当前课程知识点:核辐射物理及探测学 > 第九章 闪烁探测器 > 9.1 闪烁体 > 9.1.2 闪烁体的主要物理特性
这一节 我们来介绍一下
闪烁体的主要物理特性
当然这些物理特性
是和辐射探测直接相关的
那些物理特性
首先我们来介绍一下
闪烁体的发射光谱
那么闪烁体的发射光谱
我们看它的特点
它的发射光谱其实不是线谱
而是一个连续谱
也就是说
它发出的闪烁光子的波长范围
是一个范围 而不是某一个值
我们通过分析
每一种闪烁体
它的发射光谱
我们会看到
每一种闪烁体都存在一个
我们叫最强波长
也就是说发射谱极大值
所对应的波长
我们叫它的最强波长
所以说通常我们看到闪烁体
它的数据手册里面
所标出来的那个波长
指的是它的最强波长
然后在围绕着最强波长
它有一个发射光的波长范围
那么我们知道了
它的这个发射光谱
干嘛用呢 主要是要注意
我们在寻找和它匹配的那个
光电倍增管的时候
我们要达到它的发射光谱
和光电倍增管光阴极的
光谱响应 应该能够匹配
也就是说
你找的那个光电倍增管
应该能够用来测量
你这个闪烁体所发的光
所以这个是它的发射光谱的属性
每一种闪烁体
都有它自己的发射光谱
我们要去找看它的最大值
看它的曲线
那么下面两张图给出来的是
碘化钠它的发射光谱
和BGO的发射光谱
我们会看到
这个碘化钠
发射光谱的最强波长
大约在410这样的一个波长
410纳米
BGO就要更高一点
它可能接近于500或480
这样一个值
那么这张图给出来的就是
各种闪烁体 它的发射光谱
和一些光电倍增管的
光阴极的光谱响应曲线
它们的一个对应关系
我们会看到
下面这些曲线都是
闪烁体的发射光谱
上面是一些光电倍增管
它的光阴极的光谱响应曲线
我们开始看到大部分的闪烁体
和这个光电倍增管
它的光谱响应都能够对应的上
当然有一些发射光谱比较
波长比较短的
像氟化钡
那么在寻找光电倍增管的时候
就要注意
普通的光电倍增管
可能并不适合测量
氟化钡的发射光谱
那我们来看一下闪烁体的
另外一个比较重要的属性
就是它的发光效率
刚才我们已经提到过发光效率
那么发光效率描述的是什么呢
我们来看一下
发光效率指的是闪烁体
将所吸收的射线能量
转化为光子能量的比例
所以我们通常用一个百分比
去描述它
那么 这个里面
我们定义Eph
为闪烁体发射光子的总能量
那么E是入射粒子
损耗在闪烁体中的能量
它们俩之比就是一个
我们叫转化效率
就是发光的效率
这个效率我们也可以用闪烁效率
去描述它
那么例如碘化钠
铊激活的碘化钠
对β的粒子的发光效率可以达到13%
但是对α粒子
它的发光效率只有2.6%
所以这个地方要注意
同一种闪烁体
在对不同的入射粒子
它的发光效率
可能是差别很大的
所以你不能用一种这个粒子
测量完了之后
得到的那个能量刻度曲线
去测量另外一种粒子去
那么除了发光效率这个概念之外
我们还常用另外一个概念
去描述它的发光属性
就是发光的量的属性
我们用光子产额
或光能产额去描述它
这个概念描述的是
辐射粒子在闪烁体里面
损耗单位能量
所产生的闪烁光子数
所以这个地方是每Mev
能够产生多少光子
我们用这个为单位去描述它
所以这个Nph
是产生的闪烁光子的总数
E是损耗在闪烁体里面的能量
所以我们用它们俩之比去描述
我们叫光能产额
就是损耗单位能量
究竟能产生多少个闪烁光子
我们来看一下
闪烁效率和光子产额的关系
前面我们已经有了
两个分别的定义
我们把它综合来看
那么在这个
光子产额这个定义里面
分子上 我们刚才说了
是这个闪烁光子的总数
那么闪烁光子的数等于什么
它应该等于闪烁光子的总能量
除以平均每一个
闪烁光子的能量
那么就可以得到
那么这个里面
我们其实已经找到了
它们之间的关系
也就是说
光子产额应该等于
发光效率除以
平均每个光子的能量
这样的话
就是它们之间的一个关系
例如还是用碘化钠
铊替换的碘化钠来举例说明
1个MeV的β粒子
发射光子的平均能量
差不多是3个eV
那么在这种情况下
我们就可以知道
那么它的光子产额等于0.13
0.13就是刚才我们说的
它的发光效率 除以3个eV
就得到它的光子产额
差不多是每MeV能够产生
4.3乘以10的四次方个光子数
当然这个是对β粒子而言的
我们来看一下
闪烁效率随着温度的变化
这个我们称为
闪烁体的温度性能
那么闪烁效率
对于一般的闪烁体来说
它随着温度都是变化的
刚才我们希望理想的闪烁体
它的发光效率
最好是不随温度而变化
但是那个想法是太理想化了
那一般情况下
随着温度 它都是变化的
例如我们会看到碘化钠
它的最大发光效率
所对应的温度差不多是
五六十摄氏度
这样的一个范围
那么其它的不同晶体
我们会看到
像BGO晶体随着温度的增加
它的发光效率
总是在不断地减小
这样的一个趋势
所以这个就给我们应用
闪烁探测器提出了一个要求
你的温度
就是环境温度的变化
不能范围太大
太大的话
这个发光效率的变化就很大
就会影响到你的测量
也就是说你的那个能量
和信号之间的
正比关系就被破坏掉了
所以通常情况下
我们运用闪烁探测器的时候
都要有一个温度的控制装置
使得它工作的温度
变化的范围
要在一定的范围之内
那么这是其它的一些闪烁晶体的
它的闪烁效率
随温度的变化曲线
那么我们会看到
这是氟化钡的
它的发射光谱
以及它的温度响应
会看到它
氟化钡发射两种这个光
一种是慢光 一种是快光
这两种光 就是发光
衰减时间是不同的
我们会看到 它这两种光
它的温度响应也是不一样的
那么慢成分的光
随着温度的增加
这个发光效率是减小的
但是快成分的光
好像和温度之间的关系
没那么明显
就随着温度的变化
它本身的发光效率
并没有明显的变化
那么这是氟化钙的发射光谱
和它的温度响应
从这张图上可以看出来
氟化钙 它在一定范围里面
它的这个温度性能是比较好的
例如在零度以下的范围里面
它的这个发光效率
随着温度的变化都不会太明显
当然随着温度的增加
它还是往下走的
那么这是钨酸镉的发射光谱
和它的温度响应
钨酸镉应用过程里面
它的温度一直到了七八十度
可能才会明显地
有往下掉的趋势
那么这是闪烁效率
随着能量的变化
也就是我们前面
提到的闪烁体的
能量线性的属性
当然我们希望闪烁效率
随着能量
尽量是没有变化 这样的话
我们叫能量线性比较好
但是我们会看到
其实各种闪烁体
它的闪烁效率随着能量
其实也不是一个常数
也是变化的
只不过变化的范围
并没有那么大
从这些曲线上面
我们也可以看得出来
有的晶体
可能它的能量线性是比较好的
像下面这张图里面
上面那条曲线YAP
它基本上是一条平的线
也就是说它的发光效率
随着能量基本上不发生变化
那么闪烁效率随着能量的变化
也给我们提醒了
也就是说你用闪烁探测器
测量辐射能量的时候
所测量的辐射的能量范围
不能太大 否则的话
这个能量的非线性
一定会影响到你测量的结果
或者有的时候
我们还需要对这种
能量非线性作一个校正
那么下面我们来看
闪烁体的发光的时间特性
我们叫发光衰减时间
那么闪烁体
和物质发生相互作用之后
它被激发的时间
是一个很快的时间
通常我们看到是
纳秒以下的一个时间
然后退激的过程
它是一个指数规律
也就是说它的发光
是按指数规律进行的
那么对于大多数的无机晶体
我们说t时刻单位时间
发出的光子数
我们可以用下面这个公式
去描述它
n应该等于n0乘以e的负t
除以τ
那么这个里面的τ
就是它的发光衰减时间常数
也就是说按照这个时间常数
指数衰减的这样一个发光过程
那么描述的是发光强度降为1/e
所需要的时间
所以这个发光衰减常数
τ是每一种闪烁体
它的一个很重要的参数
是它的时间参数
那么由于总光子数
我们可以用发光的零到无穷
做积分得到
我们把刚才的式子带进去
很容易得到
总光子数应该等于n(0)乘以τ
所以我们n(t)应该等于nph
nph是总的光子数
除以τ 然后乘以e指数
我们已经知道的
大多数的有机闪烁体
和若干无机闪烁体的发光
都有两种成分
这两种成分对应的是
这个发光衰减时间不同
我们快的那个成分叫快成分
就τ比较小 慢的那个成分
τ比较大
所以我们可以把它表示成
总的发光等于两个成分之和
一个是快成分 一个是慢成分
我们用下面这个公式
就可以去描述它
那么快慢成分
它的相对比例
和入射粒子的种类是有关的
就说入射粒子不同的话
这快慢成分的比例并不相同
这样的话
我们就可以利用它的这个特征
就是用这个闪烁体发光
快慢成分 比例的不同
进行粒子鉴别
例如这张图描述的就是
一种闪烁体
对于伽马射线和对于中子来说
它所形成的信号
这个形状是不一样的
我们只要分析
最后形成信号的形状
我们就可以知道
入射粒子究竟是伽马光子
还是中子
这一节就是闪烁体的
主要物理特性
从这个我们描述中可以看到
我们描述的它的主要物理特性
其实就是它的发光特性
因为我们利用到的
就是它的发光的属性
那么另外一些特性
其实也对我们探测辐射有影响
例如它的原子序数
它的密度等等
那么这些是一个
比较通用的一些属性
和其它探测器并没有区别
这一节就到这里
-1.1 基础知识、常量与单位
-1.2 原子核的构成、表示方法与相关术语
-1.3 原子核的大小与稳定性规律
-1.4 原子核的结合能
-1.5 原子核的自旋
-1.6 原子核的磁矩与电矩
-1.7 原子核的统计性质、宇称与能态
-课后作业--作业
-2.1 放射性衰变的基本规律
-2.2 递次衰变规律
-2.3 放射系
-2.4 放射规律的一些应用
-课后作业--作业
-3.1 原子核的衰变方式
-3.2 α衰变
-3.3 β衰变
-3.4 γ跃迁
-课后作业--作业
-4.1 核反应的概况
-4.2 核反应能和Q方程
-4.3 核反应截面和产额
-4.4 反应机制及核反应模型
-课后作业--作业
-6.1 辐射与物质相互作用概述
-6.2 重带电粒子与物质的相互作用
-6.3 快电子与物质的相互作用
-6.4 γ射线与物质的相互作用
-课后作业--作业
-7.1 统计学的基础知识
-7.2 放射性测量的统计误差
-7.3 电离过程的涨落与法诺分布
-7.4 粒子束脉冲的总电离电荷量的涨落
-7.5 时间间隔的统计分布
-课后作业--作业
-8.1 气体中离子与电子的运动规律
-8.2 电离室
--8.2.3 脉冲电离室的主要性能指标第一部分:能量分辨率
--8.2.4 脉冲电离室的主要性能指标第二部分:饱和特性、坪特性等
-8.3 正比计数器
-8.4 G-M计数管
-8.5 气体探测器小结
-课后作业--作业
-9.1 闪烁体
-9.2 光电倍增管
-9.3 闪烁探测器
-9.4 单晶闪烁谱仪
-课后作业--作业
-10.1 半导体与半导体探测器
-10.2 PN结半导体探测器
-10.3 锂漂移和高纯锗半导体探测器
-10.4 其他半导体探测器
-课后作业--作业
-12.1 活度测量方法
-12.2 符合测量法
-12.3 γ能谱解析
-课后作业--作业
-13.1 中子的基本特性与分类
-13.2 中子源
-13.3 中子与物质的相互作用
-13.4 中子探测的特点与探测方法分类
-13.5 常用的中子探测器
-课后作业--作业