第4章 闪烁探测器

闪烁探测名词解释闪烁探测是一个在物理学、核科学以及相关工程技术领域中极为重要的概念。

闪烁探测的核心在于闪烁体的应用。

闪烁体是一种能够吸收高能粒子（如γ射线、β粒子等）或者光子能量后发出可见光的材料。

这一过程就像是一个能量转换的神奇魔法。

比如说，碘化钠（NaI）晶体就是一种常见的闪烁体。

当一个γ射线射入碘化钠晶体时，γ射线的能量被晶体中的原子吸收，使得原子中的电子从低能态跃迁到高能态。

而处于高能态的电子是不稳定的，它们会迅速回到低能态，在这个过程中就会释放出可见光光子。

这就如同一个被挤压变形的弹簧，当压力消失后，弹簧会恢复原状并产生一些“动静”，这里的“动静”就是释放出的光子。

在闪烁探测系统里，还有一个关键的部件那就是光电探测器。

光电探测器紧挨着闪烁体，它的作用就是将闪烁体发出的微弱光信号转换为电信号。

这就好比是一个翻译官，把闪烁体发出的“光语言”转化为我们更容易处理的“电语言”。

常见的光电探测器有光电倍增管（PMT）。

光电倍增管内部有一系列的电极，当闪烁体发出的光子撞击到光电倍增管的光阴极时，光阴极会发射出电子，这些电子在电场的作用下被加速并撞击到下一个电极，从而产生更多的电子，经过多次这样的倍增过程，原本非常微弱的电子信号就被放大到可以被测量和分析的程度。

闪烁探测有着广泛的应用。

在医学领域，正电子发射断层扫描（PET）就是基于闪烁探测原理。

PET设备中的闪烁探测器能够探测到放射性示踪剂在人体内发射出的γ射线，通过对这些γ射线的探测和分析，医生可以了解到人体内部器官的代谢情况、肿瘤的位置等重要信息。

想象一下，医生就像一个探险家，而闪烁探测器就是他们手中的神奇工具，帮助他们在人体这个神秘的“大陆”上发现疾病的“宝藏”。

在核物理研究中，闪烁探测也是不可或缺的。

科学家们利用闪烁探测器来研究原子核的衰变过程、探测新的粒子等。

当一个新的粒子产生时，它可能会与周围的物质相互作用并产生高能射线或者粒子，这些射线或者粒子就可以被闪烁探测器捕捉到。

闪烁体探测器的工作原理
闪烁体探测器的工作原理如下：
闪烁探测器由闪烁体，光电倍增管，电源和放大器，分析器，定标器系统组成，现代闪烁探测器往往配备有计算机系统来处理测量结果。

当射线通过闪烁体时，闪烁体被射线电离、激发，并发出一定波长的光，这些光子射到光电倍增管的光阴极上发生光电效应而释放出电子，电子流经电倍增管多级阴极线路逐级放大后或为电脉冲，输入电子线路部分，而后由定标器记录下来。

光阴极产生的电子数量与照射到它上面的光子数量成正比例，即放射性同位素的量越多，在闪烁体上引起闪光次数就越多，从而仪器记录的脉冲次数就越多。

闪烁探测器测量的结果可用计数率，即射线每分钟的计数次数（cpm）表示，现代计数装置通常可以同时给出衰变率，即射线每分钟的衰变次数（dpm）、计数效率（E）、测量误差等数据。

核辐射探测技术课程编码：10272075课程名称：核辐射探测技术英文名称：Nuclear Radiation Measures Technology开课学期：学时/学分：60/（其中实验学时：20 ）3课程类型：专业课开课专业：放射医学专业选用教材：凌球主编,《核辐射探测》，原子能出版社主要参考书：执笔人：杨湘山陈大伟一、课程性质、目的与任务为适应培养放射医学、辐射防护学高级人才的需要，根据教育部关于加强学生素质教育的指示精神，制订本大纲。

核辐射探测技术是一门专业课，通过本课程的学习学生能够系统地掌握核辐射探测的基本理论知识，能够掌握各种辐射探测技术的原理，能够掌握核辐射测量方法，为实践工作打下坚实的基础。

二、教学基本要求1、全面掌握核辐射测量的基本理知识，2、对核辐射测量的原理和应用有全面认识。

3、系统掌握本学科的基本概念、基本理论以及有关的实验测量方法。

4、注重培养学生的实际操作能力，采用理论与实践相结合的方法进行教学，培养和提高学生分析问题和解决问题的能力，使学生完成本课程的学习之后，能够掌握基本的核辐射测量方法。

三、各章节内容及学时分配第一章核辐射及其探测原理（4学时）教学目的与要求通过本部分的学习，要求学生重点掌握核辐射的基本特性和核辐射测量的原理。

教学内容第一节核辐射的基本特性第二节探测带电粒子的物理性质第三节 X和 射线的探测原理第四节中子的探测方法考核要求了解：核辐射的基本特性。

理解：核辐射测量的意义和研究方法。

掌握：核辐射测量的原理。

第二章气体探测器（6学时）教学目的与要求通过本部分的学习，要求学生重点掌握气体探测器的基本原理，掌握常用气体探测器的结构及应用。

教学内容第一节气体探测器基本原理第二节电离室第三节正比计数管第四节 G-M计数管第五节气体探测器的应用考核要求了解：气体探测器的基本结构。

理解：气体探测器的工作原理。

掌握：气体探测器的使用方法。

第三章半导体探测器（6学时）教学目的与要求通过本部分的学习，要求学生重点掌握半导体探测器的基本原理，掌握常用半导体探测器的结构性能及应用方法。

闪烁探测器的工作原理闪烁探测器是一种常用的辐射探测器，其工作原理基于闪烁效应。

闪烁效应是指当辐射粒子与探测材料相互作用时，引发探测材料中能量的吸收和发射，从而产生可见光的现象。

闪烁探测器的基本组成包括闪烁晶体、光电倍增管和信号处理电路。

首先，辐射粒子进入闪烁晶体时，会与晶体中的原子发生相互作用。

这些相互作用使得晶体中的电子从基态跃迁到激发态，并在很短的时间内返回基态。

在这个过程中，晶体吸收了辐射粒子的能量。

通过这种能量吸收，晶体中的原子被激发，形成了一个电子-空穴对。

接着，闪烁晶体中的电子-空穴对重新结合并释放出能量。

这部分能量以光子的形式发射出来。

光子的能量与辐射粒子入射时释放的能量成正比。

晶体中使用的材料通常是具有较高原子数和高密度的材料，如钠碘晶体、铯碘晶体等。

这些晶体在被激发后能够产生大量光子。

第三步，光子被闪烁晶体中的闪烁材料吸收，并使材料中的原子或分子从基态跃迁到激发态，由于激发态的电子处于不稳定状态，它们会以很短的时间内返回基态，并释放出与光子能量相等的光子。

这种光子的释放是有规律的，通常是快速且连续的。

然后，闪烁晶体中的光子进入到光电倍增管中。

光电倍增管是一种具有光电效应的真空管。

当光子进入光电倍增管后，会打击光电阴极上的电子，使其被弹出，形成电子云。

电子云受到倍增电场的作用，逐级倍增，最终形成一个带有大量电子的脉冲信号。

最后，这个电子信号经过信号处理电路进行放大、滤波、采集和计数等处理，得到最终的输出结果。

信号处理电路中通常会使用放大器、滤波器、模数转换器和多道分析器等设备。

通过这些设备的处理，闪烁探测器能够将辐射粒子的能量和入射强度转化为电信号输出。

总的来说，闪烁探测器的工作原理是通过辐射粒子与闪烁晶体相互作用，使得晶体中的电子-空穴对产生并释放出光子的能量。

光子进入光电倍增管中被放大形成电子信号，并经过信号处理电路处理得到最终结果。

闪烁探测器具有灵敏度高、能量分辨率好等优点，在核物理实验、医学影像学等领域得到了广泛的应用。

闪烁体探测器原理闪烁体探测器是一种常用于粒子物理实验和核物理实验中的探测器，它可以用来探测高能粒子的能量和种类。

闪烁体探测器的原理是利用闪烁体材料对入射粒子产生的闪烁光进行探测和测量，通过测量闪烁光的强度和时间分布来获取粒子的信息。

闪烁体探测器通常由闪烁体材料、光电倍增管和信号处理系统组成。

闪烁体材料是闪烁体探测器的核心部分，它能够将入射粒子的能量转化为可测量的光信号。

常用的闪烁体材料包括塑料闪烁体、无机晶体闪烁体等。

当高能粒子穿过闪烁体材料时，会与闪烁体原子发生相互作用，使得原子激发态跃迁到基态的过程中释放出光子，形成闪烁光。

光电倍增管是用来接收和放大闪烁体产生的光信号的装置，它能够将微弱的光信号转化为可观测的电荷脉冲信号。

当闪烁光进入光电倍增管时，会引起光电效应，使得光电倍增管产生电子，并经过倍增过程放大电子数目，最终输出一个与入射粒子能量成正比的电荷脉冲信号。

信号处理系统是用来接收、处理和分析光电倍增管输出的电荷脉冲信号的装置，它能够将电荷脉冲信号转化为能够被计算机或其他数据采集设备读取和分析的数字信号。

信号处理系统通常包括放大器、快门、多道分析器等部分，通过这些部分对电荷脉冲信号进行放大、选择、测量等处理，最终得到入射粒子的能谱和能量信息。

闪烁体探测器的工作原理可以用一个简单的模型来描述，当高能粒子穿过闪烁体材料时，会与闪烁体原子发生相互作用，使得原子激发态跃迁到基态的过程中释放出光子，形成闪烁光。

闪烁光被光电倍增管接收并放大，最终转化为电荷脉冲信号。

信号处理系统对电荷脉冲信号进行处理，得到入射粒子的能谱和能量信息。

总的来说，闪烁体探测器利用闪烁体材料对入射粒子产生的闪烁光进行探测和测量，通过测量闪烁光的强度和时间分布来获取粒子的信息。

它在粒子物理实验和核物理实验中起着重要的作用，是一种常用的粒子探测器。

第一章射线与物质的相互作用1.不同射线在同一物质中的射程问题如果已知质子在某一物质中的射程和能量关系曲线，能否从这一曲线求得d （氘核）与t （氚核）在同一物质中的射程值？如能够，请说明如何计算？解：P12”利用Bethe 公式，也可以推算不同带点例子在某一种吸收材料的射程。

”根据公式：)()(22v R M M v R b ab b a a Z Z =，可求出。

步骤：1先求其初速度。

2查出速度相同的粒子在同一材料的射程。

3带入公式。

2：阻止时间计算：请估算4MeV α粒子在硅中的阻止时间。

已知4MeV α粒子的射程为17.8μm 。

解：解：由题意得 4MeV α粒子在硅中的射程为17.8um 由T ≌1.2×107-REMa，Ma=4得 T ≌1.2×107-×17.8×106-×44()s ＝2.136×1012-()s3：能量损失率计算课本3题，第一小问错误，应该改为“电离损失率之比”。

更具公式1.12-重带点粒子电离能量损失率精确表达式。

及公式1.12-电子由于电离和激发引起的电离能量损失率公式。

代参数入求解。

第二小问：快电子的电离能量损失率与辐射能量损失率计算：()20822.34700700()rad iondE E Z dx dEdx*⨯≅=≈4光电子能量：光电子能量：（带入B K ） 康普顿反冲电子能量：200.511m c Mev =ie hv E ε-=220200(1cos ) 2.04(1cos 20) 4.16160.060.3947(1cos )0.511 2.04(1cos 20)0.511 2.040.06Er Ee Mev m c Er θθ--⨯====+-+-+⨯5:Y 射线束的吸收解：由题意可得线性吸收系数10.6cm μ-=，311.2/pb g cm ρ=12220.6 5.3610/11.2/m pb cm cm g g cmμμρ--∴===⨯质量吸收系数 由r N μσ=*可得吸收截面：12322230.61.84103.2810/r cm cm N cm μσ--===⨯⨯ 其中N 为吸收物质单位体积中的原子数2233.2810/N cm =⨯ 0()t I t I e μ-=要求射到容器外时强度减弱99.9% 0()0.1%0.001t I t e I μ-∴=∴=即t=5In10 =11.513cm6：已知)1()(tι--=e A t f t 是自变量。

闪烁探测器的组成
闪烁探测器是利用辐射在某些物质中产生的闪光来探测电离辐射的探测器。

闪烁探测器主要由以下几部分组成：
1. 闪烁体：闪烁体是闪烁探测器的核心部分，当闪烁体受到射线照射时，闪烁体会吸收射线能量并发出荧光。

荧光光子被收集到光电倍增管的光阴极上，通过光电效应打出光电子。

2. 光导和反射体：光导和反射体的作用是将荧光均匀地引导到光电倍增管的光阴极上，以提高探测效率。

光导一般由高折射率的玻璃制成，而反射体则用来将散射的荧光反射到光阴极上。

3. 光电倍增管：光电倍增管是闪烁探测器的另一个重要组成部分，它的作用是将光电子倍增并输出到后续电路中，以便进行信号处理和测量。

4. 前置放大器：前置放大器的作用是将光电倍增管输出的信号放大，以便进行后续的信号处理和测量。

5. 磁屏蔽和暗盒：磁屏蔽和暗盒的作用是减少外部磁场和光照对探测器的影响，从而提高探测器的测量精度和稳定性。

综上所述，闪烁探测器由闪烁体、光导和反射体、光电
倍增管、前置放大器和磁屏蔽及暗盒等组成。

这些组成部分协同工作，实现了对电离辐射的高效、高精度和高灵敏度探测。

如需了解更多信息，建议查阅相关文献或咨询专业人士。

核辐射探测学习题参考答案（修改）第⼀章射线与物质的相互作⽤1.不同射线在同⼀物质中的射程问题如果已知质⼦在某⼀物质中的射程和能量关系曲线，能否从这⼀曲线求得d （氘核）与t （氚核）在同⼀物质中的射程值？如能够，请说明如何计算？解：P12”利⽤Bethe 公式，也可以推算不同带点例⼦在某⼀种吸收材料的射程。

”根据公式：)()(22v R M M v R b ab b a a Z Z =，可求出。

步骤：1先求其初速度。

2查出速度相同的粒⼦在同⼀材料的射程。

3带⼊公式。

2：阻⽌时间计算：请估算4MeV α粒⼦在硅中的阻⽌时间。

已知4MeV α粒⼦的射程为17.8µm 。

解：解：由题意得 4MeV α粒⼦在硅中的射程为17.8um 由T ≌1.2×107-REMa，Ma=4得 T ≌1.2×107-×17.8×106-×44()s ＝2.136×1012-()s3：能量损失率计算课本3题，第⼀⼩问错误，应该改为“电离损失率之⽐”。

更具公式1.12-重带点粒⼦电离能量损失率精确表达式。

及公式1.12-电⼦由于电离和激发引起的电离能量损失率公式。

代参数⼊求解。

第⼆⼩问：快电⼦的电离能量损失率与辐射能量损失率计算：()20822.34700700()rad iondE E Z dx dEdx*??=≈4光电⼦能量：光电⼦能量：（带⼊B K ）康普顿反冲电⼦能量：200.511m c Mev =ie hv E ε-=220200(1cos ) 2.04(1cos 20) 4.16160.060.3947(1cos )0.511 2.04(1cos 20)0.511 2.040.06Er Ee Mev m c Er θθ--?====+-+-+?5:Y 射线束的吸收解：由题意可得线性吸收系数10.6cm µ-=，311.2/pb g cm ρ=12220.6 5.3610/11.2/m pb cm cm g g cmµµρ--∴===?质量吸收系数由r N µσ=*可得吸收截⾯：12322230.61.84103.2810/r cm cm N cm µσ--===?? 其中N 为吸收物质单位体积中的原⼦数2233.2810/N cm =? 0()t I t I e µ-=要求射到容器外时强度减弱99.9% 0 ()0.1%0.001t I t e I µ-∴=∴=即t=5In10 =11.513cm6：已知)1()(tι--=e A t f t 是⾃变量。

闪烁探测器的设计原理及应用闪烁探测器是指一种能够探测高能带电粒子的探测器，主要应用于核物理、高能物理、天文物理等领域。

闪烁探测器的优点是具有高能量分辨率和高时间分辨率，可以追踪高能带电粒子的能量沉积和时间分布。

本文将介绍闪烁探测器的设计原理及其应用。

一、闪烁体闪烁探测器的核心是闪烁体，它是一种能够吸收高能带电粒子并发出光信号的材料。

因此，闪烁体的要求是具有高能量吸收率和高发光效率。

常用的闪烁体有无机晶体和有机塑料。

无机晶体包括NaI(Tl)、CsI(Tl)、Bi4Ge3O12等，其中NaI(Tl)是最常用的无机闪烁体。

有机塑料包括聚苯乙烯(PS)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚异丁烯(PIB)等，其中聚苯乙烯是最常用的有机闪烁体。

无机晶体具有较高的能量分辨率和较长的寿命，而有机塑料具有较高的发光效率和低成本。

二、闪烁机制当高能带电粒子进入闪烁体时，与闪烁体原子发生相互作用，从而使原子中的电子被激发到较高的能级。

电子在激发态不稳定，会通过跃迁回到基态时释放出能量，并产生光子。

这些光子会在闪烁体内不断地反射和被发射，最终被闪烁探测器的光电倍增管或光电二极管探测到并转换为电信号。

三、闪烁探测器的组成闪烁探测器由闪烁体、光电倍增管或光电二极管、读出电路和数据处理系统等部分组成。

当闪烁体中的带电粒子产生光信号时，光电倍增管或光电二极管将其转换为电信号，并将其放大。

读出电路会将电信号转换为数字信号，并将其送回数据处理系统进行处理。

数据处理系统可以通过分析闪烁光信号的时间、能量等特征来确定带电粒子的能量和位置。

四、应用场景闪烁探测器广泛应用于核物理、高能物理、天文物理等领域。

其中最重要的应用场景是核物理实验。

闪烁探测器可以被用来探测放射性粒子的能量和位置，从而帮助研究核反应的基本原理。

同时，它还可以用于测量宇宙射线中带电粒子的能量，帮助研究宇宙空间的物理环境。

此外，闪烁探测器还可以应用于辐射检测和医学成像。

辐射探测学复习要点第一章辐射与物质的相互作用〔含中子探测一章〕1.什么是射线？由各种放射性核素发射出的、具有特定能量的粒子或光子束流。

2.射线与物质作用的分类有哪些？重带电粒子、快电子、电磁辐射〔γ射线与*射线〕、中子与物质的相互作用3.电离损失、辐射损失、能量损失率、能量歧离、射程与射程歧离、阻止时间、反散射、正电子湮没、γ光子与物质的三种作用电离损失：对重带电粒子，辐射能量损失率相比小的多，因此重带电粒子的能量损失率就约等于其电离能量损失率。

辐射损失：快电子除电离损失外，辐射损失不可忽略；辐射损失率与带电粒子静止质量m 的平方成反比。

所以仅对电子才重点考虑辐射能量损失率：单位路径上，由于轫致辐射而损失的能量。

能量损失率：指单位路径上引起的能量损失，又称为比能损失或阻止本领。

按能量损失作用的不同，能量损失率可分为"电离能量损失率〞和"辐射能量损失率〞能量歧离(Energy Straggling)：单能粒子穿过一定厚度的物质后，将不再是单能的〔对一组粒子而言〕，而发生了能量的离散。

电子的射程比路程小得多。

射程：带电粒子在物质中不断的损失能量，待能量耗尽就停留在物质中，它沿初始运动方向所行径的最大距离称作射程，R。

实际轨迹叫做路程P。

射程歧离(Range Straggling)：由于带电粒子与物质相互作用是一个随机过程，因而与能量歧离一样，单能粒子的射程也是涨落的，这叫做能量歧离。

能量的损失过程是随机的。

阻止时间：将带电粒子阻止在吸收体所需要的时间可由射程与平均速度来估算。

与射程成正比，与平均速度成反比。

反散射：由于电子质量小，散射的角度可以很大，屡次散射，最后偏离原来的运动方向，电子沿其入射方向发生大角度偏转，称为反散射。

正电子湮没放出光子的过程称为湮没辐射γ光子与物质的三种作用：光电效应〔吸收〕、康普顿效应〔散射〕、电子对效应〔产生〕电离损失、辐射损失：P1384.中子与物质的相互作用，中子探测的特点、根本方法和根本原理中子本身不带电，主要是与原子核发生作用，与γ射线一样，在物质中也不能直接引起电离，主要靠和原子核反响中产生的次级电离粒子而使物质电离。

闪烁体探测器的基本介绍秦1林2（中国石油大学华东，青岛，255680）摘要：闪烁体探测器是利用电离辐射在某些物质中产生的闪光来进行探测的，也是目前应用最多、最广泛的电离辐射探测器之一。

关键词：闪烁体；辐射；电离激发早在1903年，威廉·克鲁克斯就发明了由硫化锌荧光材料制成的闪烁镜并用其观察镭衰变放出的辐射；卢瑟福在其著名的卢瑟福散射实验中也曾使用硫化锌荧光屏观测α粒子。

不过，由于传统荧光材料在使用上很不方便，闪烁探测器一直没有大的进展。

1947年Coltman和Marshall成功利用光电倍增管测量了辐射在闪烁体内产生的微弱荧光光子，这标志着现代闪烁体探测器的发端。

1.基本构成与原理闪烁体主要由闪烁体、光的收集部件和光电转换器件组成的辐射探测器。

图1 闪烁体探测器基本构造入射辐射在闪烁体内损耗并沉积能量，引起闪烁体中原子（或离子、分子）的电离激发，之后受激粒子退激放出波长接近于可见光的闪烁光子。

闪烁光子通过光导射入光电倍增管的光阴极并打出光电子，光电子受打拿级之间强电场的作用加速运动并轰击下一打拿级，打出更多光电子，由此实现光电子的倍增，直到最终到达阳极并在输出回路中产生信号。

2.闪烁体的分类很多物质都可以在粒子入射后而受激发光，因此闪烁体的种类很多，可以是固体、液体或气体。

闪烁体材料大致可分为以下三类：（1）用于γ射线探测的CsI(Tl)晶体无机闪烁体：包括碱金属卤化物晶体（如NaI(Tl)、CsI(Tl)等，其中Tl是激活剂）、其他无机晶体（如CdWO4、BGO等）、玻璃体。

（2）有机闪烁体：有机晶体（如蒽、芪等）、有机液体、塑料闪烁体。

（3）气体闪烁体：如氩、氙等。

3 闪烁体的性质3.1发光效率高能够将入射带电粒子的动能尽可能多地转换为闪烁光子数。

3.2线性好入射带电粒子损耗的能量在很大范围内与产生闪烁光子数保持线性关系。

3.3发射光谱与吸收光谱不重叠闪烁体介质对自身发射光是透明的，不存在自吸收。