§6-1 闪烁探测器的工作原理 §6-2 闪烁体 §6-3 光电倍增管 §6-4 光收集系统 §6-5 闪烁探测器的应用

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1 §6-1 闪烁探测器的工作原理 §6-2 闪烁体 §6-3 光电倍增管 §6-4 光收集系统 §6-5 闪烁探测器的应用
第六章 闪烁探测器 §6-1 闪烁探测器的工作原理 §6-2 闪烁体 §6-3 光电倍增管 §6-4 光收集系统 §6-5 闪烁探测器的应用

2 §6-1闪烁探测器的工作原理 一、典型的闪烁探测器装置 2018/11/14 粒子探测

3 二、工作原理 入射粒子进到闪烁体内，使闪烁体的原子分子电离和激发，受激原子分子退激发时发光，称作荧光。荧光光子打到光电倍增管的光阴极上转换成光电子，光电子在光电倍增管中倍增，最后被阳极收集，输出电压或电流脉冲，被电子学仪器记录。 激发：带电粒子进入闪烁体通过库仑作用直接使闪烁体原子分子电离和激发从而损失能量；若是X射线和射线入射，则通过光电效应、康普顿效应和电子对效应损失能量产生次级带电粒子，次级带电粒子再使闪烁体原子分子电离和激发。 设入射粒子能量为Ei, 在闪烁体内损失的能量为 如K1=1，则入射粒子能量完全损失在闪烁体内； 如K1<1，则有一部分粒子跑出闪烁体。 退激：设发射光子的几率为P，产生光子的平均能量为hv, 则发射光子的数目 2018/11/14 粒子探测

4 光的传输：光子通过闪烁体和光导，到达光电倍增管的光阴极，有一部分在传输过程中会被吸收或被散射而无法到达光阴极。
设光子的传输系数为l，则到达光阴极的光子数R’＝lR。希望l尽可能大，就要求闪烁体的发射光谱和吸收光谱不重合，使闪烁体发射的光子尽量少自吸收，并在闪烁体和光电倍增管之间加光导。 光电转换：光阴极吸收光子发射光电子。设光电转换效率为，从光阴极到第一倍增极的电子传输系数为q，则光阴极发射到第一倍增极的光电子数 倍增：光电子在光电倍增管中倍增，最后在阳极被收集。设光电倍增管的倍增系数为M，则在阳极得到MN个电子，相应的电荷为 Q＝MNe，输出电容为C，则电压脉冲 2018/11/14 粒子探测

5 输出：形成的电压脉冲经射极跟随器或前置放大器输出，被一套电子学仪器放大、分析和记录。
输出脉冲与入射粒子能量成正比。 增大输出脉冲幅度的方法： 1）选择光产额大的晶体； 2）提高光阴极光电转换效率； 3）提高电子传输系数 q； 4）提高光电倍增管的放大倍数M。 2018/11/14 粒子探测

6 2018/11/14 粒子探测

7 §6-2 闪烁体 一、闪烁体的基本特性 1、发光效率：表示闪烁体把所吸收的粒子能量转变为光的本领。可用两个量来表示。
§6-2 闪烁体 一、闪烁体的基本特性 1、发光效率：表示闪烁体把所吸收的粒子能量转变为光的本领。可用两个量来表示。 1）光输出S：定义在一次闪烁过程中传输的光子数目R和入射粒子在闪烁体内损失的能量E之比。 2）能量转换效率P：定义一次闪烁过程中产生的光子总能量和入射粒子损失能量之比。 3）光输出和能量转换效率这两个量的绝对测量很复杂，实际中往往与标准闪烁体蒽晶体相比较给出相对值。 2018/11/14 粒子探测

8 3、发射光谱：闪烁体发射的光子数随波长的分布称作闪烁体的发射光谱。
2、能量响应：表示输出脉冲幅度与入射粒子能量之间的关系。闪烁探测器的能量响应线性并不好，既与入射粒子种类（电荷和质量）有关，又与粒子能量有关。只在较高能量情况下才近似线性关系。气体闪烁体最好，无机闪烁体次之，有机闪烁体最差。 3、发射光谱：闪烁体发射的光子数随波长的分布称作闪烁体的发射光谱。 1）图表法：常给出的是光致发光光谱。P238图6.2.2 闪烁体在受到高能粒子激 发后发射的光谱在可见光 区。不同的闪烁体和不同 的入射粒子，其光谱特性 不同。 2018/11/14 粒子探测

9 4、发光衰减时间 2）平均波长或平均能量表示法： 如NaI(Tl)晶体， 3）用主峰位波长0和半高宽表示：
闪烁体原子受激后发射光子的增加和退激后光子的衰减都是随时间按指数规律变化。由于光子产生的过程比衰减过程快得多，光子产生过程可忽略，用发光的衰减过程来描述整个过程。 不同闪烁体有不同发光衰减时间，有快慢成分之分，近似表示为 相应的平均能量 2018/11/14 粒子探测

10 4、发光衰减时间 对同一闪烁休，τ与入射粒子种类有关，例如对CsI(T1)晶体，粒子入射 τ=1100ns，粒子入射τ=430ns。 不一样将造成输出脉冲形状不同，可以通过辨别脉冲形状来区分入射粒子的种类。利用这种方法可鉴别 和；中子和。还与温度有关，温度降低，衰减时间变短。 对气体闪烁体，是气压P的函数。一般地说，随着P的增大，减小。例如对氖， P=5 cmHg, =14ns； P=48.5cmHg，=5.5ns。 2018/11/14 粒子探测

11 5、能量分辨率 闪烁计数器的能量分辨率包括了闪烁体和光电倍增管的贡献。 影响能量分辨率的因素有： 1）闪烁体的发光效率； 2）光子传输效率；
1）闪烁体的发光效率； 2）光子传输效率； 3）PMT光阴极的光收集效率；4）光阴极光电转换效率； 5）第一倍增极收集效率和二次电子倍增系数等。 不同闪烁体的固有能量分辨率不同，NaI(Tl)闪烁体的能量分辨率在各种闪烁体中是最好的。有机闪烁体的能量分辨率都比较差。 2018/11/14 粒子探测

12 6、光衰减长度 7、其他特性 描述光在闪烁体内传播的一个物理量。定义为：闪烁光在闪烁体内传播时，光衰减到初始时的1/e所走过的距离
分为本征衰减长度和技术衰减长度。 本征衰减长度是由闪烁体内部光学性能决定的，主要取决于闪烁体的成分。 技术衰减长度与闪烁体的形状、表面反射情况等外部技术条件有关。 7、其他特性 探测效率：粒子在闪烁体内产生脉冲信号与入射粒子数之比 温度效应：闪烁体性能随温度的变化。 辐照效应：闪烁体性能随辐照剂量的累积发生的变化。 2018/11/14 粒子探测

13 二、无机闪烁体 大都是固体晶体，是绝缘体。 有快发光特点或发光成分中有快发光过程的晶体。如：BaF2，CsF，NaI，CsI等。
大比重的晶体，如：BGO，LSO(Ge)，LuAP(Ge)，PWO等，密度大，对粒子阻止本领大，适于高能探测器小型化。 应用最广泛的是碱金属卤化物闪烁晶体，常用的有：NaI(Tl)，CsI(Tl)，ZnS(Ag)等。 P235表6.2.1 2018/11/14 粒子探测

14 1、无机闪烁体的发光机制：固体能带论 以NaI(Tl)为例，其禁带宽度为7.3eV。在闪烁体中入射粒子除了由于电离产生电子空穴对以外，还会因激发产生激子。即入射粒子给予电子的能量不能使它电离到导带上，而只能处在导带下面的激子能带（激带）上。激子是激带内的电子和价带中的空穴的总称，它们没有完全电离，还有静电约束，在晶格中一起运动。 2018/11/14 粒子探测

15 1）在荧光中心激发态的电子，很快发射光子跳回基态，时间很短(10-9s)，是闪烁光的快成分，称作荧光。
晶体内的杂质和晶格缺陷形成三种俘获中心：荧光中心、猝灭中心和陷阱。俘获中心分基态和激发态。基态俘获激子的空穴或价带的空穴，激发态俘获激子的电子或导带的电子。俘获中心从基态被激发而到达激发态，就好像俘获中心基态的电子直接被激发到激发态。退激时有三种可能。 1）在荧光中心激发态的电子，很快发射光子跳回基态，时间很短(10-9s)，是闪烁光的快成分，称作荧光。 2）在猝灭中心激发态的电子，将激发能传给周围的晶格作振动，以热能形式消耗激发能而不发射光子，这就是猝灭过程。 3）在陷阱中的电子处在亚稳态，停留较长时间，或以非辐射跃迁回到价带，或从晶格振动中获得能量，重新跃迁到导带，再重复过程一或二回到基态。按过程一，发射光子称作磷光，发光时间较长，是闪烁光的慢成分，一般大于10-6s。 2018/11/14 粒子探测

16 为了提高闪烁体的发光效率，可以掺杂，如Tl、Ag等“激活剂”。激活剂粒子形成发光中心或俘获中心。但实验发现激活剂并不是必不可少的。
有的陷阱中的电子仅有热运动跳不回导带，必须由外界再给它能量，如光照、加热等。靠加热才能发射的光叫热释光；靠光照才能发射的光叫光释光。这是两种固体发光材料，常用作外照射个人剂量仪。 由杂质的孤立能级退激到价带时，发出的光子能量小于禁带宽度。即闪烁体发光频率不等于吸收频率，闪烁体的发射光谱与其吸收光谱不重合。所以闪烁体不会自吸收这部分光。 为了提高闪烁体的发光效率，可以掺杂，如Tl、Ag等“激活剂”。激活剂粒子形成发光中心或俘获中心。但实验发现激活剂并不是必不可少的。 2018/11/14 粒子探测

17 2、常用无机闪烁体 1）NaI(Tl)晶体 特点：发光效率高，密度大，含有大量原子序数高的碘，因此对射线探测效率高，有较好的能量分辨率，是探测射线的主要探测器。透明度好，制备简单，可以加工成各种形状，常用的是圆柱形（最大750×250）、井型、环形、薄片形等。 缺点：衰减时间长，易潮解。 封装： 2018/11/14 粒子探测

18 2）CsI(Tl)晶体密度和平均原子序数比NaI(Tl)还要大，因此对射线探测效率更高，且不易潮解。但通常发光效率比NaI(Tl)低，能量分辨也不如NaI(Tl)。然而在液氮温度下比NaI(Tl)有更高的发光效率。 3）ZnS(Ag)白色多晶粉末，使用时喷涂在有机玻璃板上。它的发光效率高，但透明度差，只能做的很薄，故不适合探测电子和射线，主要用于探测粒子和重粒子。 ZnS(Ag)喷在聚苯乙烯塑料球内壁测量气体放射性。 ZnS(Ag)＋有机玻璃粉热压成快中子屏； ZnS(Ag)＋甘油＋硼酸或10B做成慢中子屏。 2018/11/14 粒子探测

19 密度为 7.13g/cm3，发射光谱主峰位在4800Å，易于与光电倍增管匹配，不潮解，是高能物理实验重要的闪烁体之一。
4） 锗酸铋（BGO）晶体 密度为 7.13g/cm3，发射光谱主峰位在4800Å，易于与光电倍增管匹配，不潮解，是高能物理实验重要的闪烁体之一。 5） 钨酸铅（PWO）晶体 无色透明晶体，折射率2.16，密度为8.28 g/cm3，发射光谱主峰位在 Å，易于与光电倍增管匹配。辐射长度0.89cm，莫利哀半径2.2cm，可使探测器小型化。不潮解，抗辐照。最大的缺点是光产额较低。 6）玻璃闪烁体 制造简单，成本低，透明度好，化学性能稳定，耐酸碱，耐潮湿，耐高低温，发光衰减时间0.1s。最大的缺点是发光效率低，仅为NaI(Tl)的4％。 掺LiO2或10B的玻璃，主要用于探测中子 铅玻璃：主要用于探测射线。 2018/11/14 粒子探测

20 7）快晶体 氟化钡（BaF2）波长为 195nm，220nm和 310nm，对应的发光衰减时间分别为0.87ns，0.88ns和 600ns。 氟化铈（CeF3）2个快成分，无慢成分。 硅酸镥（LSO）对γ射线具有响应时间快(<50 ns) 、发光产额高(为NaI(Tl)的76%) 、抗辐照性能强、不易潮解，具有较强的中子、γ分辨本领。 硅酸钆（GSO）密度6.71 g/cm3，辐射长度X0=1.38cm，核作用长度为22.2cm，发光产额大 （为NaI(Tl)的30%）发光衰减时间为56ns。 铝酸钇（YAP:Ce ）Z=39；密度5.37g/cm3；能量分辨率好；发光产额大（NaI(Tl)的40%～50%），发光衰减时间短（25～30ns），最大发射波长为350nm，光输出随温度的变化率小于0.01%/0C。 2018/11/14 粒子探测

21 Cubic: 1.7 cm3 (1.5X0); Long: 2.5 x 2.5 x 20 cm (18X0)
BGO, LSO & LYSO Samples Cubic: 1.7 cm3 (1.5X0); Long: 2.5 x 2.5 x 20 cm (18X0) SIC BGO CPI LYSO Saint-Gobain LYSO CTI LSO 2018/11/14 粒子探测

22 1.5 X0 Cubic Full Size Samples BaBar CsI(Tl): 16 X0 L3 BGO: 22 X0
BaF2 CsI CeF3 BGO PbWO4 1.5 X0 Cubic BaBar CsI(Tl) Full Size Samples BaBar CsI(Tl): 16 X0 L3 BGO: 22 X0 CMS PWO(Y): 25 X0 L3 BGO CMS PWO(Y) 2018/11/14 粒子探测

23 三、有机闪烁体 主要成分是芳香族化合物，分子由聚合或联苯环构成。分成三大类：有机晶体、塑料闪烁体和液体闪烁体。
塑料闪烁体和液体闪烁体都由溶剂和溶质组成。溶质是发光物质，溶剂是透明度好的有机固溶体或液体。 溶质有两种：第一溶质和第二溶质。前者退激发后发出波长3500－4000Å的荧光；后者又称波长位移剂，它将发出的荧光光子全部吸收再发出波长4200－4800Å的光子。这样的波长对闪烁体更透明，与光电倍增管的光阴极的频率响应更好，从而提高了光的传播和收集效率。 2018/11/14 粒子探测

24 1. 有机闪烁体的发光机制 有机闪烁体的发光机制有多种理论解释，各有所长。
有一种理论认为：是有机分子的电子能级结构引起的。即处在比较自由的轨道上的部分价电子（称作电子）的能级之间的跃迁引起的。有机分子电子能级结构分单态和三重态，每种激发能级内有一系列的精细能级，相当分子的振动能级。带电粒子进入闪烁体使其电子激发。退激时一种可能是从激发态分别跳回各基态发出荧光，称作荧光过程。多余的能量转变为电子的振动以热量形式带走，不发光，称作猝灭过程。另一种可能（几率很小）是从激发态跳到三重态T1，T1是亚稳态，电子滞留一段时间后再跳到基态，发出磷光，称作磷光过程。 2018/11/14 粒子探测

25 2. 发射光谱与吸收光谱 由于 电子跃迁时，一部分能量以热运动形式带走，因此发射光子能量总是小于吸收光子能量，造成吸收光谱和发射光谱间的位移，从而减少了光的自吸收。 为了改善光的传输，在有机闪烁体中加第二溶质:波长位 移剂。其作用是吸收荧光后再发射波长较长的光，等于将 发射光谱向长波方向移动。 2018/11/14 粒子探测

26 3. 有机闪烁体的种类 1）有机晶体：如蒽、芪、联三苯等。发光衰减时间比无机晶体快1～2个数量级，为探测快速高通量的带电粒子提供了可能。但缺点是有机晶体很难做大。 （P246表6.2.2） 表6.2.2 2018/11/14 粒子探测

27 2）塑料闪烁体 可以测量、、、快中子、质子、宇宙射线及裂变碎片等。
制作简便：柱、片、矩形、井形、管形、薄膜等，可以做成大面积闪烁体，几米。 发光衰减时间短（1~3ns），适用于ns量级的时间测量。 透明度高，光传输性能好。 性能稳定，机械强度高，耐振动，耐冲击，耐潮湿，不需要封装，避光储存8到10年发光效率无明显变化。 耐辐照性能好，居于各种闪烁体的首位。 能量分辨本领差，只做强度测量。 溶剂通常采用聚苯乙烯或聚乙烯基甲苯。第一溶质采用联三苯、四苯丁二烯TPB或PBD；第二溶质常用POPOP及BBO。 2018/11/14 粒子探测

28 3）液体闪烁体：溶剂常用甲苯、二甲苯等，溶质成分与塑料闪烁体的相似。其特点发光衰减时间短，透明度好，易制备。缺点是有一定毒性，操作时要注意。
4）载体闪烁体：有机闪烁体含大量的氢原子，可记录快中子。为了测量慢中子，在闪烁体内加硼和钆；为了测量射线，加入重元素如锡等。 2018/11/14 粒子探测

29 5) 闪烁光纤 可收集： 芯层光 包层光 2018/11/14 粒子探测

30 4. 有机闪烁体的优缺点及应用 发光效率低，输出脉冲幅度小，能量分辨率差。主要用于强度、计数和时间测量。在高能物理实验中，体积大、费用低、响应快成为主要考虑因素，选有机塑料闪烁体作触发计数器和取样式全吸收探测器。 发光时间短，10-8~10-9 s。配合快时间光电倍增管用于时间测量和快符合实验。 密度小，有效原子序数低，对射线探测效率低。但因价格便宜，时间性能好，在射线探测中也常使用。 含有大量的H原子，可以记录快中子。 塑料闪烁体可以测量、X、和快中子以及高能粒子，特别是经常用于快时间、高强度、快符合、反符合和高能物理实验中。 2018/11/14 粒子探测

31 四、气体闪烁体 通常用的多为惰性气体，尤以氙、氪、氩为普遍。它们的发光衰减时间为几ns，而且随压力的增大变短。发光效率很低，不到NaI(Tl)的1/10。要求惰性气体纯度很高，否则光输出会明显降低。发光光谱的主峰位位于紫外区，必须经过波长位移剂后才能与光电倍增管的光阴极频谱相匹配。 气体闪烁正比室，有较快的上升时间和较好的能量分辨率。 气体 Ar Kr Xe Ar+10%N2 发射光谱( nm) 200－ － －600 主峰位0( nm) (ns) 发光效率 比纯氩高 2018/11/14 粒子探测

32 五. 闪烁体的选择 光谱匹配 探测效率 时间响应 发光效率 种类和尺寸 Bicron BC408 =1.032g/cm3
五. 闪烁体的选择 光谱匹配 探测效率 时间响应 发光效率 种类和尺寸 Bicron BC408 =1.032g/cm3 Refractive index n Light yield (% of anthracene) 64 Max emission (nm) Decay constant (ns) Light Attenuation Length (cm) 210 2018/11/14 粒子探测

33 各种闪烁体的物理性能 材 料 峰值波长(nm) 衰减时间 (s) 折射率 密度(g/cm3) 相对荧光效率（%） NaI(Tl)
材 料 峰值波长(nm) 衰减时间 (s) 折射率 密度(g/cm3) 相对荧光效率（%） NaI(Tl) CsI(Tl) CsI(Na) ZnS(Ag) LiI(Eu) CaF2(Eu) BaF2 BGO Gd2O2S:Tb CdWO4 蒽 芪 液体闪烁体 塑料闪烁体 410 565 420 450 470 435 310 480 540 500 447 ~480 0.23 1 0.63 0.2 1.4 0.9 0.6ns/0.6 0.3 4 5 30 4.5 2.4~4ns 1.3~3.3ns 1.85 1.79 1.84 2.4 1.96 1.44 1.56 2.15 2.1 2.3 1.62 1.63 1.52 1.6 3.67 4.51 4.09 4.08 3.19 4.89 7.13 7.34 7.9 1.25 1.16 1.05 100/230 45 85 130 35 50 5~16 7~14 120 38 /100 /50-60 /20-80 /45-68 2018/11/14 粒子探测

34 §6-3 光电倍增管 一、基本原理和构造 2018/11/14 粒子探测

35 1、光电倍增管的结构 光阴极 光学窗 电子光学输入系统 二次发射倍增系统 阳极 真空管 2018/11/14 粒子探测

36 1、PMT 的结构 光阴极：接受光子发射光电子的电极，由以碱金属为主要成分的半导体化合物材料构成，其光电效应几率大，光电子脱出功较小。
实用的光阴极种类： 1）锑铯化合物 Sb-Cs: 对350－650nm的光都灵敏，其电阻比双碱光阴极低，适于大电流流过光阴极场合的测量，主要用于反射型光阴极。 2）双碱：Sb-Rb-Cs, Sb-K-Cs, 与Sb-Cs具有相似的(300－550nm)光谱特性，但灵敏度高，暗电流小，与NaI(Tl) 的发光波长相配，应用广。 另一种双碱Sb-Na-K，可耐175 0C高温，可用于石油勘探等高温场合。室温下暗电流非常小，用于单光子测量和低噪声测量。 3）Cs-I: 对太阳光不灵敏，被称为“日盲”。波长>200nm时，灵敏度急剧下降。波长范围：115－200nm。测量波长<115nm的光，应选用无窗PMT。 4）多碱 Sb-Na-K-Cs: 具有从紫外－850nm的宽光谱，用于氮氧化合物的化学发光探测。 5）Ag-O-Cs: 透过型 nm灵敏，反射型 nm灵敏，用于红外探测，In-Ga-As(Cs)在 nm信噪比比Ag-O-Cs好得多。 2018/11/14 粒子探测

37 各种光阴极的量子效率 2018/11/14 粒子探测 结晶型光阴极高量子效率、长波长

38 光学窗： 表6.3.1 2018/11/14 粒子探测

39 电子光学输入系统：由光阴极和第一倍增极之间的聚焦极构成，作用是把光阴极各个方向上发射的光电子聚焦到第一倍增极。
二次发射倍增系统：由8～13个倍增极组成，工作时各电极依次加上递增的电位。每个倍增极的电子倍增系数为， ＝3～6倍，则PMT的放大倍数M＝ n, n倍增极个数。要求二次发射系数大，热电子发射少，大电流工作稳定性好。常用材料与光阴极相似Sb-K-Cs，Sb-Cs化合物，AgHg、CuBe合金和Ga-P-Cs等材料。 阳极：最后收集电子并输出信号的电极，采用电子脱出功较大的材料，如镍、钼、银等，一般做成网状。 2018/11/14 粒子探测

40 2、PMT的类型 直线聚焦型：时间分辨率好 环状聚焦型：结构紧凑，渡 百叶窗非聚焦型：暗电流小 盒式非聚焦型：时间、能量 能量分辨率好。
越时间小。 百叶窗非聚焦型：暗电流小 线性电流大，对外磁场不敏感， 能量分辨较好，但时间分辨差。 盒式非聚焦型：时间、能量 特性都差，但结构简单易制作。 聚焦型结构渡越时间分散小，脉冲线性电流大，极间电压的变化对增益的影响大，因此时间分辨率好，能量分辨率较好。 2018/11/14 粒子探测

41 PMT的类型 2018/11/14 粒子探测

42 微通道板Micro-channel Plate
内径6－20µm的细玻璃管，内壁既是电阻体又是二次发射体。R= , 3。 M= 两级M=107 高速响应tr= ns, =0.4ns, =25-120ps 可在磁场中工作，B平行管轴15KGs，B垂直管轴1KGs 具有二维高空间分辨本领和图像增强能力，作像增强器。 低噪声，对带电粒子、紫外线、X、、中子都灵敏。 常用材料：玻璃半导体、陶瓷半导体和有机半导体。 2018/11/14 粒子探测

43 位置灵敏PMT 电子倍增极做成栅网状，具有二次电子发射功能。 各级之间二次电子飞行距离很小。 12级栅网极倍增，M105。
空间分辨5～6mm。 十字丝网型阳极，二维读出。 2018/11/14 粒子探测

44 0.5mm 0.25mm 多阳极光电倍增管结构 2018/11/14 粒子探测

45 多阳极光电倍增管 外形： 52mm×52mm×14.5mm 有效面积： 49×49mm2 阳极：8×8（64ch） 16×16（256ch）
放大倍数：1×106/1000V 时间特性：Tr 0.8ns，TTS 0.4ns（FWHM） 阳极灵敏度：对单光子信号灵敏 H8500 3 x 3 array 2018/11/14 粒子探测

46 多阳极PMT和位置灵敏PMT性能 应用 高分辨PET 小型相机 闪烁成像 二维辐射监测器 2018/11/14 粒子探测

47 半导体光电器件 光二极管（PD）是常用的半导体光电器件，普遍采用硅材料。
雪崩型光二极管（APD）加有较高的偏压，载流子在强电场中加速并与半导体内的原子碰撞，击出新的电子空穴对，发生电子雪崩效应，导致信号放大。在选取光二极管时一定要考虑闪烁体的发射光谱，使二者相匹配。 电荷耦合器件（CCD）在硅片上集成许多MOS单元，有极好的位置分辨，但光灵敏度较低，需与光增强器联用。 2018/11/14 粒子探测

48 混合型 真空雪崩光 电二极管 (VAPD) 增强光电 二极管(IPD) 2018/11/14 粒子探测

49 增强光电二极管性能 表6.3.4 2018/11/14 粒子探测

50 HPD工作原理 Photocathode Avalanche gain (x40) Multi-pixel AD
EB gain (x1200) Acceleration Photon Electron Output Total gain: 5x104 Proximity focus (8kV) AD voltage (-200 to -400 V) 2018/11/14 粒子探测

51 技術发展方向：微型化 将微細加工技术应用于光電子増倍管 増倍级（真空密封容器） 光阴极 接线柱 5mm（W） 7mm（H） 2mm（D）
　　技術发展方向：微型化 将微細加工技术应用于光電子増倍管 7mm（H） 5mm（W） 2mm（D） 光阴极 増倍级（真空密封容器） 接线柱 7mm（H）×5mm（W）×2mm（D） 2018/11/14 粒子探测

52 二、PMT的主要参量和特性 1. 光阴极灵敏度SK：通常用光照灵敏度（标准白光源－具有色温1854K的钨丝灯）或蓝光灵敏度（在标准白光源之前加蓝色滤光片）。 2. 量子效率：在一定入射波长下光阴极发射光电子数与入射光子数之比，反映了光阴极的光电转换效率，是光阴极灵敏度的另一种表示方法。 3. 光谱响应：光阴极量子效率与入射波长之间的关系。不同的光阴极材料有不同的光谱响应。对入射波长短的应选用透紫玻璃或石英窗。 入射光通量 光阴极的光电流 2018/11/14 粒子探测

53 反射型光阴极的光谱响应曲线 2018/11/14 粒子探测

54 透过型光阴极的光谱响应曲线 2018/11/14 粒子探测

55 PMT窗材料的 光谱响应曲线 2018/11/14 粒子探测

56 4. 阳极放大倍数M：定义为在一定电压下PMT阳极输出电流iA与光阴极电流iK之比。与每个倍增极二次发射系数和倍增极数目n有关。
5. 阳极光照灵敏度SA： 定义为用白光源照射光阴极，阳极输出电流iA与入射光通量F之比。 6. 暗电流和噪声：PMT无光照射时产生的电流，通常为 A产生暗电流的原因主要有： 1）欧姆漏电：管内绝缘材料和管座电阻的漏电和沿管壁表面的漏电。 2）热发射：由于光阴极材料的电子脱出功很小，除发射光电子外还发射热电子，也得到倍增，是暗电流的主要成分。冷却PMT是有效办法。 3）残余气体电离：在光阴极和倍增极上打出电子被倍增成为暗电流。当工作电压很高，放大倍数很大时会比较严重。 4）其他原因：如高压放电、宇宙线µ子穿过窗玻璃产生切伦科夫光子等。 2018/11/14 粒子探测

57 阳极光照灵敏度和电流增益 宇宙线和40K引起的本底噪声 2018/11/14 粒子探测

58 低本底ＰＭＴ 金属真空外壳 石英窗 低本底陶瓷 低本底金属管座 为XMASS实验开发 Ｒ１０７８９－１０ 与通常产品比本底降低1/1000
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59 7. 能量分辨率和线性： 光电子发射和二次电子发射的统计特性限制了PMT的能量分辨率。设二次发射电子数目服从泊松分布，可以证明PMT对闪烁探测器能量分辨的贡献为： N：光阴极产生并被第一倍增极收集到的光电子数； R：到达光阴极的光子数； ：光电转换效率； q：第一倍增极对光电子的收集系数；1：第一倍增极的倍增系数；：第二倍增极及后面各级倍增极的倍增系数（假设相等）。 一般适当增加光阴极与第一倍增极之间的电压，使第一倍增极尽可能多地收集光电子，可以改善能量分辨率。 入射光强超过一定数值时，光阴极的光电转换会趋于饱和。同时工作电压过高，放大倍数太大，由于空间电荷效应，将造成最后几级打拿极之间的电场下降，导致输出非线性，趋于饱和。实际设计电压分压器时，可以增加最后几级打拿极之间的电阻，以增强场强，减小空间电荷效应，同时加连极间电容以保持电压稳定 2018/11/14 粒子探测

60 8. 时间特性： 1）脉冲上升时间tr：定义为一个极快的光脉冲(宽度<50ps)照射到PMT光阴极的整个面积上的阳极输出脉冲，其幅度的前沿从10％上升到90％的时间。一般为1-10ns。 2）渡越时间：定义为一个稳定的快光脉冲达到光阴极到阳极输出信号脉冲峰值的时间，它与打拿极的结构和级数有关。一般在6-50ns。 3）渡越时间分散：指单光子的渡越时间的涨落，一般定义为一个极快的光脉冲(宽度<50ps)照射PMT整个光阴极，光非常弱以至阳极输出脉冲只是单光子的信号。一般单光子渡越时间分布的半高宽为0.1-1ns，是由于电子在倍增过程中的统计性和电子运动轨迹的不同时性以及电子初速度大小与方向的统计性造成的  2018/11/14 粒子探测

61 9. 稳定性：主要指阳极电流随工作时间的变化，它最本质地反映了PMT的稳定性。通常把PMT特性随时间的变化称为漂移特性或者寿命，这种变化受到电压、电流、环境温度等的直接影响而变坏的现象称为疲劳。
（1）快变化过程：建立稳定工作状态的时间，所以要求预热半小时或数小时； （2）慢变化过程：与倍增极二次发射系数随时间的慢变化有关，与管子的工作电压、阳极输出电流的大小及工作时间长短等因素有关。 10. 环境影响： 1）外界电磁场影响：磁场影响PMT电子的运动轨道，造成放大倍数降低。通常用高导磁材料如铍莫合金来屏蔽磁场。细网形倍增极PMT可以在强磁场下工作。平行于PMT轴向的磁场对PMT的影响较小。 2）温度效应：几乎所有的PMT在高温时性能都变坏，除Sb-Na-K双碱光阴极PMT，一般工作温度不能超过600C；同时光阴极的电阻率随温度下降变大，导致灵敏度减小，一般工作温度不能低于－200C。 3）辐照效应：在强辐照PMT性能变坏，一般应加铅屏蔽。 2018/11/14 粒子探测

62 阴极饱和电流随温度的变化 阳极暗电流随温度的变化 2018/11/14 粒子探测

63 阳极暗电流 与温度的关系 2018/11/14 粒子探测

64 温度效应 2018/11/14 粒子探测

65 输出电流随温度高压和时间的关系 2018/11/14 粒子探测

66 PMT放大倍数和能量分辨率随温度的变化 2018/11/14 粒子探测

67 普通PMT与耐高温PMT比较 2018/11/14 粒子探测

68 磁场对PMT的影响 2018/11/14 粒子探测

69 2018/11/14 粒子探测

70 三、高压供电和分压器 1. 高压电源 2. 分压器由一串温度系数小稳定性高的金属膜电阻组成。 加在光阴极、各倍增极到阳极的电压逐渐递增。
1）有较大的电压调节范围，分档可调； 2）有大的输出电流， mA； 3）有高的稳定度。 4）电源极性可以选择。 2. 分压器由一串温度系数小稳定性高的金属膜电阻组成。 1）适当提高光阴极和第一倍增极间的电压，有利于提高信噪比和能量分辨率，有利于减小渡越时间分散。有的PMT在两者之间加聚焦极，三者组成电子光学输入系统。 2）中间倍增极，一般采用均匀分压。 3）靠近阳极的最末几级倍增极，由于电流较大，为了避免空间电荷效应，要提高最末几级的电压，同时并联旁路电容或采用稳压二极管代替电阻。 2018/11/14 粒子探测

71 分压电阻阻值的选择要考虑工作电压和工作电流。一般工作电流不超出1mA，电阻的功率在1/2W或1W，阻值为50－500K/Vd，电容值约为1nF。Vd为最小分压电阻值的电压。
为了保证PMT稳定工作，要求 分压器 IR Ia 分压器设计分三种：A为高增益型， B为线性型，C为时间型。 2018/11/14 粒子探测

72 滤波电容 一般取C＝0.01F  1000pF。电容越大，在电容上产生的电压脉冲越小，稳压滤波效果就越好。
容值太大，RC回路放电的时间越长，会造成脉冲堆积，直流电位漂移，这与计数率有关。设计数率为n，则进入一个粒子所需的时间t＝1/n，要求RC< 1/n，若R＝400K，n＝103/s，则 要注意电容的耐压，以防被击穿。 2018/11/14 粒子探测

73 PMT加正负高压 加正高压： 光阴极接地，阳极接正高压，输出端必须接耐高压3000V以上的隔直电容。
暗电流噪声较低，工作稳定，适于高精度能谱测量，特别使低能低本底的能谱测量。 加负高压： 光阴极接负高压，阳极接地，输出端为零电位，无需耐高压电容。外壳和磁屏蔽壳必须与光阴极绝缘隔离。 一般测量用负高压好，电源开关时的跳变不会影响测量电路。 IR 2018/11/14 粒子探测

74 PMT信号引出 阳极加负载电阻RL，可以取出一个负电压脉冲信号，用于能谱测量。 RL ＝100K。
Ia Ia IR 分压电阻分三组：A组一般用途，B组大电流输出，C组时间测量 2018/11/14 粒子探测

75 PMT的选择 根据使用要求选择不同的PMT。如时间测量，应选快速时间PMT；能量测量应选能量分辨率高的PMT；低能或低本底测量应选低噪声的PMT。 光谱响应：PMT的光谱响应尽可能与待测光的光谱一致，即与闪烁体的发射光谱相匹配。 阴极灵敏度：对低能和弱光测量，应选具有高阴极灵敏度的PMT。 阳极灵敏度：根据入射到光阴极的光通量和需要输出信号的大小来估算阳极灵敏度，选用合适的阳极灵敏度的PMT。 暗电流：如果信号很弱，要选用暗电流小的PMT。 2018/11/14 粒子探测

76 §6-4 光收集系统 一、光的传输 1、光在闪烁体内的传播 2、光在界面上的传播 以4立体角发射直线传播 按指数规律被吸收衰减
§6-4 光收集系统 一、光的传输 1、光在闪烁体内的传播 以4立体角发射直线传播 按指数规律被吸收衰减 2、光在界面上的传播 设闪烁体的折射率为n1，周围介质的折射率为n2， 2018/11/14 粒子探测

77 二、光学收集系统 反射层：常用的反射层材料有MgO、铝箔和镀铝薄膜等。
有机闪烁体常用铝膜较松的包装，构成全反射和镜反射混合，既保持快脉冲输出又尽可能得到高的光收集效率。 对大部分无机闪烁体，利用漫反射方法收集光最佳。常用漫反射材料有MgO、Al2O3细粉末、白色涂料、Teflon膜和Tyvek纸。 光学耦合剂：常用硅油，折射率近于1.5，对可见光、紫外光都有很好的透射率。普通硅油对塑料闪烁体有腐蚀性，最好用甲基硅油。 对大尺寸或异形闪烁体与光导的粘合，可以用粘合剂，其折射率与闪烁体、光导接近。 2018/11/14 粒子探测

78 二、光学收集系统 光导：有效地把光传递给PMT光阴极。 1）不同大小形状的闪烁体与圆形光电倍增管连接需要光导过渡；
3）在空间很小的地方测量需长的纤维光导。 光导材料：聚苯乙烯塑料、有机玻璃，石英玻璃、玻璃纤维、塑料纤维等，也可用凡士林、甘油、蒸馏水、空气等，要求其透过率大。 光导的形状、结构对光的传输效率有很大影响，应精心设计精心加工。常用扭曲形条状光导和用波长位移棒、波长位移光纤做光导。 2018/11/14 粒子探测

79 光导形状与结构 用波长位移棒做光导 扭曲形条状光导 2018/11/14 粒子探测

80 All fibers installed and connected to multi-anode photomultiplier mount
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81 高压分压器与PMT管座 Sockets 2018/11/14 粒子探测

82 2018/11/14 粒子探测

83 PMT外壳 与装配 2018/11/14 粒子探测

84 PMT的调试 主要调节分压电阻和高压，要求在保证线性的情况下，有最好的能量分辨率和适当大小的输出脉冲幅度。
选取合适的负载电阻RL： 一般由RL决定输出脉冲的幅度和宽度。 RL越大，脉冲的幅度和宽度越大， RL太大幅度达到饱和，宽度太大会影响计数率。在保证计数率的情况下，使幅度大，以使用较低的工作高压。一般RL取10K－100K，对时间快管子RL <1K。 2018/11/14 粒子探测

85 PMT的调试 线性与否主要取决于PMT最后几级的空间电荷效应。工作电压较高，入射粒子计数率较大时，会使阳极电流较大，要保证线性，可将最后几级分压电阻取大一些。 幅度和能量分辨率与高压和靠近光阴极的分压电阻有关。调节时直接用示波器观测输出脉冲波形。首先固定一个高压值，调节靠近光阴极的前3级电阻使波形最高处亮带的幅度最大，宽度最细，表示幅度分辨率好。然后调节高压，使输出幅度为需要值，再用多道精确测量能量分辨率。 电阻的调节，一般先用电位器调，满足要求后再换成固定电阻。 2018/11/14 粒子探测

86 2018/11/14 粒子探测

87 PMT读出电路 PMT输出是一个电流脉冲。脉冲电流通过负载电阻转变为电压脉冲。外电路的等效电容是PMT分布电容和放大器输入电容之和，等效电阻是PMT负载电阻和放大器输入电阻并联。 2018/11/14 粒子探测

88 电流脉冲在RC回路上形成电压脉冲，拉普拉斯变换是电路分析的一个重要方法。
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89 电压脉冲波形由RC回路的充放电时间常数RC和闪烁体发光衰减时间决定。 电压脉冲达到最大值的时间tm：
最大电压脉冲Um: 2018/11/14 粒子探测

90 电压脉冲达到最大值UM和达到最大值的时间tM由dU(t)/dt=0给出。即
当RC>>时，近似有 当RC＝时，近似有 当RC<<时，近似有 2018/11/14 粒子探测

91 输出电压脉冲与电荷Q0成正比，即与入射粒子能量成正比。
输出脉冲的上升时间由和RC决定。对一个确定的闪烁体来说仅仅由输出回路的RC决定，只要改变负载电阻RL就可以改变它的上升时间，上升时间与入射粒子能量无关。 负载电阻RL决定了光电倍增管输出脉冲的幅度和宽度。 RL越大，幅度和宽度就越大（RL太大时幅度达到饱和），幅度大对放大器的放大倍数要求降低。 宽度太大则影响计数率（输入粒子多输出脉冲相互重叠）。 因此RL大小要适中。在保证计数率的情况下，使脉冲幅度尽量大，以便使用较低的工作电压。一般RL取10K100K。 用于时间测量，负载电阻取小，取RL<1K，常常取RL＝50或75，与所用电缆的阻值匹配。 2018/11/14 粒子探测

92 注意事项 闪烁体和PMT不用时应避光保存在干燥的地方，NaI(Tl)这样易潮解的闪烁体还要放在干燥皿内。
不要用手触摸闪烁体的透光面和PMT的光阴极。安装前应用酒精或乙醚清洗闪烁体和PMT的管脚和管座，并以热风吹干，保证接触良好，避免漏电打火。 2018/11/14 粒子探测

93 光电増倍管使用注意事项 分压器电阻的电流要求大大大于阳极信号电流，⇒一般要求是平均信号电流的20倍以上。
按说明书给出的分圧器参数设计分压器。 分压器电阻的电流要求大大大于阳极信号电流，⇒一般要求是平均信号电流的20倍以上。 所加電圧不要太高，⇒一般取额定電圧的20%～100% 平均信号電流在10μA以下，⇒在对稳定性要求较高的場合，应取信号在1μA左右。 切记避光使用。 2018/11/14 粒子探测

94 小结 闪烁计数器由闪烁体、光电倍增管、光收集系统、高压分压器组成。根据不同的工作测量任务，选择不同的闪烁体、PMT、高压分压电路，以及电子学仪器，组成不同用途的闪烁计数器系统。 可进行能谱测量，强度测量，时间测量，剂量测量 脉冲输出：分为五个过程 （1）射线在闪烁体中损失能量E （2）能量E使闪烁体发射荧光光子 （3）闪烁光子在到达光阴极之前，有三种可能使光子数损失：闪烁体壁的吸收，闪烁体对荧光光子的自吸收，光导系统中的吸收及全反射损失。 （4）光子到达光阴极，发生光电效应，发射光电子。 （5）第一打拿极上收集到的光电子经光电倍增管放大M倍后，电荷在阳极收集。 2018/11/14 粒子探测

95 时间特性：闪烁体发光衰减时间，光电倍增管的渡越时间，外电路时间常数。 （1）入射粒子使闪烁体原子、分子激发的时间
（2）入射粒子或者由之产生的次级带电粒子在闪烁体中耗尽能量所需的时间 （3）闪烁体发光衰减时间 （4）闪烁体光子从发光地点到达光阴极所需的时间 （5）光电子在光电倍增管中的渡越时间 （6）电荷在阳极负载回路中建立脉冲电压的过程，其时间由输出电路的RC决定 2018/11/14 粒子探测