NaI(Tl)閃爍晶體原理

《NaI(Tl)閃爍晶體原理》由會員上傳分享，免費在線閱讀，更多相關(guān)內(nèi)容在工程資料-天天文庫。

1、實用文檔附錄一NaI(Tl)閃爍晶體閃爍體按其化學(xué)性質(zhì)可分為兩類：一類是無機晶體閃爍體，通常是含有少量雜質(zhì)(稱為激活劑)的無機鹽晶體，如碘化鈉(鉈激活)單晶體、即NaI(Tl)，碘化銫(鉈激活)單晶體、即CsI(Tl)，硫化鋅(銀激活)、即ZnS(Ag)等；另一類是有機閃爍體，它們都是苯環(huán)碳氫化合物。閃爍體的發(fā)光機制比較復(fù)雜，在此對無機晶體閃爍體的發(fā)光機制作一些簡要的定性介紹。無機晶體閃爍體屬離子型晶體，原子(離子)之間結(jié)合得比較緊密相互之間影響比較大，晶格中原子電子能級加寬成為一系列連續(xù)的能帶。其中最低能量狀態(tài)已為

2、電子所填滿，故稱為滿帶；價電子都處于稍高的能量狀態(tài)，這種能帶稱為“價帶”。若價帶未填滿，則在外電場作用下將有凈電流產(chǎn)生；若價帶已填滿，則必須有電子被激發(fā)到更高的能帶——導(dǎo)帶上去，才能產(chǎn)生電流，此時價帶上有一空穴，導(dǎo)帶上有一電子，即產(chǎn)生了一個自由電子——空穴對。價帶與導(dǎo)帶之間的空隙中不存在電子能級，稱為禁帶；禁帶有一寬度Eg，它和晶體的導(dǎo)電性質(zhì)密切相關(guān)，導(dǎo)體在0.1eV左右，半導(dǎo)體在0.63—2.5eV之間，無機閃爍體為絕緣透明物質(zhì)，Eg>3eV，NaI為7.0eV。也存在另一種情況：在閃爍晶體中產(chǎn)生的電子——空穴對仍

3、束縛著，稱為“激子”，它們在晶格中一起運動，在外電場中無凈電流產(chǎn)生，其能帶在導(dǎo)帶之下，稱為“激帶”。自由的導(dǎo)帶電子和價帶空穴可以復(fù)合成激子，激子也可以吸收熱運動能量變成自由電子——空穴對。當(dāng)核輻射進入閃爍體時，既可產(chǎn)生自由電子——空穴對，也可以產(chǎn)生激子。而后電子從導(dǎo)帶或激帶躍遷到價帶，退激過程中放出光子；也存在著競爭過程——非輻射躍遷，即通過放熱(晶格振動)退激。有一點需要指出，純的NaI晶體不是有效的閃爍體。一是因為相應(yīng)禁帶寬度的光子能量在紫外光范圍，不是可見光；二是退激發(fā)出的光子尚未逸出晶體就會被晶體自身吸收。為

4、了解決這一問題，在純晶體中摻入少量雜質(zhì)原子(如Tl)，稱為“激活劑”，它們成為發(fā)光中心，形成一套激發(fā)能級，能量比導(dǎo)帶低，而基態(tài)卻比價帶高，這樣躍遷產(chǎn)生的光子能量就比禁帶寬度Eg小，那么它就不可能再使價帶上的電子激發(fā)到導(dǎo)帶上去，從而避免自吸收。碘化鈉閃爍晶體能吸收外來射線能量使原子、分子電離和激發(fā)，退激時發(fā)射出熒光光子。NaI(Tl)晶體的密度較大(ρ=3.67g/cm3)，而且高原子序數(shù)的碘占重量的85%，所以對γ射線的探測效率特別高，同時相對發(fā)光效率大；它的發(fā)射光譜最強波長為415nm左右，能與光電倍增管的光譜響應(yīng)

5、較好匹配。此外，晶體的透明性也很好，測量γ射線時能量分辨率也是閃爍體中較好的一種。一個需要指出的問題是：在閃爍體的選取上要注意閃爍體對所測的粒子要有較大的阻止本領(lǐng)，以使入射粒子(特別是能量較大的粒子)在閃爍體中能損耗較多的能量而退激產(chǎn)生光子。原先使用的國產(chǎn)NaI(Tl)晶體尺寸為f20×5mm，這一厚度對定標時測高能γ(E>1MeV)時的效率不夠高，而且對高能β粒子的計數(shù)率也比較低；本裝置的閃爍探測器采用的尺寸為f20×20mm的NaI(Tl)晶體可以說是一大改進，一方面可以提高探測高能γ部分的效率，另一方面也提高了

6、實驗中高能β粒子的計數(shù)率。文案大全實用文檔NaI(Tl)晶體的缺點是容易潮解，吸收空氣中的水分就會變質(zhì)失效；因此我們采用了200mm的鋁來密封；這就需要對β穿過Al膜時的能量損失進行修正。在實驗中我們發(fā)現(xiàn)，對于不同的β粒子能量的損失不盡相同；所以在實際的實驗和數(shù)據(jù)處理中進行了能量損失的合理修正。附錄二光電倍增管光電倍增管是一種常用的靈敏度很高的光探測器，它由光陰極、電子光學(xué)輸入系統(tǒng)、倍增系統(tǒng)及陽極組成，并且通過高壓電源及一組串聯(lián)的電阻分壓器在陰極──打拿極(又稱“倍增極”)──陽極之間建立一個電位分布。光輻射照射到陰

7、極時，由于光電效應(yīng)，陰極發(fā)射電子，把微弱的光輸入轉(zhuǎn)換成光電子；這些光電子受到各電極間電場的加速和聚焦，光電子在電子光學(xué)輸入系統(tǒng)的電場作用下到達第一倍增極，產(chǎn)生二次電子，由于二次發(fā)射系數(shù)大于1，電子數(shù)得到倍增。以后，電子再經(jīng)倍增系統(tǒng)逐級倍增，陽極收集倍增后的電子流并輸出光電流信號，在負載電阻上以電壓信號的形式輸出。K——光陰極；F——聚焦極；D1～D10——打拿極；A——陽極。根據(jù)打拿極的幾何形狀和排列方式，光電倍增管分為聚焦型(環(huán)狀、直線)和非聚焦型(百葉窗式、盒柵式)。本裝置采用GDB44F型百葉窗式光電倍增管，其

8、優(yōu)點為脈沖幅度分辨率較好，適用閃爍能譜測量。它的主要指標應(yīng)該包括以下幾方面：光電轉(zhuǎn)換特性、電子倍增特性、噪聲或暗電流、時間特性等；在此主要介紹光電轉(zhuǎn)換特性和電子倍增特性。1）光電轉(zhuǎn)換特性——光陰極的光譜響應(yīng)和靈敏度光陰極是接收光子并放出光電子的電極，一般是在真空中把陰極材料蒸發(fā)在光學(xué)窗的內(nèi)表面上，形成半透明的端窗陰極；光陰極材料的品種有數(shù)十種，