9.4.1 单晶闪烁谱仪的构成和主要性能指标在线视频

下面我们来介绍

单晶闪烁谱仪的构成

和它主要的性能指标

这个里面我们说单晶闪烁谱仪

主要描述的是由一个闪烁体

所构成的谱仪

那么因为我们后面还会介绍到

由多个闪烁体所构成的那种谱仪

为了做区别我们这个地方

就叫它单晶闪烁谱仪

所谓的谱仪

描述的是这样的一套仪器

能够用来测能谱

它不光是做计数

还可以测能谱

所以叫谱仪

那么单晶闪烁谱仪

它的主要构成

包括了这几个部分

首先是探头的部分

所谓的探头

就包括了闪烁体和光电转换器件

当然主要是光电倍增管

然后还包括了相应的电源

和前置放大器

那么这是一个探头的部分

后面我们还会用到主放大器

主放大器主要是要对

前置放大器传过来的信号

进一步做处理

然后把它处理到

我们多道分析器

能够分析的一个信号

然后送到多道分析器里面去

来得到能谱

那么这是它的整个构成方式

这个是它的闪烁体

和光电倍增管的部分

那么这个部分是它的分压器

和前置放大器的一个部分

那么这是高压电源

这是低压电源

然后这个是主放大器的部分

当然我们一般还会用到多道

多道通常是计算机来做

这个多道可以是插卡式的

也可以是像USB

等等这种连接方式

最后我们是把这个

测量能谱的界面

放到计算机上

我们通过计算机

就可以用来测能谱了

那么在实验室里面 这套谱仪

基本上就包括了这些部分

包括了探头的部分

包括机箱里面

所给出来的低压电源 高压电源

主放大器

还包括了计算机多道

这样的组成

那么我们来看一下单晶闪烁谱仪

它的主要性能

主要性能 我们首先来看

第一个性能我们叫它叫响应函数

所谓的响应函数

指的是闪烁谱仪

对某个单能γ射线

它所能够测量到的脉冲幅度谱

我们把它称为响应函数

那么响应函数

历史上有人测了很多

这样的响应函数

当然了 当时定义的都是

3乘以3英寸圆柱形的

碘化钠闪烁体

对某些能量的γ射线

所能测到的能谱

所以你要去找

这个响应函数的话

可以找到这些相应的能谱

当然注意

这个能谱是这个尺寸的

闪烁体所能形成的能谱

你要是换了一个尺寸

或者是源和探测器距离

和这个手册上数值并不一样

那么这个时候

你得到的那个能谱

你测量的能谱和你查到的能谱

其实也并不一致

那么这些能谱能够用来干吗呢

如果我们某一个仪器

我可以把它的响应函数都测出来

那么我们就可以利用这些能谱

去解一个更复杂的能谱

就说我可能测量

某一个未知的源

这个未知的源有可能

包括了多种能量的γ射线

那么最后我要分析出来

它究竟就哪些能量的γ射线

每一种γ射线

所对应的强度是多少

那么这种情况下

我们就叫解谱

解谱的过程

就需要用到响应函数

那么响应函数的获得

其实并不容易

我们说你只能找到一些

有限的单能源

很多源它并不是真的单个能量

它可能有多个能量

那么这种情况下

你用它来测这个响应函数

其实并不方便

那么所以很多时候

我们也可以用这种

我们Monte-Carlo的方法

去模拟能谱

就是说不做试验了

我直接用计算的方式得到能谱

但计算的方式得到的能谱

和你试验测量到的能谱

究竟是不是一致

或者能不能吻合

那么这也是一个问题

所以通常情况下

我们要发展一套模拟的方法

然后你通过

有限的几个点的测量

去验证一下

你这个模拟的结果

和试验测量的结果

能不能对得上

如果对不上的话

可能要做相应的调整

如果调整得比较好的话

那么我就可以利用

我模拟的能谱

作为它的响应函数

去解那个未知的能谱

那么第二个重要的性能

就是能量分辨率

我们前面说过

闪烁谱仪是用来测能谱的

那么一定有能量分辨率

这样一个最重要的指标去描述它

那么这个里边

我们是用闪烁谱仪测量γ能谱

那么测γ能谱的话

因为γ能谱本身是一个

比较复杂的能谱

那么这种情况下

我们其实是用它的全能峰

来定义它的能量分辨率的

一般情况下

我们当然找一个

单能的γ源来做

这样的一个工作

通常情况下都用的是

Cs137放射源

Cs137放射源放出来

0.662MeV的γ射线

我们用这个γ射线

所对应的全能峰

来定义它的能量分辨率

也就是属于全能峰的半宽度

除以全能峰

所在的这个幅度值

然后我们乘上100%

就是它的能量分辨率

所以能量分辨率通常

还是一个百分数去描述的值

那么对于闪烁谱仪来说

它的能量分辨率

根据我们前面的分析

我们知道

它应该等于2.36乘以根号ne

ne第一打拿极收集到的

光电子数

然后再乘上后面这项

后面这项是倍增系数的

那个影响

那么这个就是它的

能量分辨率的最佳值

也就是说统计涨落

所决定的那个部分

所以这个地方我们会看到

ne是一次闪烁中

第一打拿极收集到的光电子数

我们说第一打拿极

收集到光电子数

对于闪烁探测器来说

是一个比较重要的参数

那么δ1是后面那个串级过程

就是串级倍增过程

第一级的倍增因子

所以这个第一级的倍增因子

我们也看到

它如果比较大的话

后面这个整个方括号的这一部分

就接近于1

影响就不大

如果这一项比较小呢

后面这一项就比较大

我们知道能量分辨率是越小越好

所以后面这一项大

显然不是我们所希望

所以通常情况下

我们希望δ1是比较大

然后ne也比较大

这个里面我们可以定义Ws

等于E除以ne

E就是辐射损耗

在闪烁体里面的能量

ne我们知道是一次闪烁中

第一打拿极收集到光电子数

E除以ne呢 就是说

产生一个被第一打拿极

收集的光电子所对应的能量

那么这个能量呢

就可以和我们前面说的

像气体探测器平均

电离能去做一个比较

那么通常情况下

我们说Ws可能都是在

百eV量级

比那个气体探测器里面

所对应的几十个eV

要大得多

所以从能量分辨率的角度来说

闪烁探测器可能还不如

气体探测器

那么我们来看一下

影响单晶闪烁谱仪

能量分辨率

它的影响因素有哪些

第一个 当然就是直接的影响因素

也就是说

ne的大小和谁有关系

ne是第一打拿极收集到的光电子数

它等于nph乘以T

所以这个地方我们会知道

nph就是对应到闪烁体的

发光效率

就说能够发出多少光来

同样能量的情况下

发的光越多 当然越好

所以这个光子数越多

这个ne也就越大

然后T是那个转换因子

当然T最大也就是1

所以我们说

转化因子尽量趋向于1

然后闪烁体的发光效率越高

那么能量分辨率也是越好的

第二个 就是δ1

从前面的公式我们会看到

δ1大

方括号的影响就会小

能量分辨率也会好

所以通常情况下光电倍增管

第一打拿极的倍增系数

都是在几十这样的一个量级

后面各级的倍增因子

一般是几这样的量级

第三个 我们会看到

高压稳定性对能量分辨率

是有影响的

高压稳定性会影响谁呢

当然高压稳定性

会影响到它的倍增系数

就光电倍增管的倍增系数

倍增系数的这个变化

显然会折算到这个

最后输出幅度的这个变化上去

所以一定会对

你这个能量分辨率造成影响

通常情况下

我们说M

就是这个倍增系数和V0

工作电压之间

我们可以有这样的一个关系

那么这个里面的b乘以n

约等于7

所以它的这个变化量

就相对变化量

我们差不多是一个7倍的关系

也就是高压的不稳定性

要乘上个7

变成倍增系数的不稳定性

所以我们要求

如果你的倍增系数

稳定性要好于1%的话

就是相对系数要好于1%

那么高压的稳定性

就要小于千分之一

通常情况下我们说千分之一

稳定性的高压并不难得到

因为一般的高压的伏度

差不多都在1000伏左右

那么1000伏左右

我们要求它的稳定性好于1伏

这个要求其实并不过分

一般我们都能达到几十毫伏

这样的一个量级

所以高压稳定性的影响

相对来说

不是一个主要的影响因素

那么还有就是多道

道宽的影响

这个和我们前面讲的到

是一样的

就是多道的道宽

你不能太宽

太宽的话

你全能峰里面

就说包括了这个道数太少

这个时候

是你测不准能量分辨率

所以这种情况下

我们要求半宽度里面

最好有五个道宽以上

这样的话

道宽对于能量分辨率的影响

就可以忽略掉

那么这张表里面给出来

碘化钠和BGO

对一些放射源的能量分辨率

那么这是两种闪烁谱仪

所能测到的

能量分辨率的一个对比

我们会看到

像对应到Cs137

那么这是常用指标了

碘化钠谱仪所对应能量分辨率

通常是在6.5%到8.5%

这样的一个范围

那么BGO能谱仪呢

差不多就到了百分之十几

到百分之二十这样的量级

所以很容易看出来

BGO谱仪

它的能量分辨率要差

那么BGO谱仪能量分辨率差

主要原因是

如果我们大家看到前面

这两种晶体

它的属性的时候你会知道

主要的影响因素

就是BGO本身发光效率

比碘化钠要低很多

发光效率低呢

能量分辨率就会差

相对应的百分数就要大

所以这个地方

我们会看到它的影响因素

那么这张图里面

给了一些常用的无机

闪烁体的能量分辨率

那么这个里面画的那条线

是能量分辨率的极限值

所谓的极限值

就是刚才我们推导出了

公式所对应的那个值

我们会看到大部分的

也就是说闪烁谱仪

所对应的能量分辨率

当然都没有这条线那么低

也就是说没有这条线

所给出来的那么好

都要比它更高一些

也是除了统计涨落的影响之外

还有一些因素

会影响到它的能量分辨率

当然从这张图上

也可以看出来

哪些闪烁体

它的发光效率要好一点

当然影响能量分辨率的

不光是这个发光效率

包括了传输效率

如果你发光效率高

但你光传不出来

或者是光传出来了

但是这个光

没有合适的光电探测器件

去测量它

这个都是造成能量分辨率

不好的一些因素

我们再来看一下

单晶闪烁谱仪它的能量线性

所谓的能量线性

指的是单位能量输出幅度

最后输出电压信号的幅度

和入射粒子能量之间的关系

当然我们希望他们之间没有关系

就是说不管你入射粒子

能量是多少

单位能量输出的幅度都是一定的

这样的话最后输出幅度

和入射粒子能量之间

才会建立一个严格的正比关系

这是一个理想的情况

而对于闪烁探测器来说

就是要求它的发光效率

和入射率粒子的能量无关

但实际上我们说发光效率

和入射粒子的种类

和能量是有关的

前面我们已经看到过

那么对于γ能谱的测量

我们只涉及到电子引起的闪光

因此γ谱仪的非线性

其实是由发光效率

随着不同电子的能量的不同

而产生的

那么对于碘化钠来说

它的这种能量非线性

就说在100KeV到1个MeV之间

变化达到了15%左右

所以这个是值得关注的一个数值

前面说过

对于闪烁谱仪来说

通常我们要限定

它所测量的能量范围

这个能量范围不要太大

能量范围大了呢

你的这个能量非线性的影响

就会反映在你的测量上面去

你就测不准了

所以有的时候

我们要做这种

能量非线性的一个校正

就说你不能直接

做这个线行刻度

而要做一个非线性的刻度

我们再来看一下

单晶闪烁γ谱仪的γ射线探测效率

这个地方

我们假设入射的是

平行的γ光子束

那么它的探测效率

指的就是这个γ光子束

和你这个闪烁体

发生的相互作用

发生的相互作用

我们认为它就被探测了

根据第六章所讲的内容

我们就可以知道

γ光子束通过物质的时候

它是一个指数衰减规律

窄束γ光子束

我们直接利用指数衰减规律

我们可以给出

它的探测效率的公式

从这个地方我们可以看出来

对于原子序数比较高

密度比较大

然后厚度比较大的

闪烁探测器来说

它的探测效率显然是比较高的

所以也给我们选择闪烁探测器

进行γ射线的探测

一个提醒

也就是说 有的时候

我们需要高的探测效率

那你就要选择这种原子序数

和密度比较大的这种材料

同时闪烁探测器的体积

也不能小了

这样的话探测效率才能高

那么我们通常情况下

可以通过谱分析技术

来求得它的探测效率

一般我们可以定义

所谓的叫源峰效率

这个里面的源指的是那个放射源

峰呢指的是全能峰

所以源峰效率

指的是这样的一种情况

就是全能峰里面

得到的计数 除以放射源

放出的γ光子数

我们把它叫源峰效率

源峰效率是一种绝对效率

它是相对于源而言的

所以说到效率

这个地方

我们可以给出更多定义来

所以我们有绝对效率

和本征效率

所谓的绝对效率呢

相对都是源而言的

我们叫绝对效率

所谓的本征效率

相对的都是进入探测器的

粒子数而言的

我们叫本征效率

这个地方我们可以有

绝对总效率

和绝对峰效率

绝对总效率指的

是探测器记录到的全谱的计数

这个地方就不光

是包括这个峰那个地方的计数

而且是总的计数

或者我们叫这个谱的总面积

然后除以放射源

发出来的粒子数

我们叫它绝对总效率

绝对峰效率

就是我们刚才介绍的源峰效率

那么相对于进入探测器灵敏

体积粒子数的效率

我们叫本征效率

本征效率也可以分为

本征总效率和本征分效率

这个分子上

所对应的计数是不一样的

那么我们还有一些参数来描述

γ谱的形状

那么这个里面

主要用到的是峰总比和峰康比

这样的参数

那么这两个参数

我们说都和

你这个探测器的探测效率

探测器的尺寸 形状

源和探测器的相对位置

等等有关系

所以一个探测器

你说它的峰总比是多少

这个时候

其实并不合适

你这个源和它之间相对的

几何关系

也会影响到这个参数本身

所谓的峰总比描述的是

全能峰的面积

除以全谱的面积所对应的值

我们叫峰总比

峰总比常用来描述

闪烁谱仪的这个性能

那么还有一个叫峰康比

峰康比指的是全能峰的高度

就是这个计数或者计数率

除以康普顿坪的平均高度

那么我们叫峰康比

峰康比我们常用来描述

这个半导体探测器

半导体γ谱仪所测到的能谱

所以这个参数

就是描述的都是峰的形状

峰总比和峰康比

往往都是越大越好

越大的话

那个峰就越突出

然后在这个能谱分析里面

就会越好

那么我们来看一下

单晶闪烁谱仪

它的时间特性

时间特性的话

我们说还是按分辨时间

和时间分辨本领去描述它

我们说对于分辨时间来说

它主要就取决于

输出电压脉冲信号的宽度

这个地方显然对于电压

脉冲型工作状态

和电流脉冲型功能状态

它的分辨时间是不一样的

电压脉冲型工作状态

它的分辨时间取决于R0 C0

电流脉冲型工作状态

它的分辨率是取决于τ

当然我们也知道

极限的分辨时间

当然就是取决于τ

也不可能比它更小

那么对于时间分辨本领来说

它其实主要取决于光电倍增管

就是后面那个光电转换器件

它的时间离散

我们叫做渡越时间的离散

它小时间分辨本里就好

时间分辨本领指的是

对时间的一个测量精度

当然这个地方我们也知道

闪烁谱仪它是有时滞的

也就是说

辐射和闪烁体发生

相互作用之后

经过一段时间

阳极上才能输出信号

这个时间就是电子的飞行时间

我们叫做te

这个te就是闪烁探测器的时滞

要是想时滞小

那你就要选择那个

快速的光电倍增管

快速的光电倍增管通常

它的这个就是飞行时间

离散也比较小

时间分辨本领也会比较好

那么闪烁谱仪也会有

稳定性的问题

这个稳定性其实是继承了

我们前面说的光电倍增管

它的稳定性

也可以分成短期稳定性

和长期稳定性

当然这个长期稳定性

其实不光光是这个

光电倍增管本身决定的

还和你这个晶体本身的

长期稳定性相关

那么晶体本身

也有一个逐渐老化的问题

所以如果是你工作时间

比较长的话

也要采取一些措施

要纠正它的能谱

一般来说我们都是所谓的稳分

或者稳谱的技术来进行处理

这个通常是在电子学那个部分

想一些办法

短期稳定性要求我们

有一个开机预热的过程

所以一般我们

做这种试验的时候

开机都要先稳定一会儿

然后再开始测量

否则一开始在那个时候

你测到的能量分辨率

等等的指标都不是太好

那么这个

就是关于闪烁谱仪的构成

以及它的主要性能指标的部分

那么到这个地方

我们关于闪烁探测器的部分

也就讲完了