减时间时间及及单光电子电流响应单光电子电流响应的关系。的

24、关系。在很多情况下，与在很多情况下，与相比，相比，是一个非常窄的是一个非常窄的用用 函数函数来近似来近似即：可设即：可设时间函数，这时可以时间函数，这时可以忽略电子飞行时间的涨落，忽略电子飞行时间的涨落，求求解解则：则：IV.IV.闪烁探测器的闪烁探测器的电压脉冲电压脉冲信号信号由由等效电路等效电路代入：代入：令：令：可得：可得：1 1、当、当短时间短时间内：即内：即时时在在，但仍满足，但仍满足经过经过较长时间较长时间，即，即2 2、当当对对时时对对,但仍满足但仍满足经过经过较长时间较长时间，即，即电流脉冲型工作状电流脉冲型工作状态态输出输出电压脉冲电压脉冲形形状状趋于电流脉冲趋于电流脉冲的的

25、形状形状。电压脉冲型工作状电压脉冲型工作状态态输出输出电压脉冲电压脉冲形形状为电流脉冲在输状为电流脉冲在输出回路上的出回路上的积分积分 电流脉冲电流脉冲电压脉冲电压脉冲随随不变，不变，的变化规律。的变化规律。结论：结论：电压脉冲电压脉冲幅度幅度和和宽度宽度均随均随不变，不变，增大而增大增大而增大。取取 =250ns=250ns，C C0 0=1pF=1pF分别取分别取R R0 0为：为：10K10K，100K100K，1M1M，10M10M，100M100M电压脉冲随电压脉冲随不变，不变，的变化规律。的变化规律。结论：结论：电压脉冲电压脉冲幅度幅度随随不变，不变，增大而减小增大而减小。取取=2

26、50ns=250ns，R R0 0=100K=100K，分别取分别取C C0 0为：为：1pF1pF，2.5pF2.5pF，5pF5pF，10pF10pF电压脉冲电压脉冲宽度宽度随随增大而增大增大而增大。V.V.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闪烁探测器输出信号输出信号正比于正比于PMT阳极收集阳极收集到的电子数到的电子数而而是由是由三三个随机变量个随机变量串级串级而成的而成的串级型随机变量串级型随机变量。遵守泊松分布遵守泊松分布 1 1、闪烁体发出的闪烁体发出的闪烁光子数闪烁光子数 的的涨落涨落一般近似认为一般近似认为 则：则：2 2、第一打拿极收集到的光电子数、第

27、一打拿极收集到的光电子数的涨落的涨落由由其中其中为服从泊松分布的随机变量为服从泊松分布的随机变量 为为PMTPMT的转换因子，为伯努利型随机变量的转换因子，为伯努利型随机变量则：则：正事件发生的概率。正事件发生的概率。可知：可知：可知：可知：是由是由和和两个随机变量串级而成的两个随机变量串级而成的串级型随机变量串级型随机变量。3 3、阳极收集到的电子数、阳极收集到的电子数的涨落的涨落由由倍增系数倍增系数 M 是各打拿极的倍增因子是各打拿极的倍增因子多级串级随机变量，则则其他打拿极的倍增因子均为其他打拿极的倍增因子均为则则如设如设和和服从服从泊松分布泊松分布串级串级而成的而成的若第一打拿极的若第

28、一打拿极的倍增因子为倍增因子为由此可推算闪烁谱仪的能量分辨率极限值为：由此可推算闪烁谱仪的能量分辨率极限值为：修正结果：修正结果：输出信号小结输出信号小结：1 1 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 2 2、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

29、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3 3 3 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由等效电路得：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

30、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，取且且且且要尽量减小要尽量减小要尽量减小要尽量减小4 4 4 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的相对均方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

31、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：9.49.4 单晶闪烁谱仪单晶闪烁谱仪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 闪烁体闪烁体、PMT以及以及配套的电子学仪器配套的电子学仪器组成。组成。X X或或射线不带电，它与闪烁体的相互作用射线不带电，它与闪烁体的相互作用是通过是通过三种三种次级效应次级效应实现的实现的，它产生的，它产生的次级次级电子的能谱电子的能谱是相当复杂的，因而由是相当复杂的，因而由次级电子次级电子产生产生的的输出脉冲幅度谱输出脉冲幅度谱也是相当复杂的。也是相

32、当复杂的。以以NaI(Tl)闪烁晶体的单晶闪烁晶体的单晶闪烁谱仪为例。闪烁谱仪为例。2、单能射线的输出脉冲幅度谱单能射线的输出脉冲幅度谱1)单能单能 射线在闪烁体内产生的次电子谱射线在闪烁体内产生的次电子谱 射线与物质的相互作用：射线与物质的相互作用：光电效应光电效应：康普顿散射康普顿散射：电子对效应电子对效应：光子消失光子消失，产生，产生光电子光电子散射光子散射光子，反冲电子反冲电子光子消失光子消失，产生，产生正负电子对正负电子对正电子湮没正电子湮没产生两个产生两个0.511MeV的湮没光子。的湮没光子。光电吸收光电吸收逃逸的散射逃逸的散射 光子光子单次单次Compton散射散射逃逸的湮没逃

33、逸的湮没光子光子电子对效应电子对效应(1)(1)小晶体小晶体。尺寸小于。尺寸小于1cm。可认为由可认为由入射入射 光子光子产生的产生的次级次级Compton光子光子或或电子对效应电子对效应中产生的中产生的正电子湮没光子正电子湮没光子这些这些次级辐射离开闪烁体，不再与闪烁体发生相次级辐射离开闪烁体，不再与闪烁体发生相互作用。互作用。全能峰全能峰(光电峰光电峰)Compton连续谱连续谱Compton边沿边沿全能峰全能峰(光电峰光电峰)Compton连续谱连续谱双双逃逸峰逃逸峰(2)(2)无限大晶体无限大晶体次级光子次级光子带走的能量也最终转化为带走的能量也最终转化为次级电子次级电子的能量，因此单

34、能的能量，因此单能 光子入射后所产生的总的光子入射后所产生的总的次级电子能量就次级电子能量就等于等于入射入射 光子的能量。光子的能量。光电吸收光电吸收Compton散射散射电子对效应电子对效应全能峰全能峰(3)(3)中等大小晶体中等大小晶体光电吸收光电吸收多次散射后逃多次散射后逃逸的逸的 光子光子Compton散射散射单逃逸湮没单逃逸湮没光子光子电子对产生电子对产生次级效应中产生的光子次级效应中产生的光子部分部分逃出闪烁体。逃出闪烁体。全能峰全能峰(光电峰光电峰)多次多次Compton散射散射全能峰全能峰(光电峰光电峰)多次多次Compton散射散射单逃逸峰单逃逸峰双逃逸峰双逃逸峰图中各部分的

35、图中各部分的面积面积与入射单能与入射单能 光子产生各种效光子产生各种效应的截面有关，也与闪烁体的大小有关。应的截面有关，也与闪烁体的大小有关。闪烁体越大，光电峰的面积越大闪烁体越大，光电峰的面积越大or越小越小？2)2)单能单能 射线输出脉冲幅度谱射线输出脉冲幅度谱，首先取决于，首先取决于入射入射 光子所产生的光子所产生的次级电子能谱次级电子能谱。因此因此单能单能 射线射线的的输出脉冲幅度谱输出脉冲幅度谱基本如基本如上面所示的形状，但是上面所示的形状，但是存在一定差别存在一定差别。(1)(1)由于统计涨落引起的展宽由于统计涨落引起的展宽淹没峰淹没峰反散射峰反散射峰特征特征X射线峰射线峰(2)(

36、2)闪烁体周围物质的影响闪烁体周围物质的影响(3)(3)PMT的噪声的噪声特征特征X射线射线光电吸收光电吸收Compton散射散射淹没光子淹没光子3)3)几个几个典型单能典型单能 射线谱射线谱3 3、NaI(Tl)单晶单晶射线谱仪的射线谱仪的性能性能1)1)响应函数响应函数 -闪烁谱仪闪烁谱仪对对某单能某单能射线射线的的脉脉冲幅度谱冲幅度谱。2)2)能量分辨率能量分辨率用用全能峰全能峰(光电峰光电峰)来确定闪烁谱仪的来确定闪烁谱仪的能量分辨率能量分辨率一次闪烁一次闪烁中中D1收集的收集的光电子数光电子数 串级事件的串级事件的第一级倍增因子第一级倍增因子定义定义产生产生一个一个被被第一打拿极收集

37、第一打拿极收集的的光电子光电子所所需要的需要的平均能量平均能量。能量分辨率能量分辨率的的影响因素影响因素：(1)(2)1大，则大，则小小。则则小。小。(3)高压稳定性高压稳定性的影响的影响.(4)道宽的影响道宽的影响道宽道宽半高宽半高宽若要：若要：则要求：则要求：一般要求：一般要求：3)3)能量线性能量线性单位能量输出幅度单位能量输出幅度与与入射粒子能量入射粒子能量的关系。的关系。理想情况理想情况：闪烁体的：闪烁体的发光效率发光效率Cnp与与入射粒子的入射粒子的能量能量无关无关，这样，这样“全能峰全能峰”处的处的幅度幅度就与入射就与入射 光子的光子的能量能量成成正比正比。实际上实际上：由于：由

38、于发光效率发光效率与入射粒子与入射粒子种类种类和和能量能量有关有关。对于。对于 能谱只涉及能谱只涉及电子电子引起的闪光，因引起的闪光，因此此 谱仪的非线性是由谱仪的非线性是由发光效率发光效率随随电子能量电子能量不不同而产生的同而产生的。对对NaI(Tl)，在，在100KeV1MeV，变化约，变化约15。4)4)射线探测效率射线探测效率对平行入射的对平行入射的 光子束：光子束：探测效率：探测效率：晶体厚度晶体厚度用谱分析求探测效率，常定义用谱分析求探测效率，常定义源峰效率源峰效率：高高Z,，大大D的闪烁体探测效率高。的闪烁体探测效率高。5)5)时间特性时间特性对对分辨时间分辨时间，它主要取决于输

39、出电压脉冲，它主要取决于输出电压脉冲信号的宽度信号的宽度。对对电压脉冲工作状态电压脉冲工作状态，条件：，条件：取决于取决于R0C0。对对电流脉冲工作状态电流脉冲工作状态，条件：，条件：取决于取决于。对对时滞时滞及及时间分辨本领时间分辨本领：主要取决于光电：主要取决于光电倍增管的倍增管的电子飞行时间电子飞行时间 及其及其离散离散 。为获得好的时间分辨本领须选用为获得好的时间分辨本领须选用快速光电快速光电倍增管倍增管。6)6)稳定性稳定性主要由主要由PMT决定决定长期稳定性是由环境温度和长期稳定性是由环境温度和PMT的老的老化和使用寿命决定，为保持长期稳定化和使用寿命决定，为保持长期稳定性经常采用稳峰性经常采用稳峰(或称稳谱或称稳谱)技术。技术。短期稳定性短期稳定性对短期稳定性，须考虑开机预热达到对短期稳定性，须考虑开机预热达到稳定的时间。稳定的时间。长期稳定性长期稳定性