【doc】塑料闪烁体的自吸收对能量分辨率的影响

【doc】塑料闪烁体的自吸收对能量分辨率的影响 塑料闪烁体的自吸收对能量分辨率的影响 第l2卷第4期 l992年7月 核电子学与探测技术Vo1.12No.4 Electronics&DetectionTechnologyIuly,I992 c7./2(4)I 一8 塑料闪烁体的自吸收 对能量分辨率的影响TLl 许小亮郝绿原徐克尊杨炳忻..马新文——__-_.—_—一 (中国科学技术大学近代物理系,台肥,2~oo26) 在能谱测量中,综合考虑塑料闪烁体的自吸收效应和qi日粒子在塑料闶烁体中的射 地提高了能量分辨奉. .能量分辨率 一 ,引言 一 套谱仪总的能量分辨率rt可近似地表示为 qJ-I-}I-I-rt8 探测器收集的电荷数?的固有统计涨落使单一幅度谱展宽,用rt.表示;撵系统噪 声引起韵幅度分散用:表示;表示其他因素的影响,如入射窗厚度,放射源支架,幅度 1分析器道宽t脉冲堆积等.对调试好的闪烁能谱仪来说,除了一些特殊情况外,一般情况 下》,因此忽略rtI的影响.在实验方法上采取措施并选用台适的仪器,可以大大 减小rts.所以,塑料闪烁体与光电倍增管组台体(印探测器)的分辨率r/~.r/.,它决定了 闪烁能谱仪的能量分辨率. .?1//nph0,npb为射线在塑料闪烁体中产生并到达光电倍增管光阴极的光子数, nph越大,谱仪的分辨率越好. 在文献r3j中,我们讨论l了用3k和5keV~-能电子束激发塑料闪烁体产生的透射发光 光谱和背向发光光谱.实验发现后者比前者光谱范围宽,强度大,县有_丰富的短波成分;研 究表明,这种差异是由塑料闪烁体自吸收所造成的.塑料闪烁体有驶收效应使透射发光光谱 畸变,光谱范围和强度均有.一定程度的损失. 利用塑料闲烁体测量带电粒子能谱时,薄的塑料闪烁体可以减少自吸收造成的光损 失,但是太薄了又不足以全部吸收带电粒子能量综合考虑自吸收和粒子射程,应该存在 一 种适当厚度的塑料闪烁体,用它来测量能谱时,t能得到最佳分辨率.本受实验证实了这 一 点. 二,实验装置和方法 测量口,粒子能谱的装置如图l所示. 本工作得到国家自然科学基金的资助. l03 探头所用光电倍增管~xPzo2oQ,这种管子噪声低,对紫光和紫外光响应好.正高 压供电.一 :00 ?- 图l岛予舵谱测量装舞.-一,'—, 使用北京核仪器广生产的ST一4O1型塑料闪烁体测量"Am的粒子和?Cs的内转换电 子能谱.已知口粒子能量E=5.48MeV,内转换电子的能量FB=624key,它们在ST一 4O1中的射程分别为R一0.035ram,RB=2.1mm''】.所以我们用厚度分别为0.1,1.0, 3.O和10.0ram的塑料闪烁体来测量和比较口粒子能谱的变化.对于内转换电子,所用塑料闪 烁律的厚度分别小于射程(1mm),接近射程(3ta)和大于射程'(10ram)."Cs是 0.37MBq(1bCi)的薄膜源.每次测量前开机预热2h,每次换塑料闪烁体后需稳定一段 时间后进行测量.整个实验都在暗室中进行,避免换样品时被光照射.为了便于了解能 谱的变化,我们用uV一24O型紫外一可见分光光度计测量了不两厚度塑料闪烁体样品的吸 ,i 收光谱...' 三,实验结果与讨论. 图2列出了3Omm×0.10ram, 光谱...吸光度定义为 @30mm×1.0ram和#2omm×5.0ram塑料饲烁体的吸收 4 ~lg(/t/J) 式中,Io为人射光强度;3 J为透射光强度. 可看出,随着闪烁体厚度的减薄,吸光 度曲线向短波l方向移动,对短波的自吸收明 显减弱. 分别用30111111×0.1111111,30ram× 1.0ram,30ram×3.0mm和30ram× 10.0ram塑料闪烁体测量了"Am放射源的口 粒子能谱.t$30mm×0.1mm塑料闪烁体测出 的能谱见图3所示.为了便于比较不同厚度 194 2 l 波长m 冈27:同度塑斜闳烁体的吸收光谱 厚度:实线0.i0mm,点盘6线1.0ram,虚裁5.0mm I 君 哺 \ 砉} 盘 澶教 的塑料闲烁体测出的能谱蜂位和半 高宽的变化,将这几种塑料闪烁体 测出的能谱数据列于表1. 测Am口粒子能谱所甩的塑 科闪烁体厚度均大于口粒子的射程. 所以,随着闪烁体的减薄,措峰道 数逐渐升高,分辨率变化.由表】 可以看出,d30mm×0.1llllTl样品测 出的能量分辨率最好,轧;9.2呖. 比用lOmm厚塑料闪烁体测量的能 量分辨率要好30呖. 图3?Am放射源q粒子能谱(闪l桀庠厚度0,lmm)对粒子和其他重的带电粒 表l不同厚度塑料闪烁体锄出的t|A皿放射源q砬子的能量分辨率和峰世 圊烁体厚度,姐m峰位『遭数半高竟,道数{能量分辨率,%f 10.0346.646.9l3.5 3.04?.S53. 菩if.6 104s9.053.3}10.9 0【520.047.7I92 子,从发光效率等方面考虑,一般不用有机晶体,而采用无机晶体,最台适的是CsI(T1). 它的发光效率高且无须封装.如5mm×O.3ram国产ST—l21型CsI(T1),对Po 口粒子(5.29MeV)的能量分辨率一般为8呖一10呖】,最新静结果为4呖左右i. 我们实验所用的ST一4O1型塑料闪烁体是一种普通型号的塑料闪烁体,而且也没有经 过特蹦挑选,样品均巳捐置多年.舟它馓的3OmmxO.mm塑料闪烁体对Am的口粒子 的能量分辨率与C~I(TI)的一般水平相近.而且,0.1mm的厚度对,射线的探测效率 低,即a/v比率高,本底很小,适台在混合场中测量口粒予.更重要的是塑料闪烁体 成本低,易加工.所以在许多情况下使用薄塑料闪烁体更合适. 实验中又用30mmX1.0ram,30ramX3.0ram,~30mm)(10.0mm塑料闪烁体分别 测量了Cs的能谱,分别由困4,圉5和图6表示表2箍出了峰位和半高宽等具体数值.在 塑料闪烁体和放射源之间挡了1mlTl厚铝片后再测能谱,原能谱申的高能端峰便消失,可见 此峰不是662keV射线的光电峰,而是624keV的内转换电子蜂.因为624keV的电子在 铝中的射程仅为0.7ram,穿不透tmrn厚的铝片.挡铝片后只能测到射残在塑科闪烁体中 产生的康普顿反冲电子能谱. 考虑到电子的大角度散射将导致谱形腈变,一般用原子序数低的有机闪烁体测B能 谱.文献[5]给出,对"Cs,内转换电子,N~I(TI)测出柏最好分辨率为6呖,但散射太 严重.有机晶体测出的分辨率一般在13呖左右.文献[4]用~30mm×1OmmST,4Ol型塑 料闪烁体泓内转换电子能谱,其能量分辨率为5%.在这些测量中,没有考虑减少阕烁体 自吸收的影响.从我们的实验结果来看(图4一图6),d30mmX10.0ram闪烁体太厚,在 I95 电子八射方向~2ram的深度范围受激发光,其杂8mm的厚度只起吸收光的作用,使内 转换电子能量分辨率差,另一方面对682keV线探测效率高,康普顿反冲电子能谱明 显.两种原因导致无法直接求出内转换电子的半高宽(见图4).而~30mm×1.0mm的闪 烁体太薄,仅能阻挡3?keV以下的电子.根据公式 E=E,/(1+打f.CE) 196 村 , \ 赫 : j 昌 0 捌 ,, 士 t豉 圈4~30mm×10.0皿m塑料闪烁体莉出的187Cs能谱 上图为不挡铝片柳得的谱,下图为挡铝片后刮得的谱 { \6I? \以 \ 02O40OO口800 道教 图s30皿m×1.0m血塑料闪烁体测出的Cs能谱 上图为不挡铝片铡得的谱,下围为挡铝片后铡得的谱 道教 图6~30mm×3.o?m塑料两烁体测出的?'Cs能谱 上图为不挡铝片得测的谱.下图为挡铝片后测得的谱 表2不同早度塑料阿烁体铡出的0Cs内转换电子能量分辨率和峰位 闪烁体厚度/mm峰位,j茧数半高宽/遭数能量分辨率/ ? 10.05917813.2 3.O78O8010.2 1.O?5311615.4 L 式中,F为入射射线能量, F.为康普顿反冲电子的最大能量, f'n.为电子静止质量; C为光速. 将F=662keV代^得 F~477keV 可见,1.0ram厚的塑料闪烁体既不能测量"Cs的内转换电子,也得不到明显的康普 顿反冲电子能谱(见图5).当闪烁体厚度接近^射电子射程,电子的能量全部损耗在闪 烁体内,同时不发光而仅起吸收作用的部分最少.这对自吸收损失最小,测出的内转换电 子能量分辨最好.结果见图6,B=1o.2%. 为了排除能谱仪非线性对分辨率的影响,我们也校正了谱仪的线性. 文献[6—8]指出,当电子能量大于o.1MeV时,有机闪烁体的闪烁输出随能量增大而 线性地增加.在没有Bi放射源的情况下,我们用康普顿反冲电子和内转电子来检查谱仪 的线性.我们知道,单能Y射线产生的反冲电子的动能都是连续分布的.在反冲电子的最 l97 ^10暑.昔v拳 大能量处,反冲电子数目最多所以图4,图6的反冲电子能谱上,最大计数所对应的道数 就是最大能量的反冲电子对应的道数.具体数值列于表3. 表3表明,内转换电子能量与反冲电子最大能量的比值,实验与理论基本一致, 可见所用的谱仪基本上是线性的对10.0ram的闪烁体,实验值与理论值差得大一点,这 是困为反冲电子分布在整个闪烁体内,而内转换电子仅分布在^射面附近,受自吸收影响 大.即使这样,它对能量分辨率的影响也是很小的.所以,我们测出的10.2嘶的分辨率不 是谱仪非战胜畸变造成的,而是能谱仪真实的分辨率.比往的数据13啼--15呖要好30啼 左右. 表3内转换电子能量和反冲电子最大能量的比值 闪烁体厚度/m廿t1内转换电子能量F,道数.反冲电子最大能量F/道数.E/Ee(实验 E/Ee(理论) 综合上述讨论,我们可以得出结论,用塑料闪烁体测置单能带电粒子能谱,选择塑 料 闪烁体的厚度接近粒子在其中的射程时,可以获得最佳分辨率. 本工作得到张芳,壬明谦,辱芦华等同志的帮助,在此表示感谢. 参考文献 FI]榇克尊等,粒子探测技术,上海科学技术出版社,P/d0,P302,1981年. C23BitenbefE.,Pro日fes押Nue{earP"c8-(4),S6(1955)? 3]郝绿原荨,桉电子学与探测拄术,l1(5),257(I99/). [4]北京综台仪器厂编,闪烁体说明书,1976年. [53复旦大学等校台端厦子接物理寅黔方法(上),原子能出版社-北京 -P311-312,l986年. [6一Bik.J.B.,尸hs,RU,,84,364(1951). [7]Bru:kerG.J,jv"Cf0ids,10(11),72(1952). [8]Tayto『cC,J,etal,,Phys,Rev.-84,l034(1951). (1991年I2月s日ll皇到) Self—AbsorbtionInfluence0fthePlasticSeintillator ontheEnergyResolution XuXiao1iangHaoLuyanXnKczunYangBingxinMaXinwen (DPpBnm?tofM0nPhyicE,Un;vrsitvofScltn,e8ndTeh1ogy.lCh;na-I4efei,230976) ' Abstract. Theself-absorbtioneffectoftheplasticscintillatorandtherangeof, Bparticlesinthesamplesareconsideredintheenergyspectrummeasurem— eat.Theenergyresolatoncanbeincreasedsignificantlybyasingthescinti, llatorofproperthiekness. (KeyVgords:Plasticscintillator,Self-absorbtion,Range,Energy:esolution) l98