第九章闪烁探测器课件

第九章

闪烁探测器ScintillationDetector第九章

闪烁探测器ScintillationDetec1闪烁探测器是利用辐射在某些物质中产生的闪光来探测电离辐射的探测器。闪烁体光电倍增管(打拿极)反射层管座分压器高压多道或单道光阴极阳极荧光光子光电子暗盒窗前置放大器闪烁探测器是利用辐射在某些物质中产生的闪光来探测电离辐射的探2闪烁探测器的工作过程：(1)辐射射入闪烁体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。(2)荧光光子被收集到光电倍增管(PMT)的光阴极，通过光电效应打出光电子。(3)电子运动并倍增，并在阳极输出回路输出信号。闪烁探测器可用来测量入射粒子的能量。

闪烁探测器的工作过程：(1)辐射射入闪烁体使闪烁体原39.1

闪烁体1、闪烁体的分类1)无机闪烁体：玻璃体纯晶体无机晶体(掺杂)(锂玻璃)2)有机闪烁体：有机晶体——蒽晶体等；有机液体闪烁体及塑料闪烁体.3)

气体闪烁体：Ar、Xe等。9.1 闪烁体1、闪烁体的分类1)无机闪烁体：玻璃体纯晶体42、闪烁体的发光机制1)

无机闪烁体的发光机制重点分析掺杂的无机晶体，以NaI(Tl)，CsI(Tl),CsI(Na)属于离子晶体等为最典型，又称卤素碱金属晶体。

禁带导带价带激带晶体的发光机制取决于整个晶体的电子能态。晶体中电子的能态不再用原子能级表示，而用“能带”来描述。

激活剂2、闪烁体的发光机制1)无机闪烁体的发光机制重点分析掺杂的5导带上的自由电子和价带空穴可以复合成激子，相反，激子也可以受热运动而变成自由电子－空穴对。对于离子晶体，辐射射入闪烁体使晶体原子电离和激发。结果使得价带中的一些电子由原来位置跃迁过禁带而进入导带，成为自由电子，同时在价带中形成空穴。（电离）电子也可能跃迁到较低的激带，这时产生的电子－空穴对称之为激子。激子只能在晶格中束缚在一起运动。（激发）导带上的自由电子和价带空穴可以复合成激子，相反，激子也可以受6B）由于离子晶体禁带宽度大，退激发出的光子能量为紫外范围，一般光电倍增管的光阴极不能响应，这些发射的光子不能被有效利用。

退激过程将可能发出光子，也可能变成晶格振动能而不发光。A）对纯离子晶体，退激发出的光子容易被晶体自吸收，传输到晶体外的光子很少；出现的问题：B）由于离子晶体禁带宽度大，退激发出的光子能量为紫外范围，一7选择合适的杂质，使它的激发能级比晶体的导带、激带低，而基态比价态高。杂质能级成为发光中心。解决办法：在晶体中掺入少量杂质。称为“激活剂”的杂质在晶格形成特殊的晶格点，并在禁带中形成一些局部能级。由于杂质的电离能小于典型晶格点的电离能，原子受激产生的电子、空穴将迅速迁移到杂质能级的激发态和基态，即使杂质原子处于激发状态。选择合适的杂质，使它的激发能级比晶体的导带、激带低，而基态比8激发态的杂质原子有三种可能的退激方式：①电子从激发态立即跳回基态，发射出光子，发光的衰减时间通常在10-7s以内，称为“荧光”。荧光光子为可见光的范围，且有效地克服了发光的自吸收，使晶体的发射光谱和吸收光谱有效的分离。②电子把激发能转换为晶格的振动(热运动)而到达价带，并不发射光子，这种过程称为“淬灭过程”。激发态的杂质原子有三种可能的退激方式：①电子从激发态立即跳92)有机闪烁体的发光机制有机闪烁体的发射光谱和吸收光谱的峰值是分开的，所以，有机闪烁体对其所发射的荧光是透明的。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移波剂，以减少自吸收。③激发态是亚稳态，电子可以在此状态保持一段较长的时间，像掉入陷阱一样。这些电子可以从晶格振动中获得能量，重新跃迁到导带，然后再通过发射光子而退激，因而发光的衰减时间较长，称之为“磷光”。2)有机闪烁体的发光机制有机闪烁体的发射光谱和吸收光谱的峰103、闪烁体的物理特性1)发射光谱特点：发射光谱为连续谱。各种闪烁体都存在一个最强波长；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。3、闪烁体的物理特性1)发射光谱特点：发射光谱为连续谱。各11以NaI(Tl)为例：对β粒子；对α粒子2)发光效率与光能产额指闪烁体将所吸收的射线能量转化为光的比例。发光效率：Eph闪烁体发射光子的总能量；E入射粒子损耗在闪烁体中的能量。以NaI(Tl)为例：对β粒子；对α粒子2)发光效率与光能12以NaI(Tl)为例对1MeV的β粒子，发射光子平均能量光能产额：nph为产生的闪烁光子总数。发光效率与光能产额的关系：以NaI(Tl)为例对1MeV的β粒子，发射光子平均能量光能133)发光衰减时间受激过程大约退激过程及闪烁体发光过程按指数规律对于大多数无机晶体，t时刻单位时间发射光子数：τ为发光衰减时间，即发光强度降为1/e所需时间。3)发光衰减时间受激过程大约退激过程及闪烁体发光过程按指数14对于大多数有机闪烁体及若干无机闪烁体的发光有快、慢两种成分：快、慢两种成分的相对比例随入射粒子而变化。由总光子数得到：对于大多数有机闪烁体及若干无机闪烁体的发光有快、慢两种成分：154、常用闪烁体发光效率高，Z,高，适宜于射线探测。易潮解，须仔细封装。

4、常用闪烁体发光效率高，Z,高，适宜于射线探测。易潮解16不潮解，价贵。塑料闪烁体将粉末加1%有机玻璃粉末溶于有机溶剂涂于有机玻璃板上，透明度差，薄层，测α,β粒子。溶剂(二甲苯)+发光物质(PPO)+移波剂(POPOP)。放于玻璃或石英杯中。

有机液体闪烁体苯乙烯(单体)+

PPO+POPOP，聚合成塑料。不潮解，价贵。塑料闪烁体将粉末加1%有机玻璃17第九章闪烁探测器课件185、光的收集1)反射层2)光学耦合常用于闪烁体与光电倍增管的尺寸不符或其它特殊需要。在非光子出射面打毛，致使光子漫反射，并再衬以或涂敷氧化镁或氧化钛白色粉末。3)光导为防止光由光密介质到光疏介质发生的全反射，用折射系数的硅脂(或硅油)。5、光的收集1)反射层2)光学耦合常用于闪烁体与光电倍增199.2光电倍增管1、PMT的结构——光电倍增管为电真空器件。1)PMT的主要部件和工作原理

真空壳打拿极阳极光电子轨迹入射光聚焦电极半透明光阴极9.2光电倍增管1、PMT的结构——光电倍增管为电真空器件202)PMT的类型

(1)外观的不同(2)根据光阴极形式2)PMT的类型(1)外观的不同(2)根据光阴极形式21聚焦型非聚焦型(3)根据电子倍增系统具有较快的响应时间，用于时间测量或需要响应时间快的场合。电子倍增系数较大，多用于能谱测量系统。直线结构环状结构百叶窗结构盒栅型结构聚焦型非聚焦型(3)根据电子倍增系统具有较快的响应时间，用222、PMT主要性能1)光阴极的光谱响应光阴极受到光照后，发射光电子的概率是入射光波长的函数，称作“光谱响应”。2、PMT主要性能1)光阴极的光谱响应光阴极受到光照后，发23PMT增益打拿极间电子传输效率阳极灵敏度阳极电流2)光照灵敏度阴极灵敏度光阴极的光电子流光通量PMT增益打拿极间电子传输效率阳极灵敏度阳极电流2)光照灵24(1)光阴极的热电子发射。3)

PMT暗电流与噪声当工作状态下的光电倍增管完全与光辐射隔绝时，其阳极仍能输出电流(暗电流)及脉冲信号(噪声)。(2)残余气体的电离----离子反馈；

残余气体的激发----光子反馈。(3)工艺----尖端放电及漏电成因：(1)光阴极的热电子发射。3)PMT暗电流与噪声当工作状25噪声能当量。当没有任何光子照射到光阴极上时可测得噪声谱——即噪声输出脉冲幅度的分布，当纵坐标取n=50cps时相应的脉冲幅度所相应的入射粒子能量，称为噪声能当量，单位是KeV。阳极暗电流，实际上它是噪声脉冲信号电流的平均值，一般为10-6～10-10A。指标：噪声能当量。当没有任何光子照射到光阴极上时可测得噪声谱——即264)

PMT的时间特性飞行时间(渡越时间)一个光电子从光阴极到达阳极的平均时间。渡越时间离散到达阳极的每个电子都经历了不同的倍增过程和飞行距离，反映了飞行时间的涨落，是决定闪烁计数器分辨时间的限制因素。：te的分布函数的半宽度4)PMT的时间特性飞行时间(渡越时间)一个光电子从光阴275)

PMT的稳定性稳定性是指在恒定辐射源照射下，光电倍增管的阳极电流随时间的变化。包含两部分：短期稳定性，指建立稳定工作状态所需的时间。一般在开机后预热半小时才开始正式工作。长期稳定性：在工作达到稳定后，略有下降的慢变化，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“稳峰”措施。5)PMT的稳定性稳定性是指在恒定辐射源照射下，光电倍增283、PMT使用中的几个问题1)光屏蔽，严禁加高压时曝光。2)高压极性：正高压和负高压供电方式。正高压供电方式，缺点是脉冲输出要用耐高压的电容耦合，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。负高压供电方式，阳极是地电位，耦合方式简单，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蔽外壳之间的绝缘。3、PMT使用中的几个问题1)光屏蔽，严禁加高压时曝光。293)分压电阻4)最后几级的分压电阻上并联电容，以旁路掉脉动电流在分压电阻上的脉动电压，达到稳定滤波的效果。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，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，以保证各打拿极的电压稳定。这也对高压电源的功率提出了要求。3)分压电阻4)最后几级的分压电阻上并联电容，以旁路掉脉30Ⅰ.闪烁探测器输出信号的物理过程及输出回路Ⅱ.输出脉冲信号的电荷量Ⅲ.闪烁探测器的电流脉冲信号Ⅳ.闪烁探测器的电压脉冲信号Ⅴ.闪烁探测器输出信号的涨落9.3闪烁探测器的输出信号Ⅰ.闪烁探测器输出信号的物理过程及输出回路Ⅱ.输出脉冲信号的31I.闪烁探测器输出信号的物理过程及输出回路1.闪烁探测器输出信号的过程I.闪烁探测器输出信号的物理过程及输出回路1.闪烁探测器输322.

闪烁探测器信号的输出回路IaIk2.闪烁探测器信号的输出回路IaIk33Ia3.输出回路的等效电路Ia3.输出回路的等效电路34输出回路的等效电路输出回路的等效电路35II.输出脉冲信号的电荷量1、光电倍增管输出信号的总电荷量取决于：闪烁体发出的闪烁光子数：光子被收集到光阴极上的概率：光阴极的转换效率：光电子被第一打拿极收集的概率：光电倍增管总的倍增系数：2、第一打拿极收集到的光电子数为：II.输出脉冲信号的电荷量1、光电倍增管输出信号的总电荷量363、阳极收集到的电子数为：4、阳极收集到的总电荷量为：可以看出，闪烁探测器输出脉冲信号的电荷量Q是与入射粒子在闪烁体内损耗的能量E成正比的.即：3、阳极收集到的电子数为：4、阳极收集到的总电荷量为：可以看37III.闪烁探测器的电流脉冲信号

单位时间内闪烁体发出的光子数为：

单位时间内第一打拿极收集到的光电子数为：

1、单位时间内第一打拿极收集到的光电子数III.闪烁探测器的电流脉冲信号单位时间内闪烁体发出的光382、单光电子引起的电流脉冲信号

面积2、单光电子引起的电流脉冲信号面积393、一次闪烁所引起的阳极电流脉冲一次闪烁输出电流脉冲为即：代入：两边微分并整理与的卷积闪烁探测器输出电流脉冲一般表达式的卷积形式

3、一次闪烁所引起的阳极电流脉冲一次闪烁输出电流脉冲为即：代40闪烁探测器输出电流脉冲一般表达式的微分形式

上式和卷积形式一样给出了输出电流脉冲与发光衰减时间及单光电子电流响应的关系。

在很多情况下，与相比，是一个非常窄的用函数来近似即：可设时间函数，这时可以忽略电子飞行时间的涨落，求解则：闪烁探测器输出电流脉冲一般表达式的微分形式上式和卷积形式一样41第九章闪烁探测器课件42IV.闪烁探测器的电压脉冲信号由等效电路代入：令：可得：IV.闪烁探测器的电压脉冲信号由等效电路代入：令：可得：431、当短时间内：即时在，但仍满足经过较长时间，即1、当短时间内：即时在，但仍满足经过较长时间，即442、当对时对,但仍满足经过较长时间，即2、当对时对,但仍满足经过较长时间，即45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输出电压脉冲形状为电流脉冲在输出回路上的积分

电流脉冲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46电压脉冲随不变，的变化规律。结论：电压脉冲幅度和宽度均随不变，增大而增大。取=250ns，C0=1pF分别取R0为：10K，100K，1M，10M，100M电压脉冲随不变，的变化规律。结论：电压脉冲幅度和宽度均随不变47电压脉冲随不变，的变化规律。结论：电压脉冲幅度随不变，增大而减小。取=250ns，R0=100K，分别取C0为：1pF，2.5pF，5pF，10pF电压脉冲宽度随增大而增大。电压脉冲随不变，的变化规律。结论：电压脉冲幅度随不变，增大而48V.闪烁探测器输出信号的涨落闪烁探测器输出信号正比于PMT阳极收集到的电子数而是由三个随机变量串级而成的串级型随机变量。遵守泊松分布

1、闪烁体发出的闪烁光子数

的涨落一般近似认为

则：

V.闪烁探测器输出信号的涨落闪烁探测器输出信号正比于PMT阳492、第一打拿极收集到的光电子数的涨落由其中为服从泊松分布的随机变量

为PMT的转换因子，为伯努利型随机变量则：正事件发生的概率。

可知：是由和两个随机变量串级而成的串级型随机变量。2、第一打拿极收集到的光电子数的涨落由其中为服从泊松分布的随503、阳极收集到的电子数的涨落由倍增系数

M

是各打拿极的倍增因子多级串级随机变量，则其他打拿极的倍增因子均为则如设和服从泊松分布串级而成的若第一打拿极的倍增因子为3、阳极收集到的电子数的涨落由倍增系数M是各打拿极的倍增51由此可推算闪烁谱仪的能量分辨率极限值为：修正结果：由此可推算闪烁谱仪的能量分辨率极限值为：修正结果：52输出信号小结：1、闪烁探测器输出电荷量闪烁体发出的闪烁光子数第一打拿极收集到的光电子数阳极收集到的电子数2、闪烁探测器输出电流脉冲信号闪烁体发出的闪烁光子数的规律第一打拿极收集到的光电子数的规律单光电子所引起的电流脉冲信号输出信号小结：1、闪烁探测器输出电荷量闪烁体发出的闪烁光子数533、闪烁探测器输出电压脉冲信号由等效电路得：求解得：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

电流脉冲型工作状态

条件

脉冲前沿

脉冲幅度

脉冲后沿

慢：缺点快：优点大：优点小：缺点实际应用中，为得到较大幅度和较小宽度，取且要尽量减小3、闪烁探测器输出电压脉冲信号由等效电路得：求解得：两种脉冲544、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闪烁体发出的闪烁光子数的涨落(泊松)第一打拿极收集到的光电子数的涨落(泊松串伯努利=泊松)光电倍增管的倍增系数M的涨落（多个泊松的串级）阳极收集到的电子数的涨落闪烁谱仪能量分辨率的极限：4、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闪559.4 单晶闪烁谱仪1、γ闪烁谱仪的组成与工作原理

闪烁体、PMT以及配套的电子学仪器组成。

X或γ射线不带电，它与闪烁体的相互作用是通过三种次级效应实现的，它产生的次级电子的能谱是相当复杂的，因而由次级电子产生的输出脉冲幅度谱也是相当复杂的。以NaI(Tl)闪烁晶体的单晶γ闪烁谱仪为例。9.4 单晶闪烁谱仪1、γ闪烁谱仪的组成与工作原理闪烁体、562、单能射线的输出脉冲幅度谱1)单能射线在闪烁体内产生的次电子谱射线与物质的相互作用：光电效应：康普顿散射：电子对效应：光子消失，产生光电子散射光子，反冲电子光子消失，产生正负电子对正电子湮没产生两个0.511MeV的湮没光子。2、单能射线的输出脉冲幅度谱1)单能射线在闪烁体内产生的57光电吸收逃逸的散射光子单次Compton散射逃逸的湮没光子电子对效应(1)小晶体。尺寸小于1cm。可认为由入射光子产生的次级Compton光子或电子对效应中产生的正电子湮没光子这些次级辐射离开闪烁体，不再与闪烁体发生相互作用。光电吸收逃逸的散射光子单次Compton散射逃逸的湮没光子58全能峰(光电峰)Compton连续谱Compton边沿全能峰(光电峰)Compton连续谱双逃逸峰全能峰(光电峰)Compton连续谱Compton边沿全能峰59(2)

无限大晶体次级光子带走的能量也最终转化为次级电子的能量，因此单能光子入射后所产生的总的次级电子能量就等于入射光子的能量。光电吸收Compton散射电子对效应全能峰(2)无限大晶体次级光子带走的能量也最终转化为次级电子的能60(3)中等大小晶体光电吸收多次散射后逃逸的光子Compton散射单逃逸湮没光子电子对产生次级效应中产生的光子部分逃出闪烁体。(3)中等大小晶体光电吸收多次散射后逃逸的光子Compt61全能峰(光电峰)多次Compton散射全能峰(光电峰)多次Compton散射单逃逸峰双逃逸峰全能峰(光电峰)多次Compton散射全能峰(光电峰)多次C62图中各部分的面积与入射单能光子产生各种效应的截面有关，也与闪烁体的大小有关。闪烁体越大，光电峰的面积越大or越小？2)单能射线输出脉冲幅度谱，首先取决于入射光子所产生的次级电子能谱。因此单能射线的输出脉冲幅度谱基本如上面所示的形状，但是存在一定差别。图中各部分的面积与入射单能光子产生各种效应的截面有关，也与63(1)由于统计涨落引起的展宽③②淹没峰反散射峰①特征X射线峰(2)闪烁体周围物质的影响(3)PMT的噪声特征X射线光电吸收Compton散射淹没光子③①②(1)由于统计涨落引起的展宽③②淹没峰反散射峰①特征X射线峰643)

几个典型单能射线谱3)几个典型单能射线谱653、NaI(Tl)单晶γ射线谱仪的性能1)响应函数--闪烁谱仪对某单能γ射线的脉冲幅度谱。

2)能量分辨率用全能峰(光电峰)来确定闪烁谱仪的能量分辨率3、NaI(Tl)单晶γ射线谱仪的性能1)响应函数--66一次闪烁中D1收集的光电子数

串级事件的第一级倍增因子定义产生一个被第一打拿极收集的光电子所需要的平均能量。一次闪烁中D1收集的光电子数串级事件的第一级倍增因子定义产67能量分辨率的影响因素：(1)(2)δ1大，则η小。则η小。(3)高压稳定性的影响.(4)道宽的影响道宽半高宽若要：则要求：一般要求：能量分辨率的影响因素：(1)(2)δ1大，则η小。则η小683)能量线性单位能量输出幅度与入射粒子能量的关系。理想情况：闪烁体的发光效率Cnp与入射粒子的能量无关，这样“全能峰”处的幅度就与入射光子的能量成正比。实际上：由于发光效率与入射粒子种类和能量有关。对于能谱只涉及电子引起的闪光，因此谱仪的非线性是由发光效率随电子能量不同而产生的。对NaI(Tl)，在100KeV～1MeV，变化约15％。3)能量线性单位能量输出幅度与入射粒子能量的关系。理想情况694)

射线探测效率对平行入射的光子束：探测效率：晶体厚度用谱分析求探测效率，常定义源峰效率：高Z,ρ，大D的闪烁体探测效率高。4)射线探测效率对平行入射的光子束：探测效率：晶体705)时间特性对分辨时间，它主要取决于输出电压脉冲信号的宽度。对电压脉冲工作状态，条件：取决于R0C0。对电流脉冲工作状态，条件：取决于τ。对时滞及时间分辨本领：主要取决于光电倍增管的电子飞行时间及其离散。为获得好的时间分辨本领须选用快速光电倍增管。5)时间特性对分辨时间，它主要取决于输出电压脉冲信号的宽度716)稳定性——主要由PMT决定长期稳定性是由环境温度和PMT的老化和使用寿命决定，为保持长期稳定性经常采用稳峰(或称稳谱)技术。

短期稳定性对短期稳定性，须考虑开机预热达到稳定的时间。长期稳定性6)稳定性——主要由PMT决定长期稳定性是由环境温度和PM72第九章

闪烁探测器ScintillationDetector第九章

闪烁探测器ScintillationDetec73闪烁探测器是利用辐射在某些物质中产生的闪光来探测电离辐射的探测器。闪烁体光电倍增管(打拿极)反射层管座分压器高压多道或单道光阴极阳极荧光光子光电子暗盒窗前置放大器闪烁探测器是利用辐射在某些物质中产生的闪光来探测电离辐射的探74闪烁探测器的工作过程：(1)辐射射入闪烁体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。(2)荧光光子被收集到光电倍增管(PMT)的光阴极，通过光电效应打出光电子。(3)电子运动并倍增，并在阳极输出回路输出信号。闪烁探测器可用来测量入射粒子的能量。

闪烁探测器的工作过程：(1)辐射射入闪烁体使闪烁体原759.1

闪烁体1、闪烁体的分类1)无机闪烁体：玻璃体纯晶体无机晶体(掺杂)(锂玻璃)2)有机闪烁体：有机晶体——蒽晶体等；有机液体闪烁体及塑料闪烁体.3)

气体闪烁体：Ar、Xe等。9.1 闪烁体1、闪烁体的分类1)无机闪烁体：玻璃体纯晶体762、闪烁体的发光机制1)

无机闪烁体的发光机制重点分析掺杂的无机晶体，以NaI(Tl)，CsI(Tl),CsI(Na)属于离子晶体等为最典型，又称卤素碱金属晶体。

禁带导带价带激带晶体的发光机制取决于整个晶体的电子能态。晶体中电子的能态不再用原子能级表示，而用“能带”来描述。

激活剂2、闪烁体的发光机制1)无机闪烁体的发光机制重点分析掺杂的77导带上的自由电子和价带空穴可以复合成激子，相反，激子也可以受热运动而变成自由电子－空穴对。对于离子晶体，辐射射入闪烁体使晶体原子电离和激发。结果使得价带中的一些电子由原来位置跃迁过禁带而进入导带，成为自由电子，同时在价带中形成空穴。（电离）电子也可能跃迁到较低的激带，这时产生的电子－空穴对称之为激子。激子只能在晶格中束缚在一起运动。（激发）导带上的自由电子和价带空穴可以复合成激子，相反，激子也可以受78B）由于离子晶体禁带宽度大，退激发出的光子能量为紫外范围，一般光电倍增管的光阴极不能响应，这些发射的光子不能被有效利用。

退激过程将可能发出光子，也可能变成晶格振动能而不发光。A）对纯离子晶体，退激发出的光子容易被晶体自吸收，传输到晶体外的光子很少；出现的问题：B）由于离子晶体禁带宽度大，退激发出的光子能量为紫外范围，一79选择合适的杂质，使它的激发能级比晶体的导带、激带低，而基态比价态高。杂质能级成为发光中心。解决办法：在晶体中掺入少量杂质。称为“激活剂”的杂质在晶格形成特殊的晶格点，并在禁带中形成一些局部能级。由于杂质的电离能小于典型晶格点的电离能，原子受激产生的电子、空穴将迅速迁移到杂质能级的激发态和基态，即使杂质原子处于激发状态。选择合适的杂质，使它的激发能级比晶体的导带、激带低，而基态比80激发态的杂质原子有三种可能的退激方式：①电子从激发态立即跳回基态，发射出光子，发光的衰减时间通常在10-7s以内，称为“荧光”。荧光光子为可见光的范围，且有效地克服了发光的自吸收，使晶体的发射光谱和吸收光谱有效的分离。②电子把激发能转换为晶格的振动(热运动)而到达价带，并不发射光子，这种过程称为“淬灭过程”。激发态的杂质原子有三种可能的退激方式：①电子从激发态立即跳812)有机闪烁体的发光机制有机闪烁体的发射光谱和吸收光谱的峰值是分开的，所以，有机闪烁体对其所发射的荧光是透明的。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移波剂，以减少自吸收。③激发态是亚稳态，电子可以在此状态保持一段较长的时间，像掉入陷阱一样。这些电子可以从晶格振动中获得能量，重新跃迁到导带，然后再通过发射光子而退激，因而发光的衰减时间较长，称之为“磷光”。2)有机闪烁体的发光机制有机闪烁体的发射光谱和吸收光谱的峰823、闪烁体的物理特性1)发射光谱特点：发射光谱为连续谱。各种闪烁体都存在一个最强波长；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。3、闪烁体的物理特性1)发射光谱特点：发射光谱为连续谱。各83以NaI(Tl)为例：对β粒子；对α粒子2)发光效率与光能产额指闪烁体将所吸收的射线能量转化为光的比例。发光效率：Eph闪烁体发射光子的总能量；E入射粒子损耗在闪烁体中的能量。以NaI(Tl)为例：对β粒子；对α粒子2)发光效率与光能84以NaI(Tl)为例对1MeV的β粒子，发射光子平均能量光能产额：nph为产生的闪烁光子总数。发光效率与光能产额的关系：以NaI(Tl)为例对1MeV的β粒子，发射光子平均能量光能853)发光衰减时间受激过程大约退激过程及闪烁体发光过程按指数规律对于大多数无机晶体，t时刻单位时间发射光子数：τ为发光衰减时间，即发光强度降为1/e所需时间。3)发光衰减时间受激过程大约退激过程及闪烁体发光过程按指数86对于大多数有机闪烁体及若干无机闪烁体的发光有快、慢两种成分：快、慢两种成分的相对比例随入射粒子而变化。由总光子数得到：对于大多数有机闪烁体及若干无机闪烁体的发光有快、慢两种成分：874、常用闪烁体发光效率高，Z,高，适宜于射线探测。易潮解，须仔细封装。

4、常用闪烁体发光效率高，Z,高，适宜于射线探测。易潮解88不潮解，价贵。塑料闪烁体将粉末加1%有机玻璃粉末溶于有机溶剂涂于有机玻璃板上，透明度差，薄层，测α,β粒子。溶剂(二甲苯)+发光物质(PPO)+移波剂(POPOP)。放于玻璃或石英杯中。

有机液体闪烁体苯乙烯(单体)+

PPO+POPOP，聚合成塑料。不潮解，价贵。塑料闪烁体将粉末加1%有机玻璃89第九章闪烁探测器课件905、光的收集1)反射层2)光学耦合常用于闪烁体与光电倍增管的尺寸不符或其它特殊需要。在非光子出射面打毛，致使光子漫反射，并再衬以或涂敷氧化镁或氧化钛白色粉末。3)光导为防止光由光密介质到光疏介质发生的全反射，用折射系数的硅脂(或硅油)。5、光的收集1)反射层2)光学耦合常用于闪烁体与光电倍增919.2光电倍增管1、PMT的结构——光电倍增管为电真空器件。1)PMT的主要部件和工作原理

真空壳打拿极阳极光电子轨迹入射光聚焦电极半透明光阴极9.2光电倍增管1、PMT的结构——光电倍增管为电真空器件922)PMT的类型

(1)外观的不同(2)根据光阴极形式2)PMT的类型(1)外观的不同(2)根据光阴极形式93聚焦型非聚焦型(3)根据电子倍增系统具有较快的响应时间，用于时间测量或需要响应时间快的场合。电子倍增系数较大，多用于能谱测量系统。直线结构环状结构百叶窗结构盒栅型结构聚焦型非聚焦型(3)根据电子倍增系统具有较快的响应时间，用942、PMT主要性能1)光阴极的光谱响应光阴极受到光照后，发射光电子的概率是入射光波长的函数，称作“光谱响应”。2、PMT主要性能1)光阴极的光谱响应光阴极受到光照后，发95PMT增益打拿极间电子传输效率阳极灵敏度阳极电流2)光照灵敏度阴极灵敏度光阴极的光电子流光通量PMT增益打拿极间电子传输效率阳极灵敏度阳极电流2)光照灵96(1)光阴极的热电子发射。3)

PMT暗电流与噪声当工作状态下的光电倍增管完全与光辐射隔绝时，其阳极仍能输出电流(暗电流)及脉冲信号(噪声)。(2)残余气体的电离----离子反馈；

残余气体的激发----光子反馈。(3)工艺----尖端放电及漏电成因：(1)光阴极的热电子发射。3)PMT暗电流与噪声当工作状97噪声能当量。当没有任何光子照射到光阴极上时可测得噪声谱——即噪声输出脉冲幅度的分布，当纵坐标取n=50cps时相应的脉冲幅度所相应的入射粒子能量，称为噪声能当量，单位是KeV。阳极暗电流，实际上它是噪声脉冲信号电流的平均值，一般为10-6～10-10A。指标：噪声能当量。当没有任何光子照射到光阴极上时可测得噪声谱——即984)

PMT的时间特性飞行时间(渡越时间)一个光电子从光阴极到达阳极的平均时间。渡越时间离散到达阳极的每个电子都经历了不同的倍增过程和飞行距离，反映了飞行时间的涨落，是决定闪烁计数器分辨时间的限制因素。：te的分布函数的半宽度4)PMT的时间特性飞行时间(渡越时间)一个光电子从光阴995)

PMT的稳定性稳定性是指在恒定辐射源照射下，光电倍增管的阳极电流随时间的变化。包含两部分：短期稳定性，指建立稳定工作状态所需的时间。一般在开机后预热半小时才开始正式工作。长期稳定性：在工作达到稳定后，略有下降的慢变化，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“稳峰”措施。5)PMT的稳定性稳定性是指在恒定辐射源照射下，光电倍增1003、PMT使用中的几个问题1)光屏蔽，严禁加高压时曝光。2)高压极性：正高压和负高压供电方式。正高压供电方式，缺点是脉冲输出要用耐高压的电容耦合，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。负高压供电方式，阳极是地电位，耦合方式简单，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蔽外壳之间的绝缘。3、PMT使用中的几个问题1)光屏蔽，严禁加高压时曝光。1013)分压电阻4)最后几级的分压电阻上并联电容，以旁路掉脉动电流在分压电阻上的脉动电压，达到稳定滤波的效果。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，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，以保证各打拿极的电压稳定。这也对高压电源的功率提出了要求。3)分压电阻4)最后几级的分压电阻上并联电容，以旁路掉脉102Ⅰ.闪烁探测器输出信号的物理过程及输出回路Ⅱ.输出脉冲信号的电荷量Ⅲ.闪烁探测器的电流脉冲信号Ⅳ.闪烁探测器的电压脉冲信号Ⅴ.闪烁探测器输出信号的涨落9.3闪烁探测器的输出信号Ⅰ.闪烁探测器输出信号的物理过程及输出回路Ⅱ.输出脉冲信号的103I.闪烁探测器输出信号的物理过程及输出回路1.闪烁探测器输出信号的过程I.闪烁探测器输出信号的物理过程及输出回路1.闪烁探测器输1042.

闪烁探测器信号的输出回路IaIk2.闪烁探测器信号的输出回路IaIk105Ia3.输出回路的等效电路Ia3.输出回路的等效电路106输出回路的等效电路输出回路的等效电路107II.输出脉冲信号的电荷量1、光电倍增管输出信号的总电荷量取决于：闪烁体发出的闪烁光子数：光子被收集到光阴极上的概率：光阴极的转换效率：光电子被第一打拿极收集的概率：光电倍增管总的倍增系数：2、第一打拿极收集到的光电子数为：II.输出脉冲信号的电荷量1、光电倍增管输出信号的总电荷量1083、阳极收集到的电子数为：4、阳极收集到的总电荷量为：可以看出，闪烁探测器输出脉冲信号的电荷量Q是与入射粒子在闪烁体内损耗的能量E成正比的.即：3、阳极收集到的电子数为：4、阳极收集到的总电荷量为：可以看109III.闪烁探测器的电流脉冲信号

单位时间内闪烁体发出的光子数为：

单位时间内第一打拿极收集到的光电子数为：

1、单位时间内第一打拿极收集到的光电子数III.闪烁探测器的电流脉冲信号单位时间内闪烁体发出的光1102、单光电子引起的电流脉冲信号

面积2、单光电子引起的电流脉冲信号面积1113、一次闪烁所引起的阳极电流脉冲一次闪烁输出电流脉冲为即：代入：两边微分并整理与的卷积闪烁探测器输出电流脉冲一般表达式的卷积形式

3、一次闪烁所引起的阳极电流脉冲一次闪烁输出电流脉冲为即：代112闪烁探测器输出电流脉冲一般表达式的微分形式

上式和卷积形式一样给出了输出电流脉冲与发光衰减时间及单光电子电流响应的关系。

在很多情况下，与相比，是一个非常窄的用函数来近似即：可设时间函数，这时可以忽略电子飞行时间的涨落，求解则：闪烁探测器输出电流脉冲一般表达式的微分形式上式和卷积形式一样113第九章闪烁探测器课件114IV.闪烁探测器的电压脉冲信号由等效电路代入：令：可得：IV.闪烁探测器的电压脉冲信号由等效电路代入：令：可得：1151、当短时间内：即时在，但仍满足经过较长时间，即1、当短时间内：即时在，但仍满足经过较长时间，即1162、当对时对,但仍满足经过较长时间，即2、当对时对,但仍满足经过较长时间，即117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输出电压脉冲形状为电流脉冲在输出回路上的积分

电流脉冲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118电压脉冲随不变，的变化规律。结论：电压脉冲幅度和宽度均随不变，增大而增大。取=250ns，C0=1pF分别取R0为：10K，100K，1M，10M，100M电压脉冲随不变，的变化规律。结论：电压脉冲幅度和宽度均随不变119电压脉冲随不变，的变化规律。结论：电压脉冲幅度随不变，增大而减小。取=250ns，R0=100K，分别取C0为：1pF，2.5pF，5pF，10pF电压脉冲宽度随增大而增大。电压脉冲随不变，的变化规律。结论：电压脉冲幅度随不变，增大而120V.闪烁探测器输出信号的涨落闪烁探测器输出信号正比于PMT阳极收集到的电子数而是由三个随机变量串级而成的串级型随机变量。遵守泊松分布

1、闪烁体发出的闪烁光子数

的涨落一般近似认为

则：

V.闪烁探测器输出信号的涨落闪烁探测器输出信号正比于PMT阳1212、第一打拿极收集到的光电子数的涨落由其中为服从泊松分布的随机变量

为PMT的转换因子，为伯努利型随机变量则：正事件发生的概率。

可知：是由和两个随机变量串级而成的串级型随机变量。2、第一打拿极收集到的光电子数的涨落由其中为服从泊松分布的随1223、阳极收集到的电子数的涨落由倍增系数

M

是各打拿极的倍增因子多级串级随机变量，则其他打拿极的倍增因子均为则如设和服从泊松分布串级而成的若第一打拿极的倍增因子为3、阳极收集到的电子数的涨落由倍增系数M是各打拿极的倍增123由此可推算闪烁谱仪的能量分辨率极限值为：修正结果：由此可推算闪烁谱仪的能量分辨率极限值为：修正结果：124输出信号小结：1、闪烁探测器输出电荷量闪烁体发出的闪烁光子数第一打拿极收集到的光电子数阳极收集到的电子数2、闪烁探测器输出电流脉冲信号闪烁体发出的闪烁光子数的规律第一打拿极收集到的光电子数的规律单光电子所引起的电流脉冲信号输出信号小结：1、闪烁探测器输出电荷量闪烁体发出的闪烁光子数1253、闪烁探测器输出电压脉冲信号由等效电路得：求解得：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

电流脉冲型工作状态

条件

脉冲前沿

脉冲幅度

脉冲后沿

慢：缺点快：优点大：优点小：缺点实际应用中，为得到较大幅度和较小宽度，取且要尽量减小3、闪烁探测器输出电压脉冲信号由等效电路得：求解得：两种脉冲1264、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闪烁体发出的闪烁光子数的涨落(泊松)第一打拿极收集到的光电子数的涨落(泊松串伯努利=泊松)光电倍增管的倍增系数M的涨落（多个泊松的串级）阳极收集到的电子数的涨落闪烁谱仪能量分辨率的极限：4、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闪1279.4 单晶闪烁谱仪1、γ闪烁谱仪的组成与工作原理

闪烁体、PMT以及配套的电子学仪器组成。

X或γ射线不带电，它与闪烁体的相互作用是通过三种次级效应实现的，它产生的次级电子的能谱是相当复杂的，因而由次级电子产生的输出脉冲幅度谱也是相当复杂的。以NaI(Tl)闪烁晶体的单晶γ闪烁谱仪为例。9.4 单晶闪烁谱仪1、γ闪烁谱仪的组成与工作原理闪烁体、1282、单能射线的输出脉冲幅度谱1)单能射线在闪烁体内产生的次电子谱射线与物质的相互作用：光电效应：康普顿散射：电子对效应：光子消失，产生光电子散射光子，反冲电子光子消失，产生正负电子对正电子湮没产生两个0.511MeV的湮没光子。2、单能射线的输出脉冲幅度谱1)单能射线在闪烁体内产生的129光电吸收逃逸的散射光子单次Compton散射