核辐射探测_第三章

nullnull某同学在做核辐射探测实验—测能量分辨率时，最后得出结论如下：这个G—M计数管的能量分辨率为5.0%。实验老师给了他0分，为什么？补充作业： 1、设用GM管测粒子强度，每分钟计数5×105个。假如该GM管之分辨时间为3微秒，试校正计数损失。 2、死时间分别为40 和100 的探测器A和B，若B探测器的死时间漏计数率是A探测器死时间漏计数率的两倍，求真实计数率是多少？null第三章 闪烁探测器Scintillation Detectornull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。高压多道或单道null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。 null输出脉冲信号的电荷量与入射粒子损失能量1、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：2、第一打拿极收集到的光电子数为：null3、阳极收集到的电子数为：4、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：null3.1 闪烁体1、闪烁体的分类1) 无机闪烁体：玻璃体纯晶体无机晶体(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。null2、闪烁体的发光机制1) 无机闪烁体的发光机制重点掺杂的无机晶体，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。 导带价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示，而用“能带”来描述。 激活剂null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。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）nullB）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：null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。杂质能级成为发光中心。解决：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。nullnull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“淬灭过程”。null2) 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”。null3、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。null以NaI(Tl)为例：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。null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：null3) 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。 null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变化 。由总光子数得到：null4、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。 null不潮解，价贵。塑料闪烁体溶剂(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。nullnull1.5 X0 CubicFull Size Samples BaBar CsI(Tl): 16 X0 L3 BGO: 22 X0 CMS PWO(Y): 25 X0 BaBar CsI(Tl)L3 BGOCMS PWO(Y)PbWO4BGOCeF3BaF2CsIBGO, LSO & LYSO SamplesBGO, LSO & LYSO SamplesCubic: 1.7 cm3 (1.5X0); Long: 2.5 x 2.5 x 20 cm (18X0)CPI LYSOSaint-Gobain LYSOSIC BGOCTI LSOnull5、闪烁体的选择 在实际使用中，选择闪烁体时主要考虑以下几个方面的问题: (光能产额高、衰减时间短、光谱匹配好)(1)、所选闪烁体的种类和尺寸应适应于所探测射线的种类、强度及能量。(2)、闪烁体的发射光谱应尽可能好地和所用光电倍增管的光谱响应配合，以获得高的光电子产额。(3)、闪烁体对所测的粒子有较大的阻止本领，使入射粒子在闪烁体中损耗较多的能量。 null(6)、作为能谱测量时，要考虑发光效率对能量响应的线性范围。 （7）、物美价廉的原则 (5)、在作时间分辨计数或寿命放射性活度测量中，应选取发光衰减时间短及能量转换效率高的闪烁体。(4)、闪烁体的发光效率足够高，有较好的透明度和较小折射率以使闪烁体发射的光子尽量被收集到光电倍增管的光阴极上。null5、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null闪烁计数器光学收集系统示意图null（1）当使用的闪烁体面积比光电倍增管面积大时，可以用光导作为中间过渡，使闪烁体的光子较多地进入光阴极。（2）在强电磁场中探测射线时，光电倍增管不能放置在此强电磁场中，可用较长的光导将光引到光电倍增管的光阴极上。（3）由于受空间限制：如医学诊断中，有时只能把体积很的闪烁体放在体内，这时可用长的纤维光导将光引到光阴极上。（4）当闪烁体的表面和光阴极表面形状不一致时，也需要用光导过渡。null3.2 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 入射光null光阴极：接收光子发射光电子的电极，由以碱金属为主要成分的半导体化合物材料构成，其光电效应几率大，光电子脱出功较小。光阴极有反射式和透射式两种。。电子光学输入系统：由光阴极和第一倍增极之间的聚焦极构成，作用是把光阴极各个方向上发射的光电子聚焦到第一倍增极。要求要有良好的聚焦性能和高的光电子收集效率及小的渡越时间。null二次发射倍增系统：由8－13个倍增极组成，工作时各电极依次加上递增的电位。每个倍增极的电子倍增系数为， ＝3－6，则PMT的放大倍数M＝ n, n倍增极个数。二次电子是指倍增极上有入射电子激发出来的电子，入射电子为一次电子，二次电子和一次电子数目之比为二次发射系数。要求二次发射系数大，热电子发射少，大电流工作稳定性好。阳极：最后收集电子并输出信号的电极，采用电子脱出功较大而且二次发射系数小能耐高温的材料，如镍、钼、钨等。null2) PMT的类型 (1) 外观的不同(2) 根据光阴极形式null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。直线结构环状结构百叶窗结构盒栅型结构PMT的图片欣赏PMT的图片欣赏null2、PMT主要性能1) 光阴极的光谱响应光阴极受到光照后，发射光电子的概率是入射光波长的函数，称作“光谱响应”。 nullPMT增益打拿极间电子收集效率阳极灵敏度阳极电流2) 光照灵敏度阴极灵敏度打拿极二次电子发射系数null(1)光阴极的热电子发射。3) 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)。(2)残余气体的电离----离子反馈； 残余气体的激发----光子反馈。(3)工艺----尖端放电及漏电成因：null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10-6～10-10A。指标：null4) PMT 的时间特性一个光电子从光阴极到达阳极的平均时间。到达阳极的每个电子都经历了不同的倍增过程和飞行距离，反映了飞行时间的涨落，是决定闪烁计数器分辨时间的限制因素。：te的分布函数的半宽度null5) 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。包含两部分：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，同时与周围的环境温度有关。长期工作条件下，须采用“稳峰”措施。null3、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。但其阴极处于很高地负电位，需要注意阴极对处于地电位的光屏蔽外壳之间的绝缘。null3) 分压电阻4) 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。 由于当电子在两个联极间运动时，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。nullnullⅠ.闪烁探测器输出信号的物理过程及输出回路Ⅱ.输出脉冲信号的电荷量Ⅲ.闪烁探测器的电流脉冲信号Ⅳ.闪烁探测器的电压脉冲信号Ⅴ.闪烁探测器输出信号的涨落3.3 闪烁探测器的输出信号nullI.闪烁探测器输出信号的物理过程及输出回路1. 闪烁探测器输出信号的过程null2. 闪烁探测器信号的输出回路IaIknullIa3. 输出回路的等效电路null输出回路的等效电路nullII. 输出脉冲信号的电荷量1、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：2、第一打拿极收集到的光电子数为：null3、阳极收集到的电子数为：4、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：nullIII. 闪烁探测器的电流脉冲信号 单位时间内闪烁体发出的光子数为： 单位时间内第一打拿极收集到的光电子数为： 1、单位时间内第一打拿极收集到的光电子数null2、单光电子引起的电流脉冲信号p(t) 面积null3、一次闪烁所引起的阳极电流脉冲一次闪烁输出电流脉冲为即：代入：两边微分并整理与的卷积闪烁探测器输出电流脉冲一般表达式的卷积形式 null闪烁探测器输出电流脉冲一般表达式的微分形式 上式和卷积形式一样给出了输出电流脉冲与发光衰减时间及单光电子电流响应的关系。 在很多情况下，与相比，是一个非常窄的用函数来近似即：可设时间函数，这时可以忽略电子飞行时间的涨落，求解则：nullnullIV.闪烁探测器的电压脉冲信号由等效电路代入：令：可得：null1、当短时间内：即时在，但仍满足经过较长时间，即null2、当对时对,但仍满足经过较长时间，即null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null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，100Mnull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。null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null3、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null4、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：nullnull3.4 单晶闪烁谱仪1、γ闪烁谱仪的组成与工作原理 闪烁体、PMT以及配套的电子学仪器组成。 X或γ射线不带电，它与闪烁体的相互作用是通过三种次级效应实现的，它产生的次级电子的能谱是相当复杂的，因而由次级电子产生的输出脉冲幅度谱也是相当复杂的。以NaI(Tl)闪烁晶体的单晶γ闪烁谱仪为例。null2、单能射线的输出脉冲幅度谱1) 单能射线在闪烁体内产生的次电子谱射线与物质的相互作用：光电效应：康普顿散射：电子对效应：光子消失，产生光电子散射光子，反冲电子光子消失，产生正负电子对正电子湮没产生两个0.511MeV的湮没光子。null光电吸收逃逸的散射光子单次Compton散射逃逸的湮没光子电子对效应(1)小晶体。尺寸小于1cm。可认为由入射光子产生的次级Compton光子或电子对效应中产生的正电子湮没光子这些次级辐射离开闪烁体，不再与闪烁体发生相互作用。null全能峰(光电峰)Compton连续谱Compton边沿全能峰(光电峰)Compton连续谱双逃逸峰null(2) 无限大晶体次级光子带走的能量也最终转化为次级电子的能量，因此单能光子入射后所产生的总的次级电子能量就等于入射光子的能量。光电吸收Compton散射电子对效应全能峰null(3) 中等大小晶体光电吸收多次散射后逃逸的光子Compton散射单逃逸湮没光子电子对产生次级效应中产生的光子部分逃出闪烁体。null全能峰(光电峰)多次Compton散射全能峰(光电峰)多次Compton散射单逃逸峰双逃逸峰null图中各部分的面积与入射单能光子产生各种效应的截面有关，也与闪烁体的大小有关。2) 单能射线输出脉冲幅度谱，首先取决于入射光子所产生的次级电子能谱。因此单能射线的输出脉冲幅度谱基本如上面所示的形状，但是存在一定差别。null(1)由于统计涨落引起的展宽淹没峰反散射峰特征X射线峰(2)闪烁体周围物质的影响(3)PMT的噪声特征X射线光电吸收Compton散射淹没光子null3) 几个典型单能射线谱null3、NaI(Tl)单晶γ射线谱仪的性能1) 响应函数 -- 闪烁谱仪对某单能γ射线的脉冲幅度谱。 2) 能量分辨率用全能峰(光电峰)来确定闪烁谱仪的能量分辨率null一次闪烁中D1收集的光电子数 串级事件的第一级倍增因子null能量分辨率的影响因素：(2) δ1大，则η小。(3) 高压稳定性的影响.(4) 道宽的影响道宽半高宽若要：则要求：一般要求：null3) 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)，在100KeV～1MeV，变化约15％。null4)  射线探测效率对平行入射的光子束：探测效率：用谱分析求探测效率，常定义源峰效率：高Z,ρ，大D的闪烁体探测效率高。null5) 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τ。null6) 稳定性——主要由PMT决定长期稳定性是由环境温度和PMT的老化和使用寿命决定，为保持长期稳定性经常采用稳峰(或称稳谱)技术。 短期稳定性对短期稳定性，须考虑开机预热达到稳定的时间。长期稳定性