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閃爍探測器基礎篇

發布時間:2019-04-01 編輯:霍宏偉

原理及組成

當電離輻射射線入射到閃爍體上時,閃爍體會產生衰減時間短的熒光,叫做閃爍光。例如γ射線與閃爍體相互作用,產生三種效應:光電效應、康普頓效應以及電子對生成效應。這些作用發生的概率是根據閃爍體的種類和γ線的能量而異的。

在γ射線低能量區域時,光電效應占主導地位,但在高能量區域,電子對生成效應的影響變大。在光電效應中,因為γ線將全部能量都給了軌道電子,所以光電效應生的熒光量和γ線的能量成正比。并且光電倍增管輸出的電荷量跟接收的量跟接收的光量成正比,所以光電倍增管輸出脈沖幅度和射線的能量成正比。相應的,一支由閃爍體和光電倍增管組合而成的閃爍探測器,通過測試光電倍增管輸出脈沖的度和計數率就可以知道射線的能量和輻射強度。

在閃爍計數法中有兩種測量方法:一是使用脈沖高度分析器測量能譜的能譜分析法,二是不使用脈沖高度分析器的計數法。

閃爍計數法的典型原理圖如圖1所示。



1閃爍計數法原理圖及脈沖高度分布

 

性能特性


  • 1. 能量分辨率


在能譜分析法中,甄別不同脈沖信號度的能力是非常重要的一個特性。通常用能量分辨率或脈沖度分辨率來評價這個特性。

能量分辨率的定義由下面的公式和圖2表示,一般用百分比表示。

R=△P/P

其中,R表示能量分辨率,P表示光電峰值,△P表示半高寬【峰值高度(H)的一半(H/2)處的寬度】。



能量分辨率的定義



  • 2. 本底計數


閃爍計數法中的脈沖信號,一般都是同時由數個光電子產生的。信號脈沖幅度比大部分暗噪聲脈沖幅度都要大,因此可以使用脈沖幅度甄別器把幅度小的大部分暗噪聲脈沖除去。閃爍計數測試中將高脈沖幅度噪音信號誤認為脈沖信號是主要的問題,因此要用甄別的方法將它除去。

高脈沖幅度噪音主要是宇宙射線所致,在低水平的放射測試里就成為問題。在光電倍增管中使用的硼硅玻璃中含有40K,其γ線的能量為1.46MeV;還有 U、Th系列的放射性雜質,這也是高幅度脈沖噪音的原因。高能物理實驗等使用的光電倍增管,要求使用放射性雜質含量極低的材料制造。

為了屏蔽宇宙射線的影響,很多高能物理實驗站建在宇宙射線到達不了的地下深處;同時對光電倍增管的放射性雜質的含量也提出了嚴格的要求。這樣才有可能測到入射幾率極低的研究對象。


  • 3. 坪特性


在閃爍計數法中,坪特性是很重要的一個特性。其具體意義是指,閾值一定時,在某一區域內提高光電倍增管的工作電壓,測得的超過閾值以上的脈沖數基本上不隨外加高壓變化而改變的特性,通常把這一區域稱為坪區。閃爍計數器的“坪”不是光電倍增管的特性,而是閃爍計數器在一定條件下所具有的特性,只有在一定電壓范圍內光電倍增管輸出全部信號幅度大于儀器的甄別閾而噪聲幅度又小于甄別閾時,才產生計數 “坪”。很顯然這種坪與核輻射能量、閃爍體和光電倍增管的性能、儀器的放大倍數和甄別閾等因素有關。圖3是使用55Fe NaI(Tl)時的坪特性曲線。



坪特性(55Fe和NaI的組合)


用閃爍計數器測量輻射強度時,選擇在坪區工作非常重要。即使儀器及光電倍增管工作溫度和性能有一定變化,儀器長期工作也能比較穩定。此外,坪區寬,也不容易受到輸出和暗計數變化的影響。



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