閃爍探測(cè)器1)

1、第五章第五章 閃爍探測(cè)器閃爍探測(cè)器 5-1 閃爍探測(cè)器的工作原理閃爍探測(cè)器的工作原理5-2 閃爍體閃爍體5-3 光電倍增管光電倍增管5-4 光收集系統(tǒng)光收集系統(tǒng)5-5 閃爍探測(cè)器的應(yīng)用閃爍探測(cè)器的應(yīng)用2022-2-17中國(guó)科大 汪曉蓮 25-1閃爍探測(cè)器的工作原理閃爍探測(cè)器的工作原理 一、典型的閃爍探測(cè)器裝置一、典型的閃爍探測(cè)器裝置電子學(xué)儀器光電倍增管閃爍體閃爍探測(cè)器2022-2-17中國(guó)科大 汪曉蓮 3入射粒子進(jìn)到閃爍體內(nèi)，使閃爍體的原子分子電離和激發(fā)，受激原入射粒子進(jìn)到閃爍體內(nèi)，使閃爍體的原子分子電離和激發(fā)，受激原子分子退激發(fā)時(shí)發(fā)光，稱作子分子退激發(fā)時(shí)發(fā)光，稱作熒光熒光。熒光光子打到光電倍

2、增管的。熒光光子打到光電倍增管的光陰光陰極極上轉(zhuǎn)換成上轉(zhuǎn)換成光電子光電子，光電子在光電倍增管中，光電子在光電倍增管中倍增倍增，最后被，最后被陽(yáng)極陽(yáng)極收集，收集，輸出電壓或電流脈沖，被電子學(xué)儀器記錄。輸出電壓或電流脈沖，被電子學(xué)儀器記錄。激發(fā)：激發(fā)：帶電粒子進(jìn)入閃爍體通過(guò)庫(kù)侖作用直接使閃爍體原子分子電帶電粒子進(jìn)入閃爍體通過(guò)庫(kù)侖作用直接使閃爍體原子分子電離和激發(fā)從而損失能量；若是離和激發(fā)從而損失能量；若是X射線和射線和 射線入射，則通過(guò)光電效應(yīng)、射線入射，則通過(guò)光電效應(yīng)、康普頓效應(yīng)和電子對(duì)效應(yīng)損失能量產(chǎn)生次級(jí)帶電粒子，次級(jí)帶電粒康普頓效應(yīng)和電子對(duì)效應(yīng)損失能量產(chǎn)生次級(jí)帶電粒子，次級(jí)帶電粒子再使閃爍體

3、原子分子電離和激發(fā)。子再使閃爍體原子分子電離和激發(fā)。 設(shè)設(shè)入射粒子能量為入射粒子能量為Ei, 在閃爍體內(nèi)損失的能量在閃爍體內(nèi)損失的能量為為 如如K1=1，則入射粒子能量完全損失在閃爍體內(nèi)；，則入射粒子能量完全損失在閃爍體內(nèi)； 如如K11，則有一部分粒子跑出閃爍體。，則有一部分粒子跑出閃爍體。退激：退激：設(shè)設(shè)發(fā)射光子的幾率為發(fā)射光子的幾率為P，產(chǎn)生光子的平均能量為產(chǎn)生光子的平均能量為hv, 則則發(fā)射光發(fā)射光子的數(shù)目子的數(shù)目 1iE K PRh1iK E2022-2-17中國(guó)科大 汪曉蓮 4光的傳輸：光的傳輸：光子通過(guò)閃爍體和光導(dǎo)，到達(dá)光電倍增管的光陰極，有光子通過(guò)閃爍體和光導(dǎo)，到達(dá)光電倍增管的光

4、陰極，有一部分在傳輸過(guò)程中會(huì)被吸收或被散射而無(wú)法到達(dá)光陰極。一部分在傳輸過(guò)程中會(huì)被吸收或被散射而無(wú)法到達(dá)光陰極。 設(shè)設(shè)光子的傳輸系數(shù)為光子的傳輸系數(shù)為l，則到達(dá)光陰極的光子數(shù)，則到達(dá)光陰極的光子數(shù)RlR。希望。希望l盡可能盡可能大，就要求閃爍體的發(fā)射光譜和吸收光譜不重合，使閃爍體發(fā)射的大，就要求閃爍體的發(fā)射光譜和吸收光譜不重合，使閃爍體發(fā)射的光子盡量少自吸收，并在閃爍體和光電倍增管之間價(jià)光導(dǎo)。光子盡量少自吸收，并在閃爍體和光電倍增管之間價(jià)光導(dǎo)。光電轉(zhuǎn)換：光電轉(zhuǎn)換：光陰極吸收光子發(fā)射光電子。設(shè)光陰極吸收光子發(fā)射光電子。設(shè)光電轉(zhuǎn)換效率為光電轉(zhuǎn)換效率為 ，從，從光光陰極到第一倍增極的電子傳輸系數(shù)為陰

5、極到第一倍增極的電子傳輸系數(shù)為q，則光陰極發(fā)射到第一倍增極，則光陰極發(fā)射到第一倍增極的光電子數(shù)的光電子數(shù)倍增：倍增：光電子在光電倍增管中倍增，最后在陽(yáng)極被收集。設(shè)光電子在光電倍增管中倍增，最后在陽(yáng)極被收集。設(shè)光電倍光電倍增管的倍增系數(shù)為增管的倍增系數(shù)為M，則，則在陽(yáng)極得到在陽(yáng)極得到Mn個(gè)電子，相應(yīng)的電荷個(gè)電子，相應(yīng)的電荷為為 QMne，輸出電容為輸出電容為C，則，則電壓脈沖電壓脈沖NqR11iiK Pl qeMEn e M EQVCh CCK Pl qNnhE 入射粒子單位能量產(chǎn)生的光電子數(shù)2022-2-17中國(guó)科大 汪曉蓮 5 輸出：輸出：形成的電壓脈沖經(jīng)射極跟隨器或前形成的電壓脈沖經(jīng)射極跟

6、隨器或前置放大器輸出，被一套電子學(xué)儀器放大、置放大器輸出，被一套電子學(xué)儀器放大、分析和記錄。分析和記錄。 輸出脈沖與入射粒子能量成正比輸出脈沖與入射粒子能量成正比。 增大輸出脈沖幅度的方法：增大輸出脈沖幅度的方法：1 1）選擇光產(chǎn)額大的晶體；）選擇光產(chǎn)額大的晶體；2 2）提高光陰極光電轉(zhuǎn)換效率）提高光陰極光電轉(zhuǎn)換效率 ；3 3）提高電子傳輸系數(shù)）提高電子傳輸系數(shù) q q；4 4）提高光電倍增管的放大倍數(shù)）提高光電倍增管的放大倍數(shù)MM。2022-2-17中國(guó)科大 汪曉蓮 62022-2-17中國(guó)科大 汪曉蓮 75-2 閃爍體閃爍體一、閃爍體的基本特性一、閃爍體的基本特性1、發(fā)光效率：、發(fā)光效率：

7、表示閃爍體把所吸收的粒子能量轉(zhuǎn)變?yōu)楣獗硎鹃W爍體把所吸收的粒子能量轉(zhuǎn)變?yōu)楣獾谋绢I(lǐng)?？捎脙蓚€(gè)量來(lái)表示。的本領(lǐng)?？捎脙蓚€(gè)量來(lái)表示。1）光輸出）光輸出S：定義在一次閃爍過(guò)程中傳輸?shù)亩x在一次閃爍過(guò)程中傳輸?shù)墓庾訑?shù)目光子數(shù)目R和和入入射粒子在閃爍體內(nèi)損失的能量射粒子在閃爍體內(nèi)損失的能量E之比。之比。2）能量轉(zhuǎn)換效率）能量轉(zhuǎn)換效率P：定義一次閃爍過(guò)程中產(chǎn)生的定義一次閃爍過(guò)程中產(chǎn)生的光子總能光子總能量和入射粒子損失能量量和入射粒子損失能量之比。之比。3）光輸出和能量轉(zhuǎn)換效率這兩個(gè)量的絕對(duì)測(cè)量很復(fù)雜，實(shí)）光輸出和能量轉(zhuǎn)換效率這兩個(gè)量的絕對(duì)測(cè)量很復(fù)雜，實(shí)際中往往與標(biāo)準(zhǔn)閃爍體蒽晶體相比較給出相對(duì)值。際中往往與標(biāo)準(zhǔn)

8、閃爍體蒽晶體相比較給出相對(duì)值。/MeVRSE光子數(shù)，入射粒子損失單位能量產(chǎn)生的光子數(shù)。R hPS hE通常用%表示2022-2-17中國(guó)科大 汪曉蓮 82、能量響應(yīng)：、能量響應(yīng)：表示輸出脈沖幅度與入射粒子能量之間的關(guān)系。表示輸出脈沖幅度與入射粒子能量之間的關(guān)系。閃爍探測(cè)器的能量響應(yīng)線性并不好，既與入射粒子種類（電荷和閃爍探測(cè)器的能量響應(yīng)線性并不好，既與入射粒子種類（電荷和質(zhì)量）有關(guān)，又與粒子能量有關(guān)。只在較高能量情況下才近似線質(zhì)量）有關(guān)，又與粒子能量有關(guān)。只在較高能量情況下才近似線性關(guān)系。氣體閃爍體最好，無(wú)機(jī)閃爍體次之，有機(jī)閃爍體最差。性關(guān)系。氣體閃爍體最好，無(wú)機(jī)閃爍體次之，有機(jī)閃爍體最差。3

9、、發(fā)射光譜：、發(fā)射光譜：閃爍體發(fā)射的光子數(shù)隨波長(zhǎng)的分布稱作閃爍體發(fā)射的光子數(shù)隨波長(zhǎng)的分布稱作閃爍體的發(fā)射光譜。閃爍體的發(fā)射光譜。1）圖表法：）圖表法：常給出的是光致發(fā)光光譜。常給出的是光致發(fā)光光譜。P127圖圖53閃爍體在受到高能粒子激閃爍體在受到高能粒子激發(fā)后發(fā)射的光譜在可見(jiàn)光發(fā)后發(fā)射的光譜在可見(jiàn)光區(qū)。不同的閃爍體和不同區(qū)。不同的閃爍體和不同的入射粒子，其光譜特性的入射粒子，其光譜特性不同。不同。 2022-2-17中國(guó)科大 汪曉蓮 92）平均波長(zhǎng)或平均能量表示法：）平均波長(zhǎng)或平均能量表示法： 如如NaI(Tl)晶體晶體，3）用主峰位波長(zhǎng)）用主峰位波長(zhǎng) 0和半高寬和半高寬表示表示： 如如Na

10、I(Tl)晶體，晶體， 0=4150， 8504、發(fā)光衰減時(shí)間、發(fā)光衰減時(shí)間 閃爍體原子受激后發(fā)射光子的增加和退激后光子的衰減閃爍體原子受激后發(fā)射光子的增加和退激后光子的衰減都是隨時(shí)間按指數(shù)規(guī)律變化。由于光子產(chǎn)生的過(guò)程比衰都是隨時(shí)間按指數(shù)規(guī)律變化。由于光子產(chǎn)生的過(guò)程比衰減過(guò)程快得多，光子產(chǎn)生過(guò)程可忽略，用發(fā)光的衰減過(guò)減過(guò)程快得多，光子產(chǎn)生過(guò)程可忽略，用發(fā)光的衰減過(guò)程來(lái)描述整個(gè)過(guò)程。程來(lái)描述整個(gè)過(guò)程。 不同閃爍體有不同發(fā)光衰減時(shí)間，有快慢成分之分，近不同閃爍體有不同發(fā)光衰減時(shí)間，有快慢成分之分，近似表示為似表示為04100A124003.04100CeVEhheV平均波長(zhǎng)， 響應(yīng)的平均能量/0(

11、 )tI tI e /fsttfsfsI tI eI ens， ： 數(shù)量級(jí)， ：幾十幾百ns數(shù)量級(jí)2022-2-17中國(guó)科大 汪曉蓮 104 4、發(fā)光衰減時(shí)間、發(fā)光衰減時(shí)間 對(duì)同一閃爍休，對(duì)同一閃爍休，與入射粒子種類有關(guān)，例如對(duì)與入射粒子種類有關(guān)，例如對(duì)CsI(T1)晶體，晶體， 粒子粒子入射入射 =1100ns， 粒子粒子入射入射=430ns。 不一樣將造成輸出脈沖形狀不同，可不一樣將造成輸出脈沖形狀不同，可以通過(guò)辨別脈沖形狀來(lái)區(qū)分入射粒子的種類。利以通過(guò)辨別脈沖形狀來(lái)區(qū)分入射粒子的種類。利用這種方法可鑒別用這種方法可鑒別 和和 ；中子和；中子和 。 還與溫度有還與溫度有關(guān)，溫度降低，衰減時(shí)

12、間變短。關(guān)，溫度降低，衰減時(shí)間變短。 對(duì)氣體閃爍體，對(duì)氣體閃爍體， 是氣壓是氣壓P的函數(shù)。一般地說(shuō)，隨的函數(shù)。一般地說(shuō)，隨著著P的增大，的增大， 減小。例如對(duì)氖，減小。例如對(duì)氖， P=5 cmHg, =14ns； P=48.5cmHg， =5.5ns。2022-2-17中國(guó)科大 汪曉蓮 11利用單光子測(cè)量利用單光子測(cè)量閃爍體發(fā)光衰減時(shí)間閃爍體發(fā)光衰減時(shí)間2022-2-17中國(guó)科大 汪曉蓮 12閃爍計(jì)數(shù)器的能量分辨率包括了閃爍計(jì)數(shù)器的能量分辨率包括了閃爍體和光電倍增管閃爍體和光電倍增管的貢獻(xiàn)。的貢獻(xiàn)。 影響能量分辨率的因素影響能量分辨率的因素有：有：1）閃爍體的發(fā)光效率；）閃爍體的發(fā)光效率； 2

13、）閃爍體的固有分辨率；）閃爍體的固有分辨率；3）PMT光陰極的光收集效率；光陰極的光收集效率；4）光陰極光電轉(zhuǎn)換效率；）光陰極光電轉(zhuǎn)換效率；5）第一倍增極收集效率和二次電子倍增系數(shù)等。）第一倍增極收集效率和二次電子倍增系數(shù)等。 不同閃爍體的固有能量分辨率不同，不同閃爍體的固有能量分辨率不同，NaI(Tl)閃爍體的能閃爍體的能量分辨率在各種閃爍體中是最好的。有機(jī)閃爍體的能量分量分辨率在各種閃爍體中是最好的。有機(jī)閃爍體的能量分辨率都比較差。辨率都比較差。222TsPMT2022-2-17中國(guó)科大 汪曉蓮 13 描述光在閃爍體內(nèi)傳播的一個(gè)物理量。定義為：描述光在閃爍體內(nèi)傳播的一個(gè)物理量。定義為：閃爍

14、光在閃爍光在閃爍體內(nèi)傳播時(shí)，光衰減到初始時(shí)的閃爍體內(nèi)傳播時(shí)，光衰減到初始時(shí)的1/e所走過(guò)的距離所走過(guò)的距離 分為本征衰減長(zhǎng)度和技術(shù)衰減長(zhǎng)度。分為本征衰減長(zhǎng)度和技術(shù)衰減長(zhǎng)度。 本征衰減長(zhǎng)度本征衰減長(zhǎng)度是由閃爍體內(nèi)部光學(xué)性能決定的，主要取決是由閃爍體內(nèi)部光學(xué)性能決定的，主要取決于閃爍體的成分。于閃爍體的成分。 技術(shù)衰減長(zhǎng)度技術(shù)衰減長(zhǎng)度與閃爍體的形狀、表面反射情況等外部技術(shù)與閃爍體的形狀、表面反射情況等外部技術(shù)條件有關(guān)。條件有關(guān)。 7、其他特性、其他特性 探測(cè)效率：探測(cè)效率：粒子在閃爍體內(nèi)產(chǎn)生脈沖信號(hào)與入射粒子數(shù)之比粒子在閃爍體內(nèi)產(chǎn)生脈沖信號(hào)與入射粒子數(shù)之比 溫度效應(yīng)：溫度效應(yīng)：閃爍體性能隨溫度的變

15、化。閃爍體性能隨溫度的變化。 輻照效應(yīng)：輻照效應(yīng)：閃爍體性能隨輻照劑量的累積發(fā)生的變化。閃爍體性能隨輻照劑量的累積發(fā)生的變化。0NN2022-2-17中國(guó)科大 汪曉蓮 14 大都是固體晶體，是絕緣體。大都是固體晶體，是絕緣體。 有快發(fā)光特點(diǎn)有快發(fā)光特點(diǎn)或發(fā)光成分中或發(fā)光成分中有快發(fā)光過(guò)程有快發(fā)光過(guò)程的晶體。的晶體。如：如：BaF2，CaF，NaI，CsI等。等。 大比重的晶體大比重的晶體，如：，如：BGO，LSO(Ge)，LuAP(Ge)，PWO等，密度大，對(duì)粒子阻止本領(lǐng)等，密度大，對(duì)粒子阻止本領(lǐng)大，適于高能探測(cè)器小型化。大，適于高能探測(cè)器小型化。 應(yīng)用最廣泛的是應(yīng)用最廣泛的是堿金屬鹵化物堿金

16、屬鹵化物閃爍晶體，常用的閃爍晶體，常用的有：有：NaI(Tl)，CsI(Tl)，ZnS(Ag)等。等。 P130表表512022-2-17中國(guó)科大 汪曉蓮 151 1、無(wú)機(jī)閃爍體的發(fā)光機(jī)制：、無(wú)機(jī)閃爍體的發(fā)光機(jī)制：固體能帶論固體能帶論以以NaI(Tl)為例為例，其禁帶寬度為，其禁帶寬度為7.3eV。在閃爍體中入射粒子除了。在閃爍體中入射粒子除了由于電離產(chǎn)生電子空穴對(duì)以外，還會(huì)因激發(fā)產(chǎn)生激子。即入射粒由于電離產(chǎn)生電子空穴對(duì)以外，還會(huì)因激發(fā)產(chǎn)生激子。即入射粒子給予電子的能量不能使它電離到導(dǎo)帶上，而只能處在導(dǎo)帶下面子給予電子的能量不能使它電離到導(dǎo)帶上，而只能處在導(dǎo)帶下面的激子能帶（激帶）上。激子是激

17、帶內(nèi)的電子和價(jià)帶中的空穴的的激子能帶（激帶）上。激子是激帶內(nèi)的電子和價(jià)帶中的空穴的總稱，它們沒(méi)有完全電離，還有靜電約束，在晶格中一起運(yùn)動(dòng)?？偡Q，它們沒(méi)有完全電離，還有靜電約束，在晶格中一起運(yùn)動(dòng)。2022-2-17中國(guó)科大 汪曉蓮 16 晶體內(nèi)的雜質(zhì)和晶格缺陷形成三種俘獲中心：晶體內(nèi)的雜質(zhì)和晶格缺陷形成三種俘獲中心：熒光中心、猝熒光中心、猝滅中心和陷阱。滅中心和陷阱。俘獲中心分基態(tài)和激發(fā)態(tài)?；鶓B(tài)俘獲激子的俘獲中心分基態(tài)和激發(fā)態(tài)?；鶓B(tài)俘獲激子的空穴或價(jià)帶的空穴，激發(fā)態(tài)俘獲激子的電子或?qū)У碾娮印？昭ɑ騼r(jià)帶的空穴，激發(fā)態(tài)俘獲激子的電子或?qū)У碾娮?。俘獲中心從基態(tài)被激發(fā)而到達(dá)激發(fā)態(tài)，就好像俘獲中心基態(tài)

18、俘獲中心從基態(tài)被激發(fā)而到達(dá)激發(fā)態(tài)，就好像俘獲中心基態(tài)的電子直接被激發(fā)到激發(fā)態(tài)。退激時(shí)有三種可能。的電子直接被激發(fā)到激發(fā)態(tài)。退激時(shí)有三種可能。1）在）在熒光中心激發(fā)態(tài)的電子熒光中心激發(fā)態(tài)的電子，很快發(fā)射光子跳回基態(tài)，時(shí)間，很快發(fā)射光子跳回基態(tài)，時(shí)間很短很短(10-9s)，是閃爍光的快成分，稱作，是閃爍光的快成分，稱作熒光熒光。2）在）在猝滅中心激發(fā)態(tài)的電子猝滅中心激發(fā)態(tài)的電子，將激發(fā)能傳給周圍的晶格作振，將激發(fā)能傳給周圍的晶格作振動(dòng)，以熱能形式消耗激發(fā)能而不發(fā)射光子，這就是動(dòng)，以熱能形式消耗激發(fā)能而不發(fā)射光子，這就是猝滅猝滅過(guò)程。過(guò)程。3）在）在陷阱陷阱中的中的電子處在亞穩(wěn)態(tài)，停留較長(zhǎng)時(shí)間，或以

19、非輻射電子處在亞穩(wěn)態(tài)，停留較長(zhǎng)時(shí)間，或以非輻射躍遷回到價(jià)帶，或從晶格振動(dòng)中獲得能量，重新躍遷到導(dǎo)帶，躍遷回到價(jià)帶，或從晶格振動(dòng)中獲得能量，重新躍遷到導(dǎo)帶，再重復(fù)過(guò)程一或二回到基態(tài)。按過(guò)程一，發(fā)射光子稱作再重復(fù)過(guò)程一或二回到基態(tài)。按過(guò)程一，發(fā)射光子稱作磷光磷光，發(fā)光時(shí)間較長(zhǎng)，是閃爍光的慢成分，一般大于發(fā)光時(shí)間較長(zhǎng)，是閃爍光的慢成分，一般大于10-6s。2022-2-17中國(guó)科大 汪曉蓮 17 有的陷阱中的電子僅有熱運(yùn)動(dòng)跳不回導(dǎo)帶，必須由外有的陷阱中的電子僅有熱運(yùn)動(dòng)跳不回導(dǎo)帶，必須由外界再給它能量，如光照、加熱等?？考訜岵拍馨l(fā)射的界再給它能量，如光照、加熱等?？考訜岵拍馨l(fā)射的光叫光叫熱釋光熱釋光；

20、靠光照才能發(fā)射的光叫；靠光照才能發(fā)射的光叫光釋光光釋光。這是兩。這是兩種固體發(fā)光材料，常用作種固體發(fā)光材料，常用作外照射個(gè)人劑量?jī)x外照射個(gè)人劑量?jī)x。 由雜質(zhì)的孤立能級(jí)退激到價(jià)帶時(shí)，發(fā)出的光子能量小由雜質(zhì)的孤立能級(jí)退激到價(jià)帶時(shí)，發(fā)出的光子能量小于禁帶寬度。即閃爍體于禁帶寬度。即閃爍體發(fā)光頻率不等于吸收頻率發(fā)光頻率不等于吸收頻率，閃，閃爍體的爍體的發(fā)射光譜與其吸收光譜不重合發(fā)射光譜與其吸收光譜不重合。所以閃爍體不。所以閃爍體不會(huì)自吸收這部分光。會(huì)自吸收這部分光。 為了提高閃爍體的發(fā)光效率，可以摻雜，如為了提高閃爍體的發(fā)光效率，可以摻雜，如TlTl、AgAg等等“激活劑激活劑”。激活劑粒子形成。激活

21、劑粒子形成發(fā)光中心發(fā)光中心或或俘獲中心俘獲中心。但實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)激活劑并不是必不可少的。但實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)激活劑并不是必不可少的。2022-2-17中國(guó)科大 汪曉蓮 182、常用無(wú)機(jī)閃爍體、常用無(wú)機(jī)閃爍體1）NaI(Tl)晶體晶體特點(diǎn)：特點(diǎn)：發(fā)光效率高，密度大，含有大量原子序數(shù)高的碘，因此發(fā)光效率高，密度大，含有大量原子序數(shù)高的碘，因此對(duì)對(duì) 射線探測(cè)效率高，有較好的能量分辨率，是探測(cè)射線探測(cè)效率高，有較好的能量分辨率，是探測(cè) 射線的主射線的主要探測(cè)器。透明度好，制備簡(jiǎn)單，可以加工成各種形狀，常用要探測(cè)器。透明度好，制備簡(jiǎn)單，可以加工成各種形狀，常用的是圓柱形（最大的是圓柱形（最大 750250）、井型、環(huán)形

22、、薄片形等。）、井型、環(huán)形、薄片形等。缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：衰減時(shí)間長(zhǎng)，易潮解。衰減時(shí)間長(zhǎng)，易潮解。封裝：封裝：2022-2-17中國(guó)科大 汪曉蓮 192）CsI(Tl)晶體晶體密度和平均原子序數(shù)比密度和平均原子序數(shù)比NaI(Tl)還要還要大，因此對(duì)大，因此對(duì) 射線探測(cè)效率更高，且不易潮解。但通常射線探測(cè)效率更高，且不易潮解。但通常發(fā)光效率比發(fā)光效率比NaI(Tl)低，能量分辨也不如低，能量分辨也不如NaI(Tl)。然而。然而在液氮溫度下比在液氮溫度下比NaI(Tl)有更高的發(fā)光效率。有更高的發(fā)光效率。3）ZnS(Ag)白色多晶粉末，使用時(shí)噴涂在有機(jī)玻璃白色多晶粉末，使用時(shí)噴涂在有機(jī)玻璃板上。板上。它的

23、發(fā)光效率高，但透明度差，只能做的很薄，它的發(fā)光效率高，但透明度差，只能做的很薄，故不適合探測(cè)電子和故不適合探測(cè)電子和 射線，射線，主要用于主要用于探測(cè)探測(cè) 粒子和重粒子和重粒子粒子。 ZnS(Ag)噴在聚苯乙烯塑料球內(nèi)壁測(cè)量氣體放射性。噴在聚苯乙烯塑料球內(nèi)壁測(cè)量氣體放射性。 ZnS(Ag)有機(jī)玻璃粉熱壓成有機(jī)玻璃粉熱壓成快中子屏快中子屏； ZnS(Ag)甘油硼酸或甘油硼酸或10B做成做成慢中子屏慢中子屏。2022-2-17中國(guó)科大 汪曉蓮 204） 鍺酸鉍（鍺酸鉍（BGO）晶體）晶體 密度為密度為 7.13g/cm3，發(fā)射光譜主峰位在，發(fā)射光譜主峰位在4800，易于與光電，易于與光電倍增管匹配

24、，不潮解，是高能物理實(shí)驗(yàn)重要的閃爍體之一。倍增管匹配，不潮解，是高能物理實(shí)驗(yàn)重要的閃爍體之一。 5） 鎢酸鉛（鎢酸鉛（PWO）晶體）晶體 無(wú)色透明晶體，折射率無(wú)色透明晶體，折射率2.16，密度為，密度為8.28 g/cm3，發(fā)射光譜，發(fā)射光譜主峰位在主峰位在4000-5000，易于與光電倍增管匹配。輻射長(zhǎng)度，易于與光電倍增管匹配。輻射長(zhǎng)度0.89cm，莫利哀半徑，莫利哀半徑2.2cm，可使探測(cè)器小型化。不潮解，可使探測(cè)器小型化。不潮解，抗輻照。最大的缺點(diǎn)是光產(chǎn)額較低?？馆椪?。最大的缺點(diǎn)是光產(chǎn)額較低。6）玻璃閃爍體）玻璃閃爍體 制造簡(jiǎn)單，成本低，透明度好，化學(xué)性能穩(wěn)定，耐酸堿，制造簡(jiǎn)單，成本低，

25、透明度好，化學(xué)性能穩(wěn)定，耐酸堿，耐潮濕，耐高低溫，發(fā)光衰減時(shí)間耐潮濕，耐高低溫，發(fā)光衰減時(shí)間0.1 s。最大的缺點(diǎn)是發(fā)。最大的缺點(diǎn)是發(fā)光效率低，僅為光效率低，僅為NaI(Tl)的的4。摻摻LiO2或或10B的玻璃，主要用于探測(cè)中子的玻璃，主要用于探測(cè)中子鉛玻璃：主要用于探測(cè)鉛玻璃：主要用于探測(cè) 射線。射線。 2022-2-17中國(guó)科大 汪曉蓮 217）快晶體）快晶體氟化鋇（氟化鋇（BaF2）波長(zhǎng)為波長(zhǎng)為 195nm，220nm和和 310nm，對(duì)應(yīng)的發(fā)光衰減時(shí)間分別為對(duì)應(yīng)的發(fā)光衰減時(shí)間分別為0.87ns，0.88ns和和 600ns。 氟化鈰（氟化鈰（CeF3）2個(gè)快成分，無(wú)慢成分。個(gè)快成分，

26、無(wú)慢成分。硅酸镥（硅酸镥（LSO）對(duì)對(duì)射線具有響應(yīng)時(shí)間快射線具有響應(yīng)時(shí)間快(8個(gè)光電子個(gè)光電子/MeV2快成份快成份 90%2022-2-17中國(guó)科大 汪曉蓮 465-3 光電倍增管光電倍增管一、基本原理和構(gòu)造一、基本原理和構(gòu)造2022-2-17中國(guó)科大 汪曉蓮 471 1、光電倍增管的結(jié)構(gòu)、光電倍增管的結(jié)構(gòu) 光陰極光陰極 光學(xué)窗光學(xué)窗 電子光學(xué)輸入系統(tǒng)電子光學(xué)輸入系統(tǒng) 二次發(fā)射倍增系統(tǒng)二次發(fā)射倍增系統(tǒng) 陽(yáng)極陽(yáng)極 真空管真空管2022-2-17中國(guó)科大 汪曉蓮 48 光陰極：光陰極：接受光子發(fā)射光電子的電極，由以堿金屬為主要成分的半接受光子發(fā)射光電子的電極，由以堿金屬為主要成分的半導(dǎo)體化合物材

27、料構(gòu)成，其光電效應(yīng)幾率大，光電子脫出功較小。導(dǎo)體化合物材料構(gòu)成，其光電效應(yīng)幾率大，光電子脫出功較小。 實(shí)用的光陰極種類：實(shí)用的光陰極種類：1）銻銫化合物）銻銫化合物 Sb-Cs: 對(duì)對(duì)350650nm的光都靈敏，其電阻比雙堿光陰極的光都靈敏，其電阻比雙堿光陰極低，適于大電流流過(guò)光陰極場(chǎng)合的測(cè)量，主要用于反射型光陰極。低，適于大電流流過(guò)光陰極場(chǎng)合的測(cè)量，主要用于反射型光陰極。2）雙堿：）雙堿：Sb-Rb-Cs, Sb-K-Cs, 與與Sb-Cs具有相似的具有相似的(300550nm)光譜特光譜特性，但靈敏度高，暗電流小，與性，但靈敏度高，暗電流小，與NaI(Tl) 的發(fā)光波長(zhǎng)相配，應(yīng)用廣。的發(fā)光

28、波長(zhǎng)相配，應(yīng)用廣。 另一種雙堿另一種雙堿Sb-Na-K，可耐可耐175 0C高溫高溫，可用于石油勘探等高溫場(chǎng)合。，可用于石油勘探等高溫場(chǎng)合。室溫下暗電流非常小，用于單光子測(cè)量和低噪聲測(cè)量。室溫下暗電流非常小，用于單光子測(cè)量和低噪聲測(cè)量。3）Cs-I: 對(duì)太陽(yáng)光不靈敏對(duì)太陽(yáng)光不靈敏，被稱為，被稱為“日盲日盲”。波長(zhǎng)。波長(zhǎng)200nm時(shí)，靈敏度急時(shí)，靈敏度急劇下降。波長(zhǎng)范圍：劇下降。波長(zhǎng)范圍：115200nm。測(cè)量波長(zhǎng)。測(cè)量波長(zhǎng)115nm的光，應(yīng)選用無(wú)的光，應(yīng)選用無(wú)窗窗PMT。4）多堿）多堿 Cs-Na-K-Cs: 具有從紫外具有從紫外850nm的寬光譜，用于氮氧化合物的寬光譜，用于氮氧化合物的化學(xué)

29、發(fā)光探測(cè)。的化學(xué)發(fā)光探測(cè)。5）Ag-O-Cs: 透過(guò)型透過(guò)型 300-1200nm靈敏，反射型靈敏，反射型 300-1100nm靈敏，用于靈敏，用于紅外探測(cè)紅外探測(cè)，In-Ga-As(Cs)在在900-1000nm信噪比比信噪比比Ag-O-Cs好得多。好得多。2022-2-17中國(guó)科大 汪曉蓮 490.111010010020030040050060070080090010001100120013001400150016001700Wavelength (nm)QE (%)Cs-TeGaAsPExtended Red Multialkali (S-25)Multialkali (S-20)Bi

30、-alkaliGaAs各種光電面量子効率（）InP/InGaAs (S-1)結(jié)晶型光陰極高量子效率、長(zhǎng)波長(zhǎng)結(jié)晶型光陰極高量子效率、長(zhǎng)波長(zhǎng)各種光陰極的量子效率各種光陰極的量子效率2022-2-17中國(guó)科大 汪曉蓮 50光學(xué)窗：光學(xué)窗：2022-2-17中國(guó)科大 汪曉蓮 51 電子光學(xué)輸入系統(tǒng)：電子光學(xué)輸入系統(tǒng)：由光陰極和第一倍增極之間的由光陰極和第一倍增極之間的聚焦極構(gòu)成，作用是把光陰極各個(gè)方向上發(fā)射的光電聚焦極構(gòu)成，作用是把光陰極各個(gè)方向上發(fā)射的光電子聚焦到第一倍增極。子聚焦到第一倍增極。 二次發(fā)射倍增系統(tǒng)二次發(fā)射倍增系統(tǒng)：由由813個(gè)倍增極組成，工作個(gè)倍增極組成，工作時(shí)各電極依次加上遞增的電

31、位。時(shí)各電極依次加上遞增的電位。每個(gè)倍增極的電子倍每個(gè)倍增極的電子倍增系數(shù)為增系數(shù)為 ， 36倍，則倍，則PMT的放大倍數(shù)的放大倍數(shù)M n, n倍增極個(gè)數(shù)。要求二次發(fā)射系數(shù)大，熱電子發(fā)射少，倍增極個(gè)數(shù)。要求二次發(fā)射系數(shù)大，熱電子發(fā)射少，大電流大電流工作穩(wěn)定性好。常用材料與光陰極相似工作穩(wěn)定性好。常用材料與光陰極相似Sb-K-Cs，Sb-Cs化合物，化合物，AgHg、CuBe合金和合金和Ga-P-Cs等材料。等材料。 陽(yáng)極陽(yáng)極：最后收集電子并輸出信號(hào)的電極，采用電子脫最后收集電子并輸出信號(hào)的電極，采用電子脫出功較大的材料，如鎳、鉬、銀等，一般做成網(wǎng)狀。出功較大的材料，如鎳、鉬、銀等，一般做成網(wǎng)狀

32、。2022-2-17中國(guó)科大 汪曉蓮 522022-2-17中國(guó)科大 汪曉蓮 53PMTPMT的類型的類型2022-2-17中國(guó)科大 汪曉蓮 54PMTPMT的類型的類型2022-2-17中國(guó)科大 汪曉蓮 55微通道板微通道板Micro-channel Plate內(nèi)徑內(nèi)徑620m的洗玻璃管，內(nèi)壁既是電阻體又是二次發(fā)射體。的洗玻璃管，內(nèi)壁既是電阻體又是二次發(fā)射體。R=109-1011 , 3。M=104-105 兩級(jí)兩級(jí)M=107高速響應(yīng)高速響應(yīng)tr=0.1-0.3ns, =0.4ns, =25-120ns可在磁場(chǎng)中工作，可在磁場(chǎng)中工作，B平行管軸平行管軸15KGs，B垂直管軸垂直管軸1KGs具

33、有二維高空間分辨本領(lǐng)和圖像增強(qiáng)能力，作像增強(qiáng)器。具有二維高空間分辨本領(lǐng)和圖像增強(qiáng)能力，作像增強(qiáng)器。低噪聲，對(duì)帶電粒子、紫外線、低噪聲，對(duì)帶電粒子、紫外線、X、 、中子都靈敏。、中子都靈敏。常用材料：玻璃半導(dǎo)體、陶瓷半導(dǎo)體和有機(jī)半導(dǎo)體。常用材料：玻璃半導(dǎo)體、陶瓷半導(dǎo)體和有機(jī)半導(dǎo)體。2022-2-17中國(guó)科大 汪曉蓮 56電子倍增極做成柵電子倍增極做成柵網(wǎng)狀，具有二次電網(wǎng)狀，具有二次電子發(fā)射功能。子發(fā)射功能。各級(jí)之間二次電子各級(jí)之間二次電子飛行距離很小。飛行距離很小。12級(jí)柵網(wǎng)極倍增，級(jí)柵網(wǎng)極倍增，M 105?？臻g分辨空間分辨56mm。十字絲網(wǎng)型陽(yáng)極，十字絲網(wǎng)型陽(yáng)極，二維讀出。二維讀出。2022-

34、2-17中國(guó)科大 汪曉蓮 57多陽(yáng)極光電倍增管結(jié)構(gòu)多陽(yáng)極光電倍增管結(jié)構(gòu) 0.5mm0.25mm2022-2-17中國(guó)科大 汪曉蓮 58多陽(yáng)極光電倍增管多陽(yáng)極光電倍增管3 x 3 array3 x 3 arrayH8500H8500外形： 52mm52mm14.5mm有效面積： 4949mm2 陽(yáng)極：88（64ch） 1616（256ch）放大倍數(shù)：1106/1000V時(shí)間特性：Tr 0.8ns，TTS 0.4ns（FWHM） 陽(yáng)極靈敏度：對(duì)單光子信號(hào)靈敏2022-2-17中國(guó)科大 汪曉蓮 59多陽(yáng)極多陽(yáng)極PMTPMT和位置靈敏和位置靈敏PMTPMT性能性能應(yīng)用應(yīng)用高分辨高分辨PET小型小型 相

35、機(jī)相機(jī)閃爍成像閃爍成像二維輻射監(jiān)測(cè)器二維輻射監(jiān)測(cè)器2022-2-17中國(guó)科大 汪曉蓮 60半導(dǎo)體光電器件半導(dǎo)體光電器件 光二極管（光二極管（PDPD）是常用的半導(dǎo)體光電器件，普是常用的半導(dǎo)體光電器件，普遍采用硅材料。遍采用硅材料。 雪崩型光二極管（雪崩型光二極管（APDAPD）加有較高的偏壓，載加有較高的偏壓，載流子在強(qiáng)電場(chǎng)中加速并與半導(dǎo)體內(nèi)的原子碰撞，流子在強(qiáng)電場(chǎng)中加速并與半導(dǎo)體內(nèi)的原子碰撞，擊出新的電子空穴對(duì)，發(fā)生電子雪崩效應(yīng)，導(dǎo)擊出新的電子空穴對(duì)，發(fā)生電子雪崩效應(yīng)，導(dǎo)致信號(hào)放大。在選取光二極管時(shí)一定要考慮閃致信號(hào)放大。在選取光二極管時(shí)一定要考慮閃爍體的發(fā)射光譜，使二者相匹配。爍體的發(fā)射光

36、譜，使二者相匹配。 電荷耦合器件（電荷耦合器件（CCDCCD）在硅片上集成許多在硅片上集成許多MOSMOS單元，有極好的位置分辨，但光靈敏度較低，單元，有極好的位置分辨，但光靈敏度較低，需與光增強(qiáng)器聯(lián)用。需與光增強(qiáng)器聯(lián)用。2022-2-17中國(guó)科大 汪曉蓮 61混合型混合型 真空雪崩光真空雪崩光電二極管電二極管(VAPD) 增強(qiáng)光電增強(qiáng)光電二極管二極管(IPD) 2022-2-17中國(guó)科大 汪曉蓮 62增強(qiáng)光電二極管性能增強(qiáng)光電二極管性能2022-2-17中國(guó)科大 汪曉蓮 63HPD工工作作原理原理PhotocathodePhotocathodeMulti-pixel ADMulti-pixe

37、l ADProximity Proximity focus focus (8kV)(8kV)AD voltage(-200 to -400 V)EB gain (x1200)EB gain (x1200)AccelerationAvalanche gain (x40)Avalanche gain (x40)PhotonElectronOutputTotal gain: 5x1042022-2-17中國(guó)科大 汪曉蓮 64將將微微細(xì)加工細(xì)加工技技術(shù)應(yīng)用于術(shù)應(yīng)用于光光電子増倍管電子増倍管7mm（H）5mm（W）2mm（D）7mm（H）5mm（W）2mm（D）光陰極増倍級(jí)（真空密封容器）接線柱技術(shù)技術(shù)

38、發(fā)展方向：微型化發(fā)展方向：微型化2022-2-17中國(guó)科大 汪曉蓮 651. 光陰極靈敏度光陰極靈敏度SK：通常用光照靈敏度（標(biāo)準(zhǔn)白光源具通常用光照靈敏度（標(biāo)準(zhǔn)白光源具有色溫有色溫1854K的鎢絲燈）或藍(lán)光靈敏度（在標(biāo)準(zhǔn)白光源的鎢絲燈）或藍(lán)光靈敏度（在標(biāo)準(zhǔn)白光源之前加藍(lán)色濾光片）。之前加藍(lán)色濾光片）。2. 量子效率：量子效率：在一定入射波長(zhǎng)下光陰極發(fā)射光電子數(shù)與入在一定入射波長(zhǎng)下光陰極發(fā)射光電子數(shù)與入射光子數(shù)之比，反映了光陰極的光電轉(zhuǎn)換效率，是光陰射光子數(shù)之比，反映了光陰極的光電轉(zhuǎn)換效率，是光陰極靈敏度的另一種表示方法。極靈敏度的另一種表示方法。3. 光譜響應(yīng)：光譜響應(yīng)：光陰極量子效率與入射波

39、長(zhǎng)之間的關(guān)系。不光陰極量子效率與入射波長(zhǎng)之間的關(guān)系。不同的光陰極材料有不同的光譜響應(yīng)。對(duì)入射波長(zhǎng)短的應(yīng)同的光陰極材料有不同的光譜響應(yīng)。對(duì)入射波長(zhǎng)短的應(yīng)選用透紫玻璃或石英窗。選用透紫玻璃或石英窗。/KKiSA lmF入射光通量光陰極的光電流100%nR2022-2-17中國(guó)科大 汪曉蓮 66反射型光陰極的光譜響應(yīng)曲線反射型光陰極的光譜響應(yīng)曲線 2022-2-17中國(guó)科大 汪曉蓮 67透過(guò)型光陰極的光譜響應(yīng)曲線透過(guò)型光陰極的光譜響應(yīng)曲線 2022-2-17中國(guó)科大 汪曉蓮 682022-2-17中國(guó)科大 汪曉蓮 694. 陽(yáng)極放大倍數(shù)陽(yáng)極放大倍數(shù)M：定義為在一定電壓下定義為在一定電壓下PMT陽(yáng)極輸

40、出電流陽(yáng)極輸出電流iA與與光陰極電流光陰極電流iK之比。與每個(gè)倍增極二次發(fā)射系數(shù)之比。與每個(gè)倍增極二次發(fā)射系數(shù) 和倍增極數(shù)目和倍增極數(shù)目n有有關(guān)。關(guān)。5. 陽(yáng)極光照靈敏度陽(yáng)極光照靈敏度SA： 定義為用白光源照射光陰極，陽(yáng)極輸出電流定義為用白光源照射光陰極，陽(yáng)極輸出電流iA與入射光通量與入射光通量F之比。之比。6. 暗電流和噪聲：暗電流和噪聲：PMT無(wú)光照射時(shí)產(chǎn)生的電流，通常為無(wú)光照射時(shí)產(chǎn)生的電流，通常為10-7-10-11A。產(chǎn)生暗電流的原因產(chǎn)生暗電流的原因主要有：主要有：1）歐姆漏電：）歐姆漏電：管內(nèi)絕緣材料和管座電阻的漏電和沿管壁表面的漏電。管內(nèi)絕緣材料和管座電阻的漏電和沿管壁表面的漏電。

41、2）熱發(fā)射：）熱發(fā)射：由于光陰極材料的電子脫出功很小，除發(fā)射光電子外還由于光陰極材料的電子脫出功很小，除發(fā)射光電子外還發(fā)射熱電子，也得到倍增，是暗電流的主要成分。冷卻發(fā)射熱電子，也得到倍增，是暗電流的主要成分。冷卻PMT是有是有效辦法。效辦法。3）殘余氣體電離：）殘余氣體電離：在光陰極和倍增極上打出電子被倍增成為暗電流。在光陰極和倍增極上打出電子被倍增成為暗電流。當(dāng)工作電壓很高，放大倍數(shù)很大時(shí)會(huì)比較嚴(yán)重。當(dāng)工作電壓很高，放大倍數(shù)很大時(shí)會(huì)比較嚴(yán)重。4）其他原因：）其他原因：如高壓放電、宇宙線如高壓放電、宇宙線子穿過(guò)窗玻璃產(chǎn)生切倫科夫光子子穿過(guò)窗玻璃產(chǎn)生切倫科夫光子等。等。nAKiMi/AAKAK

42、KAKiiiSMSA lmFiFSMS2022-2-17中國(guó)科大 汪曉蓮 70宇宙線和宇宙線和4040K K引起的本底噪聲引起的本底噪聲 陽(yáng)極光照靈敏度和電流增益陽(yáng)極光照靈敏度和電流增益 2022-2-17中國(guó)科大 汪曉蓮 71為為XMASS實(shí)驗(yàn)開(kāi)發(fā)實(shí)驗(yàn)開(kāi)發(fā)低低本底本底n金屬真空外殼金屬真空外殼n石英石英窗窗n低低本底陶瓷本底陶瓷n低低本底金屬管座本底金屬管座與與通常通常產(chǎn)產(chǎn)品比品比本底降低本底降低1/1000 2022-2-17中國(guó)科大 汪曉蓮 727. 7. 能量分辨率和線性：能量分辨率和線性： 光電子發(fā)射和二次電子發(fā)射的統(tǒng)計(jì)特性限制了光電子發(fā)射和二次電子發(fā)射的統(tǒng)計(jì)特性限制了PMTPMT的

43、能量分辨率的能量分辨率。設(shè)二次發(fā)射電子數(shù)目服從泊松分布，可以證明設(shè)二次發(fā)射電子數(shù)目服從泊松分布，可以證明PMTPMT對(duì)閃爍探測(cè)器對(duì)閃爍探測(cè)器能量分辨的貢獻(xiàn)為：能量分辨的貢獻(xiàn)為：N：光陰極產(chǎn)生并被第一倍增極收集到的光電子數(shù)； R：到達(dá)光陰極的光子數(shù)；：光電轉(zhuǎn)換效率； q：第一倍增極對(duì)光電子的收集系數(shù)；1：第一倍增極的倍增系數(shù)；：第二倍增極及后面各級(jí)倍增極的倍增系數(shù)（假設(shè)相等）。一般適當(dāng)一般適當(dāng)增加光陰極與第一倍增極之間的電壓增加光陰極與第一倍增極之間的電壓，使第一倍增極盡，使第一倍增極盡可能多地收集光電子，可能多地收集光電子，可以改善能量分辨率可以改善能量分辨率。入射光強(qiáng)超過(guò)一定數(shù)值時(shí)，光陰極的

44、光電轉(zhuǎn)換會(huì)趨于飽和。同時(shí)入射光強(qiáng)超過(guò)一定數(shù)值時(shí)，光陰極的光電轉(zhuǎn)換會(huì)趨于飽和。同時(shí)工作電壓過(guò)高，放大倍數(shù)太大，由于空間電荷效應(yīng)，將造成最后工作電壓過(guò)高，放大倍數(shù)太大，由于空間電荷效應(yīng)，將造成最后幾級(jí)打拿極之間的電場(chǎng)下降，導(dǎo)致輸出非線性，趨于飽和。實(shí)際幾級(jí)打拿極之間的電場(chǎng)下降，導(dǎo)致輸出非線性，趨于飽和。實(shí)際設(shè)計(jì)電壓分壓器時(shí)，可以設(shè)計(jì)電壓分壓器時(shí)，可以增加最后幾級(jí)打拿極之間的電阻增加最后幾級(jí)打拿極之間的電阻，以增以增強(qiáng)場(chǎng)強(qiáng)，減小空間電荷效應(yīng)強(qiáng)場(chǎng)強(qiáng)，減小空間電荷效應(yīng)，同時(shí)加連極間電容以保持電壓穩(wěn)定。，同時(shí)加連極間電容以保持電壓穩(wěn)定。11112.35412.354111NRq2022-2-17中國(guó)科大

45、汪曉蓮 738. 時(shí)間特性：時(shí)間特性：1）脈沖上升時(shí)間）脈沖上升時(shí)間tr：定義為一個(gè)極快的光定義為一個(gè)極快的光脈沖脈沖(寬度寬度50ps)照射到照射到PMT光陰極的整光陰極的整個(gè)面積上的陽(yáng)極輸出脈沖，其個(gè)面積上的陽(yáng)極輸出脈沖，其幅度的前幅度的前沿從沿從10上升到上升到90的時(shí)間的時(shí)間。一般為。一般為1-10ns。2）渡越時(shí)間）渡越時(shí)間 ：定義為定義為一個(gè)穩(wěn)定的快光脈一個(gè)穩(wěn)定的快光脈沖達(dá)到光陰極到陽(yáng)極輸出信號(hào)脈沖峰值沖達(dá)到光陰極到陽(yáng)極輸出信號(hào)脈沖峰值的時(shí)間的時(shí)間，它與打拿極的結(jié)構(gòu)和級(jí)數(shù)有關(guān)。，它與打拿極的結(jié)構(gòu)和級(jí)數(shù)有關(guān)。一般在一般在6-50ns。3）渡越時(shí)間分散）渡越時(shí)間分散：指指單光子的渡越時(shí)

46、間單光子的渡越時(shí)間的漲落的漲落，一般定義為一個(gè)極快的光脈沖，一般定義為一個(gè)極快的光脈沖(寬度寬度50ps)照射照射PMT整個(gè)光陰極，光非整個(gè)光陰極，光非常弱以至陽(yáng)極輸出脈沖只是單光子的信常弱以至陽(yáng)極輸出脈沖只是單光子的信號(hào)。一般單光子渡越時(shí)間分布的半高寬號(hào)。一般單光子渡越時(shí)間分布的半高寬為為0.1-1ns，是由于電子在倍增過(guò)程中的是由于電子在倍增過(guò)程中的統(tǒng)計(jì)性和電子運(yùn)動(dòng)軌跡的不同時(shí)性以及統(tǒng)計(jì)性和電子運(yùn)動(dòng)軌跡的不同時(shí)性以及電子初速度大小與方向的統(tǒng)計(jì)性造成的電子初速度大小與方向的統(tǒng)計(jì)性造成的。2022-2-17中國(guó)科大 汪曉蓮 74法國(guó)飛利浦的法國(guó)飛利浦的PMTPMT的時(shí)間特性的時(shí)間特性2022-

47、2-17中國(guó)科大 汪曉蓮 759. 9. 穩(wěn)定性：穩(wěn)定性：主要指主要指陽(yáng)極電流隨工作時(shí)間的變化陽(yáng)極電流隨工作時(shí)間的變化，它最本質(zhì)地反映了，它最本質(zhì)地反映了PMTPMT的穩(wěn)定性。通常把的穩(wěn)定性。通常把PMTPMT特性隨時(shí)間的變化稱為漂移特性或者壽特性隨時(shí)間的變化稱為漂移特性或者壽命，這種變化受到電壓、電流、環(huán)境溫度等的直接影響而變壞的現(xiàn)命，這種變化受到電壓、電流、環(huán)境溫度等的直接影響而變壞的現(xiàn)象稱為疲勞。象稱為疲勞。 （1 1）快變化過(guò)程：）快變化過(guò)程：建立穩(wěn)定工作狀態(tài)的時(shí)間，所以要求預(yù)熱半小時(shí)或建立穩(wěn)定工作狀態(tài)的時(shí)間，所以要求預(yù)熱半小時(shí)或數(shù)小時(shí)；數(shù)小時(shí)；（2 2）慢變化過(guò)程：）慢變化過(guò)程：與倍

48、增極二次發(fā)射系數(shù)隨時(shí)間的慢變化有關(guān)，與管與倍增極二次發(fā)射系數(shù)隨時(shí)間的慢變化有關(guān)，與管子的工作電壓、陽(yáng)極輸出電流的大小及工作時(shí)間長(zhǎng)短等因素有關(guān)。子的工作電壓、陽(yáng)極輸出電流的大小及工作時(shí)間長(zhǎng)短等因素有關(guān)。10. 10. 環(huán)境影響：環(huán)境影響：1 1）外界電磁場(chǎng)影響：）外界電磁場(chǎng)影響：磁場(chǎng)影響磁場(chǎng)影響PMTPMT電子的運(yùn)動(dòng)軌道，造成放大倍數(shù)降電子的運(yùn)動(dòng)軌道，造成放大倍數(shù)降低。通常用高導(dǎo)磁材料如鈹莫合金來(lái)屏蔽磁場(chǎng)。細(xì)網(wǎng)形倍增極低。通常用高導(dǎo)磁材料如鈹莫合金來(lái)屏蔽磁場(chǎng)。細(xì)網(wǎng)形倍增極PMTPMT可以在強(qiáng)磁場(chǎng)下工作。平行于可以在強(qiáng)磁場(chǎng)下工作。平行于PMTPMT軸向的磁場(chǎng)對(duì)軸向的磁場(chǎng)對(duì)PMTPMT的影響較小。的

49、影響較小。2 2）溫度效應(yīng)：）溫度效應(yīng)：幾乎所有的幾乎所有的PMTPMT在高溫時(shí)性能都變壞，除在高溫時(shí)性能都變壞，除SbSb-Na-K-Na-K雙堿雙堿光陰極光陰極PMTPMT，一般工作溫度不能超過(guò)，一般工作溫度不能超過(guò)60600 0C C；同時(shí)光陰極的電阻率隨；同時(shí)光陰極的電阻率隨溫度下降變大，導(dǎo)致靈敏度減小，一般工作溫度不能低于溫度下降變大，導(dǎo)致靈敏度減小，一般工作溫度不能低于20200 0C C。3 3）輻照效應(yīng)：）輻照效應(yīng)：在強(qiáng)輻照在強(qiáng)輻照PMTPMT性能變壞，一般應(yīng)加鉛屏蔽。性能變壞，一般應(yīng)加鉛屏蔽。2022-2-17中國(guó)科大 汪曉蓮 76陰極飽和電流隨溫度的變化陰極飽和電流隨溫度的

50、變化陽(yáng)極暗電流隨溫度的變化陽(yáng)極暗電流隨溫度的變化2022-2-17中國(guó)科大 汪曉蓮 77陽(yáng)極暗電流陽(yáng)極暗電流與溫度的關(guān)系與溫度的關(guān)系 2022-2-17中國(guó)科大 汪曉蓮 78溫度效應(yīng)溫度效應(yīng)2022-2-17中國(guó)科大 汪曉蓮 79輸出電流隨溫度高壓和時(shí)間的關(guān)系輸出電流隨溫度高壓和時(shí)間的關(guān)系2022-2-17中國(guó)科大 汪曉蓮 80PMT放大倍數(shù)和能量分辨率隨溫度的變化放大倍數(shù)和能量分辨率隨溫度的變化2022-2-17中國(guó)科大 汪曉蓮 81普通普通PMT與耐高溫與耐高溫PMT比較比較2022-2-17中國(guó)科大 汪曉蓮 82磁場(chǎng)對(duì)磁場(chǎng)對(duì)PMT的影響的影響2022-2-17中國(guó)科大 汪曉蓮 83202

51、2-2-17中國(guó)科大 汪曉蓮 84 加在光陰極、各倍增極到陽(yáng)極的電壓逐漸遞增。加在光陰極、各倍增極到陽(yáng)極的電壓逐漸遞增。1. 高壓電源高壓電源1）有較大的電壓調(diào)節(jié)范圍，分檔可調(diào)；有較大的電壓調(diào)節(jié)范圍，分檔可調(diào)；2）有大的輸出電流，）有大的輸出電流，1-3-100mA；3）有高的穩(wěn)定度。）有高的穩(wěn)定度。4）電源極性可以選擇。）電源極性可以選擇。2. 分壓器分壓器由一串溫度系數(shù)小穩(wěn)定性高的金屬膜電阻組成。由一串溫度系數(shù)小穩(wěn)定性高的金屬膜電阻組成。1）適當(dāng)提高光陰極和第一倍增極間的電壓）適當(dāng)提高光陰極和第一倍增極間的電壓，有利于提高信噪比和能量有利于提高信噪比和能量分辨率，有利于減小渡越時(shí)間分散。有

52、的分辨率，有利于減小渡越時(shí)間分散。有的PMT在兩者之間加聚焦極，在兩者之間加聚焦極，三者組成電子光學(xué)輸入系統(tǒng)。三者組成電子光學(xué)輸入系統(tǒng)。2）中間倍增極，一般采用均勻分壓）中間倍增極，一般采用均勻分壓。3）靠近陽(yáng)極的最末幾級(jí)倍增極，由于電流較大，為了避免空間電荷效靠近陽(yáng)極的最末幾級(jí)倍增極，由于電流較大，為了避免空間電荷效應(yīng)，要應(yīng)，要提高最末幾級(jí)的電壓提高最末幾級(jí)的電壓，同時(shí)，同時(shí)并聯(lián)旁路電容或采用穩(wěn)壓二極管并聯(lián)旁路電容或采用穩(wěn)壓二極管代替電阻。代替電阻。101%0.1%ndMddVMnnMVdMdVnMV設(shè)級(jí)，要求，則2022-2-17中國(guó)科大 汪曉蓮 85分壓器分壓器分壓電阻阻值的選擇要考慮工

53、作電壓分壓電阻阻值的選擇要考慮工作電壓和工作電流。一般工作電流不超出和工作電流。一般工作電流不超出1mA1mA，電阻的功率在，電阻的功率在1/2W1/2W或或1W1W，阻，阻值為值為5050500K500K /Vd/Vd，電容值約為電容值約為1nF1nF。VdVd為最小分壓電阻值的電壓。為最小分壓電阻值的電壓。為了保證為了保證PMTPMT穩(wěn)定工作，要求穩(wěn)定工作，要求00000040012431111111510 /2.71811510100.4110001010001(1)110(101)RaaRaaRRaMaMMaRaRRIIIIIIMMInIQIUe CIQ neUC nUVCpFnsIA

54、IIImAVVnVRMIn 與方 向 相 反 。近 似 有 倍 增 系 數(shù) 的 增 加 ：的 估 算 ：設(shè)，則要 求， 取，2236110101WI RWIRIa2022-2-17中國(guó)科大 汪曉蓮 86濾波電容濾波電容 一般取一般取C0.01 F 1000pF。電容越大電容越大，在電容上，在電容上產(chǎn)生的電壓脈沖越小，產(chǎn)生的電壓脈沖越小，穩(wěn)壓濾波效果就越好穩(wěn)壓濾波效果就越好。 容值太大，容值太大，RC回路放電的時(shí)間越長(zhǎng)回路放電的時(shí)間越長(zhǎng)，會(huì)造成脈沖會(huì)造成脈沖堆積，直流電位漂移堆積，直流電位漂移，這與計(jì)數(shù)率有關(guān)。設(shè)計(jì)數(shù)率，這與計(jì)數(shù)率有關(guān)。設(shè)計(jì)數(shù)率為為n，則進(jìn)入一個(gè)粒子所需的時(shí)間，則進(jìn)入一個(gè)粒子所需

55、的時(shí)間t1/n，要求，要求RC 1/n，若，若R400K ，n103/s，則，則 要注意電容的耐壓，以防被擊穿。要注意電容的耐壓，以防被擊穿。 22211nnnnnnCRCRCRpFRnC2500101040011332022-2-17中國(guó)科大 汪曉蓮 87PMT加正負(fù)高壓加正負(fù)高壓加正高壓：加正高壓：光陰極接地，陽(yáng)極接正高壓，光陰極接地，陽(yáng)極接正高壓，輸出端必須接耐高壓輸出端必須接耐高壓3000V3000V以以上的隔直電容。上的隔直電容。暗電流噪聲較低，工作穩(wěn)定，暗電流噪聲較低，工作穩(wěn)定，適于高精度能譜測(cè)量，特別使適于高精度能譜測(cè)量，特別使低能低本底的能譜測(cè)量。低能低本底的能譜測(cè)量。加負(fù)高壓

56、：加負(fù)高壓：光陰極接負(fù)高壓，陽(yáng)極接地，光陰極接負(fù)高壓，陽(yáng)極接地，輸出端為零電位，無(wú)需耐高壓輸出端為零電位，無(wú)需耐高壓電容。外殼和磁屏蔽殼必須與電容。外殼和磁屏蔽殼必須與光陰極絕緣隔離。光陰極絕緣隔離。一般測(cè)量用負(fù)高壓好，電源開(kāi)一般測(cè)量用負(fù)高壓好，電源開(kāi)關(guān)使的跳變不會(huì)影響測(cè)量電路關(guān)使的跳變不會(huì)影響測(cè)量電路。IR 2022-2-17中國(guó)科大 汪曉蓮 88PMT信號(hào)引出信號(hào)引出 陽(yáng)極加負(fù)載電阻陽(yáng)極加負(fù)載電阻RL，可以取出一個(gè)負(fù)電壓脈沖信號(hào)，用，可以取出一個(gè)負(fù)電壓脈沖信號(hào)，用于能譜測(cè)量于能譜測(cè)量。 RL 100K 。 最后倍增極加負(fù)載電阻最后倍增極加負(fù)載電阻RL ，可以取出一個(gè)正電壓脈沖，可以取出一個(gè)

57、正電壓脈沖信號(hào)，用于時(shí)間測(cè)量。信號(hào)，用于時(shí)間測(cè)量。 RL 1K 。 分壓電阻分三組：分壓電阻分三組：A組一般用途，組一般用途，B組大電流輸出，組大電流輸出，C組時(shí)間測(cè)量組時(shí)間測(cè)量IaIR Ia2022-2-17中國(guó)科大 汪曉蓮 89PMT大小尺寸和管腳大小尺寸和管腳2022-2-17中國(guó)科大 汪曉蓮 90PMT的各種參數(shù)和性能指標(biāo)的各種參數(shù)和性能指標(biāo)2022-2-17中國(guó)科大 汪曉蓮 91PMT的各種參數(shù)和性能指標(biāo)的各種參數(shù)和性能指標(biāo)2022-2-17中國(guó)科大 汪曉蓮 92PMT的選擇的選擇 根據(jù)使用要求選擇不同的根據(jù)使用要求選擇不同的PMT。如。如時(shí)間測(cè)量時(shí)間測(cè)量，應(yīng)選快速，應(yīng)選快速時(shí)間時(shí)間

58、PMT；能量測(cè)量能量測(cè)量應(yīng)選能量分辨率高的應(yīng)選能量分辨率高的PMT；低能或低能或低本底測(cè)量低本底測(cè)量應(yīng)選低噪聲的應(yīng)選低噪聲的PMT。 光譜響應(yīng)：光譜響應(yīng)：PMT的光譜響應(yīng)盡可能與待測(cè)光的光譜一致，的光譜響應(yīng)盡可能與待測(cè)光的光譜一致，即與閃爍體的發(fā)射光譜相匹配。即與閃爍體的發(fā)射光譜相匹配。 陰極靈敏度：陰極靈敏度：對(duì)低能和弱光測(cè)量，應(yīng)選具有高陰極靈敏對(duì)低能和弱光測(cè)量，應(yīng)選具有高陰極靈敏度的度的PMT。 陽(yáng)極靈敏度：陽(yáng)極靈敏度：根據(jù)入射到光陰極的光通量和需要輸出信根據(jù)入射到光陰極的光通量和需要輸出信號(hào)的大小來(lái)估算陽(yáng)極靈敏度，選用合適的陽(yáng)極靈敏度的號(hào)的大小來(lái)估算陽(yáng)極靈敏度，選用合適的陽(yáng)極靈敏度的PM

59、T。 暗電流：暗電流：如果信號(hào)很弱，要選用暗電流小的如果信號(hào)很弱，要選用暗電流小的PMT。2022-2-17中國(guó)科大 汪曉蓮 935-4 光收集系統(tǒng)光收集系統(tǒng)一、光的傳輸一、光的傳輸1、光在閃爍體內(nèi)的傳播、光在閃爍體內(nèi)的傳播 以以4 立體角發(fā)射直線傳播立體角發(fā)射直線傳播 按指數(shù)規(guī)律被吸收衰減按指數(shù)規(guī)律被吸收衰減2、光在界面上的傳播、光在界面上的傳播 設(shè)閃爍體的折射率為設(shè)閃爍體的折射率為n1，周圍介質(zhì)的折射率，周圍介質(zhì)的折射率為為n2，0/00000( )1( )xxxTN xN eN eN xleN：發(fā)光衰減長(zhǎng)度，光的吸收系數(shù)定義光的透過(guò)率2121arcsinnnnnccc1）當(dāng)時(shí)，臨界角若入

60、射角，將發(fā)生全反射；若入射角，將部分反射，部分透射。2）第一種介質(zhì)的界面磨光，并蒸上鋁膜。將發(fā)生鏡反射。3）第一種介質(zhì)的界面為粗糙表面，第二種介質(zhì)為反射體，將會(huì)發(fā)生漫反射。2022-2-17中國(guó)科大 汪曉蓮 94二、光學(xué)收集系統(tǒng)二、光學(xué)收集系統(tǒng) 反射層：反射層：常用的反射層材料常用的反射層材料有有MgO、鋁箔和鍍鋁薄膜、鋁箔和鍍鋁薄膜等。等。 有機(jī)閃爍體有機(jī)閃爍體常用鋁膜較松的包裝，構(gòu)成全反射和鏡反射混常用鋁膜較松的包裝，構(gòu)成全反射和鏡反射混合，既保持快脈沖輸出又盡可能得到高的光收集效率。合，既保持快脈沖輸出又盡可能得到高的光收集效率。 對(duì)大部分對(duì)大部分無(wú)機(jī)閃爍體無(wú)機(jī)閃爍體，利用漫反射方法收集