【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 閃爍探測(cè)器 9 （ 2）受激原子、分子退激時(shí)發(fā)射熒光光子； （ 3）利用反射物質(zhì)和光導(dǎo)將閃爍光子盡可能多地收集到光電倍增管的光陰極上，由于光電效應(yīng)，光子在陰極上擊出光電子； （ 4）光電子在光電倍增管中倍增，數(shù)量有一個(gè)增加到 104~109個(gè)，電子流在陽(yáng)極負(fù)載上產(chǎn)生電信號(hào)； （ 5）此信號(hào)由電子儀器記錄和分析。 閃爍體 閃爍體的種類(lèi) ： 閃爍體按其化學(xué)性質(zhì)可以 分為兩大類(lèi) ； 一類(lèi)是無(wú)機(jī)晶體閃爍體。通常是含有少量雜質(zhì)（稱(chēng)為“激活劑”）的無(wú)機(jī)鹽晶體，常用的有碘化鈉（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）多晶體，即 ZnS(Ag)等。另一種是玻璃體，如鈰激活鋰玻璃 (Ce)。此外，近年來(lái)還開(kāi)發(fā)了不摻雜質(zhì)的純晶體，如溴化鑭（ LaBr3）；鍺酸鉍（簡(jiǎn)稱(chēng) BGO）；鎢酸鎘（ CdWO4，簡(jiǎn)稱(chēng) CWO）和氟化鋇（ Ba2）等。 另一類(lèi)是有機(jī)閃爍體。它們都是環(huán)碳?xì)浠衔?，又可分為三種： 有機(jī)晶體閃爍體。例如蒽、萘、對(duì)聯(lián)三苯等有機(jī)晶體。 有機(jī)液體閃爍體。在有機(jī)液體溶劑（如甲苯、二甲苯）溶入中少量發(fā)光物質(zhì)（如對(duì)聯(lián)三苯），稱(chēng)第一發(fā)光物質(zhì)，另外再溶入一些 光譜波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換劑（如 POPO化合物）稱(chēng)為第二發(fā)光物質(zhì)，組成有閃爍體性能的液體。 塑料閃爍體。他是在有機(jī)液體苯乙烯中加入第一發(fā)光物質(zhì)對(duì)聯(lián)三苯和第二發(fā)光物質(zhì) —— POPO 后，聚合成的塑料。 閃爍體的物理特性 ： 發(fā)射光譜 ： 閃爍體受核輻射激發(fā)后所發(fā)射的光并不是單色的，而是一個(gè)連續(xù)帶。圖 223 為幾種典型閃爍體發(fā)射光譜曲線。 P2（λ） dλ表示光在波長(zhǎng)λ —— λ +dλ之間的發(fā)射強(qiáng)度。對(duì)于每一種閃爍體，總是可找到一、兩種波長(zhǎng)的光，它的發(fā)射概率最大，整個(gè)光譜是以該波長(zhǎng)為中心的一個(gè)或整個(gè)發(fā)射帶。 東華理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 閃爍探測(cè)器 10 圖 223 幾種典型閃爍 體發(fā)射光譜曲線 發(fā)光效率 ： 發(fā)光效率是指閃爍體將所吸收的射線能量轉(zhuǎn)變?yōu)楣獾谋壤?，由于歷史原因，產(chǎn)生了許多種定義方法，一般使用下面三個(gè)量來(lái)描述。 （ 1） 光能產(chǎn)額 它定義為核輻射在閃爍體中損失單位能量閃爍發(fā)射的光子數(shù)。當(dāng)粒子在閃爍體中損失的能量為 E，閃爍過(guò)程發(fā)出的總光子數(shù)為 nph時(shí)，則光能產(chǎn)額 phph nY E? （ 21） 它的單位是光子數(shù) /兆電子伏（ 1/MeV）。例如在 NaI（ Tl）中，快電子的Yph≈ ╳ 104(1/MeV)。顯 然 1/Yph 表示在閃爍體中每產(chǎn)生一個(gè)光子所消耗的核輻射能量。 （ 2） 絕對(duì)閃爍效率 它就是能量轉(zhuǎn)換效率，表示在一次閃爍中，產(chǎn)生的閃爍光子總能量與核輻射損耗在閃爍體中的總能量之比； phnp EC E? （ 22） 腳標(biāo) np 表示由核能轉(zhuǎn)換為光能。相同能量不同種類(lèi)的粒子，例如α、質(zhì)子和β， Cnp 數(shù)值是不同的。 NaI（ Tl）對(duì)β的絕對(duì)閃爍效率 Cnp≈ ,對(duì)α粒子，Cnp≈ 。 （ 3） 相對(duì)發(fā)光效率 上述兩個(gè)物理量的測(cè)量，由于涉及光子數(shù) 的絕對(duì)定標(biāo)技術(shù)上比較復(fù)雜，故通常為方便起見(jiàn)，用相對(duì)值來(lái)度量不同閃爍體的發(fā)光效率。它是使用一種核輻射在不同閃爍體中損失相同的能量，測(cè)量它們的相對(duì)脈沖輸出幅度或電流進(jìn)行比較。一般以蒽作為標(biāo)準(zhǔn)，如對(duì)β射線蒽的相對(duì)發(fā)光效率取為 1，則 NaI(Tl)為 。 顯然，在核輻射探測(cè)時(shí)，希望閃爍體的發(fā)光效率越高越好，這時(shí)不僅輸出脈東華理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 閃爍探測(cè)器 11 沖幅度大，并且，由于光子較多，因而統(tǒng)計(jì)漲落小，能量分辨率也有所改善。在能譜測(cè)量時(shí)，為了使線性好，還要求發(fā)光效率對(duì)核輻射的能量在相當(dāng)寬的范圍內(nèi)為一常數(shù)。 發(fā)光時(shí)間和發(fā)光衰減時(shí)間 閃爍發(fā)光時(shí)間包括閃爍 脈沖的上升時(shí)間和衰減時(shí)間兩部分。上升時(shí)間主要由閃爍電子激發(fā)時(shí)間以及帶電粒子在閃爍體中耗盡能量所需要的時(shí)間決定，前者時(shí)間較短，可以忽略不計(jì)，后者一般小于 109s。 閃爍體受激后，電子退激發(fā)光一般服從指數(shù)衰減規(guī)律。單位時(shí)間發(fā)出的光子數(shù)（決定輸出脈沖的曲線形狀），即發(fā)光強(qiáng)度為： 00()() tp h p hd n t nI t edt ?? ?? ? ? （ 23） 顯然，經(jīng)過(guò)時(shí)間 τ 0脈沖下降到最大值的 1/e，稱(chēng)為閃爍體發(fā)光衰減時(shí)間，也稱(chēng)衰減常數(shù)。例如對(duì) NaI(Tl),τ 0≈ s。 這一公式對(duì)大多數(shù)無(wú)機(jī)閃 爍體是正確的，其中 τ 0為微妙數(shù)量級(jí)。對(duì)大多數(shù)有機(jī)閃爍體和少數(shù)無(wú)機(jī)晶體，發(fā)光衰減有快、慢二種成分，其衰減規(guī)律可以用下式描述： / /() f st tfsI t I e I e? ?? ??? （ 24） 其中， τ f和 τ s分別是路快、慢兩種成分的發(fā)光衰減時(shí)間， If和 Is，則為快、慢成分的發(fā)光強(qiáng)度。一般認(rèn)為， τ f為 ns量級(jí)， τ s為 μ s量級(jí)。 探測(cè)效率 單個(gè)粒子 (γ 光子 )射到探測(cè)器的靈敏體積內(nèi)就有可能形成一個(gè)可以記錄的信號(hào)，形成信號(hào)的概率就是探測(cè)效率。 探測(cè)得到脈沖能譜，計(jì)數(shù)脈沖包括了探測(cè) 器對(duì) γ 射線所產(chǎn)生的所有幅度的脈沖，即利用 γ 射線全譜下的總計(jì)數(shù)。設(shè) n 表示全譜下的總計(jì)數(shù)率，放射源的放出 γ 光子的發(fā)射率為 N，源探測(cè)效率也稱(chēng)為絕對(duì)探測(cè)效率 s? 定義如下： s nN? ? （ 25） 根據(jù)上式，若知道 s? ，并通過(guò)測(cè)量得到 n，那么就可以求出放射源的 γ 光子的發(fā)射率 N。該 方法雖然可得到最多的脈沖計(jì)數(shù)，但實(shí)際上除少數(shù)場(chǎng)合外，如核素單一或只要比較相對(duì) γ 強(qiáng)度，一般較少使用。這是因?yàn)樵谝话愕臏y(cè)量條件下， n 的測(cè)量很難準(zhǔn)確，它受很多因素的影響。這些因素是： (1)為去除噪聲脈沖，儀器設(shè)置一定的甄別閾，這樣就去除了一部分幅度較小的 γ 脈沖； (2)射線打在晶體外殼，反射層、光電倍增管等物質(zhì)上不可避免地發(fā)生散射，這些散射射線中是存在的，他們對(duì)計(jì)數(shù)引起干擾； (3)其他如特征 X 射線 或 韌致輻射的干擾等?？梢钥闯?，這些干擾難以完全避免，并且隨實(shí)驗(yàn)條件布置的不同經(jīng)常會(huì)發(fā)生東華理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 閃爍探測(cè)器 12 變化。如果不測(cè)全譜下的總計(jì)數(shù)而只測(cè) 全能峰下的計(jì)數(shù)，那么上述幾個(gè)因素的影響就大為減小。這是因?yàn)椋⑸浼捌渌蓴_輻射的脈沖較小，因而就不會(huì)影響到全能峰的計(jì)數(shù)。此外，全能峰也容易辨認(rèn)，靠設(shè)置甄別閾或從測(cè)得的整個(gè)能譜曲線中把全能峰內(nèi)的計(jì)數(shù)求出來(lái)是比較容易的。因此，只要建立 起 全能峰內(nèi)計(jì)數(shù)率和源發(fā)射率 N 之間的聯(lián)系，就可以通過(guò)測(cè)量全能峰內(nèi)的計(jì)數(shù)來(lái)求出發(fā)射率了，這種方法叫全能峰法。為此，要確定下式（ 26）所定義的探測(cè)效率，稱(chēng)為源峰探測(cè)效率 sp? ： Nnpsp ?? （ 26） 在討論探測(cè)效率的刻度方法前，我們先說(shuō)明一下幾個(gè)不同名稱(chēng)效率的含意。一個(gè)是探測(cè)器效率，它是指探測(cè)器計(jì)數(shù)與入射在探測(cè)器靈敏體積上粒子數(shù)之比；另一個(gè)是探測(cè)效率，它是指探測(cè)器計(jì)數(shù)與源所發(fā)射的粒子數(shù)之比。為習(xí)慣起見(jiàn)，我們對(duì)前一效率加 “ 本征 ” 二字，對(duì)后一效率加一 “ 源 ” 字。具體的幾種效率定義和相互的聯(lián)系如下： （ 1） 入射本征效率 in? 。指全譜下的總的脈沖數(shù)與射到晶體上的 γ 光子數(shù)之比，簡(jiǎn)稱(chēng)本征效率。 （ 2）本征峰效率 inp? 。指全能峰內(nèi)的脈沖數(shù)與射到晶體上的 γ 光子數(shù)之比。由峰總比 R的定義可以寫(xiě)出： ininp ?? R? （ 27） （ 3）源探測(cè)效率 s? 。若幾何因子 ? 定義為晶體對(duì)源所張的相對(duì)立體角，源探測(cè)效率可寫(xiě)為： ins ??? ? （ 28） （ 4） 源峰探測(cè)效率 sp? 。由下式表示： insp ??? R? （ 29） 本文主要涉及源探測(cè)效率或稱(chēng)絕對(duì)探測(cè)效率問(wèn)題和絕對(duì)峰探測(cè)效率或稱(chēng)源峰探測(cè)效率，其它方面的探測(cè)效率占不考慮。 峰總比 R(E)的定義及計(jì)算原理 峰總比 R(E)是入射能量為 E 的單色光子束全能峰下的面積與整個(gè)響應(yīng)函數(shù)下的全譜面積之比。它直接量度探測(cè)器對(duì)入射 γ 射線的探測(cè)效率，是探測(cè)器的固有參數(shù)。影響峰總比的因素很多，如射 線能量、晶體大小、射線束是否準(zhǔn)直以及晶體包裝材料和厚度等。本文是在晶體、包裝材料等相同尺寸條件下，采用各向同性的點(diǎn)源，模擬計(jì)算比較 LaBr3:Ce晶體和 NaI(Tl)晶體的峰總比。 γ 射線進(jìn)入NaI(Tl)晶體 , 通過(guò)光電效應(yīng)、康普頓效應(yīng)、電子對(duì)效應(yīng)等在晶體中沉積能量 ,使晶體產(chǎn)生熒光 , 熒光被光電倍增管的光陰極收集 , 產(chǎn)生光電子 , 光電子被光電倍增管倍增 ,經(jīng)后面的電子學(xué)系統(tǒng)線性放大處理 , 形成脈沖被記錄 , 最后得到的脈沖幅度正比于入射光子的能量。因此 , 可用光子在晶體中沉積在 E 附近單位東華理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 閃爍探測(cè)器 13 間隔的能量與沉積在晶體 中的全部能量 (0~E )之比來(lái)定義 R(E ) 。 LaBr3:Ce(5%)探測(cè)器性能簡(jiǎn)介 溴化鑭探測(cè)器能量響應(yīng) MC模擬是對(duì)光子在物質(zhì)中輸運(yùn)時(shí)發(fā)生的各種相互作用以一定概率抽樣，計(jì)算粒子在探測(cè)器中沉積的能量。每個(gè) γ 光子在溴化鑭閃爍晶體中產(chǎn)生的光子數(shù)、光電倍增管的倍增系數(shù)以及第一打拿極收集到的電子數(shù)都是隨機(jī)的，電子學(xué)系統(tǒng)的噪聲也是隨機(jī)的， MC法不能計(jì)算這些隨機(jī)效應(yīng)，故需實(shí)驗(yàn)結(jié)合模擬的方法。我們用上述溴化鑭探測(cè)器組件和 Canberra公司的多道系統(tǒng) DAS2021，對(duì) γ 能譜高斯峰進(jìn)行刻度，半 高寬 的刻度公式為： FWHM=aE2+bE+c，其中， E為能量， a、 b、 c 為系數(shù)。高斯標(biāo)準(zhǔn)差 σ =FWHM/。 圖 231 溴化鑭譜儀系統(tǒng)峰半高寬刻度曲線 由 MC模擬得到每個(gè) γ 光子在探測(cè)器中沉積的能量，以該能量為均值， σ 2為方差，按照高斯分布進(jìn)行抽樣，就可得到整個(gè)譜儀系統(tǒng)對(duì)每個(gè)光子產(chǎn)生的響應(yīng)能量 Es，對(duì)大量入射光子的 Es 值進(jìn)行分類(lèi)統(tǒng)計(jì)便得到 γ 能譜。 MC模擬計(jì)算得到的能譜見(jiàn)圖 231。圖 331 的實(shí)測(cè)能譜都已減除探測(cè)器的 固有 本底譜。圖 232 表明，模擬與實(shí)測(cè) γ 能譜的主要特征處（如全 能峰、康普頓坪及邊緣等）符合很好；241Am 的低能部分受電子學(xué)噪聲影響，與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)有所差別 。 東華理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 閃爍探測(cè)器 14 圖 332 溴化鑭探測(cè)器實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和模擬數(shù)據(jù)譜 溴化鑭探測(cè)器 固有 本底譜 溴化鑭探測(cè)器最大的特點(diǎn)在于其晶體含有少量的 138La 與 227Ac，使其本底譜和環(huán)境中的自然本底不同。其 固有 本底譜主要來(lái)自 138La 的 789 keV 和 1436 keV 兩個(gè) γ 躍遷，低能 X 射線主要來(lái)自 138La衰變子核 138Ba。能譜處理程序須針對(duì)這個(gè)特點(diǎn)作改進(jìn)。模擬本底譜 時(shí)，我們將 138La 隨機(jī)分布在溴化鑭晶體內(nèi)，其單位體積的放射性活度為 ，考慮晶體體積很容易算出相應(yīng)測(cè)量時(shí)間內(nèi) 138La 衰變的總次數(shù)。模擬計(jì)算的溴化鑭探測(cè)器 固有 本底譜和實(shí)測(cè)結(jié)果如圖 233所示。模擬計(jì)算是測(cè)量 1 h 的結(jié)果，實(shí)測(cè)時(shí)間也是 1 h。由圖 233可見(jiàn)，溴化鑭 固有 本底能譜的模擬數(shù)據(jù)在幾個(gè)主要的全能峰處與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)符合較好。在低能部分，由于有環(huán)境本底 (天然放射性、宇宙射線等 )的影響，模擬數(shù)據(jù)和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)有較大偏差。實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)中高能部分來(lái)自 227Ac 以及環(huán)境本底，由于計(jì)數(shù)很少，對(duì)能譜 數(shù)據(jù)影響不大，因此在模擬計(jì)算時(shí)沒(méi)有考慮。 圖 233 溴化鑭探測(cè)器固有本底譜模擬數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比結(jié)果 東華理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 蒙特卡洛方法 15 3 蒙特卡洛方法 蒙特卡洛方法簡(jiǎn)介 蒙特卡羅方法 (Monte Carlo 方法 )，又稱(chēng)隨機(jī)抽樣技巧或統(tǒng)計(jì)試驗(yàn)方法，以概率統(tǒng)計(jì)理論為基礎(chǔ)，具有獨(dú)特風(fēng)格的一種數(shù)值計(jì)算方法，它既能求解確定性的數(shù)學(xué)問(wèn)題和隨機(jī)性問(wèn)題，也能夠較逼真地描述事物的特點(diǎn)及物理實(shí)驗(yàn)過(guò)程，解決一些數(shù)值方法難以解決的問(wèn)題，因而該方法的應(yīng)用領(lǐng)域日趨廣泛。半個(gè)多世紀(jì) 以來(lái)，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展與電子計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)，蒙特卡羅方法作為一種獨(dú)立的