閃爍體是一種將通過電離輻射損失的能量轉(zhuǎn)化為光脈沖的材料。在大多數(shù)閃爍計(jì)數(shù)應(yīng)用中，電離輻射以 X 射線、y 射線和 a 或 b 粒子的形式出現(xiàn)，能量范圍從幾千電子伏特到幾百萬電子伏特（keVs 到 MeVs）不等。

一般信息

閃爍材料發(fā)出的光脈沖可以被靈敏的光探測(cè)器檢測(cè)到，通常是光電倍增管 （PMT）PMT 的光電陰極面位于入射窗的背面，將光（光子）轉(zhuǎn)換為所謂的光電子。然后，光電子被電場(chǎng)加速到 PMT 的倍增節(jié)點(diǎn)，在那里發(fā)生倍增過程。結(jié)果是每個(gè)光脈沖（閃爍）在 PMT 的陽極上產(chǎn)生一個(gè)電荷脈沖，隨后可以被其他電子設(shè)備檢測(cè)到，并使用定標(biāo)器或速率計(jì)進(jìn)行分析或計(jì)數(shù)。

將閃爍光轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的替代方法是硅光電二極管 （PD） 或硅光電倍增管 （SiPms）。這些的工作原理和它們的不同特性將在單獨(dú)的部分中討論。閃爍體和光探測(cè)器的組合稱為閃爍探測(cè)器。

由于閃爍體發(fā)射的光脈沖強(qiáng)度與吸收輻射的能量成正比，因此后者可以通過測(cè)量脈沖高度光譜來確定。

為了以一定的效率探測(cè)核輻射，應(yīng)選擇閃爍體的尺寸，以便吸收所需的輻射部分。對(duì)于穿透輻射，例如 γ 射線，需要高密度的材料。此外，閃爍體中某處產(chǎn)生的光脈沖必須穿過材料才能到達(dá)光探測(cè)器。這對(duì)閃爍材料的光學(xué)透明度施加了限制。

當(dāng)增加閃爍體的直徑時(shí)，探測(cè)器“看到”源的立體角會(huì)增加。這提高了檢測(cè)效率。最終的檢測(cè)效率是通過所謂的“計(jì)井器”獲得的，其中樣品被放置在實(shí)際閃爍晶體的孔內(nèi)。

閃爍體的厚度是決定探測(cè)效率的另一個(gè)重要因素。對(duì)于電磁輻射，要停止的厚度（比如 90% 的入射輻射）取決于 X 射線或 γ 射線能量。對(duì)于電子（例如 β 粒子），情況相同，但適用不同的依賴關(guān)系。對(duì)于較大的顆粒（例如α顆?；蛑仉x子），非常薄的材料層已經(jīng) 100% 阻止了輻射。

閃爍體的厚度可用于為不同類型或能量的輻射創(chuàng)建選定的探測(cè)器靈敏度。薄的（例如 1 mm 厚的）閃爍晶體對(duì)低能量 X 射線具有良好的敏感性，但對(duì)高能量背景輻射幾乎不敏感。具有相對(duì)較厚入射窗口的大體積閃爍晶體無法檢測(cè)低能量 X 射線，但可以有效地測(cè)量高能量伽馬射線。

對(duì)伽馬射線的閃爍響應(yīng)

一個(gè)。脈沖高度光譜法

脈沖高度光譜的基本原理是閃爍體的光輸出與閃爍材料中沉積的能量成正比。檢測(cè)閃爍光的標(biāo)準(zhǔn)方法是將閃爍體耦合到光電倍增管。此外，γ 射線光譜儀通常由前置放大器、主（光譜）放大器和多通道分析儀 （MCA） 組成。電子元件放大 PMT 電荷脈沖，產(chǎn)生適合使用 MCA 進(jìn)行檢測(cè)和分析的電壓脈沖。原理圖如下所示。

或者，目前可用的數(shù)字技術(shù)允許直接數(shù)字化光檢測(cè)器（例如 PMT 或 SiPm）的（預(yù)放大）脈沖。通常使用 programmable FPGA來實(shí)現(xiàn)此目的。最佳數(shù)字濾波常數(shù)（就像模擬整形時(shí)間一樣）取決于閃爍材料的速度。

14 針閃爍探測(cè)器和所謂的“數(shù)字底座”相結(jié)合，可以構(gòu)建一個(gè)緊湊的伽馬能譜儀，該能譜儀可以通過計(jì)算機(jī)的 USB 或以太網(wǎng)端口進(jìn)行作。

b.能量分辨率、比例

伽馬射線能譜儀的一個(gè)重要方面是能夠區(qū)分能量略有不同的伽馬射線。這種質(zhì)量的特點(diǎn)是所謂的能量分辨率，它被定義為在一定能量下光電峰值高度一半處的（相對(duì)）寬度。

除了受 γ 射線能量的影響外，能量分辨率還受以下因素影響：

• 閃爍體的光輸出（統(tǒng)計(jì)）
• 閃爍體光輸出和光探測(cè)器響應(yīng)的不均勻性

在光電子統(tǒng)計(jì)主導(dǎo)能量分辨率的低能量下，能量分辨率與γ射線能量的平方根大致成反比。

原則上，閃爍體每單位能量發(fā)出的光量與能量的函數(shù)是恒定的。然而，這不是物理現(xiàn)實(shí)。這種所謂的非比例性對(duì)于不同的閃爍體來說差異很大，在經(jīng)典的堿鹵化物中，它限制了 MeV 能量范圍內(nèi)的能量分辨率。下面顯示了一些典型閃爍材料的比例。

材質(zhì)中的 Gamma 射線相互作用包括光電效應(yīng)、Compton 效應(yīng)和對(duì)產(chǎn)生。通常它們中的幾個(gè)會(huì)結(jié)合在一起。γ 射線相互作用 n 材料導(dǎo)致高能電子的產(chǎn)生。電子能量與光響應(yīng)不成比例導(dǎo)致光峰展寬。

參考文獻(xiàn) W. Mengesha、T.D. Taulbee、B .D. Rooney 和 J.D. Valentine.CsI（Tl）、CsI（Na） 和 YAP 的光產(chǎn)額非比例性IEEE Trans. Nucl. Sci. 第 45 卷，第 3 期，
（1998 年），第 456-461 頁

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閃爍體比例是一個(gè)材料常數(shù)，每種材料都不同

因此，閃爍體的能量分辨率可以用以下公式來描述：

項(xiàng) 1 是相稱性;第 2 項(xiàng) 統(tǒng)計(jì)的貢獻(xiàn)（每次相互作用產(chǎn)生的光量）和第 3 項(xiàng) PMT 或閃爍體等不均勻性效應(yīng)。

閃爍探測(cè)器的能量分辨率是真正的探測(cè)器特性，受閃爍體和 PMT 或其他讀出設(shè)備的物理特性的限制。

小型 NaI（Tl） 探測(cè)器吸收的 662 keV γ 射線的典型能量分辨率為 7.0 % FWHM。在低能量下，例如 5.9 keV，典型值為 40 % FWHM。在這些低能量下，閃爍晶體的表面處理會(huì)強(qiáng)烈影響分辨率。很明顯，特別是在低能量下，閃爍探測(cè)器是低分辨率器件，這與 Si（Li） 或 HPGe 探測(cè)器不同。

使用比例更高的晶體，例如 LaBr3：Ce、LBC、CeBr3 或 SrI2（Eu），可以在 662 keV 伽馬射線下實(shí)現(xiàn)低至 3-4% 水平的能量分辨率數(shù)。在高分辨率晶體部分中，提供了有關(guān)比例閃爍晶體的更多詳細(xì)信息。

c. 時(shí)間分辨率

閃爍探測(cè)器的時(shí)間分辨率反映了準(zhǔn)確定義探測(cè)器中輻射量子吸收矩的能力。

閃爍體的光脈沖以上升時(shí)間和 1/e 下降時(shí)間 τ（衰減時(shí)間參見閃爍特性部分）為特征 很明顯，當(dāng)閃爍脈沖較短（衰減時(shí)間短）且強(qiáng)度較高時(shí)，可以獲得吸收事件的最佳時(shí)間定義。此外，PMT 和電子設(shè)備的上升時(shí)間和時(shí)間抖動(dòng)（也稱為傳輸時(shí)間擴(kuò)展，TTS）也很重要。對(duì)于半導(dǎo)體讀出，類似的特性也適用。

小厘米尺寸 NaI（Tl） 探測(cè)器對(duì) 60Co （1.2 MeV） 的典型時(shí)間分辨率為幾納秒。使用有機(jī)或?BaF2?閃爍晶體可以獲得更好的時(shí)間分辨率。BaF2 是目前已知最快的無機(jī)閃爍體，探測(cè)器時(shí)間分辨率為幾百皮秒。此外，溴化鈰 （CeBr3） 閃爍體可實(shí)現(xiàn)相當(dāng)?shù)臅r(shí)間分辨率。

d. 峰谷比

檢查閃爍探測(cè)器能量分辨率的一種靈敏方法是在能譜中定義所謂的峰谷 （P/V）。此標(biāo)準(zhǔn)不取決于信號(hào)中任何可能的偏移量。取兩個(gè) Gamma 峰之間的峰谷，或者取低能量峰與 PMT/電子噪聲之間的比率。

76 x 76 mm NaI（Tl） 晶體的良好 P/V 比為 10：1。這相當(dāng)于在 662 keV 時(shí) 7.0% 的能量分辨率。在 5.9 keV 時(shí)，高質(zhì)量的 NaI（Tl） X 射線探測(cè)器的 P/V 比為 40：1。

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e.頻譜穩(wěn)定

較大的計(jì)數(shù)速率變化和溫度變化可能會(huì)導(dǎo)致譜圖中的峰位置變化。這種效應(yīng)在閃爍探測(cè)器中是不可避免的，因?yàn)殚W爍體的光輸出和光探測(cè)器放大（在大多數(shù)情況下）與溫度有關(guān)。
光電倍增管讀出情況下的另一個(gè)程序是 PMT 中的磁滯和記憶效應(yīng)，這使校正算法復(fù)雜化。在硅光電倍增管中不存在這種效應(yīng)。

為了補(bǔ)償這些影響，可以使用所謂的?Am 脈沖發(fā)生器校準(zhǔn)峰值位置。

這是一個(gè)安裝在閃爍探測(cè)器內(nèi)的非常小的放射性 241Am 源。241Am 發(fā)射的 α 粒子會(huì)在晶體中引起閃爍，這些閃爍被探測(cè)器的 PMT（或光電二極管）檢測(cè)到。對(duì)于 NaI（Tl），α 峰位于 1.5 和 3.5 MeV 的?Gamma 等效能量 （GEE）?之間，可以指定。計(jì)數(shù)率通常為 50、100 或 200 cps。脈沖發(fā)生器峰值的位置用作參考，以補(bǔ)償上述探測(cè)器響應(yīng)的變化。

上述校準(zhǔn)方法并不理想，因?yàn)榇蠖鄶?shù)閃爍晶體對(duì)伽馬射線和α粒子的響應(yīng)是不同的。然而，僅在大溫度范圍下才需要使用熱敏電阻等進(jìn)行二階補(bǔ)償。

為了偶爾監(jiān)控系統(tǒng)完整性，也可以使用發(fā)光二極管 （LED） 或激光端口。LED 可以安裝在閃爍探測(cè)器內(nèi)部，也可以為此提供一個(gè)窗口。存在一些特殊系統(tǒng)，它們通過將脈沖 LED 光注入光檢測(cè)器并將其與（穩(wěn)定的）內(nèi)置半導(dǎo)體檢測(cè)器的信號(hào)進(jìn)行比較，從本質(zhì)上穩(wěn)定檢測(cè)器的增益。

除了上述脈沖高度穩(wěn)定方法外，當(dāng)然也可以在（始終存在的）外部源的峰值上進(jìn)行電子穩(wěn)定。有時(shí) 40K 背景線可用于此目的。