閃爍體探測器教學(xué)課件

第五章閃爍探測器熒光物質(zhì)，閃爍體。時(shí)間特性好，探測效率高。閃爍體光電倍增管閃爍探測器的輸出信號(hào)閃爍探測器的性能單晶能譜儀第五章閃爍探測器熒光物質(zhì)，閃爍體。1§5.1構(gòu)成和工作原理構(gòu)成(探頭):

閃爍體光電倍增管(打拿極)反射層管座分壓器高壓多道或單道光陰極陽極熒光光子光電子暗盒窗前置放大器§5.1構(gòu)成和工作原理構(gòu)成(探頭):閃爍體光電倍增管(打拿2閃爍探測器的工作過程：核輻射射入閃爍體使閃爍體原子電離或激發(fā),受激原子退激而發(fā)出波長在可見光波段的熒光。熒光光子被收集到光電倍增管(PMT)的光陰極，通過光電效應(yīng)打出光電子。(3)電子運(yùn)動(dòng)并倍增,并在陽極輸出回路輸出信號(hào)。閃爍探測器可用來測量入射粒子的能量。?閃爍探測器的工作過程：核輻射射入閃爍體使閃爍體原子電離或激發(fā)3閃爍體探測器教學(xué)ppt課件4§5.2閃爍體理想的閃爍體：探測效率高，轉(zhuǎn)換效率高，線性范圍大，自吸收小，發(fā)光時(shí)間短，加工性能好。一．閃爍體的分類二．閃爍體的發(fā)光機(jī)制三．閃爍體的物理特性四．常用閃爍體§5.2閃爍體理想的閃爍體：5一、閃爍體的分類一、閃爍體的分類6二、閃爍體的發(fā)光機(jī)制無機(jī)閃爍體：光輸出產(chǎn)額高、線性好，發(fā)光時(shí)間較長。有機(jī)閃爍體：發(fā)光時(shí)間短，光輸出產(chǎn)額低。1、無機(jī)閃爍體的發(fā)光機(jī)制2、有機(jī)閃爍體的發(fā)光機(jī)制(自學(xué))二、閃爍體的發(fā)光機(jī)制無機(jī)閃爍體：7

無機(jī)閃爍體的發(fā)光機(jī)制：

摻雜的無機(jī)晶體：NaI(Tl)、CsI(Tl)，也叫鹵素堿金屬晶體。導(dǎo)帶激帶禁帶滿帶導(dǎo)體：Eg<0.1ev半導(dǎo)體：Eg=0.6~2.5ev絕緣體：Eg>3evNaI(Tl):Eg=7.3ev

無機(jī)閃爍體的發(fā)光機(jī)制：

摻雜的無機(jī)晶體：NaI(T8▼導(dǎo)帶上自由電子和滿帶上空穴可以復(fù)合成激子；▼入射粒子可以產(chǎn)生電子-空穴對，也可產(chǎn)生激子。退激可能發(fā)出光子，也可能晶格振動(dòng)而不發(fā)光。純離子晶體：退激發(fā)出的光子容易被晶體自吸收，傳輸出的光子少禁帶寬度大，退激發(fā)光在紫外光范圍，光陰極不響應(yīng)導(dǎo)帶激帶禁帶滿帶▼導(dǎo)帶上自由電子和滿帶上空穴可以復(fù)合成激子；純離子晶體：退9在晶體中摻雜,叫做激活劑,含量103量級(jí)。雜質(zhì)形成特殊晶格點(diǎn),并在禁帶中形成局部能級(jí)。原子受激產(chǎn)生的電子-空穴遷移到雜質(zhì)能量的激發(fā)態(tài)和基態(tài)上,使雜質(zhì)原子處于激發(fā)態(tài)。雜質(zhì)原子退激：熒光：<10

7sec.猝滅：轉(zhuǎn)換為晶格的熱運(yùn)動(dòng).磷光：亞穩(wěn)態(tài)，發(fā)光時(shí)間較長。導(dǎo)帶激帶禁帶滿帶激發(fā)態(tài)基態(tài)he在晶體中摻雜,叫做激活劑,含量103量級(jí)。雜質(zhì)形成特殊晶雜10

在NaI(Tl)中產(chǎn)生一對電子-空穴對需要~20eV能量。

如果入射帶電粒子在NaI(Tl)中損失1MeV能量，產(chǎn)生的電子-空穴對數(shù)：NaI(Tl)的閃爍光能占入射能量~13%，吸收1MeV能量產(chǎn)生總光能：閃爍光子平均能量~3eV，產(chǎn)生光子數(shù)：在NaI(Tl)中產(chǎn)生一對電子-空穴對需要~20eV能量。11三、閃爍體的物理特性1、發(fā)光光譜2、發(fā)光效率(能量轉(zhuǎn)換效率、光能產(chǎn)額及相對值)3、發(fā)光時(shí)間4、閃爍體其他特性三、閃爍體的物理特性1、發(fā)光光譜12

1、發(fā)光光譜

特點(diǎn)：發(fā)射光譜為連續(xù)譜。各種閃爍體都存在一個(gè)最強(qiáng)波長；要注意發(fā)射光譜與光電倍增管光陰極的光譜響應(yīng)是否匹配。

1、發(fā)光光譜

特點(diǎn)：發(fā)射光譜為連續(xù)譜。各種閃爍體都存在一132、發(fā)光效率閃爍體將所吸收的射線能量轉(zhuǎn)化為光的比例。發(fā)光效率：Eph閃爍體發(fā)射光子的總能量；E入射粒子損耗在閃爍體中的能量。以NaI(Tl)為例：對β粒子，對α粒子2、發(fā)光效率閃爍體將所吸收的射線能量轉(zhuǎn)化為光的比例。14光輸出(光能產(chǎn)額、光產(chǎn)額)定義：nph為產(chǎn)生的閃爍光子總數(shù)。

發(fā)光效率與光輸出的關(guān)系：光輸出(光能產(chǎn)額、光產(chǎn)額)定義：15例：以NaI(Tl)為例，對1MeV的β粒子，發(fā)射光子平均能量，求光產(chǎn)額解：根據(jù)公式例：以NaI(Tl)為例，對1MeV的β粒子，發(fā)射光子平均能16練習(xí)：當(dāng)入射粒子在蒽晶體內(nèi)損失1MeV能量時(shí)，產(chǎn)生20300個(gè)平均波長為447nm的光子，試計(jì)算蒽晶體的閃爍效率。練習(xí)：17

3、閃爍發(fā)光時(shí)間

閃爍體的發(fā)光過程包括閃爍的上升和衰減兩個(gè)過程。對大多數(shù)無機(jī)晶體，閃爍衰減成指數(shù)規(guī)律，有：式中：為受激原子衰減時(shí)間常數(shù)t時(shí)刻已退激發(fā)出的光子數(shù)N光子(t)為

3、閃爍發(fā)光時(shí)間

閃爍體的發(fā)光過程包括閃爍的上升和衰減兩個(gè)18則單位時(shí)間內(nèi)發(fā)出的光子數(shù)為(發(fā)光強(qiáng)度)：對大多數(shù)有機(jī)晶體和少數(shù)無機(jī)晶體，發(fā)光衰減有快慢兩種成份，其衰減規(guī)律為：快、慢兩種成分的相對比例隨入射粒子而變化。見書P243，圖4.7

則單位時(shí)間內(nèi)發(fā)出的光子數(shù)為(發(fā)光強(qiáng)度)：19閃爍體探測器教學(xué)ppt課件20四．常用閃爍體1、NaI(Tl)晶體2、CsI(Tl)和CsI(Na)晶體3、BGO晶體(Bi4Ge3O12)4、ZnS(Ag)晶體

5、液體閃爍體6、塑料閃爍體四．常用閃爍體1、NaI(Tl)晶體5、液體閃爍體21

1、NaI(Tl)晶體

優(yōu)點(diǎn)：

密度大，

=3.67g/cm3，探測效率高；Z高，碘(Z=53)占重量85%，光電截面大；相對發(fā)光效率高，為蒽的2.3倍；發(fā)射光譜最強(qiáng)波長415nm，與PMT光譜響應(yīng)配合；晶體透明性能好；能量分辨率較高，~7.5%,662keV-。

缺點(diǎn)：容易潮解。

1、NaI(Tl)晶體

優(yōu)點(diǎn)：221-硬質(zhì)玻璃；2-NaI(Tl)晶體；3-光學(xué)耦合劑；4-光反射層；5-金屬鋁殼；6-海綿墊襯；7-密封環(huán)氧樹脂。NaI(Tl)晶體封裝結(jié)構(gòu)1-硬質(zhì)玻璃；NaI(Tl)晶體封裝結(jié)構(gòu)23

2、CsI(Tl)和CsI(Na)晶體

優(yōu)點(diǎn)：

密度大，=4.51g/cm3；Z高，銫(Z=55)，碘(Z=53)；機(jī)械強(qiáng)度好；加工性能好；CsI(Tl)可以用作粒子鑒別。缺點(diǎn)：CsI(Na)容易潮解；CsI(Tl)輕度潮解。

2、CsI(Tl)和CsI(Na)晶體

優(yōu)點(diǎn)：24

3、BGO晶體(Bi4Ge3O12，鍺酸鉍)

優(yōu)點(diǎn)：

密度大，

=7.13g/cm3；

Z高，鉍(Z=83)；機(jī)械性能好；化學(xué)穩(wěn)定性好；光學(xué)透明性好。缺點(diǎn)：發(fā)光效率低，為NaI(Tl)的8~14%。

3、BGO晶體(Bi4Ge3O12，鍺酸鉍)

優(yōu)254、ZnS(Ag)晶體發(fā)光效率高；多晶粉末；透光性差，厚度約10~20mg/cm2。5、有機(jī)液體閃爍體發(fā)光衰減時(shí)間短，~2.4ns；透明度好，制備容易，成本低。4、ZnS(Ag)晶體26

6、塑料閃爍體

發(fā)光衰減時(shí)間短，1~3ns；透明度高，光傳輸性能好；機(jī)械性能好，性能穩(wěn)定；耐輻射特性好。由溶劑(苯乙烯)+熒光物質(zhì)+波長轉(zhuǎn)換劑，聚合而成

6、塑料閃爍體

發(fā)光衰減時(shí)間短，1~3ns；277.閃爍體的選擇閃爍探測器的性能與閃爍體有很大關(guān)系。在實(shí)際應(yīng)用中閃爍體的選擇應(yīng)考慮:①選用的閃爍體在測量一種核輻射時(shí)能排除其他輻射的干擾。②要考慮測量的物理量；③應(yīng)考慮放射源的特點(diǎn)；④考慮與所用的光電倍增管的配合及經(jīng)濟(jì)方面的因素。7.閃爍體的選擇閃爍探測器的性能與閃爍體有很大關(guān)系。28問題：試解釋NaI(T1)閃爍探測器的能量分辨率優(yōu)于BGO閃爍探測器的原因，為何后者的探測效率要更高一些？問題：29閃爍體原子序數(shù)Z密度發(fā)光效率NaI(Tl)11,533.67100Bi4Ge3O1283,32,87.137~14閃爍體原子序數(shù)Z密度發(fā)光效率NaI(Tl)11,530§5.3光學(xué)收集系統(tǒng)反射層、耦合劑和光導(dǎo)。反射層作用：

把閃爍體中向各個(gè)方向發(fā)射的光有效地反射到光電倍增管的光陰極上。氧化鎂、二氧化鈦、聚四氟乙烯塑料袋等?！?.3光學(xué)收集系統(tǒng)反射層、耦合劑和光導(dǎo)。31光學(xué)耦合劑作用：排除交界面間的空氣，減少光在交界面的全反射，使光有效地傳輸?shù)焦怆姳对龉艿墓怅帢O。當(dāng)光子由光密物質(zhì)(n1)射向光疏物質(zhì)(n2)時(shí),發(fā)生全反射的臨界角：

加入折射率大的透明媒質(zhì)，增大臨界角，透射光增加。用折射系數(shù)的硅脂(或硅油)。光學(xué)耦合劑32光導(dǎo)：具有一定形狀的光學(xué)透明固體材料,連接閃爍體與光電倍增管。閃爍體窗面積、形狀與PMT窗面積、形狀不同時(shí)；強(qiáng)磁場中探測時(shí)，用較長的光導(dǎo)連接,把閃爍體與PMT分隔開;在空間較小處，用光纖連接較小的閃爍體與PMT;用硅油填充閃爍體-光導(dǎo)、光導(dǎo)-PMT的交界面。光導(dǎo)：33§5.4光電倍增管光電倍增管，通道型電子倍增器件一．光電倍增管的結(jié)構(gòu)與工作原理二．光電倍增管的供電回路三．光電倍增管的主要性能

§5.4光電倍增管光電倍增管，通道型電子倍增器件34一、光電倍增管的結(jié)構(gòu)與工作原理光陰極，電子倍增系統(tǒng)(打拿極)，電子收集(陽極)極，聚焦極及加速極。一、光電倍增管的結(jié)構(gòu)與工作原理光陰極，電子倍增系統(tǒng)(打拿極)35光陰極：通常為化合物材料。電子光學(xué)系統(tǒng)：聚焦極、加速極。陽極：鎳、鉭、鎢，二次電子發(fā)射小。光陰極：通常為化合物材料。36工作原理：光陰極由于光電效應(yīng)將閃爍體發(fā)出的微弱的光轉(zhuǎn)變成光電子，光電子經(jīng)電子光學(xué)系統(tǒng)加速、聚集后射向倍增極，電子不斷增加，陽極收集最后一極倍增極的二次電子而輸出一個(gè)電信號(hào).工作原理：37分類具有較快的響應(yīng)時(shí)間，用于時(shí)間測量或需要響應(yīng)時(shí)間快的場合。非聚焦型電子倍增系數(shù)較大，多用于能譜測量系統(tǒng)。直線結(jié)構(gòu)環(huán)狀結(jié)構(gòu)百葉窗結(jié)構(gòu)盒柵型結(jié)構(gòu)聚焦型分類具有較快的響應(yīng)時(shí)間，用于時(shí)間測量或需要響應(yīng)時(shí)間快的場合。38二．光電倍增管的供電回路K-D1電壓較高，提高S/N和能量分辨率；中間各打拿極一般均勻分壓；最后幾個(gè)打拿極間高電壓、大電流，電容穩(wěn)壓；最后打拿極與陽極間電壓較小。二．光電倍增管的供電回路39

正高壓供電方式：

負(fù)高壓供電方式：

正高壓供電方式：

40三、主要性能光陰極的光譜響應(yīng)

光陰極受到光照射后,量子效率隨波長的關(guān)系曲線。量子效率:光陰極光譜響應(yīng)需要與閃爍體發(fā)射光譜匹配。三、主要性能光陰極的光譜響應(yīng)光陰極光譜響應(yīng)需要與閃41

2)光陰極(陽極)的光照靈敏度

其中：i是光電子流(A)，F(xiàn)是光通量(lm)。3)光電倍增管的電流放大倍數(shù)其中：a為各級(jí)的電子收集效率，δ為各級(jí)電子倍增系數(shù),n為倍增級(jí)數(shù)

2)光陰極(陽極)的光照靈敏度

其中：i是光電子流(A42

4)PMT暗電流與噪聲

當(dāng)工作狀態(tài)下的光電倍增管完全與光輻射隔絕時(shí)，其陽極仍能輸出電流(暗電流)及脈沖信號(hào)(噪聲)成因：(1)光陰極的熱電子發(fā)射(2)管內(nèi)殘余氣體電離和激發(fā)(3)工藝----尖端放電