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解决办法：在晶体中掺入少量杂质。
称为“激活剂”的杂质在晶格形成特殊的 晶格点，并在禁带中形成一些局部能级。
选择合适的杂质，使它的激发能级比晶体 的导带、激带低，而基态比价态高。杂质 能级成为发光中心。
由于杂质的电离能小于典型晶格点的电离 能，原子受激产生的电子、空穴将迅速迁 移到杂质能级的激发态和基态，即使杂质 原子处于激发状态。
导带上的自由电子和价带空穴可以复合成
激子，相反，激子也可以受热运动而变成
自由电子－空穴对。
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退激过程将可能发出光子，也可能变成晶 格振动能而不发光。
出现的问题： A）对纯离子晶体，退激发出的光子容易被 晶体自吸收，传输到晶体外的光子很少；
B）由于离子晶体禁带宽度大，退激发出的 光子能量为紫外范围，一般光电倍增管的 光阴极不能响应，这些发射的光子不能被 有效利用。
纯晶体 Bi4Ge 3O12
BGO
2) 有机闪烁体：有机晶体——蒽晶体等； 有机液体闪烁体及塑料闪烁体.
3) 气体闪烁体：Ar、Xe等。
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2、闪烁体的发光机制
1) 无机闪烁体的发光机制
激活剂
重点分析掺杂的无机晶体，以NaI(Tl)， CsI(Tl),CsI(Na)属于离子晶体等为最典型，
又称卤素碱金属晶体。
(2) 荧光光子被收集到光电倍增管(PMT)的
光阴极，通过光电效应打出光电子。 (3) 电子运动并倍增，并在阳极输出回路输 出信号。
闪烁探测器可用来测量入射粒子的能量。
3
9.1 闪烁体
1、闪烁体的分类
1) 无机闪烁体：
无机晶体(掺杂) NaI Tl , CsI Tl , ZnSAg
玻璃体 LiO2 2SiO2 Ce (锂玻璃)
1) PMT的主要部件和工作原理
半透明光阴极 光电子轨迹
入射光
真空壳
聚焦电极 打拿极
阳极20
2) PMT的类型
(1) 外观的不同
(2) 根据光阴极形式
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(3) 根据电子倍增系统 聚焦型
非聚焦型
具有较快的响应 时间，用于时间 测量或需要响应 时间快的场合。
电子倍增系数较 大，多用于能谱 测量系统。
晶体中电子的能态不 再用原子能级表示， 而用“能带”来描述。
晶体的发光机制 取决于整个晶体 的电子能态。
禁带
导带 价带
激带
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对于离子晶体，辐射射入闪烁体使晶体 原子电离和激发。
结果使得价带中的一些电子由原来位置跃 迁过禁带而进入导带，成为自由电子，同 时在价带中形成空穴。（电离）
电子也可能跃迁到较低的激带，这时产 生的电子－空穴对称之为激子。激子只 能在晶格中束缚在一起运动。（激发）
ZnSAg 将 ZnSAg 粉末加1%有机玻璃粉末
溶于有机溶剂涂于有机玻璃板上， 透明度差，薄层，测α,β粒子。
有机液体闪烁体 溶剂(二甲苯)+发光物质
(PPO)+移波剂(POPOP)。放于
玻璃或石英杯中。
塑料闪烁体 苯乙烯(单体)+ PPO + POPOP，聚
合成塑料。 17
18
5、光的收集
1) 反射层
在非光子出射面打毛，致使光子 漫反射，并再衬以或涂敷氧化镁 或氧化钛白色粉末。
2) 光学耦合
为防止光由光密介质到光疏 介质发生的全反射，用折射
系数 n 1.4 ~ 1.8 的硅脂(或
硅油)。
3) 光导 常用于闪烁体与光电倍增管的尺寸 不符或其它特殊需要。
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9.2 光电倍增管
1、PMT的结构——光电倍增管为电真空器件。
第九章
闪烁探测器
Scintillation Detector
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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。
荧光 光子
反射层 窗
光电倍增管 (打拿极) 分压器
前置放大器
多道或单道 高压
闪烁体
光电子 光阴极
阳极
管座
暗盒
2
闪烁探测器的工作过程：
(1) 辐射射入闪烁体使闪烁体原子电离或 激发，受激原子退激而发出波长在可见光 波段的荧光。
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③ 激发态是亚稳态，电子可以在此状态保持一 段较长的时间，像掉入陷阱一样。 这些电子可以从晶格振动中获得能量，重新跃迁 到导带，然后再通过发射光子而退激，因而发光 的衰减时间较长，称之为“磷光”。
2) 有机闪烁体的发光机制
有机闪烁体的发射光谱和吸收光谱的峰值是分 开的，所以，有机闪烁体对其所发射的荧光是 透明的。但发射谱的短波部分与吸收谱的长波 部分有重叠，为此在有的有机闪烁体中加入移 波剂，以减少自吸收。
0
得到：
n t nph e t
对于大多数有机闪烁体及若干无机闪烁体 的发光有快、慢两种成分：
n t
nf
t
ns
t
nf
e
t
f
ns
e
t
s
f
s
快、慢两种成分的相对比例随入射粒子而
变化 。
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4、常用闪烁体
NaI Tl 发光效率高，Z,高，适宜于射线探
测。易潮解，须仔细封装。
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CsI Tl 不潮解，价贵。
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3、闪烁体的物理特性 1) 发射光谱
特点：发射光谱为连续谱。各种闪烁体都存在 一个最强波长；要注意发射光谱与光电倍增管 光阴极的光谱响应是否匹配。
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2) 发光效率与光能产额
指闪烁体将所吸收的射线能量转化为光的比例。
发光效率：Cnp
E ph E
100%
Eph闪烁体发射光子的总能量；
E入射粒子损耗在闪烁体中的能量。
以NaI(Tl)为例：
对β粒子 Cnp 13%；对α粒额：
Yph
nph E
光子数 MeV
nph为产生的闪烁光子总数。
发光效率与光能产额的关系：
Y ph
n ph E
E ph hv
1 E
C np hv
以NaI(Tl)为例 对1MeV的β粒子，发射光子平均能量 h 3eV
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激发态的杂质原子有三种可能的退激方式：
① 电子从激发态立即跳回基态，发射出光子，发
光的衰减时间通常在10-7s以内，称为“荧光”。
荧光光子为可见光的范围，且有效地克服了发 光的自吸收，使晶体的发射光谱和吸收光谱有 效的分离。
② 电子把激发能转换为晶格的振动(热运动)而到 达价带，并不发射光子，这种过程称为“淬灭 过程”。
Y ph
0.13 3eV
4.3 104
光子数 MeV 13
3) 发光衰减时间
受激过程大约 109 1011 Sec 退激过程及闪烁体发光过程按指数规律
对于大多数无机晶体，t时刻单位时间发
射光子数：
nt
n0e
t
τ为发光衰减时间，即发光强度降为1/e所
需时间。
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由总光子数
nph
n0e
t
dt
n0