閃爍探測器解析課件

1、閃爍體探測器蘭州大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院閃爍體探測器的歷史： 1911年盧瑟福（Rutherford）在他的大角散射實(shí)驗(yàn)中，以硫化鋅屏為閃爍體，使用這種方法數(shù)出散射粒子的數(shù)量，最終導(dǎo)致了原子核式結(jié)構(gòu)模型的建立。當(dāng)時(shí)就是通過顯微鏡用肉眼直接觀察粒子在硫化鋅熒光屏上產(chǎn)生的微弱閃光。 1944年柯倫（Curran）和貝克（Baker）用光電倍增管替代了肉眼的作用，以后卡爾曼（Kallmann）用萘取代了小而薄的硫化鋅晶體，這兩種替換使閃爍探測法發(fā)生了巨大的變化，使其有可能探測、記錄并用電子學(xué)方法分析由單個(gè)核輻射產(chǎn)生的脈沖。 閃爍體探測器主要由閃爍體、光電倍增管和相應(yīng)的電子學(xué)儀器三部分組成。閃爍體：對射線

2、靈敏并能產(chǎn)生閃爍光 產(chǎn)生的光子向四面八方發(fā)射出去，一般光譜范圍從可見光到紫外光反射層：把反射物質(zhì)包在閃爍體周圍，使光子集中向光電倍增管方向射出光電倍增管：由光陰極、若干打拿極和陽極組成光陰極：閃爍體產(chǎn)生的光子在光陰極上發(fā)生光電效應(yīng)，產(chǎn)生的光電子在打拿極間加速及聚焦。閃爍體和光陰極間需加光耦合劑。光陽極：收集倍增后的光電子，并建立起電信號，通過起阻抗匹配作用的射極跟隨器輸入到后續(xù)的電子學(xué)儀器中第一節(jié)： 概 述 第二節(jié)： 閃 爍 體 第三節(jié)： 電 子 倍 增 器 件 第四節(jié)： 閃 爍 計(jì) 數(shù) 器本章主要內(nèi)容本章節(jié)課后習(xí)題作業(yè) 我們通常將閃爍體、光電倍增管和分壓器及射極跟隨器安裝在一個(gè)暗盒中，統(tǒng)稱為

3、探頭。探頭中有時(shí)在光電倍增管周圍包以起磁屏蔽作用的坡莫合金，防止外界磁場透入管子中。 電子儀器組成單元根據(jù)閃爍探測器用途而異，常用的有 高 (低)壓電源、線性放大器、單道或多道分析器。閃爍探測器的工作過程可分為以下五個(gè)步驟 射線進(jìn)入閃爍體，發(fā)生相互作用，閃爍體吸收帶電粒子的能量使原子、分子電離激發(fā) 受激原子、分子退激時(shí)發(fā)射熒光分子 利用反射物和光導(dǎo)將閃爍光子盡可能多地收集到光電倍增管的光陰極上，由于光電效應(yīng)，光子在光陰極上擊出光電子 光電子在光電倍增管中倍增，數(shù)量由一個(gè)增加到104-109個(gè)，電子流在陽極負(fù)載上產(chǎn)生電信號 信號由電子儀器記錄和分析返回一、閃爍體的種類：1.有機(jī)閃爍體發(fā)光機(jī)制 有

4、機(jī)閃爍體發(fā)光機(jī)制有多種解釋，各有所長。由于有機(jī)晶體分子間結(jié)構(gòu)松弛，有機(jī)閃爍體的發(fā)光過程是由單個(gè)分子的能級結(jié)構(gòu)決定的，與其物理狀態(tài)(晶體或溶液)無關(guān)。有機(jī)晶體大多數(shù)由聚合或聯(lián)苯環(huán)構(gòu)成，苯環(huán)碳的四個(gè)價(jià)電子中，只有兩三個(gè)與分子的結(jié)合很緊密，它們占據(jù)了所謂的分子軌道，剩余的電子占據(jù)了所謂的分子軌道，可以在分子內(nèi)自由運(yùn)動。發(fā)光過程主要是由電子躍遷引起的。無機(jī)晶體的閃爍過程決定于材料晶格結(jié)構(gòu)與組分的能態(tài)(能帶與雜質(zhì)能級等)。這二者有很大的不同。 具有電子結(jié)構(gòu)的有機(jī)分子能級單一態(tài)（自旋為0）三重態(tài)（自旋為1）從S0到T1禁戒的一種可能：從S1跳回基態(tài)發(fā)出熒光，約1ns。多余的能量轉(zhuǎn)變?yōu)殡娮拥恼駝樱詿崮艿男?/p>

5、式帶走，稱為焠息過程。另一種可能：從S1跳到三重態(tài)T1，T1為亞穩(wěn)態(tài)（壽命約0.1s）再調(diào)回基態(tài)，發(fā)出磷光（ms), 由于兩個(gè)振動能態(tài)之間的能量間隔大于平均熱運(yùn)動能量(0.025eV)，在室溫下幾乎所有的分子都處于S00態(tài)。 入射帶電粒子穿過上述有機(jī)分子附近并損失能量，使有機(jī)分子的電子躍上較高的能態(tài)。被激發(fā)的較高的單一態(tài)電子通過無輻射的內(nèi)轉(zhuǎn)換迅速地(約10-12s)退激到S1電子態(tài)。而且，具有多余振動能量的任一電子態(tài)(例如S11或S12)又迅速地失去多余的能量與周圍分子達(dá)到熱平衡。由于分子振動周期僅10-12s，這一過程也是極快的?？傊谝缓唵蔚挠袡C(jī)晶體中，入射帶電粒子產(chǎn)生激發(fā)的總效果就是經(jīng)

6、過一段可忽略的短時(shí)間后，產(chǎn)生了處于S10態(tài)的激發(fā)分子群。處于s10態(tài)的激發(fā)分子群按一定的平均壽命躍回基態(tài)并同時(shí)發(fā)出光子。設(shè)用表示s10態(tài)的平均壽命，則激發(fā)后t時(shí)刻單位時(shí)間內(nèi)發(fā)射的光子數(shù)可表示為 I=I0e-t/其中I0為t0時(shí)刻單位時(shí)間內(nèi)從s10態(tài)躍回基態(tài)而發(fā)出的光子數(shù)。一般是10-810-9s量級，故由s10躍回基態(tài)的發(fā)光過程是相當(dāng)快的，稱作熒光?；鶓B(tài)s0相應(yīng)于不同的振動態(tài)而具有s00、s01、s03、等能級。當(dāng)分子由激發(fā)態(tài)s10躍回基態(tài)時(shí)，其發(fā)射光子的能量為s10與s00、s01、s03等能級的差值。這就決定了熒光的光譜(域稱作“發(fā)射光譜”)。一般，這都是在可見光與紫外光區(qū)域。有機(jī)晶體閃爍

7、體： 蒽；茋；萘；對聯(lián)三苯等有機(jī)液體閃爍體：在有機(jī)溶劑中溶入少量發(fā)光物質(zhì)，稱第一發(fā)光物質(zhì)，另外再溶入一些光譜波長轉(zhuǎn)換劑稱為第二類發(fā)光物質(zhì)，組成的閃爍體性能的液體。塑料閃爍體：在有機(jī)液體苯乙烯中加入第一類發(fā)光物質(zhì)對聯(lián)三苯和第二發(fā)光物質(zhì)POPOP后聚合形成的塑料。有機(jī)閃爍體的種類：除此以外，還有利用氬、氙等惰性氣體作為氣體閃爍體，用作記錄裂變產(chǎn)物和重粒子的探測器。 2.無機(jī)晶體閃爍體的發(fā)光機(jī)制 無機(jī)閃爍晶體的發(fā)光機(jī)制取決于整個(gè)晶體內(nèi)的電子能態(tài)，而不是由單個(gè)分子或原子的能級躍遷決定。我們知道，在晶體中，物質(zhì)原子的電子發(fā)生“公有化”效應(yīng)，它們將不再從屬于某個(gè)原子，而是屬于整個(gè)晶體。這些電子的能態(tài)不再用

8、原子能級表示，而是用“能帶”來描寫。如圖所示當(dāng)輻射離子進(jìn)入閃爍體使晶體原子電離和激發(fā)。電離：結(jié)果使得價(jià)帶中的一些電子由原來位置躍遷過禁帶而進(jìn)入導(dǎo)帶，成為自由電子，同時(shí)在價(jià)帶中形成空穴。激發(fā)：電子也可能躍遷到較低的激帶，這時(shí)產(chǎn)生的電子空穴對稱之為激子。激子只能在晶格中束縛在一起運(yùn)動。導(dǎo)帶上的自由電子和價(jià)帶空穴可以復(fù)合成激子，相反，激子也可以受熱運(yùn)動而變成自由電子空穴對。退激過程將可能發(fā)出光子，也可能變成晶格振動能而不發(fā)光。對純離子晶體，退激發(fā)出的光子容易被晶體自吸收，傳輸?shù)骄w外的光子很少；由于離子晶體禁帶寬度大，退激發(fā)出的光子能量為紫外范圍，一般光電倍增管的光陰極不能響應(yīng)，這些發(fā)射的光子不能被

9、有效利用。在晶體中摻入少量的合適的雜質(zhì)，讓它的激發(fā)能級比晶體的導(dǎo)帶、激帶低，而基態(tài)比價(jià)態(tài)高。稱為“激活劑”的雜質(zhì)在晶格形成特殊的晶格點(diǎn)，并在禁帶中形成一些局部能級，雜質(zhì)能級就成了發(fā)光中心。由于雜質(zhì)的電離能小于典型晶格點(diǎn)的電離能，原子受激產(chǎn)生的電子、空穴將迅速遷移到雜質(zhì)能級的激發(fā)態(tài)和基態(tài)，即使雜質(zhì)原子處于激發(fā)狀態(tài)。激發(fā)態(tài)的雜質(zhì)原子有三種可能的退激方式： 電子從激發(fā)態(tài)立即跳回基態(tài)，發(fā)射出光子，發(fā)光的衰減時(shí)間通常在10-7s以內(nèi)，稱為“熒光”。熒光光子為可見光的范圍，且有效地克服了發(fā)光的自吸收，使晶體的發(fā)射光譜和吸收光譜有效的分離。 電子把激發(fā)能轉(zhuǎn)換為晶格的振動(熱運(yùn)動)而到達(dá)價(jià)帶，并不發(fā)射光子，這

10、種過程稱為“淬滅過程”。 激發(fā)態(tài)是亞穩(wěn)態(tài)，電子可以在此狀態(tài)保持一段較長的時(shí)間，像掉入陷阱一樣。這些電子可以從晶格振動中獲得能量，重新躍遷到導(dǎo)帶，然后再通過發(fā)射光子而退激，因而發(fā)光的衰減時(shí)間較長，稱之為“磷光”。有些陷阱中的電子僅有熱運(yùn)動不能跳入導(dǎo)帶，必須由外界給予能量（如加熱、光照），這叫熱釋發(fā)光和光釋放光。無機(jī)晶體閃爍體的種類： 摻有少量激活劑的無機(jī)鹽晶體： 碘化鈉（鉈激活）NaI（Tl）；碘化銫（鉈激活）CsI（Tl） 硫化鋅（銀激活）ZnS（Ag） 玻璃體： 鋰玻璃（鈰激活） LiO22SiO2（Ce） 不摻雜純晶體： 鍺酸鉍（BGO）；鎢酸鎘（CWO）；氟化鋇（BaF2）二、閃爍體的物

11、理性質(zhì)1.發(fā)射光譜 閃爍體受核輻射激發(fā)后所發(fā)射的光并不是單色的，而是一個(gè)連續(xù)帶。對于每種閃爍體，總可找到一、兩種波長的光，它的發(fā)射概率最大，整個(gè)光譜是以該波長為中心的一個(gè)或數(shù)個(gè)發(fā)射帶。閃爍體的技術(shù)說明書上往往給出這個(gè)峰位處的波長，稱為“發(fā)射光譜最強(qiáng)波長” 了解不同閃爍體的發(fā)射光譜，主要是為了解決閃爍體與光電倍增管光譜響應(yīng)的匹配問題。幾種典型閃爍體的發(fā)射光譜2. 發(fā)光效率 發(fā)光效率是指閃爍體將吸收的射線能量轉(zhuǎn)變?yōu)楣獾谋壤?。一般使用以下三個(gè)量來描述。光能產(chǎn)額：核輻射在閃爍體中損失單位能量閃爍發(fā)射的光子數(shù)。當(dāng)粒子在閃爍體中損失的能量為E，閃爍過程發(fā)出的總光子數(shù)為nph時(shí)，則光能產(chǎn)額它的單位是光子數(shù)/

12、兆電子伏（1/MeV）。1/Y表示在閃爍體中每產(chǎn)生一個(gè)光子所消耗的核輻射能量。絕對閃爍效率：在一次閃爍中，產(chǎn)生的閃爍光子總能量與核輻射損耗在閃爍體中的能量之比相對發(fā)光效率：使用一種核輻射在不同閃爍體中損失相同能量，測量它們的相對脈沖輸出幅度或電流進(jìn)行比較。一般以蒽作為標(biāo)準(zhǔn)，如對射線蒽的相對發(fā)光率取，則NaI（Tl）為2.3。.發(fā)光時(shí)間和發(fā)光衰減時(shí)間閃爍體發(fā)光時(shí)間包括閃爍脈沖的上升時(shí)間和衰減時(shí)間兩部分。上升時(shí)間主要包括帶電粒子在閃爍體中耗盡能量所需時(shí)間（一般小于）以及閃爍體內(nèi)電子激發(fā)的時(shí)間（很短，可忽略）。閃爍體受激后，電子退激發(fā)光一般服從指數(shù)衰減規(guī)律。單位時(shí)間發(fā)出的光子數(shù)（發(fā)光強(qiáng)度）： 經(jīng)過時(shí)

13、間0，脈沖下降到最大值的1/e，稱為閃爍體的發(fā)光衰減時(shí)間，也稱為衰減常數(shù)。 上述公式對大多數(shù)無機(jī)閃爍體是正確的，其中0為微小量級。然而對大多數(shù)有機(jī)閃爍體和少數(shù)無機(jī)晶體，上式并不正確。實(shí)驗(yàn)表明有機(jī)閃爍體的發(fā)光衰減過程有快、慢兩種成分，其衰減規(guī)律可表示為： f和s分別為快、慢兩種成分的發(fā)光衰減時(shí)間； f為ns量級s約為數(shù)十至數(shù)百ns量級，If和Is分別為快、慢成分的發(fā)光強(qiáng)度。閃爍體f(ns)s (ns)BaF20.6620芪6.2370蒽33370液閃2.4200 對于高強(qiáng)度測量或時(shí)間測量的閃爍體，應(yīng)該要求有盡可能短的發(fā)光衰減時(shí)間。除了以上幾點(diǎn)，使用閃爍體探測器還應(yīng)考慮以下性質(zhì) 探測效率； 閃爍體

14、透明度高，盡可能無缺陷，光學(xué)均勻度好； 可加工性能。易于加工成各種大小和幾何形狀； 閃爍體的發(fā)光效率、分辨率和時(shí)間特性和溫度有關(guān)，一般產(chǎn)品說明書中可以查到閃爍體的特性隨溫度變化的測量值； 耐輻照的穩(wěn)定性；三、幾種主要閃爍體1.NaI(Tl)晶體密度大(3. 67 gcm3)，含有高原子序數(shù)的元素碘，平均原子序數(shù)為53，光電效應(yīng)、康普頓效應(yīng)和電子對效應(yīng)的作用截面大，又能制成大體積，對射線和x射線有較大的阻止本領(lǐng)和探測效率，是目前探測射線最好的閃爍體。能量轉(zhuǎn)換效率高，存NaI中加入0.10.5的Tl時(shí)，發(fā)光效率最好，相對蒽晶體為230。室溫下主峰位波長為4100 A，半高寬約850 A。它的吸收譜

15、峰值在2930A和2340A，因而對發(fā)射的光是透明的，與光電倍增管的匹配較好。室溫下發(fā)光衰減時(shí)間為230 ns。對于質(zhì)子和電子，NaI(Tl)晶體的光輸出與能量的關(guān)系基本上是線性的，只有在低能時(shí)偏離線件關(guān)系。但是對于重離子，其能量線性響應(yīng)較差。制備簡單，可以加工成各種形狀，常用的是圓柱形(最大750250)、井形、環(huán)形、薄片形等。NaI(T1)晶體的最大缺點(diǎn)是容易潮解，吸收空氣中水分后會發(fā)黃變質(zhì)而不能使用，所以必須封裝在帶有光學(xué)玻璃窗的容器中，這就給低能測量和重離子測量帶來困難。其機(jī)械強(qiáng)度差，使用時(shí)要防止劇烈振動和沖沖擊。對溫度變化很靈敏，正常使用溫度為-1045，環(huán)境溫度變化不得超過5h，否

16、則晶體會碎裂。使用完畢，要避光貯存在干燥器皿中。碘化鈉晶體封裝示意圖 NaI(Tl)晶體可做成井型晶體，放射源放入此井內(nèi)，幾何條件接近4立體角，對測量弱放射源十分有利。2. CsI(Tl)晶體 CsI(Tl)晶體在空氣中不潮解，容易加工成薄片，其主要優(yōu)點(diǎn)在于： 不會潮解，無需封裝，使用方便； 密度比NaI更大，探測效率高； 容易做成極薄的蒸發(fā)薄膜，對重帶電粒子阻止本領(lǐng)高； 機(jī)械強(qiáng)度大，耐沖擊及振動，耐溫度沖擊而不易破裂； 可在混合場中甄別不同粒子； CsI(Tl)晶體的不足之處是光輸出小，對射線能量分辨差，價(jià)格昂貴。3. ZnS(Ag)閃爍體 ZnS(Ag)發(fā)光效率極高，對重帶電粒子組織本領(lǐng)大

17、，質(zhì)量厚度為15mg/cm2的ZnS(Ag)層對210Po的粒子探測效率幾乎為100%，但對射線極不靈敏，因此適合在、本底場中用幅度甄別方法測量、p等帶電粒子。缺點(diǎn)是ZnS層是半透明的，只能作 強(qiáng)度測量。4. BGO晶體 BGO晶體為1975年開發(fā)出來的一種優(yōu)良閃爍體，分子式 Bi4 Ge 3O12 ，BGO晶體對X光和射線的線性吸收系數(shù)比NaI(Tl)大得多（見圖），對低能X射線和高能射線有特別高的效率。5氟化鋇(BaF2)和氟化鈰(CeF3)晶體 氟化鋇(BaF2)和氟化鈰(CeF3)晶體都是快晶體。所謂快晶體是指晶體體具有非常短的發(fā)光衰減時(shí)間。BaF2晶體是已知最快的閃爍晶體，三個(gè)發(fā)光峰

18、的波長為195 nm，220 nm和310 nm，對應(yīng)的發(fā)光衰減時(shí)間分別為0.87 ns，0.88 ns和600 ns。通過特制的KCsTe或RbTe光電倍增管可以濾掉慢成分而得到近于純的快成分信號。 與BaF2晶體相比，CeF3晶體具有更高的密度、有兩個(gè)快成分、無慢成分等優(yōu)點(diǎn)。 氟化釧(BaF2)和氟化鈰(CeF3)晶體主要用于探測x射線和射線。用氟化鋇( BaF2)和氟化鈰(CeF3)晶體做成的XCT已用于核醫(yī)學(xué)成像。6鎢酸鉛(PWO)晶體 鎢酸鉛晶體為無色透明晶體，化學(xué)分子式為PbWO4，簡寫為PWO，折射率為2.16，密度為8.28 gcm3，發(fā)射光譜主峰位在4 0005 000 A，

19、易于與光電倍增管匹配。輻射長度為0.89 cm，莫里哀半徑為2.2 cm。小潮解，抗輻照。其最大的缺點(diǎn)是光產(chǎn)額較低。它主要應(yīng)用于高能粒子物理實(shí)驗(yàn)中，如CERN的大型強(qiáng)子對撞機(jī)LHC上的CMS實(shí)驗(yàn)組采用鎢酸鉛閃爍晶體做電磁量能器，共需約七萬根長23 cm的鎢酸鉛晶體。7. 鋰玻璃閃爍體 鋰玻璃閃爍體是一種鈰激活的含鋰硅酸鹽玻璃，廣泛用于中子探測。用LiO22SiO2（Ce）表示，密度為2.31,最強(qiáng)發(fā)射波長為395nm，發(fā)光衰減時(shí)間0=5070nm，介于有機(jī)閃爍體和無機(jī)晶體之間。他的相對光輸出相當(dāng)?shù)?，（僅為蒽的20%-30%），但它可以用于惡劣的環(huán)境下測量和射線強(qiáng)度。豐度90%以上的6Li鋰玻璃

20、用于中子測量。由于玻璃中含有天然放射性核素釷和鉀，所以不宜用于低水平測量7. 其它閃爍體有機(jī)晶體蒽和茋 蒽晶體是所有有機(jī)閃爍體中發(fā)光效率最高的，適合快中子和射線的探測。茋晶體的光輸出較小，但發(fā)光衰減時(shí)間小，僅6ns，多數(shù)用來進(jìn)行快速時(shí)間測量。液體閃爍體 主要用來測量中子及射線，最主要的優(yōu)點(diǎn)是可將待測放射性物質(zhì)溶于液體閃爍體，造成4幾何條件，效率很高。塑料閃爍體 可測量、快中子、質(zhì)子、宇宙射線及裂變碎片，耐輻射性能極好。 四、閃爍體的選擇 一般測量強(qiáng)度時(shí)用ZnS(Ag)閃爍體或CsI(Tl)晶體；測量射線和中子時(shí)用有機(jī)閃爍體，大多用塑料閃爍體，或液體有機(jī)閃爍體；測量射線用NaI(Tl)或CsI(

21、Tl)晶體，對低能X射線或高能則用BGO。 閃爍體的發(fā)射光譜應(yīng)盡可能好地和所用光電倍增管的光譜響應(yīng)配合，以獲得高的光電子產(chǎn)額。 閃爍體對所測的粒子有較大阻止本領(lǐng)，使入射粒子在閃爍體中損耗較多的能量。 閃爍體的發(fā)光效率足夠高，有較好的透明度和較小的折射率以使閃爍體發(fā)射的光子盡量被收集到光電倍增管的光陰極上。 在作時(shí)間分辨計(jì)數(shù)或短壽命放射性活度測量中，應(yīng)該取發(fā)光衰減時(shí)間短及能量轉(zhuǎn)化效率高的閃爍體。 作為能譜測量時(shí)，要考慮發(fā)光效率對能量響應(yīng)的線性范圍。五、光的收集與光導(dǎo)反射層 反射層的作用是把閃爍體中向四周發(fā)射的光有效地吸收到光陰極上。一般用作反射層的材料有：氧化鎂、二氧化鈦、鋁箔、鍍鋁朔料薄膜，聚

22、四氟乙烯帶子等。2. 光學(xué)耦合劑 閃爍體與光陰極接觸的界面中存在空氣，為了盡量減小光線在交界面上發(fā)生全反射，需要在閃爍體與光電倍增管之間加上一層“耦合劑”，作用是減少光在界面發(fā)生全反射。光學(xué)耦合劑有硅油、硅脂、甘油、真空泵油等。3. 光導(dǎo) 光導(dǎo)的作用是有效地把光傳遞給光電倍增管的光陰極。返回光電倍增管一、光電倍增管的工作原理： 從閃爍體出來的光子通過光導(dǎo)射向光電倍增管的光陰極，由于光電效應(yīng)，在光陰極上打出光電子 光電子經(jīng)電子光學(xué)輸入系統(tǒng)加速、聚焦后射向第一打拿極，每個(gè)光電子在打拿極上擊出幾個(gè)電子，這些電子射向第二打拿極，再經(jīng)倍增射向第三打拿極，直到最后一個(gè)打拿極，最后射向陽極，并在陽極建立電信

23、號輸出。 光陰極是接收光子并放出光電子的電極，一般是在真空中把陰極材料蒸發(fā)在光學(xué)窗的內(nèi)表面上，形成半透明的端窗陰極；或蒸發(fā)在管殼內(nèi)側(cè)面和光窗的內(nèi)表面上形成半透明的四面窗陰極；有的蒸發(fā)在離管殼內(nèi)一定距離處的金屬基底上，形成不透明陰極 光陰極產(chǎn)生的光電子經(jīng)過電子光學(xué)輸入系統(tǒng)的加速，聚焦被收集到打拿極D1上，進(jìn)行倍增放大。對于大面積的光陰極和要求較好的時(shí)間特性的管子，輸入系統(tǒng)是要認(rèn)真考慮的。光陰極：以堿金屬為主要成分，要求光電效應(yīng)概率大，光電子逸出功小。常用的光陰極材料種類：銻銫化合物（Sb-Cs），光譜350nm-650nm，電阻比雙堿低，適于大電流流過光陰極的場合，主要用于反射型光陰極。雙堿（S

24、b-Rb-Cs，Sb-K-Cs與Sb-Cs）靈敏度高，暗電流小。光譜300nm-550nm。另一種雙堿（Sb-Na-K），耐高溫175，用于石油勘探等高溫場合。室溫下暗電流非常小，用于單粒子測量和低噪聲測量。Cs-I對太陽光不靈敏，靈敏波長115nm-200nm。多堿（Cs-Na-K-Cs），從紫外到850nm的寬光譜，多用于氮氧化合物的化學(xué)發(fā)光探測。Ag-O-Cs,300nm-1200nm,用于紅外探測。光學(xué)窗：有端面窗、側(cè)面窗、凹面窗、球面窗等。常用材料有鈣玻璃、硼硅玻璃、透紫玻璃、合成石英、藍(lán)寶石、氟化鎂晶體、氟化鋰等。打拿極：二次發(fā)射系數(shù)大，熱電子及光電子發(fā)射小，大電流工作時(shí)穩(wěn)定性好，

25、能有效收集由前一級來的二次電子，并能有效地將其倍增產(chǎn)生的二次電子送到下一級。陽極：最后收集電子并給出電信號的電極，陽極要求采用電子脫出功較大的材料，如鎳、鉬、鈮等，一般做成網(wǎng)狀。具有位置探測功能的十字形金屬絲陽極和88（64個(gè)像素、1616（256個(gè)像素）陣列多陽極。 光電倍增管可分為“聚焦性”和“非聚焦性”兩類聚焦性；聚焦性結(jié)構(gòu)的電子渡越時(shí)間分散小，時(shí)間分辨好，能量分辨好。脈沖線性電流大，極間電壓的改變對增益的影響大，適用于要求時(shí)間響應(yīng)較快的閃爍計(jì)數(shù)器。環(huán)狀聚焦性直線聚焦性國產(chǎn)GDB30、35、19美國RCA型2. 非聚焦性百葉窗式盒柵式度越時(shí)間及其分散都較大。優(yōu)點(diǎn)：暗電流小輸出電流大，能量

26、分辨好。大部分國產(chǎn)管子和英國EMI。時(shí)間和能量特性都差，但結(jié)構(gòu)簡單，易于制造。多用于一般的技術(shù)測量。3 . 微通道板 通道電子倍增器分為單通道電子倍增器（Channeltron CEM)和多通道電子倍增器（Multichannel MCP 稱微通道板）兩大類。通道電子倍增器：長度遠(yuǎn)大于直徑的空心管道構(gòu)成，通道內(nèi)表面電阻大1091011，二次電子發(fā)射系數(shù)3.當(dāng)兩端加高壓時(shí)，形成連續(xù)的倍增極。形狀大致有兩種：直線型和彎管型。3kV材料要求：二次電子發(fā)射系數(shù)大；電阻層均勻合適；化學(xué)穩(wěn)定性好；蒸氣壓低。常用材料玻璃半導(dǎo)體、陶瓷半導(dǎo)體和有機(jī)半導(dǎo)體。 微通道板是20世紀(jì)70年代在單通道電子倍增器的基礎(chǔ)上發(fā)

27、展起來的。由于通道電子倍增器的增益僅與通道長度與直徑之比有關(guān)，而與管子的直徑大小無關(guān)，所以可以把管子縮小到工藝所能達(dá)到的程度，即微通道。典型的通道長度與直徑之比為40，在每平方厘米的面積上可以做到50萬個(gè)直徑為15m的通道。 通道板具有結(jié)構(gòu)簡單、尺寸小、增益高、時(shí)間響應(yīng)快和空間分辨高等特點(diǎn)。 在微通道板前面加一塊光陰極板，便做成光電倍增管。和光電倍增管比較，增益和能量分辨沒有太大的改進(jìn)，但時(shí)間特性要好很多。另外，對磁場不敏感。 二、分壓器光電倍增管中各電極電位由外加電阻分壓器抽頭供給正高壓電路負(fù)高壓電路A型的特點(diǎn)是陰極和第一打拿極之間有很高的電壓(幾乎占全部供電電壓的四分之一)，這樣第一打拿極

28、的倍增系數(shù)(1)很大，對能量分辨、整個(gè)光電倍增管的增益都是有利的。其他極間電壓維持一常數(shù)。所以A型有較大的增益，適合于能量分辨測量或做觸發(fā)計(jì)數(shù)器。 （高增益型）對B型，極問電壓值逐步升高，特別是最后幾級打拿極及陽極，極間電壓很高，這就減少了空間電荷及負(fù)脈沖引起的電壓下降的影響，因而有較好的輸出電流線性。這里，陰極和第一打拿極之間的電壓還不到全部電壓的七分之一，因而增益變小了。（線性型）對C型，陰極和第一打拿級之間電壓較高(占全部電壓五分之一左右)，最后兩級極問電壓也較高，這樣的條件有利于電子的收集，減少渡越時(shí)間漲落，即具有較好的時(shí)間分辨特性，適于做飛行時(shí)間測量。 （時(shí)間型） 陰極-第一打拿極之

29、間的電壓：維持陰極與第一打拿極之間適當(dāng)高的電壓有利于提高信噪比和能量分辨率。適當(dāng)調(diào)整它們之間的電位分布，可以使大部分光電子都能順利到達(dá)第一打拿極有效面上，從而獲得最大的收集效率gc。 中間打拿極：一般采用均勻分壓器，其電壓絕對值大小可根據(jù)需要的放大倍數(shù)調(diào)節(jié)。 最末幾級打拿極間電壓：使用非均勻分壓器使最末二、三級打拿極之間有較高的電壓，以避免空間電荷效應(yīng)。為了在最后幾個(gè)打拿極上因脈沖電流過大而使極間電壓下降，在分壓電阻上并聯(lián)旁路電容。 末級打拿極和陽極之間電壓：陽極僅收集電子，打拿極和陽極之間電壓一般取得較低。分壓器的電阻應(yīng)該具有小的溫度系數(shù)和較高的穩(wěn)定性，實(shí)際耗散功率比額定功率小。三、主要指標(biāo)

30、光電轉(zhuǎn)換特性 光陰極的光譜響應(yīng)：光陰極受到光照射后發(fā)射光電子的概率是波長的函數(shù)，稱為光譜響應(yīng)。光陰極上發(fā)射光電子數(shù)和入射光子數(shù)的比值稱為量子轉(zhuǎn)換效率，簡稱量子效率，它是波長的函數(shù)，用Qk()表示。不同光陰極發(fā)射層和窗材料的光譜響應(yīng)見右圖。 光陰極光照靈敏度：實(shí)際操作中用一定光通量F的白光照射陰極所能獲得的光電子流ik稱為光陰極光照靈敏度。電子倍增特性 光電倍增管的放大倍數(shù)M:從光陰極射出，到達(dá)第一打拿極的一個(gè)電子，經(jīng)過多次倍增后在陽極得到的電子數(shù)。 陽極接收到的電子數(shù)第一打拿極收集到的電子數(shù)在理想情況下一般可寫成： 是平均的二次發(fā)射系數(shù)，n為打拿極級數(shù)。如果打拿極電子傳遞效率為g則： 陽極光照

31、靈敏度S：陽極電流is入射到陰極的光通量噪聲或暗電流熱發(fā)射;歐姆漏電;殘余氣體電離;場致發(fā)射;切倫科夫光子；玻璃管殼放電和玻璃熒光；光陰極曝光；光陰極曝光；4. 光電倍增管時(shí)間特性 光電倍增管光陰極接收光信號并不能立即建立電信號，光電子從光陰極到達(dá)陽極的時(shí)間稱為光電倍增管的渡越時(shí)間。 光電倍增管脈沖上升時(shí)間tr：應(yīng)用函數(shù)光源照射陰極，從陽極電流脈沖前沿峰值的10%上升到90%所需要的時(shí)間。脈沖的半高寬為時(shí)間響應(yīng)寬度tpm。 渡越時(shí)間：函數(shù)光源的閃光到達(dá)陰極瞬間與陽極輸出脈沖到達(dá)峰值時(shí)刻之間的時(shí)間間隔。 光電倍增管時(shí)間分辨本領(lǐng)：多次重復(fù)用函數(shù)光源照射光陰極，渡越時(shí)間譜最大值一半處的全寬度，它限制

32、了光電倍增管對事件發(fā)生時(shí)刻的精確測量。返回 閃爍體耦合光電倍增管，配以電子學(xué)儀器，就是閃爍計(jì)數(shù)器。其應(yīng)用可歸結(jié)為： 1.能譜測量；2.強(qiáng)度測量；3.時(shí)間測量；4.計(jì)量測量；閃爍計(jì)數(shù)器:一、閃爍體探測器的脈沖輸出 核輻射進(jìn)入閃爍體，到光電倍增管陽極負(fù)載建立電壓脈沖，一共經(jīng)歷五個(gè)過程： 閃爍體中帶電粒子或者射線產(chǎn)生次級電子引起閃爍體電離、激發(fā)。設(shè)入射粒子能量為E0，則在閃爍體中損失的能量 E=E0 A A表示入射粒子能量留在閃爍體中的份額。損失在閃爍體中的能量E使閃爍體發(fā)射光子 因?yàn)榘l(fā)光效率是波長的函數(shù)，定義微分發(fā)光（閃爍）效率Cnp()d，即閃爍產(chǎn)生的光子波長在+d之間的光子能量與E之比。發(fā)光總

33、效率為： 同時(shí)，閃爍體發(fā)射光子的光譜形狀Ps()由下式?jīng)Q定：a為歸一化常數(shù) 【 Cnp()表示損失單位能量，發(fā)射波長為的光子的能量】在閃爍體中產(chǎn)生的波長為+d之間的光子數(shù)為：發(fā)射的總光子數(shù)為上式積分或?qū)懗蔀閷Πl(fā)射光譜光子的平均能量閃爍光子不能全部到達(dá)光陰極，其損失有三種可能： 閃爍體壁的吸收; 閃爍體對熒光光子的自吸收； 光導(dǎo)系統(tǒng)中的吸收及全反射；能夠到達(dá)光陰極的光子數(shù)為Fphnph。Fph為光陰極的收集效率。光子到達(dá)光陰極，然后發(fā)射光電子，所產(chǎn)生的光電子數(shù)為： dnek=FphQk()dnphQk()為光陰極對波長為的光子的量子效率（即轉(zhuǎn)換效率）。若第一打拿極的收集效率為gc（一般為0.9）

34、，則第一打拿極收集到的光電子為 dne= gc dnek第一打拿極在一次閃爍過程中收集到的總電子數(shù)為：積分項(xiàng)用以表示量度閃爍體發(fā)射光譜與光陰極量子效率之間的匹配程度。 NaI(Tl)、CsI(Tl)和BGO發(fā)光光譜與S-11材料做成的光陰極的光電倍增之間的匹配情況 由圖知，覆蓋或重疊部分越大，匹配越好，輸出的光電子越多，脈沖幅度越大?？蓪e改寫為：ne表達(dá)式為：積分項(xiàng)就是量子效率Qk（）對發(fā)射光譜的平均值因此其中，為平均光電轉(zhuǎn)換效率。5. 第一打拿極上收集的光電子經(jīng)過光電倍增管放大M倍，在陽極上所收集到的總電荷 e為電子電荷。 考慮到閃爍體發(fā)射的總光子數(shù)nph和光電倍增管放大倍數(shù)M都有漲落，

35、故：可以看出，閃爍探測器輸出脈沖信號的電荷量q與入射粒子在閃爍體內(nèi)損耗的能量E成正比的。為了獲得較大的脈沖幅度和較高的能量分辨率：增大閃爍體的體積使A增大；選擇發(fā)光效率Cnp大的閃爍體；選擇反射系數(shù)大的反射層以及性能良好的光導(dǎo)系統(tǒng)，提高光子的收集效率Fph ；調(diào)整光電倍增管前幾級的分壓電阻，使靜電聚焦系統(tǒng)獲得盡可能大的收集效率gc ；選擇與閃爍體匹配較好的光電倍增管，盡可能增大Qk。輸出脈沖信號的電荷量1、光電倍增管輸出信號的總電荷量取決于：閃爍體發(fā)出的閃爍光子數(shù)：光子被收集到光陰極上的概率：光陰極的轉(zhuǎn)換效率：光電子被第一打拿極收集的概率：光電倍增管總的倍增系數(shù)：2、第一打拿極收集到的光電子數(shù)

36、為：3、陽極收集到的電子數(shù)為：4、陽極收集到的總電荷量為：可以看出，閃爍探測器輸出脈沖信號的電荷量Q是與入射粒子在閃爍體內(nèi)損耗的能量E成正比的.即：閃爍探測器的電流脈沖信號: 單位時(shí)間內(nèi)閃爍體發(fā)出的光子數(shù)為： 單位時(shí)間內(nèi)第一打拿極收集到的光電子數(shù)為： 1、單位時(shí)間內(nèi)第一打拿極收集到的光電子數(shù)2、單光電子引起的電流脈沖信號 面積3、一次閃爍所引起的陽極電流脈沖一次閃爍輸出電流脈沖為即：代入：兩邊微分并整理與的卷積閃爍探測器輸出電流脈沖一般表達(dá)式的卷積形式 T為平均光電轉(zhuǎn)換效率，為發(fā)光衰減時(shí)間。閃爍探測器輸出電流脈沖一般表達(dá)式的微分形式 上式和卷積形式一樣給出了輸出電流脈沖與發(fā)光衰減時(shí)間及單光電子電流響應(yīng)的關(guān)系。 在很多情況下，與相比，是一個(gè)非常窄的時(shí)間函數(shù)，用函數(shù)來近似即：可設(shè)這時(shí)可以忽略電子飛行時(shí)間的漲落，求解則：閃爍探測器的電壓脈沖信號代入：令：由等效電路可得：1、當(dāng)短時(shí)間內(nèi)：即時(shí)在，但仍滿足經(jīng)過較長時(shí)間，即2、當(dāng)對時(shí)對,但仍滿足經(jīng)過較長時(shí)間，即電流脈沖型工作狀態(tài)輸出電壓脈沖形狀趨于電流脈沖的形狀。 電壓脈沖型工作狀態(tài)輸出電壓脈沖形狀為電流脈沖在輸出回路上的積分 電流脈沖不變，電壓脈沖隨的變化規(guī)律。結(jié)論： C0不變，電壓脈沖幅度和寬度均隨R0增大而增大。取 = 250ns，C0=1pF分別取R0為：10