闪烁探测器深入分析ppt课件.ppt

辐射的穿透能力,气体探测器的五个工作区,三种气体探测器性能比较,需要考虑脉冲幅度和电压的关系,M随电压的变化,闪烁探测器,Scintillation Detector,利用辐射在某些物质中产生的闪光来探测射线（电离辐射）的探测器。,1. 电磁辐射入射（ ）次级电子使闪烁体激发 2. 带电粒子入射入射粒子及次级电子使闪烁体分子激发 3. 中子入射通过中子反应产生带电粒子（如反冲质子）使闪烁体激发,带电粒子使闪烁体激发，再退激发出光子,射线与探测物质（闪烁体）分子作用，使其激发，退激时发出大量光子，通过光电倍增管把光子转化为电信号。,工作原理,闪烁探测器由闪烁体、光电倍增管、电子学仪器组成,闪烁探测器组成示意图,闪烁探头,有时包有坡莫合金，磁屏蔽，减小外界磁场对电子运动的影响。,闪烁体分子电离和激发退激、放出荧光光收集及光电子产生 4.光电子倍增5.电信号的处理和记录,闪烁体光电倍增管闪烁探测器,闪烁探测器工作过程,闪烁体,光电倍增管,电子学,闪烁探头,闪烁体,闪烁体的物理特性,1. 发射光谱：,与光电倍增管的光谱响应配合,2. 发光效率：,闪烁体将吸收的射线能量转变为光能的比例。,1)光能产额：辐射在闪烁体中损失单位能量闪烁发射的光子数。,2)绝对闪烁效率：能量转换效率。,3)相对发光效率：相同核辐射在不同闪烁体中损失相同的能量， 输出脉冲幅度或电流的比值。,发光效率越大越好，输出脉冲大，且统计涨落小，改善分辨率；在能谱测量时，为了线性好，要求发光效率对辐射的能量在相当 宽的范围内为一常数。,光子数/MeV,闪烁光脉冲中包含的光子数：,闪烁体受激后，电子退激发光过程按指数规律，即单位时间发出的光子数：,入射粒子耗尽能量的时间和闪烁体中电子激发时间：,NaI(Tl)晶体：0 = 0.23s 。,所以，,3. 发光衰减时间：,对大多数无机闪烁体是正确的，衰减时间在微秒量级。,对大多数有机晶体和少数无机晶体，,快、慢两种成分,快成分在纳秒量级，慢成分在微秒量级。,有机闪烁体：,一些无机闪烁体：,可以用作n甑别。,快、慢两种成分的相对比例随入射粒子的种类而变化 。,芪,4. 探测效率：与入射粒子种类、闪烁体形状和大小；闪烁体材料的N和Z等有关5. 光学性能：透明度高、无缺陷、光学均匀度好等等 易于加工、温度效应等,探测效率高，发光效率高,探测效率最高，发光效率低,最快,测量中子,根据所测射线种类、强度及能量来选择 种类、尺寸；与光电倍增管配合；阻止本领大，入射粒子能损越大越好；发光效率及光学性能；时间分辨或短寿命测量中，要求发光衰减时间短；能谱测量，发光效率线性好。,闪烁体的选择原则,目的：将闪烁体发出的光尽可能多地、均匀地收集到光电倍增 管的光阴极上。,反射层：把闪烁体中向四周发射的光有效地收集到光阴极上2. 光学耦合剂：避免由于空气存在全反射 硅油等 闪烁体尺寸与光电倍增管合适时采用3. 光导：有机玻璃，石英玻璃等闪烁体与光电倍增管（尺寸或形状不合适时）二者无法配合强磁场中；空间限制，要将光电倍增管放在比较远的地方,光的收集与光导,返回,作用：将闪烁体发出的光子转换为电子，并进行倍增。,一基本原理和构造二种类三分压器四主要指标,光电倍增管,光电子发射效率高,二次电子发射系数大,，热电子和光电子发射系数小。,电子电离能较大,1、基本原理和构造：,电子光学电子收集效率高,(1) 外观的不同,(2) 根据光阴极形式,2、种类：,聚焦型：时间性能好，适用于时间较快闪烁探测器,非聚焦型：脉冲幅度分辨较好，闪烁能谱测量,(3) 根据电子倍增系统,提高信噪比和能量分辨率a）电子光学：提高收集效率b）时间测量：电压越高越好，减小渡越时间,均匀分压,a）较高电压，减小空间电荷效应b）加旁路电容,电压较低,3、分压器：,分压器电阻具有小的温度系数和较高的稳定性；总分压电阻值要适当的小，保证打拿极间电压在有粒子入射时基本不变。,分压器的要求,4、光电倍增管的主要指标：,光阴极的光谱响应：,光电转换特性,光阴极受到光照射后发射光电子的几率是波长的函数，叫做光阴极的光谱响应。,光阴极光谱响应需要与闪烁体发射光谱匹配。,量子效率：,平均量子效率：,2) 光阴极光照灵敏度（实用上）,白光灵敏度；蓝光灵敏度；红光灵敏度,g为打拿集之间电子传递效率；是平均二次发射系数；n为打拿极级数。,第一打拿极光电子收集效率,光电倍增管放大倍数,2) 阳极光照灵敏度（实用上）,电子倍增特性,时间特性,渡越时间分散时间分辨本领，聚焦管子：数百ps至数ns,各电极发射的电子初速度和方向不同，电子经过的路径也不尽相同。,时间响应宽度,渡越时间,上升时间,1.230ns,240ns,2080ns,13ns,一般用脉冲上升时间tr、脉冲时间响应宽度tpm、渡越时间、渡越时间离散来描述光电倍增管的时间特性。,热发射欧姆漏电残余气体电离场致发射切伦克夫光子玻璃管壳放电和玻璃荧光光阴极曝光,本底 暗电流,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) 。,利用闪烁计数器记录能量较高的辐射时，噪声本底很容易被甄别掉；,在低能粒子测量中，每次闪烁时间之产生几个光电子，或光电倍增管作为单光子探测器时，外来粒子的脉冲幅度与本底脉冲为同数量级，不能以常规电压甄别的方式去除噪声，只能作为本底计数。,在一定电压或达到一定的阳极光照灵敏度所需的总电压下测定，通常在10-6-10-10A数量级。,返回,在电离辐射探测中是应用较广泛的一种探测器，应用分为四类：能谱测量；强度测量；时间测量；剂量测量。,闪烁探测器,脉冲输出主要性能应用举例NaI（Tl）单晶谱仪,.闪烁探测器输出信号的物理过程及输出回路,.输出脉冲信号的电荷量,.闪烁探测器的电流脉冲信号,.闪烁探测器的电压脉冲信号,闪烁探测器的脉冲输出,倍增电子向后级漂移，感应电流从外回路流过。,Ra,Rn,ia,输出回路的等效电路,Ra,对脉冲信号来说，V和地是相同的。,分压器的电阻R足够小，可忽略。,R,C,C0,闪烁探测器的输出回路（一）,闪烁探测器的输出回路（二）,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：,闪烁探测器输出脉冲的电荷量,2、阳极收集到的电子数为：,3、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：,1、第一打拿极收集到的光电子数为：,1、光电倍增管的单电子响应函数,闪烁探测器的电流脉冲,2、输出电流脉冲,第一打拿极接收光电子的分布：,一次闪烁光引起的输出电流：,对大多数无机闪烁体，单电子响应函数可以用函数近似，这时输出电流，,把单电子响应函数的输出电流代入，得：,输出电压信号的一般形式：,闪烁探测器的电压脉冲,在短时间区域，,在足够长的时间区域，,(1) 当RC 0时，,脉冲前沿0，脉冲后沿RC，Vmax Q 。,随RC减小，后沿下降加快，脉冲宽度变窄。,在短时间区域，,在足够长的时间区域，,(2) 当RC 0时，,上升时间 RC ，下降时间 0 ，Vmax 。,随RC减小，上升时间加快。,能谱测量,时间测量,返回,谱仪的质量优劣最重要的指标是全能峰的分辨率,闪烁探测器的能量分辨,高斯分布,光电倍增管输出电荷数na是串级型随机变量： (1)闪烁体发出的光子数nph ，服从泊松分布； (2)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nf ，是贝努里型随机变量，T为收集到一个光电子的几率； (3)PMT的电子倍增系数M 。,第一打拿极收集的光电子数ne是二级串级型随机变量，平均值与方差为：,闪烁探测器输出信号的涨落,阳极输出电子数na是由ne和M组成的二级串级型随机变量，其平均值与方差为，,PMT电子倍增系数M是各级倍增因子 i串级而成的多级串级型随机变量，平均值为：,所以，,于是，na的方差为，,设1、服从泊松分布，则 M的方差，,由此可推算闪烁谱仪的能量分辨率极限值为：,进一步的研究给出更精细的结果，,光电倍增管放大倍数M统计涨落偏差,光电转换效率T的相对偏差,闪烁光子数统计涨落偏差,光电倍增管第一打拿极收集到光电子数的相对方差,假设T为常数,137Cs-0.662MeV 5%,射线进入闪烁探头后，第一打拿极接收到一个光电子所消耗入射射线的能量，对于，300eV,先忽略M、 T 和第三项的贡献：,相对能量分辨率随射线能量升高而变好。,用谱分析求探测效率，常定义源峰效率：,闪烁探测器的探测效率,射线探测效率取决于与介质作用产生次级带电粒子的截面，以及次级带电粒子能否进入灵敏体积。,1) 原子分子激发时间 2) 射线耗尽能量时间 3) 发光衰减时间4) 光子从发生地点到光阴极时间5) 光电子渡越时间6) 电压脉冲建立时间,阳极脉冲建立相对射线入射有延迟，同时波形也将展宽。,为得到较好能量分辨率要求外电路时间系数远远大于发生衰减时间。,闪烁探测器的时间特性,起主要作用,(快ns，慢s ),（几十到几百ns）,（R、C外电路）,渡越时间,延迟和展宽,闪烁探测器的时间分辨本领取决于光电倍增管的电子渡越时间的涨落。,闪烁探测器的分辨时间取决于输出脉冲的宽度，即使选择了很小的输出回路时间常数，分辨时间也不可能小于闪烁体的发光衰减时间。,作为时间测量或高计数率下使用时，要求,闪烁体，光电倍增管以及外电路负载电阻，电容C时间特性上匹配好。发光衰减时间短，光电管时间响应快，外电路负载时间常数小。,目前：较好：零点几ns（是探测器较快的一种）,返回,NaI（Tl）单晶谱仪,在能谱测量领域，Ge半导体探测器得到广泛使用，但在工业、医学等应用领域，以及在核物理实验中，闪烁谱仪仍有相当广泛的用途。,NaI（Tl）单晶谱仪组成单元,NaI（Tl）单晶谱仪测得的谱,光电峰（全能峰）,康普顿坪,反散射峰,单能射线,NaI（Tl）单晶谱仪测得的谱,两种能量的射线,单能射线在探测器中形成复杂的能谱图象，多能量的射线情况更加复杂。在使用中，利用符合反符合技术，制造了康普顿谱仪和电子对谱仪，使射线能谱大大简化。 这部分内容在后面课程学习中会有所体现。,总结,工作原理探测粒子种类组成部分输出脉冲特点能谱测量：与电离室与半导体探测器相比，能量分辨较差时间测量：是探测器中比较快的一种,关于脉冲输出和输出幅度涨落的部分请参见电离辐射探测器安继刚著，1995年，原子能出版社,闪烁探测器由哪几部分构成？其工作过程分为那几个部分？ 画出光电倍增管工作原理图。说明各电极材料选择原则，并扼要地阐述光电倍增管的工作原理。试推导闪烁探测器的输出脉冲总电荷的公式，并讨论如何提高脉冲幅度。Na(I)单晶谱仪在工业和医学及核物理实验中还有较广泛的应用，试结合射线与物质相互作用，分析图4.31、图4.32中各峰的来源。根据能量分辨率公式4.41比较闪烁探测器与气体探测器能量分辨率的相对好坏。如有兴趣，参照第一章第四节，仔细推导闪烁探测器能量分辨率公式。,作业,