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光電倍增管-閃爍計數器

2020.10.06

1903年有人發現 α粒子照射在硫化鋅粉末上可產生熒光的現象。1911年,盧瑟福將玻璃面上涂一層硫化鋅的觀測屏用于α 粒子散射實驗,通過屏上的熒光閃爍,證實原子的核結構。

  

1929年科勒(L.R.Koehler)制成了第一種實用光電陰極——銀氧銫陰極,從此出現了光電管(phototube)。1934年庫別茨基(Leonid Aleksandrovitch Kubetsky,1906-1959)提出了光電倍增管雛形。1939年茲沃雷金(V.K.Zworykin,1889-1982)制成了實用的光電倍增管。

  

W020100415321003824084.gif光電倍增管(PhotoMultiplier Tube)利用電子次級發射的倍增放大作用以測量弱光強度,是靈敏度極高,響應速度極快的光探測器。這種掃描器件實際上是一種電子管,感光的材料主要是金屬銫的氧化物,其中并摻雜了其他一些活性金屬(例如鑭系金屬)的氧化物進行改性,以提高靈敏度和修正光譜曲線,用這材料制成的光電陰極射線管,在光線的照射下能夠發射電子,稱為光電子,它經柵極加速放大后沖擊陽極,最終形成了電流。?

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位于日本神岡的Super-Kamiokande位于地下一千米深的神岡礦山下,注入了50000噸純水的超大水缸,其內層布滿了11200顆光電倍增管。當中微子與水中的電子發生電子散射時,中微子的能量便會傳給電子或經反應制造出的μ子,而這些帶電粒子因為其行進速度超過光在水中的速度,使得它們會在行進方向幅射出一錐狀的電磁波,也就是所謂的Cerenkov 光錐,而這些光錐就會在表面的探測器上留下一圈圈的訊號。Super-Kamiokande 1998年憑借測量大氣層中微子的比例而間接驗證了中微子振蕩的效應,并給出大氣層中微子的質量平方差,東京大學教授小柴昌俊便是因為領導此實驗而榮獲2002年諾貝爾物理獎。

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Super-Kamiokanden內部的PMT陣列

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W020100415324387416810.gif金屬封裝、多通道結構代表了光電倍增管最新的研究進展,每個通道都是一個獨立的電子倍增器(右圖)。其優點是量子效率高,靈敏度高,響應速度高,探測波長向紅外延伸。有效光電面積大,采用平板化、多陽極技術后做到小型化且具有二維高分辨率。降低了暗電流和自身噪聲,減少放射性物質。將電子管真空技術與半導體技術、微細加工技術、電子軌道技術和周邊電路技術相結合。除了高能物理實驗、宇宙線實驗等領域,光電倍增管在光譜學、質量光譜學與固體表面分析、環境監測、生物技術、醫療檢查、射線測定、資源調查、工業計測、 攝影印刷、激光、等離子體探測等方面得到了廣泛應用。

  

  

1947年美國的科爾特曼(J.W.Coltman)和美籍德國物理學家卡爾曼(Hartmut Kallmann,1890~)證實,由閃爍體、光電倍增管和電子儀器組成的閃爍計數器(scintillation counter)可用于探測射線,且效率比蓋革計數器高。

  

閃爍計數器由閃爍體、光的收集部件和光電轉換器件三個主要部分組成。由于很多物質都可以在粒子入射后而受激發光,閃爍體可以是固體、液體或氣體,按化學性質可分為無機閃爍體和有機閃爍體兩大類。

  

無機閃爍體—固體的無機閃爍體一般是指含有少量混合物(激活劑)的無機鹽晶體,純無機鹽晶體加了激活劑后能明顯提高發光效率。最常用的無機晶體是用鉈激活的碘化鈉晶體,即碘化鈉(鉈),最大可做到直徑 500毫米以上。它有很高的發光效率和對γ射線的探測效率。其他無機晶體還有碘化銫(鉈)、碘化鋰(銪)、硫化鋅(銀)等,各有特點。新出現的有鍺酸鉍等。氣體和液體的無機閃爍體,多用惰性氣體及其液化態制成、如氙、氪、氬、氖、氦等。

  

有機閃爍體—有機閃爍體大多屬于苯環結構的芳香族碳氫化合物,可分為有機晶體閃爍體、液體閃爍體和塑料閃爍體。有機晶體主要有蒽、茋、萘等,具有較高的熒光效率,但體積不易做得很大。液體閃爍體和塑料閃爍體都由溶劑、溶質和波長轉換劑組成,所不同的是塑料閃爍體的溶劑在常溫下為固態。還可將被測的放射性樣品溶于液體閃爍體內,這種“無窗”的探測器能有效地探測能量很低的射線。液體和塑料閃爍體易于制成各種不同形狀和大小。塑料閃爍體還可以制成光導纖維,便于在各種幾何條件下與光電器件耦合。?

  

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上圖為用于粒子物理實驗的大型閃爍體

閃爍計數器的優點是效率高,有很好的時間分辨率和空間分辨率,時間分辨率達10-9秒,空間分辨率達毫米量級。它不僅能探測各種帶電粒子,還能探測各種不帶電的核輻射;不僅能探測核輻射是否存在,還能鑒別它們的性質和種類;不但能計數,還能根據脈沖幅度確定輻射粒子的能量。閃爍探測器的能量分辨率雖不如半導體探測器好,但對環境的適應性較強。特別是有機閃爍體的定時性能,中子、γ分辨能力和液體閃爍的內計數本領均有其獨具的優點,在核物理和粒子物理實驗、同位素測量和放射性監測中應用十分廣泛。二十世紀六十年代后,它又成為X射線天文學和γ射線天文學中的重要觀測儀器。


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