NaI(Tl)闪烁晶体基本知识

1、* *附录一 NaI(Tl)闪烁晶体闪烁体按其化学性质可分为两类：一类是无机晶体闪烁体，通常是含有少量杂质(称为激活剂)的无机盐晶体，如碘化钠作它激活)单晶体、即NaI(Tl),碘化葩(蛇激活)单晶体、即CsI(Tl),硫化锌(银激活卜即ZnS(Ag) 等；另一类是有机闪烁体，它们都是苯环碳氢化合物。闪烁体的发光机制比较复杂，在此对无机晶体闪烁 体的发光机制作一些简要的定性介绍。无机晶体闪烁体属离子型晶体，原子(离子)之间结合得比较紧密相互之间影响比较大，晶格中原子电子能级加宽成为一系列连续的能带。其中最低能量状态已为电子所填满，故称为满带；价电子都处于稍高的能量状态，这种能带称为“价带”。若

2、价带未填满，则在外电场作用下将有净电流产生；若价带已填满，则必须有电子被激 发到更高的能带一一导带上去，才能产生电流，此时价带上有一空穴，导带 上有一电子，即产生了一个自由电子一一空穴对。价带与导带之间的空隙中 不存在电子能级，称为禁带；禁带有一宽度Eg,它和晶体的导电性质密切相关，导体在0.1eV左右，半导体在 0.632.5eV之间，无机闪烁体为绝缘透 明物质，Eg3eV , NaI 为 7.0eV。也存在另一种情况：在闪烁晶体中产生的电子一一空穴对仍束缚着，称ZZZZZ导带受激 宸先娥傩映密/ 耐(0品片的旋部结枸为“激子”，它们在晶格中一起运动，在外电场中无净电流产生，其能带在导带之下

3、，称为“激带”。自由的导带电子和价带空穴可以复合成激子，激子也可以吸收热运动能量变成自由电子一一空穴对。当核辐射进入闪烁体时，既可产生自由电子一一空穴对，也可以产生激子。而后电子从导带或激带跃 迁到价带，退激过程中放出光子；也存在着竞争过程一一非辐射跃迁，即通过放热(晶格振动)退激。有一点需要指出，纯的NaI晶体不是有效的闪烁体。一是因为相应禁带宽度的光子能量在紫外光范围，不是可见光；二是退激发出的光子尚未逸出晶体就会被 晶体自身吸收。为了解决这一问题，在纯晶体中掺入少 量杂质原子(如Tl),称为“激活剂”，它们成为发光中心， 形成一套激发能级，能量比导带低，而基态却比价带高， 这样跃迁产生的

4、光子能量就比禁带宽度Eg小，那么它就不可能再使价带上的电子激发到导带上去， 从而避免 自吸收。碘化钠闪烁晶体能吸收外来射线能量使原子、 分子 电离和激发，退激时发射出荧光光子。NaI(Tl)晶体的密 度较大(p=3.67g/cm 3),而且高原子序数的碘占重量的 85%,所以对丫射线的探测效率特别高，同时相对发光效率大；电子禁带价带晶体能级携带中出现由激活剂产生的时毁诙发态闪烁此于导汾激带415nm左右，能与光电倍增管的光谱响应较好匹配。此外，晶体的透明性也很好，测量丫射线时能量分辨率也是闪烁体中较 好的一种。一个需要指出的问题是：在闪烁体的选取上要注意闪烁体对所测的粒子要有较大的阻止本领，以

5、使入射粒子(特别是能量较大的粒子)在闪烁体中能损耗较多的能量而退激产生光子。原先使用的国产NaI(Tl)晶体尺寸为20 X5mm ,这一厚度对定标时测高能丫 (E1MeV)时的效率不够高，而且对高能3粒子的计数率也 比较低；本装置的闪烁探测器采用的尺寸为20 X20mm 的NaI(Tl)晶体可以说是一大改进，一方面可以提高探测高能丫部分的效率，另一方面也提高了实验中高能3粒子的计数率。NaI（Tl）晶体的缺点是容易潮解，吸收空气中的水分就会变质失效；因此我们采用了200 m的铝来密封；这就需要对3穿过Al膜时的能量损失进行修正。在实验中我们发现，对于不同的3粒子能量的损失不尽 相同；所以在实际

6、的实验和数据处理中进行了能量损失的合理修正。附录二 光电倍增管光电倍增管是一种常用的灵敏度很高的光探测器，它由光阴极、电子光学输入系统、倍增系统及阳极组成，并且通过高压电源及一组串联白电阻分压器在阴极打拿极（又称“倍增极”）阳极之间建立一个电位分布。光辐射照射到阴极时，由于光电效应，阴极发射电子，把微弱的光输入转换成光电子；这些光 电子受到各电极间电场的加速和聚焦，光电子在电子光学输入系统的电场作用下到达第一倍增极，产生二次电子，由于二次发射系数大于1,电子数得到倍增。以后，电子再经倍增系统逐级倍增，阳极收集倍增后的电子流并输出光电流信号，在负载电阻上以电压信号的形式输出。1IDV 2UUV

7、*OOV9*0 V13UIVQV2DOV4。植V OOV 8QQV 10U4JV光也借噌管T作原理图（环状、直线）和非聚焦型（百叶窗式、盒栅百计曾式光电借埴告示克展IK光阴极；F聚焦极；DiD10 打拿极；A阳极根据打拿极的几何形状和排列方式，光电倍增管分为聚焦型 式）。本装置采用 GDB44F型百叶窗式光电倍增管，其优点为 脉冲幅度分辨率较好，适用闪烁能谱测量。它的主要指标应该包括以下几方面：光电转换特性、电子 倍增特性、噪声或暗电流、时间特性等；在此主要介绍光电转 换特性和电子倍增特性。1 ）光电转换特性一一光阴极的光谱响应和灵敏度光阴极是接收光子并放出光电子的电极，一般是在真空中把阴极材

8、料蒸发在光学窗的内表面上，形成 半透明的端窗阴极；光阴极材料的品种有数十种，但最常用的只是五、六种，如睇葩化合物等。一般光电 倍增管光阴极前的光学窗有两种：硼玻璃窗或石英窗，前者适用于可见光，后者可透过紫外光。光阴极受 到光照射后发射光电子的几率是波长的函数，称为光谱响应。在长波端的响应极限主要由光阴极材料的性 质决定，而短波端的响应主要受入射窗材料对光的吸收所限制。了解光电倍增管的光谱响应特性有利于正 确选择不同管子使之与闪烁体的发射光谱相匹配。在实际应用中，光电转换特性通常使用另一个宏观定义，即一定通量F的白光照射阴极所能获得的光电子流（ik）称为光阴极光照灵敏度：g ikSk 其中ik单

9、位为微安；F为光通量，单位为“流明”(lm)。F2）电子倍增特性一一光电倍增管的放大倍数及阳极灵敏度光电倍增管的放大倍数（增益）M由于打拿极的倍增作用，从光阴极发射出来的电子不断被倍增，最后可在阳极上得到大量电子。从光 阴极射出，到达第一打拿极的一个电子，经过多次倍增后在阳极得到的电子数，称为光电倍增管电流放大 倍数（增益）。阳极接收到的电子数M 第一打拿极收集到的电 子数在理想情况下一般可写成：M n式中 是平均二次发射系数，n为打拿极的级数。二次发射系数是极间电压的函数，可用经验公式表示:a（VD）b（3）其中Vd为打拿极之间的电压，a、b为经验常数。如果打拿极电子传递效率为 g,那么增益

10、 M比较实际的表达式可写成：M （g ）n（4）对设计良好的聚焦型管子 g约等于1 ,对非聚焦型管子 g1。阳极光照灵敏度S放大倍数是光电倍增管的重要参数之一，但往往有些技术说明书不直接给出它的数值，而是在给出光阴极光照灵敏度 Sk的同时，给出光电倍增管的“阳极光照灵敏度”Sa,它们之间的关系是:gcMSk阳极电流ia入射到阴极的光通量F(5)其中Sa的单位为A/lm , gc为第一打拿极对光电子的收集效率。阳极光照灵敏度的物理意义是：当一个流明的光通量照在光阴极上时，在光电倍增管阳极上输出的电流（阳极电流）ia的数值。当入射光通量F增大时，阳极电流ia在相当宽的范围内是线性增大的；但F太大时

11、，就出现偏离线性。原因之一是打拿极发射二次电子疲劳，使放大倍数减小；其二是最后几级打拿极和阳极上有空间电荷堆积；也有可能是分压电阻选择不当，使最后几级打拿极以及阳极之间的电压降低，放大系数减小，这一问题可 以通过调整分压电阻来解决。阳极光照灵敏度 Sa和总电压的关系由式（3）、（4）、（5）可知：与 Vbn,故log logV ,两个量的对 数成线性关系；因而随着电流增加到某一数值会出现非线性，lOgSa增加变得缓慢；一般说来，加在光电倍增管上的高压在1000V之内线性还是比较理想的。需要指出的是：闪烁探测器的线性问题是由多个因素共同作用的结果，不仅光电倍增管是个重要因素, 闪烁晶体本身也存在

12、能量线性问题。因此在实际应用中，必须考虑多方面的因素，比如各部件的匹配等， 而常用的解决方法则是调整光电倍增管的工作参数。光电倍增管的管脚插入底座。底座是由分压器与射极跟随器组成。1）分压器光电信塔百分红器线路图正高丘电源化，负高压电源光电倍增管中各电极的电位由外加电 阻分压器抽头供给。本实验使用正高压电 路，阴极接地，阳极处于高电位，输出端使 用耐高压电容隔开。所加电压应根据说明书或不同用途以及管子的性能进行考虑；建议用户在使用本实验装置时采用我们的推荐值。2)射极跟随器射极跟随器具有电流放大作用 (放大倍数一般为几十一百以上 )，但其电压放大倍数恒小于1而接近于1 ,且输出电压和输入电压同

13、相，因此具有电压跟随的特点，频率响应较好。附录三 多项式拟合及能谱的光滑处理和寻峰.多项式拟合在实际的物理实验中，我们经常测出某一未知形式函数f(x)在若干点Xi处的值yi (i=1,2n),所要做的是根据这些数值点推导f(x)的近似表达式，这就是所谓的曲线拟合问题。在介绍曲线拟合之前首先要谈一下函数插值。所谓函数插值是根据插值原理建立一个次数不高于n的插值多项式Pn(x)作为函数f(x)的近似表达式，基本要求是拟合曲线通过所有数据点。而曲线拟合不要求通过所有数据点，只要求得出的近似函数能反映数据的基本关系，因此曲线拟合比 函数插值得到的结果更能反映客观实际。在某种意义上来说曲线拟合还更有实用

14、价值，因为实际问题中所 提供的数据点往往很多，用函数插值势必得出次数很高的插值多项式，导致计算上的很多麻烦，而且高次 多项式的振荡问题也是一大弊端。因此实际工作中更多采用了曲线拟合的处理方法。那么对给出的数据点(xi,yi)作拟合曲线时，怎样才算“拟合得最好”？或者说采取的原则是什么？ 一 般希望使各观测数据与拟合曲线的方差和最小，就能使拟合曲线更接近真实函数，即最小二乘原理。2 .算法用一个m次多项式y(x)2aoax a2xmamxmaxj来拟合n个观测数据点，其中0远小于n 。误差平方和：F(ao, a1,a2am)kny(xk)1_2yk,要求F的极小值则必须分别对a。、 a1、 am

15、求偏导数并使之为零，因此得到:ajn2 y(xk)k 1ykxk0；(j 0,1,2n即：a0k 12axka?xkmamxkykxkna0xk1axkamxk mykxk0,即系数a0、 a1、am应满足如下方程组:nna xk a1k 1kj 1 xk1nxkk 1ykxkjk 1(32)此方程组中有 m+1个方程，通常称为法方程；其系数矩阵为一个对称矩阵，并且是正定的，可以求出 唯一解ao、ai、am而后代入m次多项式即可得拟合结果。3 .多项式拟合阶数的选取在对实验数据点进行多项式拟合的过程中，拟合阶数的选取是一个至关重要的问题；如果拟合阶数选取过低则无法找准 y与x的关系，若选取过高

16、则高次多项式的振荡问题在所难免。在讨论这一问题之前先介绍几个概念。2右用 y(x) ao ax a?xkkak x ,单个y的残差为:akx来拟合数据点（xi,yi）,可以根据上面介绍的方法算出系数ao、ai ak代入拟合多项式，则拟合值 y ao ai xViyiyi(33)残差平方和为:n2Viyi (ao ai x i 1k 2ak x )(3 4)R 可以用来估计观测值方差n k 1y ,n R 1(3 5)因此拟合阶数 K的选取是否合适将直接关系到观测数据的方差估计。K选取过小则由于未找准 y与x的关系而引起很大误差； K选取过大则由于 R趋于稳定，而式（35）根号中分母变小同样会使

17、方差估计 偏大。原则上选取对应于 R随K值开始变化不大时的 K值。什么叫“ R随K值开始变化不大”呢？这需要一 个定量的判据，下面介绍一个统计性判据。根据R的统计性质可以证明R2 k按K阶拟合可以得到相应的残差平方和Rk,按K-1阶拟合可以得到 Rk 1O2（n k 1）, 与 2（n k）（参见复旦、清华、北大合编“原 k 1子核物理实验方法”第十八章的附录四）假如由这两种阶数多项式拟合得到的方差在某一显著水平上没有明显差异，则不必用K阶而考虑用 K-1阶来拟合；反之若方差有较大差异，则考虑用K阶来拟合。要检验两种分布的方差是否一致，可以用 F分布来检验。假设21：2 ,令Sk Rk 1 R

18、k ,由2分布加减法可以得到：当 Rkj20_6）而与和雪互相独立，因此由F分布定义：FkSk-2/1R2/(n k-F(1,n1)Fk(n k 1)Sk RkF(1, n k1)也就是说Fk服从第一自由度为1,第二自由度为n-k-1的F分布（有关F分布可以参考概率论和数理统 计的相关章节）。具体方法为：用最小二乘法对观测数据分别作 K阶和K-1阶的多项式拟合，算出相应的 Rk, Rk-1和 Sk;按显著水平0.01或 0.05查F分布表，找出相对于自由度为 1和n-k-1的F分布的临界值F ,比较Fk和F。当Fk F说明由K、K-1阶两种拟合结果一致，因此不必用 K;当Fk F ,说 明两者

19、有显著差异，有必要考虑 K阶拟合。下面举一个实例来说明：卜表给出了变量 X和Y的一组观测值，试确定用多项式来拟合的适宜阶数。Xi-0.92-0.84-0.66-0.56-0.50-0.38-0.260.0.100.240.380.500.620.660.92yi0.711.051.521.591.761.942.152.272.262.072.041.821.701.1362187870080954依此取K=0 , 1 , 2, 3计算相应的RUD Sk,得下表结果:KRkSk02.934210.49552.438720.02410.471430.02400.0001当取K=3时，在0.05的

20、显著水平卜查Fo.o5（1,10）4.96。又计算 F3 为：F 分布表(11 ,2 n k 114 3 110)得(n k 1)SkF3Rk10S310 0.00010.0417R30.0240由于 F30.0417 4.96 Fo.o5(1.10),故在0.05的显著水平卜不取 K=3 。当K=2时，在0.05的显著水平下查F分布表（11,2 n k 1 14 2 1 11）得F0.05(1,11)4.84。又计算 F2 为:(n k 1)Sk1玲 11 0.4714F 21128.3RkR20.0241由于 F21128.3 4.84F0.05(1,11),故在0.05的显著水平下可以考

21、虑取K=2 。综上所述，用二次多项式来拟合曲线。y 2.27799 0.20749x 1.56834x2.能谱的光滑处理为了减少能谱实验数据统计涨落的影响，同时又要保留能谱形状最重要的特征，可对数据采用光滑（修匀）技术。事实上最简单而又直观的光滑方法是用纸和铅笔的作图方式，但它依赖于操作者的技巧和主观意识， 所以最好还是借助数据光滑的数学公式由计算机来进行这一工作。1 .原理不同的方法可以导出不同的数据光滑公式，常用的一种是多项式拟合移动法。该方法是：在实验谱上所要光滑的一点的两边各取 m个点，连同本身共 2m+1个点，用一个以该点为中心的q次多项式对这一谱段作最小二乘拟合，所得到的多项式在中

22、心点的值即为光滑谱的值；然后逐点移动中心点作同样的计算，得到整个光滑谱。2 .例：用二次多项式拟合点数为5点（即m=2 ）时的光滑谱公式。为简单起见，道数Xi取-2、-1、0、1、2 （其中Xi2y1、y2,设拟合曲线为 y a。 ax a?x。0为拟合中心道），相应计数观测值y 2、y 1、y0、nn由最小二乘拟合的法方程组：a0 x： a1 xk 1k 1k 1nnam xk m ykxkj可以得至U： k 1k 12nxixia023xi xixia12 xi3xixi4a2yixi yi2xi y(3 8)有关数据计算如下:xiyi2 xi3 xi4 xixiyi2xi yi-2y-2

23、4-816-2y -24y-2-1y-11-11-y -1y-10y0000001y1111y1y12y248162y2y20V10034代入法方程组写出:10a0 10a2 y 2 y i y(o y y2(3 9)10ai2y 2 y 1 yi 2y210ao 34a2 4y 2 y 1 y1 4y2解出:a。a1a21 ,(3y 2 12y 117y0 12y1 3y2)351 ,10( 2y 2 y 1 V1 2y2)(3 10)把解出的a0、a1五(2y2y 12 y0y12y2一、 一2aZ代入方程y a0 ax a?x ,就得到了对于这五道的拟合曲线。光滑后的计数就是对中心道而言取拟合曲线上的数值，因此将Xi 0代拟合曲线就得到对应该道计数的光滑值:1 ,y0 a0 ( 3y 2 12y 1 17y0 12y1 3y2)35(3