9.1.2 闪烁体的主要物理特性在线视频

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