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闪烁探测器基础篇

发布时间:2019-04-01 编辑:霍宏伟

原理及组成

当电离辐射射线入射到闪烁体上时,闪烁体会产生衰减时间短的荧光,叫做闪烁光。例如γ射线与闪烁体相互作用,产生三种效应:光电效应、康普顿效应以及电子对生成效应。这些作用发生的概率是根据闪烁体的种类和γ线的能量而异的。

在γ射线低能量区域时,光电效应占主导地位,但在高能量区域,电子对生成效应的影响变大。在光电效应中,因为γ线将全部能量都给了轨道电子,所以光电效应生的荧光量和γ线的能量成正比。并且光电倍增管输出的电荷量跟接收的量跟接收的光量成正比,所以光电倍增管输出脉冲幅度和射线的能量成正比。相应的,一支由闪烁体和光电倍增管组合而成的闪烁探测器,通过测试光电倍增管输出脉冲的度和计数率就可以知道射线的能量和辐射强度。

在闪烁计数法中有两种测量方法:一是使用脉冲高度分析器测量能谱的能谱分析法,二是不使用脉冲高度分析器的计数法。

闪烁计数法的典型原理图如图1所示。



1闪烁计数法原理图及脉冲高度分布

 

性能特性


  • 1. 能量分辨率


在能谱分析法中,甄别不同脉冲信号度的能力是非常重要的一个特性。通常用能量分辨率或脉冲度分辨率来评价这个特性。

能量分辨率的定义由下面的公式和图2表示,一般用百分比表示。

R=△P/P

其中,R表示能量分辨率,P表示光电峰值,△P表示半高宽【峰值高度(H)的一半(H/2)处的宽度】。



能量分辨率的定义



  • 2. 本底计数


闪烁计数法中的脉冲信号,一般都是同时由数个光电子产生的。信号脉冲幅度比大部分暗噪声脉冲幅度都要大,因此可以使用脉冲幅度甄别器把幅度小的大部分暗噪声脉冲除去。闪烁计数测试中将高脉冲幅度噪音信号误认为脉冲信号是主要的问题,因此要用甄别的方法将它除去。

高脉冲幅度噪音主要是宇宙射线所致,在低水平的放射测试里就成为问题。在光电倍增管中使用的硼硅玻璃中含有40K,其γ线的能量为1.46MeV;还有 U、Th系列的放射性杂质,这也是高幅度脉冲噪音的原因。高能物理实验等使用的光电倍增管,要求使用放射性杂质含量极低的材料制造。

为了屏蔽宇宙射线的影响,很多高能物理实验站建在宇宙射线到达不了的地下深处;同时对光电倍增管的放射性杂质的含量也提出了严格的要求。这样才有可能测到入射几率极低的研究对象。


  • 3. 坪特性


在闪烁计数法中,坪特性是很重要的一个特性。其具体意义是指,阈值一定时,在某一区域内提高光电倍增管的工作电压,测得的超过阈值以上的脉冲数基本上不随外加高压变化而改变的特性,通常把这一区域称为坪区。闪烁计数器的“坪”不是光电倍增管的特性,而是闪烁计数器在一定条件下所具有的特性,只有在一定电压范围内光电倍增管输出全部信号幅度大于仪器的甄别阈而噪声幅度又小于甄别阈时,才产生计数 “坪”。很显然这种坪与核辐射能量、闪烁体和光电倍增管的性能、仪器的放大倍数和甄别阈等因素有关。图3是使用55Fe NaI(Tl)时的坪特性曲线。



坪特性(55Fe和NaI的组合)


用闪烁计数器测量辐射强度时,选择在坪区工作非常重要。即使仪器及光电倍增管工作温度和性能有一定变化,仪器长期工作也能比较稳定。此外,坪区宽,也不容易受到输出和暗计数变化的影响。



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