第四章 闪烁探测器—-闪烁体、选择原则、光收集系统、PMT、替代产品

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1. 电离后的次级电离产生激发/直接激发 $⟶$ 退激 $⟶$ 荧光/磷光 $⟶$ 通过反射层聚集光 $⟶$ 光电倍增管(光阴极光电效应、倍增) $⟶$ 电信号
2. 荧光：半衰期短，直接退激
   磷光：半衰期长一点点，退激到中间态，再退激；波长不同，可用滤波器过滤。
   

产生一个光子/离子对所需能量：
闪烁体：300eV
气体：30eV
半导体：3eV

而受电子学影响，气体探测器和闪烁体探测器的分辨率可能差不多。

探头：实用上，闪烁体+光电倍增管+分压器+射线跟随器，暗盒内！
有时在光电倍增管周围包上坡莫合金，磁屏蔽。

闪烁体

• 分类

1. 无机：(晶体)
   NaI(Tl)、
   CsI(Tl)、
   ZnS(Ag) 夜光粉、
   BGO 锗酸铋 、
   锂玻璃 、
   CdWO3 钨酸镉 高能用 、
   溴化镧(铈) 能量分别率极高 、 CaF2(Eu) & BaF2 时间测量，最快，0.6ns
   
   
   
   
   
   
   
2. 有机：(一般非晶体)
   蒽晶体 做标准，小，易碎、
   有机液体 效率高，测低本底、
   塑料 安检时用
   
   
   

• 发光机制
  价带$⟶$激带(穿越 禁带)$⟶$导带$⟶$退激
  参杂元素，是为了构成激带、降低自吸收、分开吸收和发射光谱。
  一般，稀有元素，eg, Tl,Ag,等，外电子分布复杂，基本只加一个元素，就能把禁带层层分布满。
  若吸收光谱与其发射光谱大部分重合，则只有少部分“逃出”，被探测。加入稀有元素之后，可以使两谱分开。
  
  
  
  
• 发光效率
  吸收的能量转变为光的比例。
  历史原因，许多定义，主要为以下三种：
  
  

1. 光能产额
   损失单位能量发射的光子数。
   $$Y_{ph}=\frac{n_{ph}}{E}(1/MeV)$$
   $\frac{1}{Y_{ph}}$ : 产生一个光子所需能量。
   
   
   
2. 绝对闪烁效率(发光效率)
   能量转化率；
   损失的能量中，多少是给产生光子用了。np——: nuclear–> photon
   $$C_{np}=\frac{E_{pb}}{E}$$
   相同能量、不同种类粒子，$c_{np}$不同。
   假如整个发射光谱的光子平均能量为$\overline{hv}$,有：
   $$C_{np}=Y_{ph}\cdot \overline{hv}$$
   
   
   
   
   
   
3. 相对发光效率
   一般与蒽晶体比较。
   同一种辐射、相同损失能量，测量相对脉冲输出幅度 or 电流。
   
   

• 发射光谱

1. 闪烁体发射的光，连续光谱；
2. 了解不同闪烁体的发射光谱，为了匹配闪烁体与光电倍增管！

• 光衰减
  指数衰减
  

1. 光衰减时间(衰减常数)：光强度降低到$\frac{1}{e}$时的t。
2. 余晖：磷光，
3. 光衰减曲线：
   $\alpha$的LET较大，$\beta$需要转化成电子，电子的LET又小于$\alpha$，所以其光衰减时间较长。
   
   
   

常用闪烁体

NaI(Tl)

1. 极易潮解，类似NaCl，必须密封， 光学玻璃板密封。不适用于潮湿环境，性能相当不稳定。
2. 便宜，性能相对优异、大块
3. 发光效率高，相对系数2.3
4. 可作为标准对比物
   
   

CsI(Tl)

NaI的升级版；

1. 不易潮解，性能差不多；
2. 使用率偏低：1.贵；2.与光电倍增管的匹配性低；
3. 密度大、Z大，对$\gamma$的吸收好。 在CT中，检测X光，很薄，成像用。

ZnS(Ag)

有机液体

塑料闪烁体

BGO 锗酸铋

探测$\gamma$效率最高，高能
纯晶体
常和BGNA（中子活化分析搭配使用）

溴化镧（铈）

选择原则 ( ！)

1. 不同辐射类型：
   BGO：高能$\gamma$
   有机闪烁体：$\beta ,\alpha$,n
   NaI,CsI,BGO,铈:$\gamma$
   ZnS(Ag)、CsI(Tl)：$\alpha$
   
   
   
   
2. 与PMT的光谱匹配
3. 阻止本领高
4. 发光效率up，光能产额up
5. 发光衰减时间down

光收集系统 ( ！)

使闪烁体发射的光，有效地收集到光阴极上。

1. 反射层：打毛$⟶$漫反射$⟶$涂MgO
2. 光学耦合(剂)： 防止空气中光密进光疏产生的全反射
   硅油，光更多的出来
   要注意光学耦合剂对闪烁晶体的腐蚀性问题。
   
   

为什么不用水？1. 水跟硅油和硅脂比起来密度相差不大，但易挥发，耦合效果不好。2. 耦合剂有粘性会使探头耦合的更紧密，这有利于光的传输。3. 硅油和硅脂在高温或环境变化大的情况下依然可以工作。这点水肯定做不到了；4. 有些闪烁体易潮解，更要远离水了。

3. 光导：类似光纤，全反射，连接闪烁体和光电倍增管

光电倍增管PMT

类型

1. 外观：
   side-on type
   head-on type
   
   
2. 光阴极类型：
   reflection mode (环状)
   transmission mode (直线)
   百叶窗式
   
   
   

噪声

理论：射线 $⟶$ 光能(100%) $⟶$ 光子个数 $⟶$ 收集(a%) $⟶$ 光阴极光电效应(b%) $⟶$ 倍增(X倍)
这些百分比、倍数都是固定的，(微观随机，宏观固定)，所以可以推出入射粒子的能量。
实际上存在暗电流(噪声)。
暗电流：PMT完全隔绝辐照时，产生的阳极电流。
产生来源：

1. 热发射：热电子
2. 欧姆漏电：工艺问题、管子不干净、有杂质
3. 残余气体电离：真空没干净
4. 场致发射：带脑子会聚集在尖端出，工艺问题
5. 切伦科夫光子：
   在透明介质中，带电粒子的速度，大于，光子在其中的速度，会发出可见光(蓝绿光)。
   该光子无放射性，但是发出该光子的物质有放射性！
   eg.乏燃料池内，黑暗环境下，常见水中发着幽蓝色的光。
   
   
   
6. 玻璃管壳放电、玻璃荧光
7. 光阴极曝光：提前曝光了，使其进入激发态，再测量。

渡越时间

一个光电子，从光阴极到阳极的平均时间。

PMT的替代产品

PMT易碎。

1. MCP，微通道板
   也易碎；
   左侧的圆形，是微通道板。
   channel，在板内是由坡度的。类似光阴极和打拿极，起扩大作用。厚度就几个mm。
   一层不够用，可以再按照倾斜角度，再加一层。
   
   
   
   

2. MPPC/Si-pm，硅雪崩放大管
   很小很薄，3mm$\times $3mm，但是却有多达18000个雪崩管，近似成电。
   可联系光强和电子数量。
   不易碎。