含硼闪烁体探测器能量响应性能分析

云南大学物理实验教学中心实验报告课程名称：普通物理实验实验项目：实验四闪烁探测器及r能谱的多道测量学生姓名：马晓娇学号：20131050137 物理科学技术学院物理系 2013 级天文菁英班专业指导老师：张远宪试验时间：2015 年 10月 30 日 13 时 00 分至 15 时 00 分实验地点：物理科学技术学院实验类型：教学 (演示□验证□综合□设计□) 学生科研□课外开放□测试□其它□一、实验目的1、了解γ 射线与物质相互作用的基本原理;2、掌握闪烁探测器的工作原理及使用方法；3、掌握能谱仪基本性能的确定;4、掌握简单γ放射源的γ能谱测量。

二、实验原理原子核由高能级向低能级跃迁时会辐射 射线，它是一种波长极短的电磁波，其能量由原子核跃迁前后的能级差来表示即：射线与物质发生相互作用则产生次级电子或能量较低的 射线，将 射线的次级电子按不同能量分别进行强度测量，从而得到 辐射强度按能量的分布，即为“能谱”。

测量能谱的装置称为“能谱仪”。

（一）γ射线与物质相互作用γ射线与物质相互作用是γ射线能量测量的基础。

γ射线与物质相互作用主要有三种效应，即光电效应、康普顿散射和电子对效应。

1、γ射线与物质相互作用。

当γ射线的能量在30MeV 以下时，最主要的相互作用方式有三种：（1） 光电效应。

γ射线的全部能量转移给原子中的束缚电子，使这些电子从原于中发射出来，γ光子本身消失。

（2）康普顿散射。

入射γ光子与原子的核外电子发生非弹性碰撞，光子的一部分能量转移给电子，使它反冲出来，而散射光子的能量和运动方向都发生了变化。

（3） 电子对效应。

γ光子与靶物质原子的原子核库仑场作用，光子转化为正-负电子对。

在光电效应中，原子吸收光子的全部能量，其中一部分消耗于光电子脱离原子束缚所需的电离能，另一部分就作为光电子的动能。

所以，释放出来的光电子的能量就是入射光子能量和该束缚电子所处的电子壳层的结合能B γ之差。

虽然有一部分能量被原子的反冲核所吸收，但这部分反冲能量与γ射线能量、光电子的能量相比可以忽略。

中子闪烁体新材料一、引言中子探测与成像技术在科学研究、医疗诊断、工业检测、安全检查等领域具有广泛的应用。

中子闪烁体作为一种重要的辐射探测材料，能够将高能中子转换为低能可见光，从而实现中子的探测与成像。

近年来，随着新材料技术的不断发展，中子闪烁体新材料的研究和应用取得了显著成果。

二、中子闪烁体新材料的研究进展1. 含硼聚乙烯板正如参考信息[1]所述，含硼聚乙烯板是一种轻质高效的中子闪烁体新材料。

它结合了聚乙烯的轻质特性和硼元素对中子的高效吸收能力。

这种材料具有以下优点：（1）轻质：相比传统屏蔽材料，含硼聚乙烯板具有更低的密度，减轻了整体重量，提高了使用灵活性。

（2）高效吸收：硼元素对中子具有高效的吸收能力，能将中子转化为稳定的原子核，降低辐射强度。

（3）良好加工性能：含硼聚乙烯板具有良好的加工性能，易于加工成各种形状。

2. 柔性复合材料参考信息[2]提到了柔性复合材料的突破，这种材料在X射线探测与成像领域具有重要作用。

虽然以下例子并非直接针对中子闪烁体，但柔性复合材料的研究为中子闪烁体新材料的研发提供了借鉴。

河北大学研究团队开发了一种具有良好水分散性、对X射线高度敏感的闪烁体，并利用该闪烁体研发出三种新材料。

这些新材料在辐射致发光、X射线成像柔性水凝胶屏幕等方面具有广泛应用。

三、中子闪烁体新材料的应用领域1. 科学研究：中子闪烁体新材料在核物理、粒子物理等领域的研究中具有重要作用。

2. 医疗诊断：中子闪烁体新材料可用于中子放射治疗和影像学，提高癌症等疾病的诊断和治疗水平。

3. 工业检测：中子闪烁体新材料在无损检测、材料分析等领域具有重要应用。

4. 安全检查：中子闪烁体新材料可用于核设施、边境口岸等场所的安全检查。

四、未来发展1. 提高材料性能：继续研究中子闪烁体新材料，提高其对中子的探测效率和成像质量。

2. 扩大应用领域：探索中子闪烁体新材料在更多领域的应用，如生物医学、地质勘探等。

3. 研发新型材料：结合纳米技术、生物技术等，研发具有更高性能、更低成本的中子闪烁体新材料。

闪烁体、半导体、电离室三大类探测器比较（闪烁体）碘化钠探头：他的激活剂是(TI)，对γ射线，当能量大于150keV时响应是线性的；对质子和电子，线性响应范围很宽，光输出和能量的关系接近通过原点的直线，仅在能量低于几百keV（对电子）和（1~2）MeV（对质子）时才偏离直线；对α粒子，能量大于4~5MeV后近似线性，但其直线部分延长不过原点。

因此测量α粒子（或其他重粒子）时，比须进行能量校准。

NaI(TI)烁体的主要优点是密度大，原子序数高，因而对γ射线探测效率高。

另外它的发光效率高，因而能量分辨率也较好。

它的缺点是容易潮解，因此使用必须密封。

碘化铯探头：CsI(TI)碘化铯是另一种碱金属卤化物，作为闪烁体材料常用铊或纳作激活剂。

铊的能量线性与碘化钠的接近，能量分辨率比碘化钠的差一些。

碘化铯的密度和平均原子序数比碘化钠更大，因此对γ射线的探测效率也更高。

与碘化钠相比，碘化铯的机械强度大，易于加工成薄片或做成极薄的蒸发薄膜。

此外，它不易潮解，也不易氧化。

但若暴露在水或高湿度环境中它也会变质。

碘化铯的主要缺点是光输出比较低，原材料价格较贵。

锗酸铋探头：与碘化钠（TI）同体积时，探测效率比碘化钠的高的多。

对0.511MeVγ光子，与NaI(TI)、CsF、和Ge半导体、塑料闪烁体相比，锗酸铋(BGO)有最大的效率和最好的信噪比。

BGO主要用于探测低能x射线、高能γ射线以及高能电子。

在低能区（<<0.5MeV）的能量分辨率比碘化钠的差，例如对于0.511MeV的γ射线，BGO的时间分辨为1.9ns，而碘化钠NaI(TI)的的为0.75ns。

BGO的主要缺点是折射率较高，尺寸大的BGO难以将光输出去。

价格高。

硫化锌：ZnS（Ag）它对α粒子的发光效率高，而对γ射线和电子不灵敏，很适合在强β、γ本底下探测重带点粒子如α、核裂片等，探测效率可达100%。

laBr3是新型卤化物闪烁体，其基本性能已经全面超越了传统的碘化钠闪烁体，谱仪具有比碘化钠更好的能量分辨率、峰形和稳定性。

闪烁晶体性能测试⽅法及应⽤研究闪烁晶体性能测试⽅法及应⽤研究闪烁晶体⾃问世以来，在⾼能物理、核物理、核医学成像、⽯油测井、地质勘探以及⼯业⽆损检查等领域取得⼴泛应⽤。

为了对⼤型核医学成像设备及核探测仪器中晶体的选⽤提供参考，本⽂研究闪烁晶体的发光衰减时间、光输出强度、能量分辨率和余辉等闪烁特性，并通过原理框图、实验仪器与操作、数据处理以及误差分析详细叙述闪烁晶体的性能测试技术。

基于测试技术测试了锗酸铋BGO、掺铊碘化铯CsI(Tl)、掺铯溴化镧LaBr3: Ce以及硅酸钇镥L YSO四种闪烁晶体的性能，并结合物理特性分析它们在各领域应⽤的优劣势；同时针对⽅形LYSO晶体样品，研究三种不同尺⼨晶体性能的差异。

最后，对性能测试实验中晶体的不同放置⽅式以及对晶体加热来缩短余辉时间展开研究。

关键词：闪烁晶体，测试技术，探测器，光电倍增管第⼀章引⾔本章是全⽂的引⾔部分，主要介绍论⽂的研究背景及意义，简要分析国内外关于闪烁晶体材料和晶体性能测试的研究现状，进⽽提出本论⽂的研究内容，并对论⽂结构安排进⾏说明。

1.1 研究背景及意义闪烁晶体材料因其丰富的特性、优良的性能成为材料科学领域内的⼀⼤研究热点。

相⽐于液体、塑料⾼分⼦以及荧光粉等闪烁材料，⽆机闪烁晶体具有体积⼩、密度⾼、物理特性和闪烁性能优良等显著特点，在核医学、核物理、⼯业CT 以及安全稽查领域取得了⼴泛的发展。

因为不同领域对闪烁晶体材料特性的需求各异，所以对闪烁晶体性能的测试⼯作⽆论在科学研究还是⼯业应⽤中都显得尤为重要。

⽬前，在⾼端核医学领域发展迅猛的正电⼦发射断层扫描技术（Positron Emission Tomography，PET）进⼀步推动了⽆机闪烁晶体的发展，从最初应⽤到PET中的碘化钠NaI(Tl)晶体，到锗酸铋Bi4Ge3O12（BGO）晶体，再到如今性能更加优良的硅酸钇镥Lu2(1-x)Y2xSiO5（LYSO）晶体，新型闪烁晶体在⾏业进步的推动下不断涌现。

第39卷第2期 人 工 晶 体 学 报V o.l 39 N o .2 2010年4月J OURNA L OF SYNTHET I C CRY S TAL SA pr i,l 2010国产无机闪烁晶体LaC l 3B Ce 的探测能力和时间响应测量胡孟春1,周 刚1,李忠宝1,张建华1,张明荣2,彭太平1,唐章奎1,胡青元1,司粉妮1(1.中国工程物理研究院核物理与化学研究所,绵阳621900;2.北京玻璃研究院,北京100062)摘要:以国产的掺铈氯化镧(L aC l 3B Ce)闪烁晶体与线性电流大于1.5A 的光电倍增管构成闪烁探测器,利用60Co 、137C s 放射性标准源场,实验测量这种探测器对C 辐射的探测能力,并与同情况N aI B T l 闪烁探测器进行比对;利用266nm 单色激光和ns 级的C 脉冲辐射分别对这种闪烁体的光致激发、辐射激发的时间响应性能进行测量。

测量结果表明:国产新型LaC l 3B C e 无机闪烁晶体样品构成的探测器对1.25M e V 、0.66M eV C 射线的探测能力平均约为同情况N aI B T l 闪烁探测器的103%,高的已超过了同尺寸N aI B T l 构成的闪烁探测器;266n m 单色激光光致激发时间响应波形前沿、半高宽、后沿和衰减常数分别为1.05ns 、17.42ns 、54.30ns 和24.61ns ,ns 级的C 脉冲辐射激发的时间响应波形前沿、半高宽、后沿和衰减常数分别为1.52ns 、21.99ns 、75.13ns 和34.19ns 。

关键词:L aC l 3B Ce ;N aI B T ;l 无机闪烁体;辐射探测;探测器中图分类号:O 78文献标识码:A文章编号:1000-985X (2010)02-0481-05M easure m ents of D etecti ng Capability and T im e Responsefor H o m e m ade LaC l 3B Ce Inorgan ic Sci ntill atorH U M eng-chun 1,Z HOU Gang 1,LI Zhong-bao 1,Z HANG J ian-hua 1,Z HANG M ing-rong 2,PENG Tai -p ing 1,TANG Zhang-kui 1,H U Q ing-yuan 1,SI F en-ni1(1.In stit u te ofNu clear Physics and Che m istry ,C h i na Acade m y of Engi neering Physics ,M i anyang 621900,C h i na ;2.Beijing G l ass Research In stitute ,B eiji ng 100062,Ch i na)(R ecei v e d 20Augu st 2009,acce pte d 8Dece m ber 2009)收稿日期:2009-08-20;修订日期:2009-12-08基金项目:国防科学技术工业委员会民口配套研制项目和中国工程物理研究院专项课题资助(No .M KPT-05-084,902-305) 作者简介:胡孟春(1963-),男,湖南省人,研究员,硕士导师。

闪烁体探测器原理
闪烁体探测器是一种利用闪烁效应进行粒子探测的装置。

其基本原理是当高能粒子通过闪烁体时，闪烁体中的原子会被激发并跃迁到一个激发态，然后在短时间内从激发态返回到基态，释放出能量。

具体来说，闪烁体通常是一种含有能量水平较低的非晶态或晶体材料，如有机闪烁体、无机闪烁体等。

当高能粒子通过闪烁体时，它与闪烁体中的原子或分子发生相互作用，导致原子或分子激发。

被激发的原子或分子会在极短的时间内通过非辐射跃迁或辐射跃迁返回到基态，释放出激发能量。

在返回基态的过程中，释放的能量会以光、热或声等形式传递到闪烁体表面。

闪烁体通常被包裹在光电二极管或光电倍增管等光电传感器上，这样可以将光信号转化为电信号，并放大和测量。

通过测量得到的电信号，可以分析得到通过闪烁体的高能粒子的信息，如能量、入射位置等。

闪烁体探测器因其高能量分辨率、宽能量响应范围和高灵敏度而被广泛应用于核物理实验、粒子物理实验、核医学诊断等领域。

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