核辐射探测第三章闪烁探测器

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1、第三章闪烁探测器ScintillationDetector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。3.1闪烁体1、闪烁体的分类1)无机闪烁体：玻璃体纯晶

2、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。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。

3、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）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：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

4、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。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

5、过程”。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”。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。以Na

6、I(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：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。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

7、变化。由总光子数得到：4、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。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。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

8、的全反射，用折射系数的硅脂(或硅油)。3.2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2)PMT的类型(1)外观