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1、闪烁体探测器兰州高校兰州高校核科学与技术学院核科学与技术学院闪烁体探测器的历史：1911年卢瑟福（Rutherford）在他的大角散射试验中，以硫化锌屏为闪烁体，运用这种方法数出散射粒子的数量，最终导致了原子核式结构模型的建立。当时就是通过显微镜用肉眼干脆视察粒子在硫化锌荧光屏上产生的微弱闪光。1944年柯伦（Curran）和贝克（Baker）用光电倍增管替代了肉眼的作用，以后卡尔曼（Kallmann）用萘取代了小而薄的硫化锌晶体，这两种替换使闪烁探测法发生了巨大的变更，使其有可能探测、记录并用电子学方法分析由单个核辐射产生的脉冲。闪烁体探测器主要由闪烁体、光电倍增管和相应的电子学仪器三部分组
2、成。闪烁体：对射线灵敏并能产生闪烁光 产生的光子向四面八方放射出去，一般光谱范围从可见光到紫外光反射层：把反射物质包在闪烁体四周，使光子集中向光电倍增管方向射出光电倍增管：由光阴极、若干打拿极和阳极组成光阴极：闪烁体产生的光子在光阴极上发生光电效应，产生的光电子在打拿极间加速及聚焦。闪烁体和光阴极间需加光耦合剂。光阳极：收集倍增后的光电子，并建立起电信号，通过起阻抗匹配作用的射极跟随器输入到后续的电子学仪器中第一节：概 述 其次节：闪 烁 体 第三节：电 子 倍 增 器 件 第四节：闪 烁 计 数 器本章主要内容本章节课后习题作业 我们通常将闪烁体、光电倍增管和分压器及射极跟随器安装在一个暗盒
3、中，统称为探头。探头中有时在光电倍增管四周包以起磁屏蔽作用的坡莫合金，防止外界磁场透入管子中。电子仪器组成单元依据闪烁探测器用途而异，常用的有 高(低)压电源、线性放大器、单道或多道分析器。闪烁探测器的工作过程可分为以下五个步骤 射线进入闪烁体，发生相互作用，闪烁体吸取带电粒子的能量使原子、分子电离激发 受激原子、分子退激时放射荧光分子 利用反射物和光导将闪烁光子尽可能多地收集到光电倍增管的光阴极上，由于光电效应，光子在光阴极上击出光电子 光电子在光电倍增管中倍增，数量由一个增加到104-109个，电子流在阳极负载上产生电信号 信号由电子仪器记录和分析返回一、闪烁体的种类：一、闪烁体的种类：1
4、.有机闪烁体发光机制有机闪烁体发光机制 有机闪烁体发光机制有多种说明，各有所长。由于有机晶体分子间结构松弛，有机闪烁体的发光过程是由单个分子的能级结构确定的，与其物理状态(晶体或溶液)无关。有机晶体大多数由聚合或联苯环构成，苯环碳的四个价电子中，只有两三个与分子的结合很紧密，它们占据了所谓的分子轨道，剩余的电子占据了所谓的分子轨道，可以在分子内自由运动。发光过程主要是由电子跃迁引起的。无机晶体的闪烁过程确定于材料晶格结构与组分的能态(能带与杂质能级等)。这二者有很大的不同。具有电子结构的有机分子能级单一态（自旋为0）三重态（自旋为1）从S0到T1禁戒的一种可能：从S1跳回基态发出荧光，约1ns
5、。多余的能量转变为电子的振动，以热能的形式带走，称为焠息过程。另一种可能：从S1跳到三重态T1，T1为亚稳态（寿命约0.1s）再调回基态，发出磷光（ms),由于两个振动能态之间的能量间隔大于平均热运动能量(0.025eV)，在室温下几乎全部的分子都处于S00态。入射带电粒子穿过上述有机分子旁边并损失能量，使有机分子的电子跃上较高的能态。被激发的较高的单一态电子通过无辐射的内转换快速地(约10-12s)退激到S1电子态。而且，具有多余振动能量的任一电子态(例如S11或S12)又快速地失去多余的能量与四周分子达到热平衡。由于分子振动周期仅10-12s，这一过程也是极快的。总之，在一简洁的有机晶体中
6、，入射带电粒子产生激发的总效果就是经过一段可忽视的短时间后，产生了处于S10态的激发分子群。处于s10态的激发分子群按确定的平均寿命跃回基态并同时发出光子。设用表示s10态的平均寿命，则激发后t时刻单位时间内放射的光子数可表示为 I=I0e-t/其中I0为t0时刻单位时间内从s10态跃回基态而发出的光子数。一般是10-810-9s量级，故由s10跃回基态的发光过程是相当快的，称作荧光。基态s0相应于不同的振动态而具有s00、s01、s03、等能级。当分子由激发态s10跃回基态时，其放射光子的能量为s10与s00、s01、s03等能级的差值。这就确定了荧光的光谱(域称作“放射光谱”)。一般，这都
7、是在可见光与紫外光区域。有机晶体闪烁体：蒽；茋；萘；对联三苯等有机液体闪烁体：在有机溶剂中溶入少量发光物质，称第一发光物质，另外再溶入一些光谱波长转换剂称为其次类发光物质，组成的闪烁体性能的液体。塑料闪烁体：在有机液体苯乙烯中加入第一类发光物质对联三苯和其次发光物质POPOP后聚合形成的塑料。有机闪烁体的种类：有机闪烁体的种类：除此以外，还有利用氩、氙等惰性气体作为气体闪烁体，用作记录裂变产物和重粒子的探测器。2.无机晶体闪烁体的发光机制无机晶体闪烁体的发光机制 无机闪烁晶体的发光机制取决于整个晶体内的电子能态，而不是由单个分子或原子的能级跃迁确定。我们知道，在晶体中，物质原子的电子发生“公有
8、化”效应，它们将不再从属于某个原子，而是属于整个晶体。这些电子的能态不再用原子能级表示，而是用“能带”来描写。如图所示当辐射离子进入闪烁体使晶体原子电离和激发。当辐射离子进入闪烁体使晶体原子电离和激发。电离：结果使得价带中的一些电子由原来位置跃迁过禁带而进电离：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。入导带，成为自由电子，同时在价带中形成空穴。激发：电子也可能跃迁到较低的激带，这时产生的电子空穴激发：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。对称之为激子。激子只能在晶格中束缚在一起运动。导带上
9、的自由电子和价带空穴可以复合成激子，相反，激子也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。可以受热运动而变成自由电子空穴对。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。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。对纯离子晶体，退激发出的光子简洁被晶体自吸取，传输到晶对纯离子晶体，退激发出的光子简洁被晶体自吸取，传输到晶体外的光子很少；体外的光子很少；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，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，这些放射的光子不能被有一般光电倍增管的光阴
10、极不能响应，这些放射的光子不能被有效利用。效利用。在晶体中掺入少量的合适的杂质，让它的激发能级比晶体的在晶体中掺入少量的合适的杂质，让它的激发能级比晶体的导带、激带低，而基态比价态高。导带、激带低，而基态比价态高。称为称为“激活剂激活剂”的杂质在晶格形成特殊的晶格点，并在禁带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，杂质能级就成了发光中心。中形成一些局部能级，杂质能级就成了发光中心。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、空穴将快速迁移到杂质能级的激发态和基态，即使的电子、空穴将快速迁移到杂质能级的激发态和
11、基态，即使杂质原子处于激发状态。杂质原子处于激发状态。激发态的杂质原子有三种可能的退激方式：激发态的杂质原子有三种可能的退激方式：电子从激发态立刻跳回基态，放射出光子，发光的衰减时间通常在电子从激发态立刻跳回基态，放射出光子，发光的衰减时间通常在10-10-7s7s以内，称为以内，称为“荧光荧光”。荧光光子为可见光的范围，且有效地克服了发光。荧光光子为可见光的范围，且有效地克服了发光的自吸取，使晶体的放射光谱和吸取光谱有效的分别。的自吸取，使晶体的放射光谱和吸取光谱有效的分别。电子把激发能转换为晶格的振动电子把激发能转换为晶格的振动(热运动热运动)而到达价带，并不放射光子，而到达价带，并不放射
12、光子，这种过程称为这种过程称为“淬灭过程淬灭过程”。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，然后再通过放射光子而退激，因而发光的衰减时间较长，称之为通过放射光子而退激，因而发光的衰减时间较长，称之为“磷光磷光”。有些。有些陷阱中的电子仅有热运动不能跳入导带，必需由外界赐予能量（如加热、陷阱中的电子仅有热运动不能跳入导带，必需由外界赐予能量（如加热、光照），这叫热释发光和光释放光。光照），这叫热释
13、发光和光释放光。无机晶体闪烁体的种类：无机晶体闪烁体的种类：掺有少量激活剂的无机盐晶体：掺有少量激活剂的无机盐晶体：碘化钠（铊激活）碘化钠（铊激活）NaI（Tl）；碘化铯（铊激活）；碘化铯（铊激活）CsI（Tl）硫化锌（银激活）硫化锌（银激活）ZnS（Ag）玻璃体：玻璃体：锂玻璃（铈激活）锂玻璃（铈激活）LiO22SiO2（Ce）不掺杂纯晶体：不掺杂纯晶体：锗酸铋（锗酸铋（BGO）；钨酸镉（）；钨酸镉（CWO）；氟化钡（）；氟化钡（BaF2）二、闪烁体的物理性质二、闪烁体的物理性质1.放射光谱放射光谱 闪烁体受核辐射激发后所放射的光并不是单色的，而闪烁体受核辐射激发后所放射的光并不是单色的，而
14、是一个连续带。对于每种闪烁体，总可找到一、两种是一个连续带。对于每种闪烁体，总可找到一、两种波长的光，它的放射概率最大，整个光谱是以该波长波长的光，它的放射概率最大，整个光谱是以该波长为中心的一个或数个放射带。闪烁体的技术说明书上为中心的一个或数个放射带。闪烁体的技术说明书上往往给出这个峰位处的波长，称为往往给出这个峰位处的波长，称为“放射光谱最强波放射光谱最强波长长”了解不同闪烁体的放射光谱，主要是为了解决闪烁体了解不同闪烁体的放射光谱，主要是为了解决闪烁体与光电倍增管光谱响应的匹配问题。与光电倍增管光谱响应的匹配问题。几种典型闪烁体的放射光谱2.发光效率发光效率 发光效率是指闪烁体将吸取的
15、射线能量转变为光的比例。发光效率是指闪烁体将吸取的射线能量转变为光的比例。一般运用以下三个量来描述。一般运用以下三个量来描述。光能产额：核辐射在闪烁体中损失单位能量闪烁放射的光光能产额：核辐射在闪烁体中损失单位能量闪烁放射的光子数。当粒子在闪烁体中损失的能量为子数。当粒子在闪烁体中损失的能量为E，闪烁过程发出，闪烁过程发出的总光子数为的总光子数为nph时，则光能产额时，则光能产额它的单位是光子数/兆电子伏（1/MeV）。1/Y表示在闪烁体中每产生一个光子所消耗的核辐射能量。确定闪烁效率：在一次闪烁中，产生的闪烁光子总能量与核辐确定闪烁效率：在一次闪烁中，产生的闪烁光子总能量与核辐射损耗在闪烁体
16、中的能量之比射损耗在闪烁体中的能量之比相对发光效率：运用一种核辐射在不同闪烁体中损失相同能相对发光效率：运用一种核辐射在不同闪烁体中损失相同能量，测量它们的相对脉冲输出幅度或电流进行比较。一般以量，测量它们的相对脉冲输出幅度或电流进行比较。一般以蒽作为标准，如对蒽作为标准，如对射线蒽的相对发光率取，则射线蒽的相对发光率取，则NaI（Tl）为为2.3。.发光时间和发光衰减时间发光时间和发光衰减时间闪烁体发光时间包括闪烁脉冲的上升时间和衰减时间两部闪烁体发光时间包括闪烁脉冲的上升时间和衰减时间两部分。上升时间主要包括带电粒子在闪烁体中耗尽能量所需时分。上升时间主要包括带电粒子在闪烁体中耗尽能量所需
17、时间（一般小于）以及闪烁体内电子激发的时间间（一般小于）以及闪烁体内电子激发的时间（很短，可忽视）。（很短，可忽视）。闪烁体受激后，电子退激发光一般听从指数衰减规律。单位时间发出的光子数（发光强度）：经过时间0，脉冲下降到最大值的1/e，称为闪烁体的发光衰减时间，也称为衰减常数。上述公式对大多数无机闪烁体是正确的，其中0为微小量级。然而对大多数有机闪烁体和少数无机晶体，上式并不正确。试验表明有机闪烁体的发光衰减过程有快、慢两种成分，其衰减规律可表示为：f和s分别为快、慢两种成分的发光衰减时间；f为ns量级s约为数十至数百ns量级，If和Is分别为快、慢成分的发光强度。闪烁体闪烁体f f(ns)
18、(ns)s s(ns)(ns)BaF20.6620芪芪6.2370蒽蒽33370液闪液闪2.4200 对于高强度测量或时间测量的闪烁体，应当要求有尽可能短的发光衰减时间。除了以上几点，运用闪烁体探测器还应考虑以下性质 探测效率；闪烁体透亮度高，尽可能无缺陷，光学匀整度好；可加工性能。易于加工成各种大小和几何形态；闪烁体的发光效率、辨别率和时间特性和温度有关，一般产品说明书中可以查到闪烁体的特性随温度变更的测量值；耐辐照的稳定性；三、几种主要闪烁体三、几种主要闪烁体1.NaI(Tl)1.NaI(Tl)晶体晶体密度大(3.67 gcm3)，含有高原子序数的元素碘，平均原子序数为53，光电效应、康普
19、顿效应和电子对效应的作用截面大，又能制成大体积，对射线和x射线有较大的阻挡本事和探测效率，是目前探测射线最好的闪烁体。能量转换效率高，存NaI中加入0.10.5的Tl时，发光效率最好，相对蒽晶体为230。室温下主峰位波长为4100 A，半高宽约850 A。它的吸取谱峰值在2930A和2340A，因而对放射的光是透亮的，与光电倍增管的匹配较好。室温下发光衰减时间为230 ns。对于质子和电子，NaI(Tl)晶体的光输出与能量的关系基本上是线性的，只有在低能时偏离线件关系。但是对于重离子，其能量线性响应较差。制备简洁，可以加工成各种形态，常用的是圆柱形(最大750250)、井形、环形、薄片形等。N
20、aI(T1)晶体的最大缺点是简洁潮解，吸取空气中水分后会发黄变质而不能运用，所以必需封装在带有光学玻璃窗的容器中，这就给低能测量和重离子测量带来困难。其机械强度差，运用时要防止猛烈振动和冲冲击。对温度变更很灵敏，正常运用温度为-1045，环境温度变更不得超过5h，否则晶体会碎裂。运用完毕，要避光贮存在干燥器皿中。碘化钠晶体封装示意图 NaI(Tl)晶体可做成井型晶体，放射源放入此井内，几何条件接近4立体角，对测量弱放射源特殊有利。2.CsI(Tl)晶体晶体 CsI(Tl)晶体在空气中不潮解，简洁加工成薄片，其主要优晶体在空气中不潮解，简洁加工成薄片，其主要优点在于：点在于：不会潮解，无需封装，
21、运用便利；不会潮解，无需封装，运用便利；密度比密度比NaI更大，探测效率高；更大，探测效率高；简洁做成极薄的蒸发薄膜，对重带电粒子阻挡本事高；简洁做成极薄的蒸发薄膜，对重带电粒子阻挡本事高；机械强度大，耐冲击及振动，耐温度冲击而不易裂开；机械强度大，耐冲击及振动，耐温度冲击而不易裂开；可在混合场中甄别不同粒子；可在混合场中甄别不同粒子；CsI(Tl)晶体的不足之处是光输出小，对射线能量辨别差，价格昂贵。3.ZnS(Ag)闪烁体 ZnS(Ag)发光效率极高，对重带电粒子组织本事大，质量厚度为15mg/cm2的ZnS(Ag)层对210Po的粒子探测效率几乎为100%，但对射线极不灵敏，因此适合在、
22、本底场中用幅度甄别方法测量、p等带电粒子。缺点是ZnS层是半透亮的，只能作 强度测量。4.BGO4.BGO晶体晶体 BGO BGO晶体为晶体为19751975年开发出来的年开发出来的一种优良闪烁体，分子式一种优良闪烁体，分子式 Bi4 Bi4 Ge 3O12 Ge 3O12，BGOBGO晶体对晶体对X X光和光和射射线的线性吸取系数比线的线性吸取系数比NaI(Tl)NaI(Tl)大大得多（见图），对低能得多（见图），对低能X X射线和射线和高能高能射线有特殊高的效率。射线有特殊高的效率。5氟化钡(BaF2)和氟化铈(CeF3)晶体 氟化钡(BaF2)和氟化铈(CeF3)晶体都是快晶体。所谓快晶
23、体是指晶体体具有特殊短的发光衰减时间。BaF2晶体是已知最快的闪烁晶体，三个发光峰的波长为195 nm，220 nm和310 nm，对应的发光衰减时间分别为0.87 ns，0.88 ns和600 ns。通过特制的KCsTe或RbTe光电倍增管可以滤掉慢成分而得到近于纯的快成分信号。与BaF2晶体相比，CeF3晶体具有更高的密度、有两个快成分、无慢成分等优点。氟化钏(BaF2)和氟化铈(CeF3)晶体主要用于探测x射线和射线。用氟化钡(BaF2)和氟化铈(CeF3)晶体做成的XCT已用于核医学成像。6钨酸铅(PWO)晶体 钨酸铅晶体为无色透亮晶体，化学分子式为PbWO4，简写为PWO，折射率为2
24、.16，密度为8.28 gcm3，放射光谱主峰位在4 0005 000 A，易于与光电倍增管匹配。辐射长度为0.89 cm，莫里哀半径为2.2 cm。小潮解，抗辐照。其最大的缺点是光产额较低。它主要应用于高能粒子物理试验中，如CERN的大型强子对撞机LHC上的CMS试验组接受钨酸铅闪烁晶体做电磁量能器，共需约七万根长23 cm的钨酸铅晶体。7.7.锂玻璃闪烁体锂玻璃闪烁体 锂玻璃闪烁体是一种铈激活的含锂硅酸盐玻璃，广泛用于中锂玻璃闪烁体是一种铈激活的含锂硅酸盐玻璃，广泛用于中子探测。用子探测。用LiO22SiO2LiO22SiO2（CeCe）表示，密度为）表示，密度为2.31,2.31,最强放
25、射最强放射波长为波长为395nm395nm，发光衰减时间，发光衰减时间0=500=5070nm70nm，介于有机闪烁体，介于有机闪烁体和无机晶体之间。他的相对光输出相当低，（仅为蒽的和无机晶体之间。他的相对光输出相当低，（仅为蒽的20%-20%-30%30%），但它可以用于恶劣的环境下测量），但它可以用于恶劣的环境下测量和和射线强度。丰射线强度。丰度度90%90%以上的以上的6Li6Li锂玻璃用于中子测量。锂玻璃用于中子测量。由于玻璃中含有自然放射性核素钍和钾，所以不宜用于低水由于玻璃中含有自然放射性核素钍和钾，所以不宜用于低水平测量平测量7.7.其它闪烁体其它闪烁体有机晶体蒽和茋有机晶体蒽和
26、茋 蒽晶体是全部有机闪烁体中发光效率最高的，适合快中蒽晶体是全部有机闪烁体中发光效率最高的，适合快中子和子和射线的探测。茋晶体的光输出较小，但发光衰减时间射线的探测。茋晶体的光输出较小，但发光衰减时间小，仅小，仅6ns6ns，多数用来进行快速时间测量。，多数用来进行快速时间测量。液体闪烁体液体闪烁体 主要用来测量中子及主要用来测量中子及射线，最主要的优点是可将待测射线，最主要的优点是可将待测放射性物质溶于液体闪烁体，造成放射性物质溶于液体闪烁体，造成44几何条件，效率很高。几何条件，效率很高。塑料闪烁体塑料闪烁体 可测量可测量、快中子、质子、宇宙射线及裂变碎、快中子、质子、宇宙射线及裂变碎片，
27、耐辐射性能极好。片，耐辐射性能极好。四、闪烁体的选择四、闪烁体的选择 一般测量一般测量强度时用强度时用ZnS(Ag)闪烁体或闪烁体或CsI(Tl)晶体；晶体；测量测量射线和中子时用有机闪烁体，大多用塑料闪射线和中子时用有机闪烁体，大多用塑料闪烁体，或液体有机闪烁体；测量烁体，或液体有机闪烁体；测量射线用射线用NaI(Tl)或或CsI(Tl)晶体，对低能晶体，对低能X射线或高能射线或高能则用则用BGO。闪烁体的放射光谱应尽可能好地和所用光电倍增管的闪烁体的放射光谱应尽可能好地和所用光电倍增管的光谱响应协作，以获得高的光电子产额。光谱响应协作，以获得高的光电子产额。闪烁体对所测的粒子有较大阻挡本事
28、，使入射粒子在闪烁体对所测的粒子有较大阻挡本事，使入射粒子在闪烁体中损耗较多的能量。闪烁体中损耗较多的能量。闪烁体的发光效率足够高，有较好的透亮度和较小的闪烁体的发光效率足够高，有较好的透亮度和较小的折射率以使闪烁体放射的光子尽量被收集到光电倍折射率以使闪烁体放射的光子尽量被收集到光电倍增管的光阴极上。增管的光阴极上。在作时间辨别计数或短寿命放射性活度测量中，应当在作时间辨别计数或短寿命放射性活度测量中，应当取发光衰减时间短及能量转化效率高的闪烁体。取发光衰减时间短及能量转化效率高的闪烁体。作为能谱测量时，要考虑发光效率对能量响应的线性作为能谱测量时，要考虑发光效率对能量响应的线性范围。范围。
29、五、光的收集与光导五、光的收集与光导反射层反射层 反射层的作用是把闪烁反射层的作用是把闪烁体中向四周放射的光有体中向四周放射的光有效地吸取到光阴极上。效地吸取到光阴极上。一般用作反射层的材料一般用作反射层的材料有：氧化镁、二氧化钛、有：氧化镁、二氧化钛、铝箔、镀铝朔料薄膜，铝箔、镀铝朔料薄膜，聚四氟乙烯带子等。聚四氟乙烯带子等。2.光学耦合剂 闪烁体与光阴极接触的界面中存在空气，为了尽量减小光线在交界面上发生全反射，须要在闪烁体与光电倍增管之间加上一层“耦合剂”，作用是削减光在界面发生全反射。光学耦合剂有硅油、硅脂、甘油、真空泵油等。3.光导 光导的作用是有效地把光传递给光电倍增管的光阴极。返
30、回光电倍增管光电倍增管一、光电倍增管的工作原理：一、光电倍增管的工作原理：从闪烁体出来的光子通过光导射向光电倍增管的光阴极，由于光从闪烁体出来的光子通过光导射向光电倍增管的光阴极，由于光电效应，在光阴极上打出光电子电效应，在光阴极上打出光电子 光电子经电子光学输入系统加速、聚焦后射向第一打拿极，每个光电子经电子光学输入系统加速、聚焦后射向第一打拿极，每个光电子在打拿极上击出几个电子，这些电子射向其次打拿极，再光电子在打拿极上击出几个电子，这些电子射向其次打拿极，再经倍增射向第三打拿极，直到最终一个打拿极，最终射向阳极，经倍增射向第三打拿极，直到最终一个打拿极，最终射向阳极，并在阳极建立电信号输
31、出。并在阳极建立电信号输出。光阴极是接收光子并放出光电子的电极，一般是在真空中把阴极材料蒸发在光学窗的内表面上，形成半透亮的端窗阴极；或蒸发在管壳内侧面和光窗的内表面上形成半透亮的四面窗阴极；有的蒸发在离管壳内确定距离处的金属基底上，形成不透亮阴极 光阴极产生的光电子经过电子光学输入系统的加速，聚焦被收集到打拿极D1上，进行倍增放大。对于大面积的光阴极和要求较好的时间特性的管子，输入系统是要细致考虑的。n光阴极：以碱金属为主要成分，要求光电效应概率大，光电光阴极：以碱金属为主要成分，要求光电效应概率大，光电子逸出功小。常用的光阴极材料种类：子逸出功小。常用的光阴极材料种类：n锑铯化合物（锑铯化
32、合物（Sb-CsSb-Cs），光谱），光谱350nm-650nm350nm-650nm，电阻比双碱低，电阻比双碱低，适于大电流流过光阴极的场合，主要用于反射型光阴极。适于大电流流过光阴极的场合，主要用于反射型光阴极。n双碱（双碱（Sb-Rb-CsSb-Rb-Cs，Sb-K-CsSb-K-Cs与与Sb-CsSb-Cs）灵敏度高，暗电流小。）灵敏度高，暗电流小。光谱光谱300nm-550nm300nm-550nm。另一种双碱（。另一种双碱（Sb-Na-KSb-Na-K），耐高温），耐高温175175，用于石油勘探等高温场合。室温下暗电流特殊小，用于单，用于石油勘探等高温场合。室温下暗电流特殊小，用
33、于单粒子测量和低噪声测量。粒子测量和低噪声测量。nCs-ICs-I对太阳光不灵敏，灵敏波长对太阳光不灵敏，灵敏波长115nm-200nm115nm-200nm。n多碱（多碱（Cs-Na-K-CsCs-Na-K-Cs），从紫外到），从紫外到850nm850nm的宽光谱，多用于氮的宽光谱，多用于氮氧化合物的化学发光探测。氧化合物的化学发光探测。nAg-O-Cs,300nm-1200nm,Ag-O-Cs,300nm-1200nm,用于红外探测。用于红外探测。n光学窗：有端面窗、侧面窗、凹面窗、球面窗等。常用光学窗：有端面窗、侧面窗、凹面窗、球面窗等。常用材料有钙玻璃、硼硅玻璃、透紫玻璃、合成石英、蓝
34、宝石、材料有钙玻璃、硼硅玻璃、透紫玻璃、合成石英、蓝宝石、氟化镁晶体、氟化锂等。氟化镁晶体、氟化锂等。n打拿极：二次放射系数大，热电子及光电子放射小，大打拿极：二次放射系数大，热电子及光电子放射小，大电流工作时稳定性好，能有效收集由前一级来的二次电子，电流工作时稳定性好，能有效收集由前一级来的二次电子，并能有效地将其倍增产生的二次电子送到下一级。并能有效地将其倍增产生的二次电子送到下一级。n阳极：最终收集电子并给出电信号的电极，阳极要求接阳极：最终收集电子并给出电信号的电极，阳极要求接受电子脱出功较大的材料，如镍、钼、铌等，一般做成网受电子脱出功较大的材料，如镍、钼、铌等，一般做成网状。具有位
35、置探测功能的十字形金属丝阳极和状。具有位置探测功能的十字形金属丝阳极和88（64个个像素、像素、1616（256个像素）阵列多阳极。个像素）阵列多阳极。光电倍增管可分为“聚焦性”和“非聚焦性”两类聚焦性；聚焦性结构的电子渡越时间分散小，时间辨别好，能量辨别好。脉冲线性电流大，极间电压的变更对增益的影响大，适用于要求时间响应较快的闪烁计数器。环环状状聚聚焦焦性性直直线线聚聚焦焦性性国产国产GDB30、35、19美国美国RCA型型2.非聚焦性百叶窗式百叶窗式盒栅式盒栅式度越时间及其分散都较大。优点：度越时间及其分散都较大。优点：暗电流小输出电流大，能量辨别好。暗电流小输出电流大，能量辨别好。大部分
36、国产管子和英国大部分国产管子和英国EMI。时间和能量特性都差，但结构简洁，时间和能量特性都差，但结构简洁，易于制造。多用于一般的技术测量。易于制造。多用于一般的技术测量。3.微通道板微通道板 通道电子倍增器分为单通道电子倍增器（通道电子倍增器分为单通道电子倍增器（Channeltron CEM)和和多通道电子倍增器（多通道电子倍增器（Multichannel MCP 称微通道板）两大类。称微通道板）两大类。通道电子倍增器：长度远大于直径的空心管道构成，通道内表面通道电子倍增器：长度远大于直径的空心管道构成，通道内表面电阻大电阻大1091011，二次电子放射系数，二次电子放射系数3.当两端加高压
37、时，当两端加高压时，形成连续的倍增极。形成连续的倍增极。形态大致有两种：直线型和弯管型。形态大致有两种：直线型和弯管型。3kV材料要求：二次电子放射系数材料要求：二次电子放射系数大；电阻层匀整合适；化学稳大；电阻层匀整合适；化学稳定性好；蒸气压低。常用材料定性好；蒸气压低。常用材料玻璃半导体、陶瓷半导体和有玻璃半导体、陶瓷半导体和有机半导体。机半导体。微通道板是微通道板是20世纪世纪70年头在单通道电子倍增器的基础年头在单通道电子倍增器的基础上发展起来的。由于通道电子倍增器的增益仅与通道长度与上发展起来的。由于通道电子倍增器的增益仅与通道长度与直径之比有关，而与管子的直径大小无关，所以可以把管
38、子直径之比有关，而与管子的直径大小无关，所以可以把管子缩小到工艺所能达到的程度，即微通道。典型的通道长度与缩小到工艺所能达到的程度，即微通道。典型的通道长度与直径之比为直径之比为40，在每平方厘米的面积上可以做到，在每平方厘米的面积上可以做到50万个直万个直径为径为15m的通道。的通道。通道板具有结构简洁、尺寸小、增益高、时间响应快和通道板具有结构简洁、尺寸小、增益高、时间响应快和空间辨别高等特点。空间辨别高等特点。在微通道板前面加一块光阴极板，便做成光电倍增管。在微通道板前面加一块光阴极板，便做成光电倍增管。和光电倍增管比较，增益和能量辨别没有太大的改进，但时和光电倍增管比较，增益和能量辨别
39、没有太大的改进，但时间特性要好很多。另外，对磁场不敏感。间特性要好很多。另外，对磁场不敏感。二、分压器二、分压器光电倍增管中各电极电位由外加电阻分压器抽头供应光电倍增管中各电极电位由外加电阻分压器抽头供应正高压电路负高压电路A型的特点是阴极和第一打拿极之间有很高的电压(几乎占全部供电电压的四分之一)，这样第一打拿极的倍增系数(1)很大，对能量辨别、整个光电倍增管的增益都是有利的。其他极间电压维持一常数。所以A型有较大的增益，适合于能量辨别测量或做触发计数器。（高增益型）对B型，极问电压值逐步上升，特殊是最终几级打拿极及阳极，极间电压很高，这就削减了空间电荷及负脉冲引起的电压下降的影响，因而有较
40、好的输出电流线性。这里，阴极和第一打拿极之间的电压还不到全部电压的七分之一，因而增益变小了。（线性型）对C型，阴极和第一打拿级之间电压较高(占全部电压五分之一左右)，最终两级极问电压也较高，这样的条件有利于电子的收集，削减渡越时间涨落，即具有较好的时间辨别特性，适于做飞行时间测量。（时间型）1.1.阴极阴极-第一打拿极之间的电压：维持阴极与第一打拿极之间适当高的电第一打拿极之间的电压：维持阴极与第一打拿极之间适当高的电压有利于提高信噪比和能量辨别率。适当调整它们之间的电位分布，可压有利于提高信噪比和能量辨别率。适当调整它们之间的电位分布，可以使大部分光电子都能顺当到达第一打拿极有效面上，从而获
41、得最大的以使大部分光电子都能顺当到达第一打拿极有效面上，从而获得最大的收集效率收集效率gcgc。2.2.中间打拿极：一般接受匀整分压器，其电压确定值大小可依据须要的放中间打拿极：一般接受匀整分压器，其电压确定值大小可依据须要的放大倍数调整。大倍数调整。3.3.最末几级打拿极间电压：运用非匀整分压器使最末二、三级打拿极之间最末几级打拿极间电压：运用非匀整分压器使最末二、三级打拿极之间有较高的电压，以避开空间电荷效应。为了在最终几个打拿极上因脉冲有较高的电压，以避开空间电荷效应。为了在最终几个打拿极上因脉冲电流过大而使极间电压下降，在分压电阻上并联旁路电容。电流过大而使极间电压下降，在分压电阻上并
42、联旁路电容。4.4.末级打拿极和阳极之间电压：阳极仅收集电子，打拿极和阳极之间电压末级打拿极和阳极之间电压：阳极仅收集电子，打拿极和阳极之间电压一般取得较低。分压器的电阻应当具有小的温度系数和较高的稳定性，一般取得较低。分压器的电阻应当具有小的温度系数和较高的稳定性，实际耗散功率比额定功率小。实际耗散功率比额定功率小。三、主要指标三、主要指标光电转换特性光电转换特性 光阴极的光谱响应：光阴光阴极的光谱响应：光阴极受到光照射后放射光电极受到光照射后放射光电子的概率是波长的函数，子的概率是波长的函数，称为光谱响应。光阴极上称为光谱响应。光阴极上放射光电子数和入射光子放射光电子数和入射光子数的比值称
43、为量子转换效数的比值称为量子转换效率，简称量子效率，它是率，简称量子效率，它是波长的函数，用波长的函数，用Qk()表表示。不同光阴极放射层和示。不同光阴极放射层和窗材料的光谱响应见右图。窗材料的光谱响应见右图。光阴极光照灵敏度：实际光阴极光照灵敏度：实际操作中用确定光通量操作中用确定光通量F的的白光照射阴极所能获得的白光照射阴极所能获得的光电子流光电子流ik称为光阴极光称为光阴极光照灵敏度。照灵敏度。2.电子倍增特性电子倍增特性3.光电倍增管的放大倍数M:从光阴极射出，到达第一打拿极的一个电子，经过多次倍增后在阳极得到的电子数。阳极接收到的电子数第一打拿极收集到的电子数在志向状况下一般可写成：
44、是平均的二次放射系数，n为打拿极级数。假如打拿极电子传递效率为g则：阳极光照灵敏度S：阳极电流is入射到阴极的光通量3.噪声或暗电流噪声或暗电流4.热放射热放射;5.欧姆漏电欧姆漏电;6.残余气体电离残余气体电离;7.场致放射场致放射;8.切伦科夫光子；切伦科夫光子；9.玻璃管壳放电和玻璃荧光；玻璃管壳放电和玻璃荧光；10.光阴极曝光；光阴极曝光；11.光阴极曝光；光阴极曝光；4.光电倍增管时间特性光电倍增管时间特性 光电倍增管光阴极接收光信号并不能立刻建立电信号，光电子从光阴极到达阳极的时间称为光电倍增管的渡越时间。光电倍增管脉冲上升时间tr：应用函数光源照射阴极，从阳极电流脉冲前沿峰值的1
45、0%上升到90%所须要的时间。脉冲的半高宽为时间响应宽度tpm。渡越时间：函数光源的闪光到达阴极瞬间与阳极输出脉冲到达峰值时刻之间的时间间隔。光电倍增管时间辨别本事：多次重复用函数光源照射光阴极，渡越时间谱最大值一半处的全宽度，它限制了光电倍增管对事务发生时刻的精确测量。返回 闪烁体耦合光电倍增管，配以电子学仪器，就是闪烁计数器。其应用可归结为：1.能谱测量；2.强度测量；3.时间测量；4.计量测量；闪烁计数器:一、闪烁体探测器的脉冲输出一、闪烁体探测器的脉冲输出 核辐射进入闪烁体，到光电倍增管阳极负载建立电核辐射进入闪烁体，到光电倍增管阳极负载建立电压脉冲，一共阅历五个过程：压脉冲，一共阅历
46、五个过程：闪烁体中带电粒子或者闪烁体中带电粒子或者射线产生次级电子引起闪烁射线产生次级电子引起闪烁体电离、激发。设入射粒子能量为体电离、激发。设入射粒子能量为E0，则在闪烁体，则在闪烁体中损失的能量中损失的能量 E=E0 A A表示入射粒子能量留在闪烁体中的份额。表示入射粒子能量留在闪烁体中的份额。2.损失在闪烁体中的能量E使闪烁体放射光子 因为发光效率是波长的函数，定义微分发光（闪烁）效率Cnp()d，即闪烁产生的光子波长在+d之间的光子能量与E之比。发光总效率为：同时，闪烁体放射光子的光谱形态Ps()由下式确定：a为归一化常数【Cnp()表示损失单位能量，放射波长为的光子的能量】在闪烁体中
47、产生的波长为+d之间的光子数为：放射的总光子数为上式积分或写成为对放射光谱光子的平均能量3.闪烁光子不能全部到达光阴极，其损失有三种可能：4.闪烁体壁的吸取;5.闪烁体对荧光光子的自吸取；6.光导系统中的吸取及全反射；7.能够到达光阴极的光子数为Fphnph。Fph为光阴极的收集效率。4.光子到达光阴极，然后放射光电子，所产生的光电子数为：5.dnek=FphQk()dnph6.Qk()为光阴极对波长为的光子的量子效率（即转换效率）。7.若第一打拿极的收集效率为gc（一般为0.9），则第一打拿极收集到的光电子为 dne=gc dnek8.第一打拿极在一次闪烁过程中收集到的总电子数为：积分项用以
48、表示量度闪烁体放射光谱与光阴极量子效率之间的匹配程度。NaI(Tl)、CsI(Tl)和BGO发光光谱与S-11材料做成的光阴极的光电倍增之间的匹配状况 由图知，覆盖或重叠部分越大，匹配越好，输出的光电子越多，脉冲幅度越大。可将ne改写为：ne表达式为：积分项就是量子效率Qk（）对放射光谱的平均值因此其中，为平均光电转换效率光电转换效率。5.第一打拿极上收集的光电子经过光电倍增管放大M倍，在阳极上所收集到的总电荷 e为电子电荷。考虑到闪烁体放射的总光子数nph和光电倍增管放大倍数M都有涨落，故：可以看出，闪烁探测器输出脉冲信号的电荷量可以看出，闪烁探测器输出脉冲信号的电荷量q q与入射粒子在与入
49、射粒子在闪烁体内损耗的能量闪烁体内损耗的能量E E成正比的。成正比的。为了获得较大的脉冲幅度和较高的能量辨别率：增大闪烁体的体积使A增大；选择发光效率Cnp大的闪烁体；选择反射系数大的反射层以及性能良好的光导系统，提高光子的收集效率Fph；调整光电倍增管前几级的分压电阻，使静电聚焦系统获得尽可能大的收集效率gc；选择与闪烁体匹配较好的光电倍增管，尽可能增大Qk。输出脉冲信号的输出脉冲信号的电荷量电荷量电荷量电荷量1 1、光电倍增管输出信号的光电倍增管输出信号的总电荷量总电荷量总电荷量总电荷量取决于取决于：闪烁体发出的闪烁光子数：闪烁体发出的闪烁光子数：光子被光子被收集到光阴极收集到光阴极收集到
50、光阴极收集到光阴极上的上的概率概率概率概率：光阴极光阴极的的转换效率转换效率转换效率转换效率：光电子被光电子被第一打拿极第一打拿极收集的收集的概率概率：光电倍增管总的光电倍增管总的倍增系数倍增系数倍增系数倍增系数：2 2、第一打拿极第一打拿极收集到的收集到的光电子数光电子数光电子数光电子数为：为：3 3、阳极阳极收集到的收集到的电子数电子数电子数电子数为：为：4 4、阳极阳极收集到的收集到的总电荷量总电荷量总电荷量总电荷量为：为：可以看出，闪烁探测器输出脉冲信号的电荷量可以看出，闪烁探测器输出脉冲信号的电荷量Q Q是与入射粒子在是与入射粒子在闪烁体内损耗的能量闪烁体内损耗的能量E E成正比的成