《闪烁探测器》PPT课件.ppt

1,4-4 闪烁体探测器,一、光的收集1、光在界面上的传播 设闪烁体的折射率为n1，周围介质的折射率为n2，,单用全反射，只能收集可全反射立体角内的闪烁光，光程差小，形成快脉冲输出对时间测量有利。镜反射由于反射效率95%，多次反射效率不高，常用于小块闪烁体。漫反射方法的效率较高，但光程差较大，形成宽的脉冲输出，常用于能量测量。,2,反射层：常用的反射层材料有MgO、铝箔和镀铝薄膜等。有机闪烁体常用铝膜较松的包装，构成全反射和镜反射混合，既保持快脉冲输出又尽可能得到高的光收集效率。对大部分无机闪烁体，因发光衰减时间长、折射率大从而与光探测器件配合差，利用漫反射方法收集光最佳。常用漫反射材料有MgO、Al2O3细粉末、白色涂料、Teflon膜和Tyvek纸。与材料、厚度有关,3,2.光收集均匀性 光收集均匀性影响能量分辨率。可调整：采用不同的几何形状局部包装不同的反射材料或涂黑以增加吸收前端面加反射膜以补偿远距离传输3.光学耦合常用硅油，折射率近于1.5，对可见光、紫外光都有很好的透射率。普通硅油对塑料闪烁体有腐蚀性，最好用甲基硅油。比直接空气耦合光输出大20%。对大尺寸或异形闪烁体与光导的粘合或不需拆卸时，可以用粘合剂，其折射率与闪烁体、光导接近。,4,光导：当闪烁体尺寸较大或某种原因不适合直接与光电倍增管耦合时，中间需加一段光导过渡。一般采用透明固体材料（有机玻璃、石英等），其折射率与闪烁体或是光学器件的窗口比较接近；也有采用空气光导，但效率较低。基于光传播的直线规律，光导收集光的效率为：使用光导并不能提高光收集效率，其目的是改善收集光的均匀性：不同大小形状的闪烁体与圆形光电倍增管连接需要光导过渡；在强磁场内测量PMT放在磁场外需要光导；在空间很小的地方测量需长的纤维光导。,5,二、光传输衰减长度1、光在闪烁体内的传播 以4立体角发射直线传播 按指数规律被吸收衰减,有两个衰减长度，因自吸收的原因，短波衰减快 需要把这种短波长的光过滤掉（在光阴极前加过滤片）因为过滤片，总的光子产额减少了，但衰减长度增加了，均匀性变好了。,衰减长度与闪烁体的几何形状有关。若几何的边界能造成有利于传输方向上的反射或全反射，将得到更长的光传输技术衰减长度。此类与外部条件有关的称为光传输技术衰减长度。决定于自吸收的为本征光传输衰减长度,6,2、光传输衰减长度的测量用源可方便测量但误差较大一般用 90Sr（最大能量为2.26MeV）在闪烁体中基本可以全吸收，输出脉冲幅度为反映源连续能量分布的连续谱（含能量分辨展宽）；对较远位置除有相同的衰减外，仍然保留其谱形分布。故在相同时间T内，输出高幅度区域的累加计数达到N的下限阈值Vth随测量位置的变化反映了光传输衰减长度。N和T的选取，以远端位置的谱形而定，累加区域不要覆盖噪声区为消除宇宙线对测量的影响，可采用源照射/源不照射测两次常用宇宙线测量较大面积有机闪烁体的光传输衰减长度。宇宙线()在有机闪烁体的最小电离沉积能量 2MeV/cm海平面的宇宙射线强度 0.5/cm2 min一般需较长（甚至几天）的时间,7,采用双端读出，可缩短测量时间若选取闪烁体中心位置为 X=0，有 ln(QE0/QW0)是一个 常数，0甚至在一个位置（X）的测量就能得到光传输衰减长度,8,三、能量分辨,一般用射线来标定无机闪烁体的能量分辨 射线是单能，但不能直接被记录，而是通过三种效应产生次级电子间接被记录。所以单能射线能谱除了峰之外还有较大的连续谱。,9,全能峰,射线能量较小时，主要是光电效应贡献；随着 射线能量增大，电子对效应贡献逐步增大。光电效应：光电子能量 外层电子跃迁到K层，多余的结合能以X射线或俄歇电子形式辐射。因X射线能量很低，光电吸收截面很大，几乎被探测器完全吸收，能量迭加到Ee上，构成全能峰，总能量为电子对效应：正负电子能量总和为 正电子在探测器内损失能量湮灭生成2个能量为mec2的射线，它们可能1个或2个被探测器光电吸收，也可能发生康普顿效应。若2个射线都被吸收，其能量迭加到Epair上构成全能峰，总能量为康普顿效应：一次或多次散射的射线被探测器光电吸收，由于各次作用时间间隔比闪烁光的产生和衰减时间小很多它们所产生的闪烁光迭加贡献在全能峰。全能峰对应的能量精确等于射线能量，所以用全能峰测量射线能量。选用大尺寸高Z探测器将显著增大全能峰减小康普顿连续谱。,10,Compton连续谱,由康普顿效应形成，此时被散射的射线跑出探测器反冲电子被记录。反冲电子能量康普顿谱是连续谱，能量从0Ee(最大)。谱分布较平缓，仅在Ee(最大)处有个不明显的峰，称作康普顿峰或康普顿边限。峰总比大，全能峰突出，峰康比也大，对确定的探测器和源强，全能峰面积一定，能量分辨率越好，峰康比越大。,探测器Z高灵敏体积大峰总比就大，峰总比越大，全能峰越大康普顿部分越小,11,反散射峰 Backscattering Peak,当射线打到放射源衬托物或探测器周围的物质上，由于康普顿效应，=900-1800时，散射光子可能进入探测器被吸收，形成不大的反散射峰，迭加在康普顿连续谱上，其能量为为了减少反散射峰，必须减少源与探测器周围的物质，并尽可能使用轻元素材料，将谱仪远离墙壁和地板。利用全能峰与反散射峰峰位之比，可以方便地粗略估计谱仪的线性。,12,逃逸峰,由于次级效应产生的电子、X射线和湮灭光子跑出探测器造成的。次级电子逃逸：三种效应产生的次级电子在跑出探测器前可能损失掉一部分能量，产生的脉冲是连续分布的，能量从0E，导致全能峰减少，连续分布增加，并使全能峰不对称。湮灭光子逃逸：电子对效应中正电子湮灭产生2个光子，若1个光子逃出探测器，谱仪记录的能量比全能峰能量少511KeV，称作单逃逸峰，相应的能量 若2个光子逃出探测器，则 称作双逃逸峰。X射线逃逸：光电效应产生的X射线逃出探测器，被记录的光电子能量为 如NaI(Tl)测量137Cs的662KeV的射线能谱。因NaI(Tl)计数器的能量分辨率不够，分辨不开662KeV和(66228=)634 KeV，使全能峰不对称，低端下降慢，高端下降陡一些。而气体探测器可清楚分辨入射低能X射线和它的逃逸峰。,13,迭加峰,除了全能峰的迭加效应以外，专指2个射线同时进入探测器内被记录的迭加效应。对级联发射射线的放射源产生的几率很大，当放射源很强时产生的几率也很大。如测量60Co源的射线能量时，一次核衰变放出2个级联的 射线，能量分别为1.17MeV 和 1.33MeV，有可能同时被探测器吸收记录，在对应2.5MeV处出现迭加峰。,14,X射线峰,主要由放射源产生。有些放射源有与射线发射相竞争的内转换效应或衰变是经电子俘获完成的，这时处于激发态的原子将发射X射线。如 137Cs源经衰变的子体137Ba有一部分发生内转换效应产生内转换电子，造成K壳层空位，外层电子跃迁填补，发射特征KX射线。137Ba K壳层结合能为32KeV，故在能谱的最左边对应能量32KeV处形成X射线峰。射线打到探测器周围物质上也会产生X射线，这些X射线进入探测器就会在低能端产生X射线峰。如射线打到源周围的Pb屏蔽上，就会产生铅的88KeV的X射线，迭加在射线能谱的低能端。,15,小闪烁体情况,16,大闪烁体情况,17,中等闪烁体情况,18,能量分辨是晶体的主要性能。NaI(Tl)、CsI(Tl)对137Cs的能量分辨4%。采用晶体的电磁量能器的能量分辨与入射能量有近似1/E 的关系，可到 2%1GeV，低能：能量沉积涨落、晶体发光性能重要高能：电子学噪声、光收集均匀性、能量泄露、以及刻度误差有机闪烁体能量分辨差，且材质轻，对射线不能全吸收。一般作时间或计数测量。能量线性低能：重粒子和多电荷粒子，在低能区有较大的dE/dX 和短的射程，故有高的沉积能量密度，导致闪烁体的发光出现饱和，导致非线性高能：能量泄漏,19,四、探测效率,无机闪烁体 对带电粒子效率非常高，故一般指对的探测效率 探测效率：原子序数Z大 全能峰探测效率：原子序数Z大，能量分辨好（发光强）晶体量能器需测0，效率是指能探测到多低能量的射线。发光强度和电子学噪声是关键 有机闪烁体 由于材质轻，对射线探测效率低，主要探测带电粒子。对大面积闪烁体，由于传输衰减，远端效率较低。降低甄别阈或提高PMT高压，但同时增加噪声,测量 符合测量可得效率坪曲线，以输出幅度最小的区域来确定PMT的工作高压，一般取坪下边沿+100V,20,五、时间测量,发光衰减时间快的闪烁体，可以用于定时测量有快成份的无机闪烁体如：BaF2，CsF2等（1-10ns），可测带电粒子和的时间信息。有机闪烁体，ns，可做成大面积，探测带电粒子的时间信息。时间分辨包括电子学系统,大面积闪烁体或有光导过渡的探测器，传输导致光的弥散和衰减，时间分辨变差,21,脉冲前沿过甄别阈的时间受到电子学的两个因素的影响。,幅度大小对过阈时间的影响 极端情况为脉冲的上升沿（快PMT2ns）可用电子学（恒比定时甄别器）或软件方法（同时测幅度，时幅修正）。,脉冲前沿在阈值区涨落的影响 叠加在前沿的电子学小扰动 多阈值测量，脉冲光滑分析 组成脉冲前沿的光电子数目涨落 小块闪烁体，直接到达光阴极的快光子多，传输时差也小，反映了该闪烁体的本征时间分辨。,22,时间分辨的测量,小块闪烁体可采用级联射线源测量与粒子的入射能量即光强有关,大面积闪烁探测器需考虑位置的影响，可采用宇宙线。对塑料闪烁体，传播速度 60ps/cm S1尺寸不能大，2cm 100ps TDC的门信号直接用S1的信号,23,1.用快PMT加示波器做相对参考测量脉冲达到最大值的时刻为用已知f的闪烁体推算出测量系统的RC，然后再测量样品的f。测量中RC应尽量大。简单但误差大，尤其是参考样品与待测样品的衰减时间相差较大时；无法确定多组分光的衰减时间,发光衰减时间的测量,24,2.单光子测量法采用级联射线源调节装置，使得一个射线激发只接受一个光子。这个单光电子信号的时间分布反映了发光衰减时间（某时刻接收到的几率正比于发光强度）。保证单光子是关键。设置上甄别阈，卡掉多光子信号。调节小窗口，使得小窗口时的计数率为大窗口的5%，此时单光子的概率为97%。精度取决于单光子信号端的PMT的单光子渡越时间涨落（150ps）和时间零点的精度（60ps）。可测多组荧光成份,25,晶体的光输出和均匀性影响能量分辨率用单能源测量,五、晶体的光输出和均匀性测量,26,闪烁体在强辐照环境中随着辐照剂量的增加光输出会减弱。闪烁体在辐照下，光透过率和吸收谱发生变化，导致光输出降低。（颜色发生变化）一般用比较辐照前后光输出的变化来标定样品的统计性，与原料、工艺相关。剂量率要尽量与实际使用情况相当。大剂量率损伤大因不易恢复辐照后需避光放置几天再测以减少自发荧光。,六、闪烁体的辐照效应,27,标准的选取与总剂量有关,光输出下降约20%,28,PWO,29,30,4-5 闪烁探测器的应用,一、无机闪烁体的应用1、量能器 晶体建造的全吸收型电磁量能器是十分典型的应用测量光子和电子能量分辨可达 有机闪烁体作为取样量能器的灵敏层,31,2、粒子鉴别 脉冲形状甄别 PSD（Pulse Shape Discrimination）不同质量的粒子在闪烁体中具有不同的荧光发射，激发的光具有不同的发光衰减时间。利用此效应可以进行电子或射线与重粒子（n、等）之间的区分可用快慢两个成分来描述闪烁体的发光,对无机闪烁体，越重的粒子（电离能力强）具有较短的发光衰减时间，s变化不大、f 越快。对有机闪烁体，则正好相反，f变化不大、s 越快。,32,电荷比较法对不同的粒子，有不同的电荷比值：Qf/Q，Qs/Q 全部电荷 部分电荷 t1为电流脉冲起始时间，t2一般在4s以上，它与能量大小，脉冲幅度大小有关。t3 和 t4介于t1，t2之间。设置不同的积分时间QADC:相同积分时间，一路延迟，另一路不延迟FADC读出 Flash ADC可在一个通道中进行高频率（可达1G）多次测量和A/D转换，将每一个电流脉冲随时间的变化经数字化后计录下来，即可进行波形信息获取。为脉冲形状辨别粒子开辟了崭新的空间。,33,例如：右图为不同能量（电子）和粒子Qt,Qp的分布，及不同能量下的R。可以看出，大200KeV时可以将和明显地区分开来。,优质因子D为甄别谱上两峰之间距离，W1、W2分别为两峰的半高宽。FOM越大，说明甄别效果越好。,34,二、有机闪烁体的应用1、闪烁光纤近20年来得到两个方面的促进：铅-闪烁光纤电磁量能器的研究。制作简单，造价便宜，性能中等。新型高灵敏度、低噪声的光电器件的突破使得闪烁光纤可以应用于带电粒子的能量和径迹测量。,光纤结构:主要由塑料闪烁体制成。由纤芯部分和包层组成。只有满足全反射的闪烁光可以长距离单向传输。3.4%双涂层闪烁光纤（折射率渐近减小到1.42）可使光输出效率提高到5.6%。,35,光纤性能和种类：有机塑料光纤的直径（方光纤的边长）一般250m5mm，衰减长度2-4m。纤芯材料可发不同颜色的光，匹配不同光波段灵敏的光电器件。不发光的光导光纤波长移位光纤直径1mm的闪烁蓝光纤，耦合PMT读出，在1m远位置的最小电离能损可以得到5个光电子数；用双涂层光纤可得到8p.e.闪烁光纤的应用铅-闪烁光纤电磁量能器（KLOE）由铅层和闪烁光纤层组成。能量分辨可达有很好的时间分辨 120ps。带电粒子径迹测量U、V、R分别为左斜、右斜和直排双R层可以得到70m的位置分辨4个大单元可将半径压缩到50cm，从而压缩整个谱仪的尺寸。,36,2、飞行时间探测器动量为p，质量分别为m1和m2的二个粒子飞行距离为L的时间差为：当p mc 时,低动量、飞行距离长、质量相差大的粒子易分辨,利用概率方式判定粒子种类，取决于粒子的飞行时间差和探测器的时间分辨率的大小。若L=120cm，=200ps，K/分辨出2 水平（95%）可达800MeV的动量，K/P为1.3GeV。,37,实际探测单元测到的时间以束流感应信号为起始与输出信号的电荷量Q和击中闪烁体的位置Z有关。需由e+e-e+e-事例来刻度。飞行时间探测器系统的时间分辨率除了探测器本征的时间分辨（包括闪烁体、光读出及电子学）外，还包括有时间零点的涨落，粒子径迹长度的误差，击中位置的误差，刻度方法所引起的误差，还包括束团长度引起的时间不确定性。,38,每个探测单元采用两端读出tf与击中闪烁体的位置Z无关，当然traw的修正与Z有关。,两端读出，意味着一次击中，进行了两次独立的时间测量。将两端测量的时间以加权平均方式处理，可以减少时间误差。对于中心位置，若两端时间分辨相同，则加权平均误差为 中心位置是探测器分辨差的区域,无论能否区分，多次击中（末态多粒子、量能器反冲粒子、电子等）将严重影响时间分辨。电荷修正 单端时间信息或错误的加权平均,39,3、触发系统望远镜系统（提供计数、触发、定位和时间零点等）大面积触发计数器 采用两端耦合PMT，给出粒子击中的平均时间（与位置无关）作为触发或时间零点利用上下两层塑料闪烁体的时间差可排除宇宙线,40,小结,闪烁计数器时间快，效率高，能探测各种类型的带电粒子，也能探测中性粒子（如中子和射线）。既能测量粒子的数目，又可以测量粒子的能量，是应用极其广泛的探测器之一。塑料闪烁体发光衰减时间只有1几个ns，允许应用于高计数率。结构简单，可以加工成不同形状，面积可以做得很大，可以在强本底下工作，价格便宜，有较好的机械强度，因此在高能物理实验中被大量使用，用作触发计数器、飞行时间谱仪、计数器望远镜等，进行粒子触发、位置测量、飞行时间测量等。闪烁探测器在核物理实验、粒子天文学、核医学、地质探测和工业成像等领域应用十分广泛。,