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光电倍增管-闪烁计数器
2010-04-15 | 浏览次数:|【

1903年有人发现 α粒子照射在硫化锌粉末上可产生荧光的现象。1911年,卢瑟福将玻璃面上涂一层硫化锌的观测屏用于α 粒子散射实验,通过屏上的荧光闪烁,证实原子的核结构。

  

1929年科勒(L.R.Koehler)制成了第一种实用光电阴极——银氧铯阴极,从此出现了光电管(phototube)。1934年库别茨基(Leonid Aleksandrovitch Kubetsky,1906-1959)提出了光电倍增管雏形。1939年兹沃雷金(V.K.Zworykin,1889-1982)制成了实用的光电倍增管。

  

光电倍增管(PhotoMultiplier Tube)利用电子次级发射的倍增放大作用以测量弱光强度,是灵敏度极高,响应速度极快的光探测器。这种扫描器件实际上是一种电子管,感光的材料主要是金属铯的氧化物,其中并掺杂了其他一些活性金属(例如镧系金属)的氧化物进行改性,以提高灵敏度和修正光谱曲线,用这材料制成的光电阴极射线管,在光线的照射下能够发射电子,称为光电子,它经栅极加速放大后冲击阳极,最终形成了电流。 
 

位于日本神冈的Super-Kamiokande位于地下一千米深的神冈矿山下,注入了50000吨纯水的超大水缸,其内层布满了11200颗光电倍增管。当中微子与水中的电子发生电子散射时,中微子的能量便会传给电子或经反应制造出的μ子,而这些带电粒子因为其行进速度超过光在水中的速度,使得它们会在行进方向幅射出一锥状的电磁波,也就是所谓的Cerenkov 光锥,而这些光锥就会在表面的探测器上留下一圈圈的讯号。Super-Kamiokande 1998年凭借测量大气层中微子的比例而间接验证了中微子振荡的效应,并给出大气层中微子的质量平方差,东京大学教授小柴昌俊便是因为领导此实验而荣获2002年诺贝尔物理奖。

Super-Kamiokanden内部的PMT阵列

   

金属封装、多通道结构代表了光电倍增管最新的研究进展,每个通道都是一个独立的电子倍增器(右图)。其优点是量子效率高,灵敏度高,响应速度高,探测波长向红外延伸。有效光电面积大,采用平板化、多阳极技术后做到小型化且具有二维高分辨率。降低了暗电流和自身噪声,减少放射性物质。将电子管真空技术与半导体技术、微细加工技术、电子轨道技术和周边电路技术相结合。除了高能物理实验、宇宙线实验等领域,光电倍增管在光谱学、质量光谱学与固体表面分析、环境监测、生物技术、医疗检查、射线测定、资源调查、工业计测、 摄影印刷、激光、等离子体探测等方面得到了广泛应用。

  

  

1947年美国的科尔特曼(J.W.Coltman)和美籍德国物理学家卡尔曼(Hartmut Kallmann,1890~)证实,由闪烁体、光电倍增管和电子仪器组成的闪烁计数器(scintillation counter)可用于探测射线,且效率比盖革计数器高。

  

闪烁计数器由闪烁体、光的收集部件和光电转换器件三个主要部分组成。由于很多物质都可以在粒子入射后而受激发光,闪烁体可以是固体、液体或气体,按化学性质可分为无机闪烁体和有机闪烁体两大类。

  

无机闪烁体—固体的无机闪烁体一般是指含有少量混合物(激活剂)的无机盐晶体,纯无机盐晶体加了激活剂后能明显提高发光效率。最常用的无机晶体是用铊激活的碘化钠晶体,即碘化钠(铊),最大可做到直径 500毫米以上。它有很高的发光效率和对γ射线的探测效率。其他无机晶体还有碘化铯(铊)、碘化锂(铕)、硫化锌(银)等,各有特点。新出现的有锗酸铋等。气体和液体的无机闪烁体,多用惰性气体及其液化态制成、如氙、氪、氩、氖、氦等。

  

有机闪烁体—有机闪烁体大多属于苯环结构的芳香族碳氢化合物,可分为有机晶体闪烁体、液体闪烁体和塑料闪烁体。有机晶体主要有蒽、茋、萘等,具有较高的荧光效率,但体积不易做得很大。液体闪烁体和塑料闪烁体都由溶剂、溶质和波长转换剂组成,所不同的是塑料闪烁体的溶剂在常温下为固态。还可将被测的放射性样品溶于液体闪烁体内,这种“无窗”的探测器能有效地探测能量很低的射线。液体和塑料闪烁体易于制成各种不同形状和大小。塑料闪烁体还可以制成光导纤维,便于在各种几何条件下与光电器件耦合。 

  

上图为用于粒子物理实验的大型闪烁体

闪烁计数器的优点是效率高,有很好的时间分辨率和空间分辨率,时间分辨率达10-9秒,空间分辨率达毫米量级。它不仅能探测各种带电粒子,还能探测各种不带电的核辐射;不仅能探测核辐射是否存在,还能鉴别它们的性质和种类;不但能计数,还能根据脉冲幅度确定辐射粒子的能量。闪烁探测器的能量分辨率虽不如半导体探测器好,但对环境的适应性较强。特别是有机闪烁体的定时性能,中子、γ分辨能力和液体闪烁的内计数本领均有其独具的优点,在核物理和粒子物理实验、同位素测量和放射性监测中应用十分广泛。二十世纪六十年代后,它又成为X射线天文学和γ射线天文学中的重要观测仪器。

  

  (新葡萄娱乐在线网站科技处制作 资料来自维客、百度百科、微构分析网等)


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