闪烁探测器探测原理
闪烁探测器由闪烁体,光电倍增管,电源和放大器,分析器,定标器系统组成,现代闪烁探测器往往配备有计算机系统来处理测量结果。
当射线通过闪烁体时,闪烁体被射线电离、激发,并发出一定波长的光,这些光子射到光电倍增管的光阴极上发生光电效应而释放出电子,电子流经电倍增管多级阴极线路逐级放大后或为电脉冲,输入电子线路部分,而后由定标器记录下来。光阴极产生的电子数量与照射到它上面的光子数量成正比例,即放射性同位素的量越多,在闪烁体上引起闪光次数就越多,从而仪器记录的脉冲次数就越多。
闪烁探测器测量的结果可用计数率,即射线每分钟的计数次数(cpm)表示,现代计数装置通常可以同时给出衰变率,即射线每分钟的衰变次数(dpm)、计数效率(E)、测量误差等数据。
闪烁探测器的结构组成
1、闪烁体
闪烁探测器的闪烁体是能吸收高能粒子或射线发出可见光子的材料。无机闪烁体(如Nal(Tl),ZnS(Ag))几乎是100%透明的,有机闪烁体(如蒽,塑料闪烁体,液体闪烁体)一般来说透明性较差。
闪烁体在受到高能粒子激发后发射的光谱应在可见光区,在实际应用上接受光子主要有两种方式:一种是光电倍增管,另一种是光电二极管。光电倍增管的光谱响应灵敏度在430~470nm,光电二极管的光谱响应灵敏度在500~530nm,闪烁体的发射光谱应尽可能与之相匹配,才能获得高的灵敏度和高效率。
NaI(Tl)晶体自1948年问世以来至今仍闪烁探测器是探测X射线、γ射线和α射线最重要的闪烁体,其特点为:①密度大(3.67g/cm3),平均原子序数53,对γ射线和X射线有较大的阻止本领;②能量转换效率高,是已知无机闪烁体中发光强度最高的材料,其分辨率在10%以下,分辨率强;③发射峰值波长为415nm,晶体在发光范围是透明的。与光电倍增管的匹配较好,对γ射线能量大于150KeV时,效应是线性的:④发光衰减时间短。
CsI(Tl)晶体除发光效率低于NaI(Tl)以外,其它性能均优于NaI(Tl)。CsI(Tl)的发射波长为565nm,与半导体光电二极管匹配很好,在安检领域采用较多,但余辉较长,快速检查如车载货物检查,图像模糊分辨不清。
2、光电倍增管
光电倍增管是闪烁探测器的最重要部件之一。其组成成份是光阴极和倍增电极,光阴极的作用是将闪烁体的光信号转换成电信号,倍增电极则充当一个放大倍数大于106的放大器,光阴极上产生的电子经加速作用飞到倍增电极上,每个倍增电极上均发生电子的倍增现象,倍增极的培增系数与所加电压成正比例,所以光电倍增管的供电电源必须非常稳定,保证倍增系数的变化最小,在没有入射的射线时,光电倍增管自身由于热发射而产生的电子倍增称为暗电流。用光电倍增管探测低能核辐射时,必须减小暗电流。保持测量空间环境内较低的室温,是减小光电倍增管暗电流的有效方法。
此外,光电二极管也是闪烁探测器常用的器件。PIN光敏二极管又称快速光电二极管,在原理上和普通光电二极管一样,所不同的是它的结构是在P型半导体和N型半导体间夹着一层较厚的高阻n型硅片做i层,它具有响应速度快、灵敏度高、长波响应率大的特点。CsI(Tl)晶体的荧光光谱和光敏二极管的吸收光谱比较匹配,而且光产额较高,这样闪烁晶体和光探测器的组合比较有利于实现对γ射线能谱的测量。实验中使用的CsI(Tl)晶体为10×10×10mm的正方体,PIN光敏二极管是10×10mm,CsI晶体用Teflon膜包裹,提高光的收集效率,闪烁晶体和光敏二极管之间用硅油耦合。
光电倍增管探测器要求的实验条件比较苛刻,相比之下光敏二极管探测器的体积较小,而且不要求高压,所以可用作小型的γ射线探测器,在γ射线探测方面有很广泛的应用前景。
3、电子分析系统
闪烁探测器测量系统,一般的电子学测量系统包括interwetten与威廉的赔率体系 信号获取或处理,模数变换以及数据量的获取和处理等三部分。射线经闪烁晶体后转变成光信号,经光电倍增管(或PIN光电二极管)转变成电信号,输出的信号经过放大、滤波成形或其它处理后,变换成数字量才能用数字系统进行统计、分析和数据处理。现在广泛使用的计算机多道分析器有很多的数据获取和处理功能,数据经过分析处理,给出最后的实验结果。
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