实验1 闪烁探测器
一、实验目的
1. 掌握闪烁探测器的结构、组成及工作原理； 2. 了解闪烁探测器的输出脉冲波形；
3. 了解高压变化及入射射线能量的变化对闪烁探测器输出波形的影响； 4. 了解闪烁探测器的工作坪曲线。
二、实验内容
1. 按照电路图3连接好仪器；
2. 按要求组装闪烁探测器，并测量闪烁探测器输出波形的幅度和宽度，将测量结果记下来；
3. 变换测量条件（改变源与探测器的距离或输入高压），观察输出波形变化情况，并记录测量结果。
三、实验原理
闪烁探测器（图1）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。一般由闪烁体、光电倍增管和相应的电子仪器三个主要部分组成。在闪烁体周围包以反射物质（有一面透光），这样能使光子集中向光电倍增管方向射去。光电倍增管是一个真空器件。它由光阴极、若干个打拿极和一个阳极组成。光阴极前有一个玻璃或者石英制成的窗，整个器件外壳为玻璃，各电极由针脚引出。通过高压电源和分压电阻，使阳极的各打拿级间建立从高到低的电位分布。闪烁光子入射到光阴极上时，由于光电效应会产生光电子，这些光电子受极间电场加速和聚焦，打在第一个打拿极上，产生3-6个二次电子，这些二次电子在以后各打拿极上又发生同样的倍增过程，直到最后在阳极上可直接收到104-109个电子。所以人们把这种器件称为光电倍增管。大量电子会在阳极负载上建立起电信号，通常为电流脉冲或电压脉冲，然后通过起阻抗匹配作用的射极跟随器，由电缆将信号传输到电子学仪器中去。
通常闪烁体透光一面由玻璃封装，如果它与光电倍增管窗之间存在空气层就会使闪烁光子反射回闪烁体，因此，在其间充以折射系数和玻璃差不多的硅油，就能使光子损失大大减少。
实用上常将闪烁体、光电倍增管和分压器及射极跟随器都安装在一个暗盒中，统称探头。探头中有时在光电倍增管周围包以磁屏蔽作用的铍莫合金，防止环境中磁场透入管子中去。电子仪器的组成单元则根据闪烁探测器的用途而异，常用的有高（低）压电源、线性放大器、单道或多道脉冲幅度分析器，有时也可包括门电路、定时电路、符合电路、定标器、计数率仪以及其它辅助电子学单元（例如示波器、脉冲发生器），还有国产NIM系统标准插件，可方便而灵活搭配。
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1、闪烁探测器的工作过程：
(1) 射线进入闪烁体，与之发生相互作用，闪烁体吸收带电粒子能量而使原子、分子电离和激发；
(2) 受激原子、分子退激并发射荧光光子；
(3) 利用反射物和光导将闪烁体光子尽可能多地收集到光电倍增管的光阴极上，由于光电效应，光子在光阴极上击出光电子；
(4) 光电子在光电倍增管中倍增，数量由一个增加到104-109个，电子流在阳极负载上产生电信号；
(5) 阳极输出信号被后续电子仪器记录和分析。
图1 闪烁探测器结构示意图
2、闪烁体
闪烁体按其化学性质可分为两大类：
一类是无机晶体闪烁体。通常是含有少量杂质（称为“激活剂”）的无机盐晶体，常用的有NaI(Tl)单晶体、CsI(Tl)单晶体、ZnS(Ag)多晶体等。
另一类是有机闪烁体。它们都是环碳氢化合物，例如蒽、萘、对联三苯、甲苯等。 本次实验用的NaI(Tl)晶体密度较大，而且高原子序数的碘(Z=53)占重量的85%，所以对γ射线探测效率特别高，同时相对发光效率大。NaI(Tl)晶体的缺点是容易潮解，所以一般都密封在金属盒中。国产NaI(Tl)晶体种类很多。有大尺寸的测γ射线的晶体，也有几毫米厚的薄晶体，主要用于测量低能γ射线和X射线。
3、光的收集与光导
光学收集系统包括反射层、耦合层、光导等。它可使闪烁体的光能够均匀、有效地收集在光电倍增管的光阴极上。
(1) 反射层的作用是把闪烁体中向四周发射的光有效地收集到光阴极上。一般用作反射层的材料有：氧化镁、二氧化钛、铝箔、镀铝塑料薄膜等。
(2) 由于闪烁体与光阴极接触的界面中存在着空气，为了尽量减少光线在交界面上
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发生全反射，以利于将光子大部分收集到光阴极上去，需要在闪烁体与光电倍增管之间加上一层“耦合剂”，其作用是有效地把光传给光电倍增管的光阴极，减少光在闪烁体与光阴极窗界面的全反射。光学耦合剂的材料有硅油、硅脂、甘油等。
(3) 光导的作用是有效地把光传递给光电倍增管的光阴极。 4、电子倍增器件 (1) 基本原理和构造
图2为光电倍增管的工作原理图。从闪烁体出来的光子通过光导射向光电倍增管的光阴极，由于光电效应，在光阴极上打出光电子。光电子经电子学输入系统加速、聚焦后射向第一“打拿极”。每个光电子在打拿极上击出几个电子，这些电子射向第二打拿极，再经倍增射向第三打拿极，直到最后一个打拿极。所以，最后射向阳极的电子数是很多的。阳极把所有电子收集起来，转变成电信号输出。
图2 光电倍增管工作原理图
(2) 分压器
光电倍增管中各电极的电位由外加电阻分压器抽头供给，所加高压可以是正高压，也可以是负高压。
一般，维持阴极和第一打拿极之间适当高的电场很重要，它有利于提高信噪比和能量分辨率。有的光电倍增管在光阴极与第一打拿极之间还有聚焦电极，这样三个电极组成一个电子光学输入系统。适当调整它们之间的电位分布，可以使大部分光电子都能顺利到达第一打拿极，从而获得最大的收集效率。中间的打拿极采用均匀分压器，其电压绝对值大小可根据需要的放大倍数来调节。由于在最末几级打拿极中的电流已相当大，一般使用非均匀分压器使最末二、三级打拿极之间有较高的电压，以避免空间电荷效应，否则光电倍增管的线性工作范围要受到限制。同时，为了避免在最后几个打拿极上，因脉冲电流过大使极间电压下降，一般在分压电阻上并联旁路电容。
至于末级打拿极和阳极之间的电压，由于阳极仅仅收集电子，不再继续倍增，故末级打拿极和阳极之间的电压一般选取比较低的值。分压器所选电阻应具有小的温度系数和较高的稳定性，并且实际耗散功率比额定功率小。但另一方面，为保证光电倍增管工
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作稳定，必须使流经分压电阻的电流远大于最大阳极电流，即应使总分压电阻阻值适当小，以保证打拿极之间电压基本不变。
(3) 主要指标
光电倍增管是将光信号转变为电信号，并将电信号加以放大的器件。它的主要指标包括：光电转换特性、电子倍增特性、噪声或暗电流、时间特性等。
(4) 光电倍增管的暗电流与本底脉冲（暗噪声）
当光电倍增管无光照射时，所产生的阳极电流称为“暗电流”。阳极暗电流是在一定电压下或在达到一定的阳极光照灵敏度所需的总电压下测定。通常在10-6-10-10A数量级。引起暗电流的主要原因有：热发射、欧姆漏电、残余气体电离、场致发射、切伦科夫光子、玻璃管壳放电和玻璃荧光、光阴极曝光等。
四、实验设备与电路原理图
1、实验设备
1. 数字型脉冲示波器1台； 2. 0-3000V高压电源插件； 3. 万用表一只； 4. NaI晶体探头一只； 5. γ射线源（137Cs或60Co）； 6. NIM机箱一台。 2、电路原理图（图3）
图3 闪烁体探测器器件连接图
五、实验步聚
1. 将完好的元件按电路图3将仪器连接起来；
2. 电路连接好后，接通高压电源，逐渐调至600V，然后分别在探头前放上源或60Co源，用示波器观测闪烁器的输出波形，并记下波形的幅度和宽度；
3. 改变137Cs源或60Co源到探测器的距离（离探测器大约1m远处，高压保持600V），
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137
Cs
观察波形改变情况，并做记录；
4. 将高压逐渐从0V上升到1000V（每次改变50V，要求对137Cs源和60Co源都要进行测量），观察探测器输出波形变化情况，并记下相应的波形的幅度和宽度；
6. 关闭电源，拔下探头。
六、实验报告编写要求
1. 绘制137Cs或60Co放射源的输出波形，注明各测量条件（能量、距离），并说明探测器输出脉冲幅度和射线能量的关系；
2. 记录不同高压下，测得137Cs或60Co放射源的输出脉冲幅度和宽度；
3. 说明探测器输出脉冲幅度与高压间的关系，并画出相关曲线（要求将137Cs和60Co放射源输出脉冲幅度与高压的关系画在同一图中）。
七、实验思考题
1. 试述正确使用闪烁探测器的措施？
2. 详述闪烁探测器输出脉冲波形的影响因素有哪些？
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