1、第九章 闪烁探测器(scintillation detectors),2,why scintillation detectors?,和气体探测器一样，闪烁探测器也是现在用得最多、最广泛的一种电离辐射探测器。 NaI：在能谱测量中的应用。 CsI：在中微子探测中的应用。 BGO：在中子感生能谱分析（煤质分析）中的应用。 CdWO4：工业CT LaBr3：一种新型的优质闪烁探测器,闪烁探测器的优点： 探测效率高，适合于测量不带电粒子，如射线和中子，能够测量能谱。 时间特性好，有的探测器（如塑料闪烁体、BaF2）能够实现ns的时间分辨,3,第九章 闪烁探测器,9.1 闪烁探测器的基本原理 9.2 闪
2、烁体 9.3 光的收集与光导 9.4 光电倍增管 9.5 闪烁探测器的输出信号 9.6 闪烁探测器的主要性能,4,9.1 闪烁探测器基本原理,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。,构成部分：闪烁体；光电倍增管；分压器；前置放大器；高压电源,5,6,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。,在下面的学习里，请思考谁是“载流子”？,
3、7,9.1 闪烁探测器的基本原理 9.2 闪烁体 9.3 光的收集与光导 9.4 光电倍增管 9.5 闪烁探测器的输出信号 9.6 闪烁探测器的主要性能,8,9.2 闪烁体,理想的闪烁体应该具有如下的特点： 高探测效率 高发光效率 能量线性好 自吸收小 发光时间短 可加工性好 易于耦合（合适的折射率）,为何需要这些特点呢？,9,9.2 闪烁体,一闪烁体的分类 二闪烁体的发光机制 三闪烁体的物理特性 四常用闪烁体,10,一. 闪烁体的分类,无机闪烁体： 光输出产额高 线性好 发光时间较长,有机闪烁体： 发光时间短 光输出产额低,11,二. 闪烁体的发光机制,1. 无机闪烁体的发光机制,重点分析掺
4、杂的无机晶体，以NaI(Tl)，CsI(Tl),CsI(Na) 等为最典型，又称卤素碱金属晶体(Alkali Halide Scintillator)。,12,导带上自由电子和价带上空穴可以复合成激子； 激子也可以吸收热运动能量而变成自由电子-空穴。,退激可能发出光子 也可能晶格振动而不发光。,纯离子晶体：,退激发出的光子容易被晶体自吸收，传输出的光子少； 禁带宽度大，退激发光在紫外范围，光阴极不响应。,入射粒子 可以产生电子-空穴对(electron-hole pair) 也可产生激子(exciton) 。,13,在晶体中掺杂，叫做激活剂(activator)，含量103量级。,原子受激产生
5、的电子-空穴迁移到杂质能量的激发态和基态上，使杂质原子处于激发态。形成发光中心或复合中心(luminescence centers or recombination centers),杂质原子退激：,荧光(fluorescence)：50500ns,猝灭(quenching)：转换为晶格的热运动。,14,对许多物质，产生一个电子空穴对平均约需3倍于禁带宽度的能量； 在NaI(Tl)中产生一对电子-空穴对需要20eV能量；,NaI(Tl)的闪烁光能占入射能量13%，吸收1MeV能量产生总光能：,闪烁光子平均能量3eV ，产生光子数：,如果入射带电粒子在NaI(Tl)中损失1MeV能量，产生的电子
6、-空穴对数：,一个电子空穴对,一个闪烁光子,能量传递给激活剂“晶格点”的效率是很高的,15,2. 气体闪烁体的发光机制,入射粒子通过介质时，沿径迹产生一批激发了的气体分子，这些激发分子返回基态时便发射出了光子。,光子的能量多处在紫外区 必须选用对紫外光敏感的光电倍增管 或者加入少量的第二气体（如氮气），使闪光的波长移入可见光区。,16,三. 闪烁体的物理特性,1. 发射光谱,2. 发光效率(能量转换效率、光能产额，及相对值),3. 发光时间,4. 闪烁体其它特性,哪一项与闪烁体的能量分辨率最相关？,17,1. 发射光谱,闪烁体发射光子数随光子波长(能量)的关系曲线。,发射光谱与闪烁体、激活剂、
7、移波剂、温度有关。,18,2. 发光效率,发光效率可用三种量来描述：光能产额闪烁效率相对闪烁效率（相对发光效率）,NaI(Tl)晶体：Yph(e)=4.3104/MeV 。,NaI(Tl)晶体：Cnp()=2.6%， Cnp()=13% 。,（2）闪烁效率（发光效率，能量转换效率）,（1）光能产额(光输出，光产额),19,闪烁效率与光能产额的关系：,（3）相对闪烁效率（相对发光效率）,几种闪烁体的相对闪烁效率,希望有较高的发光效率，且对不同能量保持常数。,20,3. 闪烁发光时间,发光时间包括上升时间与衰减时间。,单位时间发出的光子数：,例如：NaI(Tl)晶体 0=0.23s,闪烁光脉冲中包
8、含的光子数：,所以：,上升时间：包括入射粒子耗尽能量的时间(10-9s)和闪烁体中电子激发时间(很短)。,衰减时间：,21,对大多数有机晶体和少数无机晶体，,对有机闪烁体,对一些无机闪烁体,可以用作粒子甄别。,不同类型辐射激发时stilbene晶体的发光衰减曲线,22,几种闪烁体的发光衰减时间,也发现有三种发光衰减时间的闪烁晶体(如PbWO4)。,23,4. 闪烁体的其它特性,透明度和光学均匀性 加工性(malleability) 热锻、车、铣 吸湿性(hygroscopic) 温度效应,耐辐照特性 透明度降低（变色），吸收闪烁光子 导致了磷光的产生 经过退火可恢复 敏感：Tl掺杂的卤素碱金属
9、，10Gy 不敏感：GSO，106Gy,探测效率 与闪烁体物质( , Z)有关 与体积有关,24,四. 常用闪烁体,1. NaI(Tl)晶体 2. CsI(Tl)和CsI(Na)晶体 3. BGO晶体(Bi4Ge3O12) 4. ZnS(Ag)晶体 5. BaF2晶体 6. LaBr3晶体,7. 蒽晶体 8. 液体闪烁体 9. 塑料闪烁体,10. 气体闪烁体,25,1. NaI(Tl)晶体（sodium iodide）(1948,Robert Hofstadter),密度大， =3.67g/cm3 ，探测效率高； Z高，碘(Z=53)占重量85% ，光电截面大； 相对发光效率高，为蒽的2.3倍
10、； 发射光谱最强波长415nm，与PMT光谱响应配合； 晶体透明性能好； 能量分辨率较高，7%662keV- (有人做到：5.80.24%)。 可以做得很大：500mm500mm,发光时间长(230ns) 磷光：0.15秒，9% 容易潮解 有一定的脆性，机械、热冲击易损坏 易受射线损伤：1Gy 能量线性问题 温度效应 中子活化影响,The discovery, more than any other single event, ushered in the era of modern scintillation spectrometry of gamma radiation,26,27,NaI
11、(Tl)的温度特性,28,NaI(Tl)晶体封装结构,1-硬质玻璃； 2-NaI(Tl)晶体； 3-光学耦合剂； 4-光反射层； 5-金属铝壳； 6-海绵垫衬； 7-密封环氧树脂。,29,2. CsI(Tl)和CsI(Na)晶体,密度大，=4.51g/cm3 ； Z高，铯(Z=55)，碘(Z=53) ； 机械强度好；柔韧 加工性能好； CsI(Tl)可以用作粒子甄别。,发光时间较长： CsI(Na),0.63s CsI(Tl),1.0s 纯CsI，0.016 s CsI(Na)容易潮解； CsI(Tl)轻度潮解。 CsI(Tl)在10Gy的射线剂量后荧光损失1015,30,CsI(Tl)在TE
12、XONO中的应用,31,3. BGO晶体(Bi4Ge3O12，锗酸铋),优点： 单位体积内的光电效率高 密度大，=7.13g/cm3； Z高，铋(Z=83)； 机械性能好； 化学稳定性好； 光学透明性好。 afterglow小。,缺点： 闪烁效率低，为NaI(Tl)的814%。并随温度升高而减小。 折射系数大(2.15)，光收集难 时间分辨能力不好（factor of 2 worse than NaI） 价格稍贵于NaI(23倍),在高能粒子物理实验中大量使用：吨计，上海硅酸盐研究所。,32,X光照射下的BGO晶体,33,4. ZnS(Ag)晶体,一种古老的无机闪烁体。 卢瑟福粒子大角度散射实
13、验采用ZnS(Ag)屏 闪烁效率高，几乎与NaI(Tl)相同,多晶粉末； 透光性差，不可太厚，约1020mg/cm2 。,34,废液中放射性的测量,3.5 mg/cm2 ZnS(Ag) Layer 1.2 mg/cm2 Mylar Layer,高的探测效率 低、本底 廉价,35,比较高的密度（4.88g/cm3） 高原子序数（56） 快响应时间 自吸收效应很小，因此晶体可以做得很大（10cm10cm ） 抗辐照（105Gray）,5. BaF2晶体,比较好的能量分辨率(对0.662MeV 9.1%; 1.332MeV 6.3%) 闪烁效率与温度的关系： 快成分：在100400K（-173117
14、）范围内没有变化 慢成分：在250325K（-2352）的范围内-1.1%/K）,光谱在紫外波段，需要专门的PMT配合，如XP2020Q 发光效率低，比NaI(Tl)小一个量级。,36,清华大学物理系徐四大等：100100mmBaF2晶体谱仪，时间分辨为0.9ns，对137Cs的能量分辨率12.6%,37,6. LaBr3晶体,潮解 目前价格还较贵,闪烁效率高 NaI:38103 Photons /MeV LaBr3:67103 Photons /MeV 数据来源：www.detectors.saint- 发光衰减时间短：26ns 密度大：5.29g/cm3 能量线性很好（在低能区，最大偏差5
15、%） 光输出对温度不敏感,有什么好处？,38,一些常用无机闪烁体的分辨率,这样的趋势反映了射线测量过程中的什么特性？,39,7. 蒽晶体,制作困难，价格昂贵； 容易损坏。,8. 液体闪烁体,发光衰减时间短，2.4ns ； 透明度好，制备容易，成本低。,由溶剂(二甲苯)+荧光物质+波长转换剂组成。,发光效率高，常用作标准； 原子量低，含氢量大；,40,9. 塑料闪烁体,发光衰减时间短，13ns ； 透明度高，光传输性能好； 机械性能好，性能稳定； 耐辐射特性好。 可以做得很大,由溶剂(苯乙烯)+荧光物质+波长转换剂，聚合而成。,41,10. 气体闪烁体,气体退激时间为ns量级，是最快的闪烁材料之
16、一 大小、形状易于改变 能量线性很好,Xe、Ke、Ar、He等高纯度气体都是闪烁气体；,光子发射有竞争过程（分子相互碰撞、内猝灭），气体闪烁体的效率比较低 阻止本领小，探测效率低，在能谱测量中的应用局限于粒子、裂变碎片或其它重带电粒子,42,9.1 闪烁探测器的基本原理 9.2 闪烁体 9.3 光的收集与光导 9.4 光电倍增管 9.5 闪烁探测器的输出信号 9.6 闪烁探测器的主要性能,43,9.3 光的收集与光导,闪烁光的收集需要： 反射层 耦合剂 光导,1. 光学反射层： 镜面反射、漫反射。 铝箔、镀铝塑料薄膜，氧化镁、二氧化钛、聚四氟乙烯塑料带等。,44,2. 光学耦合剂,当光子由光密
17、物质(n0)射向光疏物质(n1)时，发生全反射的临界角：,在闪烁体与PMT之间填充硅油(n1 1.5)。,45,3. 光导 具有一定形状的光学透明固体材料，连接闪烁体与光电倍增管。,闪烁体窗面积、形状与PMT窗面积、形状不同时； 强磁场中探测时，用较长的光导连接把闪烁体与PMT分隔开。 在空间较小处，用光纤连接较小的闪烁体与PMT。,一个光导，不管其形状多么复杂，在光导内部任一点的单位面积、单位立体角内的光子流量绝不可能大于它的输入端的光子流量。因此，截面积由闪烁体到光电倍增管逐渐减小的任何光导都会带来显著的光损失。,用硅油填充闪烁体-光导、光导-PMT的交界面。,46,9.1 闪烁探测器的基
18、本原理 9.2 闪烁体 9.3 光的收集与光导 9.4 光电倍增管 9.5 闪烁探测器的输出信号 9.6 闪烁探测器的主要性能,47,9.4 光电倍增管,一 光电倍增管的类型 二光电倍增管的结构与工作原理 三光电倍增管的供电回路 四光电倍增管的主要性能 五通道型电子倍增器件,48,一 光电倍增管的类型,1. 外观的不同,2. 根据光阴极形式,49,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。,聚焦线状结构,圆栅型结构,百叶窗结构,盒栅型结构,50,二. 光电倍增管的结构与工作原理,结构： 光学窗 光阴
19、极 电子倍增系统(打拿极) 电子收集(阳极),51,1. 光学窗： 硼玻璃窗 石英玻璃窗,光电效应 电子迁移到表面 克服介质与真空间的势垒(potential barrier)，逸出功,2. 光阴极(photocathode)：通常为化合物材料，两种形式 锑铯化合物(Cs-Sb) 双碱阴极(K2-Cs-Sb),热电子噪声 ( thermionic noise)： 金属(势垒高)：100/m2s 半导体(势垒低)： 106108/m2s,势垒的存在,所有光阴极都有截止波长：红、近红外,escape depth 金属：能量损失率大，几nm 半导体：能量损失率 小，25nm,并非所有光子都会被转换为
20、电子,量子效率,52,3. 打拿极(dynode)： 次级电子产额大； 热电子与光电子发射小； 大电流工作时性能稳定； 快速响应。,次级电子产额,打拿极材料： 传统材料：BeO，MgO，Cs3Sb 1keV，10（最大） NEA（负电子亲和）材料：GaP(Cs) 1keV， ：5060,53,4. 阳极(anode)：仅用于收集电子，不需要倍增。 镍、钼、铌 次级电子产额小,54,三光电倍增管的供电回路,提供静态工作点，直流电流应显著大于阳极电流,分压器所用电阻的温度系数应当小，稳定性高。 总功率不要太大，以免PMT因为温度升高而漂移,载流子？,55,正高压供电方式：,负高压供电方式：,简单，
21、阴极接地 需要隔直电容，不适合于高计数率情况，不适合于电流情况，易受高压纹波的影响,无需隔直电容，适合高计数率、适合电流模式 阴极处于高压，需防止与周围接地材料之间的高压漏电信号、场致发光,都是常用的供电方式,56,四光电倍增管的主要性能,1. 光阴极的光谱响应 2. 光阴极的光照灵敏度,3. 第一打拿极的电子收集系数 4. 光电倍增管的放大倍数 5. 阳极光照灵敏度,6. 光电倍增管的暗电流与噪声 7. 光电倍增管的时间特性 8. 光阴极的均匀性 9. 稳定性,光电转换特性,电子倍增特性,57,2. 光阴极的光照灵敏度,gc对PMT的幅度分辨率影响较大， 在有聚焦极的光电倍增管中，gc可达9
22、5%以上。,其中：i 是光电子流(A)，F是光通量(lm)。,3. 第一打拿极的电子收集系数,58,4. 光电倍增管的电流放大倍数,聚焦型： g 1 ；非聚焦型：g 1 。,其中：g是电子传输效率， 是各级电子倍增系数，n是倍增电极数。,有的资料把电流放大倍数定义为：,59,PMT输出脉冲中的电荷量：,E ：入射粒子能量；,Yph ：光能产额；,Fph：光子传输系数；,：平均量子效率；,gc ：收集效率；,：电子倍增系数。,60,对一般材料， 大致为35； 双碱金属材料， 可以达到10； GaP(Cs)材料， 可以为50 60。,61,5. 阳极的光照灵敏度,其中：i a是阳极电流(A)，F是
23、入射到光阴极的光通量(lm)。,62,光阴极的热电子发射 残余气体的电离（离子反馈、光子反馈） 欧姆漏电 场致发射,6. 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)。,成因：,切伦科夫效应 玻璃管壳放电 玻璃荧光 光阴极曝光,63,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10-610-10A。,指标：,64,7. PMT 的时间特性,65
24、,8. 光阴极的均匀性,闪光照射到光阴极时，阳极输出信号可能会不同，原因： 光阴极的灵敏度在不同的位置是不同的，对大面积的光阴极尤甚。 光阴极不同位置处产生的光电子被第一打拿极收集的效率也不同。,将使能量分辨率变差，对闪烁谱仪来说是严重问题。,应对办法： 改进光阴极的均匀性 改进光电子收集的均匀性 利用光导将光子分散到整个光阴极上,66,9. 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。,包括：,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
25、围的环境温度有关。长期工作条件下，须采用“稳峰”措施。,疲劳：倍增系数往往随计数率而变化，称之为“疲劳”，好的光电倍增管在计数率由103104/s时，倍增系数的变化小于1/100。,67,小结：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。但其阴极处于很高的负电位，需要注意阴极对处于地电位的光屏蔽外壳之间的绝缘。,68,3. 分压电阻,4. 最后几级的分压电阻,由
26、于当电子在两个打拿极间运动时，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。,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。,69,9.1 闪烁探测器的基本原理 9.2 闪烁体 9.3 光的收集与光导 9.4 光电倍增管 9.5 闪烁探测器的输出信号 9.6 闪烁探测器的主要性能,70,9.5 闪烁探测器的输出信号,一闪烁探测器输出信号的物理过程 二闪烁探测器的输出回路 三电流脉冲信号 四电压脉冲信号 五输出信号的涨落 六闪烁探测器的主要性能,71,一闪烁
27、探测器输出信号的物理过程,倍增电子向后级漂移，感应电流从外回路流过。,72,二闪烁探测器的输出回路,Ia,73,输出回路的等效电路,74,也可从前级打拿极取信号,75,三. 电流脉冲信号,1. 光电倍增管的单电子响应函数,渡越时间：te 2080ns，te 13ns 。,总电荷量： q =Me ，1051010e ；,76,2. 输出电流脉冲,第一打拿极接收光电子的分布：,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，,一次闪烁光引起的输出电流：,77,闪烁探测器输出的电流脉冲,78,四. 电压脉冲信号,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：,79,在
28、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。,80,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。,81,V(t)在t =RC处取极大值，,在实际使用中，常选取RC = 0 。,(3) 当RC =0时，,只有当C = 0时，V=I(t)R； 而一般情况下， C 0 。,当单电子响应函数不为函数时，使输出脉宽变大，脉冲前沿变慢。,幅度足够大 脉宽足够窄,82,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
29、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,83,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,84,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。,85,五输出信号的涨落,光电倍增管输出电荷数Na是串级型随机变量： 闪烁体发出的光子数Nph ，服从泊松分布； 对应于闪烁体发出一个光子
30、，第一打拿极收集到的光电子数Ne ，是伯努利型随机变量； PMT的电子倍增系数M 。,第一打拿极收集的光电子数Ne服从泊松分布，平均值与方差为：,86,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：,87,所以，,于是，Na的方差为，,M的方差，假设服从泊松分布,从实验结果来看，并非严格服从泊松分布，可以有其它的分布如Polya distribution或compound Poisson分布来描述倍增过程的统计规律。 尚无定论，也许打拿极特性、电子轨迹的不同使得无法找到一个通用的模型。,
31、88,进一步的研究给出更精细的结果，,因此，闪烁探测器的能量分辨率为，,89,输出信号小结,1. 闪烁探测器输出电荷量,2. 闪烁探测器输出电流脉冲信号,90,3. 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,91,4. 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,闪烁谱仪能量分辨率的极限：,92,9.1 闪烁探测器的基本原理 9.2 闪烁体 9.3 光的收集与
32、光导 9.4 光电倍增管 9.5 闪烁探测器的输出信号 9.6 闪烁探测器的主要性能,93,9.6 闪烁探测器的主要性能,一闪烁谱仪的组成与工作原理 二单能射线的次级电子能谱 三射线的输出脉冲幅度谱 四NaI(Tl)单晶闪烁谱仪的性能,94,一 闪烁谱仪的组成与工作原理,探测次级电子能谱。光电效应，Compton效应，电子对效应。,95,二.单能射线的次级电子能谱,1. 小尺寸闪烁体,闪烁体仅吸收次级电子的能量。,96,2. 大尺寸闪烁体,闪烁体吸收全部次级电子、次级电磁辐射能量。,97,3. 中等尺寸闪烁体,闪烁体吸收次级电子能量，以一定几率吸收次级电磁辐射能量。,98,三射线的输出脉冲幅度
33、谱,1. 单能射线,输出幅度涨落使峰宽度、边界展宽。,PMT噪声与暗电流形成小幅度连续谱。,99,2. 两种能量的射线,较高能射线：全能、单逃、双逃、康普顿、湮没峰； 较低能射线：全能、康普顿边缘、康普顿坪；特征x射线峰、反散射峰。,100,探测效率、,能量分辨率、,光电峰、,逃逸峰。,101,3. 多种能量的射线,102,Monte-Carlo模拟与实验能谱的比较,103,四NaI(Tl)单晶闪烁谱仪的性能,1. 能量分辨率 2. 能量线性 3. 探测效率 4. 时间特性 5. 闪烁探测器的稳定性,104,1. 能量分辨率,电子倍增系数M与工作电压V0的关系：,其中，V0是PMT总电压，a、
34、b是常数，n是打拿极数。,工作电压波动引起的倍增系数变化：,通常要求PMT的电源稳定性好于0.1%。,105,所以：,闪烁探测器的能量分辨率为，,106,能量分辨率的影响因素：,(2) 1大，则小。,(3) 高压稳定性的影响.,(4) 道宽的影响,若要：,则要求：,一般要求：,107,2. 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)，
35、在100KeV1MeV，变化约15。,108,3. 探测效率,对平行入射的光子束：,探测效率：,高Z,，大D的闪烁体探测效率高。,109,绝对总效率,绝对峰效率,本征总效率,本征峰效率,110,111,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。,4. 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,112,5. 稳定性主要由PMT决定,113,闪烁探测器的噪声,闪烁探测器的噪声主要来自于光电倍增管的暗电流。在没有外来光源照射时，一般
36、光电倍增管阳极输出的暗电流在10-710-9A，具体数据与型号、工作电压以及温度等因素有关。工作电压低、温度低，暗电流就小,114,烁探测器的噪声,暗电流的起因： 主要是光阴极和前几个打拿极的热电子发射 其次是电极绝缘材料和管子表面的漏电 还有其它因素（光反馈、离子反馈和场致发射等）的影响,115,闪烁探测器的噪声,热电子发射： 光阴极（或前几个打拿极）每发射一个热电子，经倍增后在阳极回路里就产生一个电流脉冲，由于热电子发射的随机性，阳极得到的是一系列随机分布的电流脉冲。考虑到各种暗电流因素和倍增系数的涨落，噪声脉冲的幅度有一定分布 另一方面，由于电子渡越时间的涨落，使倍增电子到达最后一个打拿极的时间有先后，噪声电流脉冲宽度tW就不只决定于电子从最后一个打拿极到阳极的渡越时间，而且与总渡越时间的涨落有关,116,闪烁探测器的噪声,如果把宽度很窄的噪声脉冲近似为冲击函数，那么光电倍增管的暗电流就可近似为幅度有一定分布的随机电流冲击序列。它是白噪声，在非零频率的功率谱密度等于常数,117,闪烁探测器的噪声,在推导上式时假设暗电流全部由光阴极热电子发射产生，未考虑产生暗电流的其它因素。另外，也不完全服从泊松分布。因此，上式只是近似公式，但可用来估计暗电流对能量分辨率的影响 实际上，对于能谱分析系统，光电倍增管的暗电流噪声，同闪烁体固有能量分辨率相比通常可以忽略不计,
