什么是双闪烁体探测器，原理是什么

要由闪烁体、光的收集部件和光电转换器件组成的辐射探测器。当粒子进入闪烁体时，闪烁体的原子或分子受激而产生荧光。利用光导和反射体等光的收集部件使荧光尽量多地射到光电转换器件的光敏层上并打出光电子。这些光电子可直接或经过倍增后，由输出级收集而形成电脉冲。

固体的无机闪烁体一般是指含有少量其它种晶体（激活剂）的无机盐晶体。虽然用纯无机盐晶体也可作为闪烁体，但加了激活剂后能明显提高发光效率。当闪烁体中原子的轨道电子从入射粒子接受大于其禁带宽度的能量时,便被激发跃迁至导带。然后,再经过一系列物理过程回到基态，根据退激的机制不同而发射出衰落时间很短的荧光（约

10纳秒）或是较长的磷光（约1纳秒或更长）。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。其中以氙的光输出最大而较多使用。

有机闪烁体大多属于苯环结构的芳香族碳氢化合物，其发光机制主要由于分子本身从激发态回到基态的跃迁。同无机晶体一样，有机闪烁体也有两个发光成分,荧光过程小于1纳秒。有机闪烁体又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，具有比较高的荧光效率，但体积不易做得很大。液体闪烁体和塑料闪烁体可看作是一个类型，都是由溶剂、溶质和波长转换剂三部分组成，所不同的只是塑料闪烁体的溶剂在常温下为固态。还可将被测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。液体和塑料闪烁体还有易于制成各种不同形状和大小的优点。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。

光电转换器件一般采用光电管与光电倍增管。但是，后出现的半导体光电器件，具有高的量子转换效率和低功耗，便于闪烁探测器的微型化和提高空间分辨率。已有人研制成闪烁体与光电器件均用半导体材料组成的单片集成化的闪烁探测器。

利用光电倍增管倍增系统所做成的电子倍增器，也可单独用来探测辐射。将分立的二次级改为连续的二次级后，形成通道型电子倍增器。微型化的通道型电子倍增器──微通道板可以做到在1厘米2面积上具有几十万个微通道。用微通道板作为电子倍增系统的光电转换器件，不但可以得到较高的灵敏度，而且还具有良好的时间特性和位置分辨率。

闪烁探测器具有探测效率高和灵敏体积大等优点。其能量分辨率虽然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。因此，它仍是广泛使用的辐射探测器。

半导体原子规则排列成点阵状态。其最小单元叫作晶包，对锗来讲是小四面体，即金刚石结构。电子在晶体中为晶包所公有，形成能带结构，如图4-1-1所示。下面的能带称为价带，又称满带，平时被电子填满。中间是禁带（又称能隙）。上面是导带，平时没有电子（又称空带）。在价带以下还有更低能量的价带；在导带以上还有更高能量的导带。如果令Eg代表禁带宽度，Eg(金属)＜ Eg＜ Eg（绝缘体）。中间是半导体。在T＝0时，理想的半导体是无杂质的半导体，导带全空（无电子），价带全满，被电子充满，加上电压不导电，电阻率非常大。在T≠0时，热激发使价带电子跳到导带，电子都处在导带底层，空穴均处在价带上层，并且处于动平衡状态，激发的电子—空穴对数目等于复合电子—空穴对数目。这样的半导体叫作本征半导体。从能带模型看，产生电子—空穴对，破坏了一个原子的共价键，Eg就是该结合键的结合能：

式中　Ni——电子密度，与温度有关；Pi——空穴密度，与温度有关；K——波尔兹曼常数；T——绝对温度，°K；Eg——能隙（禁带宽度）；N ( T )——表示跃迁到某一状态的状态函数。

本征半导体：晶格结构完整，没有缺陷，没有杂质，电阻率极大，电子充满价带，绝对零度不导电。

本征半导体Si或Ge，掺杂少量的三价或五价元素，便改变了半导体的电性能。如五价的P、As加入到Si或Ge，P、As置换了Ge晶格点阵的Ge原子。因是五价，四个电子与周围Ge组成四组共价键，第五个电子与As结合不紧密，在热激发下跳到导带，留下正电荷在点阵上形成正电中心，这种杂质称为施主杂质。

如果掺杂少量三价B、Ga元素，去置换Si或Ge原子，它要从周围的Ge原子拉过来一个电子，组成四对共价键，即原来价带的一个电子跳入Ga固定能级形成负电中心，在价带中留下一个空穴，这种杂质称为受主杂质。施主杂质As给出一个电子，它一般靠近导带，也称为浅层杂质，距禁带0.03～0.05eV。受主杂质Ga接受一个电子，它一般靠近满带，也称为深层杂质。

单晶本身浓度为1022原子/cm3，这是本征半导体。杂质浓度为109～1010原子/cm3，为高纯锗作半导体探测器；杂质浓度为1011～1012原子/cm3，为特种半导体，作特种器件；杂质浓度为1012～1013原子/cm3，为一般半导体，作晶体管。

半导体分为N型半导体、P型半导体。N型半导体的电子是多数载流子，空穴是少数载流子；P型半导体的电子是少数载流子，空穴是多数载流子。P型半导体与N型半导体结合在一起，接触面形成PN结。

1.载流子的寿命载流子寿命てe( h )越长越好，大约为300μs～1ms。对于一块完整的晶体，载流子迁移率与温度有关。当温度高时，晶格受热运动产生光学、声学振动，载流子在迁移过程中，可能发生碰撞而受阻力。反之亦然。载流子的迁移率μ与温度t关系曲线如图4-1-2所示。由于晶格点阵有空位，造成附近区点阵错乱，称为点缺陷；由于点阵错乱，引起点阵变形，称为线缺陷；面与面之间点阵错乱，即位错乱，引起的点阵畸变，称为面缺陷。由于上述三种缺陷产生了凸凹部分，使点阵的结合能发生改变，出现了能量的高低变化。能量低的地方被称为陷井。当载流子通过陷井时，把载流子陷进去，使载流子暂停一下，当得到适当机会后它再跃出。由于掺杂质后，施主杂质产生了正电荷中心，受主杂质产生了负电荷中心。有电荷中心就产生了库仑电场，当载流子经过库仑电场时，使其暂停一下，当得到适当机会，把它放出，这种电荷中心称为捕捉中心。当被电荷中心捕捉后，被进一步陷落于价带中，与价带中的一个空穴复合，使载流子消失，这种现象称为复合。载流子的寿命与陷井、捕捉、复合三种现象有很大关系。一般情况下，温度低迁移率大，载流子寿命长。电子—空穴对由产生到消失，所用时间称为载流子寿命：

式中　てe（h）——载流子寿命；μe（h）——载流子迁移率；λ——载流子的平均自由行程；?——受陷落截面；P——陷井密度。

对于厚度为1cm的耗尽层，由于载流子的损失，能量谱加宽0.1%。

2.载流子的平均自由行程在没有外界电场的情况下，电子—空穴对从产生到消失，所走的平均距离，称为载流子的平均自由行程。载流子的平均自由行程与陷井的密度、掺杂质的种类有关。陷井密度小，受陷落截面小，λ大。氧和铜在锗晶体中特别容易扩散。如果本征半导体在空气中暴露1min，就产生一个氧化层使表面造成破坏，导致漏电流增大。对于半导体，漏电流越小越好，漏电流与半导体制造工艺有很大关系。晶体表面清洁，漏电流就小，一般小于10-10A。

载流子的浓度随时间变化：

式中　N0exp——初始载流子密度；Nt——载流子随时间变化密度。

3.载流子的收集率当γ量子入射到本征区后，γ量子由于能量损失，便产生一定数量的电子—空穴对，在外界电场的作用下，被收集到阳极，产生电流脉冲，这种收集如果是完全的话，电流脉冲幅度达到极大值。收集载流子多少称为收集率。收集率大小与半导体制造工艺、材料、体积大小，本征区宽度有关；从本质上讲，还取决于载流子迁移率、迁移长度、复合效应、陷井、捕捉中心密度大小；另外还和外加电场强弱有关。

4.对半导体探测器的要求气体探测器：在电离室中产生一个电子—离子对，大约需要能量ε≈30eV；半导体探测器：在晶体中产生一个电子—空穴对，大约需要能量ε≈3eV；闪烁体探测器：在光电倍增管光阴极上，产生一个光电子，大约需要能量ε≈300eV。

半导体探测器产生一个电子—空穴对需要的能量ε越小，能量分辨率越高。产生一个电子—空穴对需要能量/γ光子损耗能量= 0.3～0.35，γ光子损耗的能量主要消耗于晶格的光学、声学振动中。

5.载流子的漂移速度原子在外加电场作用下，在晶体内产生区域电场，电场有固定指向，电子—空穴对沿电场漂移，漂移速度ve( h)：

式中　μe（h）——电子一空穴对漂移率或漂移本领，也叫载流子迁移率。

在室温情况下，电子的漂移率μe=1300cm2/(V?s)，空穴的漂移率μ（h）=500cm2/（V?s）；在不同电场下，μe（h）不是常数，在1000～2000V/cm时，μe（h）达到极大值，为1×107～2×107cm2/(V?s)。

μe（h）是温度T的函数，温度为0时，μe（h）达到极大值，因为0时晶格无振动，电子—空穴对不受任何碰撞，运动无阻力。晶体的任何参杂和晶格的不完整性都会引起μe （h）的减小。

材料的电阻率表示为：

用式（4-1-4）计算的Pi与实际测得的Pi相差极大，因为在实际上没有真正无杂质的纯晶体。

电子密度Ni与温度关系较大，随温度变化快。Ni与μe（h）比较，μe（h）随温度变化较慢一些：

6.几种材料的禁带度

禁带宽度越宽，晶体的使用温度越高，0.66eV（低温）→1.45eV（室温）→2.8eV（高温）。锗原子序数为32，碘化钠原子序数为11、53，因此两个探测器探测效率相差不多。

7.Si和Ge的基本特性参数

8.产生一个电子—空穴对需要的能量/γ量子损耗能量≈0.3～0.35的原因γ量子入射到本征区，它并不是只与弗米表面起作用，还与满带下面能量更低的带起作用，交给满带能量，是随机性的。这样激发出来的电子，其能量有高、有低。这样一来，能量高的就可以跳到导带，还有的跳到更高导带上去。这时它是不稳定的，放出能量回到低能导带上；处在低能价带上的空穴也是不稳定的，它也要逐渐回到价带的最表层(空穴移动是通过上一层满带的电子来补偿的)，同时空穴也将放出能量。电子与空穴放出的能量大部分交给晶格，能量低的产生光学振动，能量高一点的作声学振动，所以点阵总是处于一种振动状态，γ量子损耗的能量不是完全都用于产生电子—空穴对，而是一大部分用于产生各种点阵的振动。产生一个电子—空穴对需要的能量/γ量子损耗能量≈0.3～0.35。产生一个电子—空穴对损耗的能量比禁带宽度大好几倍。

用于测定核辐射的种类、能量及强度的仪器，称为核辐射探测仪器,按传感器分为3类：气体探测器、闪烁体探测器和半导体探测器。 1.气体探测器气体探测器如G-M（盖革-米勒）计数管，根据淬灭气体的不同又分为有机G-M管和卤素G-M管，还有流气式大面积G-M计数管、端窗管；这类代表有德国柯雷的R500核辐射仪。 2.闪烁体探测器闪烁体探测器是指由闪烁体与光敏元件（包括光导、光学耦合剂、集光系统）一起组合成的探测元件称为闪烁体探测器。这类产品有德国柯雷R700多探头核辐射仪。由于NaI(Tl)极易潮解，所以它必须密封封装；CsI(Tl)虽在空气中也会潮解，但只是局部表面受损，将表面重新加工处理后一般可使原来的性能恢复。另外它的闪烁光谱性能与硅光电二极管的光谱性能较匹配，所以CsI(Tl)闪烁体最好与硅光电二极管光敏器件组合。 3.半导体探测器半导体探测器的前身可以认为是晶体计数器。后来，相继出现了氯化银、金刚石等晶体计数器。但是，由于无法克服晶体的极化效应问题，迄今为止只有金刚石探测器可以达到实用水平。以上是常见的3种类型，你说的是哪种？

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