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闪烁体探测器教学PPT分析

发布时间:2020-11-13 00:59 作者:新2直营现金网

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  第五章 闪烁探测器 荧光物质,闪烁体。 时间特性好,探测效率高。 闪烁体 光电倍增管 闪烁探测器的输出信号 闪烁探测器的性能 单晶?能谱仪 §5.1 构成和工作原理 构成(探头): 荧光 光子 反射层 光电倍增管 窗 (打拿极) 分压器 前置放大器 多道或单道 高压 光电子 光阴极 闪烁体 阳极 管座 暗盒 闪烁探测器的工作过程: (1) 核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。? §5.2 闪烁体 理想的闪烁体: 探测效率高,转换效率高,线性范围大, 自吸收小,发光时间短,加工性能好。 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 一、闪烁体的分类 ? ?无机盐晶体NaI ?Tl ? , ZnS ? Ag ? ? ? ?无机闪烁体 ?玻璃体Lio2 .2Sio2 ? Ce ? ? ? ?纯晶体BGO,BaF2 ? 闪烁体 ? ?有机晶体 ? 蒽 ? 萘 ? 芪 ? ? ? ? ? ?有机闪烁体 ?有机液体闪烁体 ?塑料闪烁体 ? ? ? ? 二、闪烁体的发光机制 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。 1、无机闪烁体的发光机制 2、有机闪烁体的发光机制(自学) 无机闪烁体的发光机制: 掺杂的无机晶体:NaI(Tl)、CsI(Tl),也叫卤 素碱金属晶体。 导 体:Eg0.1ev 半导体:Eg=0.6~2.5ev 绝缘体:Eg3ev NaI(Tl): Eg=7.3ev 导带 激带 禁带 满带 ▼导带上自由电子和满带上空穴可以复合成激子; ▼入射粒子可以产生电子-空穴对,也可产生激子。退激可 能发出光子,也可能晶格振动而不发光。 纯离子晶体: e 导带 激带 禁带 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 光范围,光阴极不响 应 h 满带 在晶体中掺杂,叫做激活剂,含量10?3量级。杂质形成特殊晶 格点,并在禁带中形成局部能级。原子受激产生的电子-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。 杂质原子退激: 荧光:10?7 sec. 猝灭:转换为晶格的热运 动. 磷光:亚稳态,发光时间 较长。 e 导带 激带 激发态 基态 h 禁带 满带 在NaI(Tl)中产生一对电子-空穴对需要~20eV能量。 如果入射带电粒子在NaI(Tl)中损失1MeV能量,产 生的电子-空穴对数: 6 1?10 Ne ? ? 5 ?104 20 NaI(Tl)的闪烁光能占入射能量~13% ,吸收1MeV 能量产生总光能: Eph ? 1?106 ? 0.13 ? 1.3?105 ev 闪烁光子平均能量~3eV ,产生光子数: 1.3 ?105 N ph ? ? 4.3 ?104 3 三、闪烁体的物理特性 1、发光光谱 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、闪烁体其他特性 1、发光光谱 ? 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。 2、发光效率 ? 闪烁体将所吸收的射线能量转化为光的比例。 ? 发光效率: E ph Cnp ? ?100% E ? 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β粒子 Cnp ? 13%,对α粒子 Cnp ? 2.6% 光输出(光能产额、光产额) 定义:S ? n ph E 光子数 MeV nph为产生的闪烁光子总数。 发光效率与光输出的关系: E ph 1 Cnp S? ? ? ? E hv E hv n ph 例:以NaI(Tl)为例,对1MeV的β粒子,发射光子平 均能量 h? ? 3eV ,求光产额 解:根据公式 S ? Cnp hv 0.13 S? ? 4.3 ?10 4 光子数 MeV 3eV 练习: 当入射粒子在蒽晶体内损失1MeV能量时,产 生20300个平均波长为447nm的光子,试计 算蒽晶体的闪烁效率。 3、闪烁发光时间 ? 闪烁体的发光过程包括闪烁的上升和衰减两个过 程。 ? 对大多数无机晶体,闪烁衰减成指数规律,有: N ? t ? ? N0 e ? t ? ? 式中: ? 为受激原子衰减时间常数 t时刻已退激发出的光子数N光子(t)为 t ? ? ? N光子 ? t ? ? N 0 ? N ? t ? ? N 0 ?1 ? e ? ? ? ? ? ? 则单位时间内发出的光子数为(发光强度): dN光子 N0 ? t ? I ?t ? ? ? e dt ? 对大多数有机晶体和少数无机晶体,发光衰减有快 慢两种成份,其衰减规律为: I ?t ? ? I f e ? t ?f ? Ise ?t ?S 快、慢两种成分的相对比例随入射粒子而变化 。 见书P243,图4.7 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、液体闪烁体 6、塑料闪烁体 1、NaI(Tl)晶体 优点: 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; 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,~7.5%,662keV-?。 缺点:容易潮解。 1-硬质玻璃; 2-NaI(Tl)晶体; 3-光学耦合剂; 4-光反射层;


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