闪烁体是一种将通过电离辐射损失的能量转化为光脉冲的材料。在大多数闪烁计数应用中，电离辐射以 X 射线、y 射线和 a 或 b 粒子的形式出现，能量范围从几千电子伏特到几百万电子伏特（keVs 到 MeVs）不等。

一般信息

闪烁材料发出的光脉冲可以被灵敏的光探测器检测到，通常是光电倍增管 （PMT）PMT 的光电阴极面位于入射窗的背面，将光（光子）转换为所谓的光电子。然后，光电子被电场加速到 PMT 的倍增节点，在那里发生倍增过程。结果是每个光脉冲（闪烁）在 PMT 的阳极上产生一个电荷脉冲，随后可以被其他电子设备检测到，并使用定标器或速率计进行分析或计数。

将闪烁光转换为电信号的替代方法是硅光电二极管 （PD） 或硅光电倍增管 （SiPms）。这些的工作原理和它们的不同特性将在单独的部分中讨论。闪烁体和光探测器的组合称为闪烁探测器。

由于闪烁体发射的光脉冲强度与吸收辐射的能量成正比，因此后者可以通过测量脉冲高度光谱来确定。

为了以一定的效率探测核辐射，应选择闪烁体的尺寸，以便吸收所需的辐射部分。对于穿透辐射，例如 γ 射线，需要高密度的材料。此外，闪烁体中某处产生的光脉冲必须穿过材料才能到达光探测器。这对闪烁材料的光学透明度施加了限制。

当增加闪烁体的直径时，探测器“看到”源的立体角会增加。这提高了检测效率。最终的检测效率是通过所谓的“计井器”获得的，其中样品被放置在实际闪烁晶体的孔内。

闪烁体的厚度是决定探测效率的另一个重要因素。对于电磁辐射，要停止的厚度（比如 90% 的入射辐射）取决于 X 射线或 γ 射线能量。对于电子（例如 β 粒子），情况相同，但适用不同的依赖关系。对于较大的颗粒（例如α颗粒或重离子），非常薄的材料层已经 100% 阻止了辐射。

闪烁体的厚度可用于为不同类型或能量的辐射创建选定的探测器灵敏度。薄的（例如 1 mm 厚的）闪烁晶体对低能量 X 射线具有良好的敏感性，但对高能量背景辐射几乎不敏感。具有相对较厚入射窗口的大体积闪烁晶体无法检测低能量 X 射线，但可以有效地测量高能量伽马射线。

对伽马射线的闪烁响应

一个。脉冲高度光谱法

脉冲高度光谱的基本原理是闪烁体的光输出与闪烁材料中沉积的能量成正比。检测闪烁光的标准方法是将闪烁体耦合到光电倍增管。此外，γ 射线光谱仪通常由前置放大器、主（光谱）放大器和多通道分析仪 （MCA） 组成。电子元件放大 PMT 电荷脉冲，产生适合使用 MCA 进行检测和分析的电压脉冲。原理图如下所示。

或者，目前可用的数字技术允许直接数字化光检测器（例如 PMT 或 SiPm）的（预放大）脉冲。通常使用 programmable FPGA来实现此目的。最佳数字滤波常数（就像模拟整形时间一样）取决于闪烁材料的速度。

14 针闪烁探测器和所谓的“数字底座”相结合，可以构建一个紧凑的伽马能谱仪，该能谱仪可以通过计算机的 USB 或以太网端口进行作。

b.能量分辨率、比例

伽马射线能谱仪的一个重要方面是能够区分能量略有不同的伽马射线。这种质量的特点是所谓的能量分辨率，它被定义为在一定能量下光电峰值高度一半处的（相对）宽度。

除了受 γ 射线能量的影响外，能量分辨率还受以下因素影响：

• 闪烁体的光输出（统计）
• 闪烁体光输出和光探测器响应的不均匀性

在光电子统计主导能量分辨率的低能量下，能量分辨率与γ射线能量的平方根大致成反比。

原则上，闪烁体每单位能量发出的光量与能量的函数是恒定的。然而，这不是物理现实。这种所谓的非比例性对于不同的闪烁体来说差异很大，在经典的碱卤化物中，它限制了 MeV 能量范围内的能量分辨率。下面显示了一些典型闪烁材料的比例。

材质中的 Gamma 射线相互作用包括光电效应、Compton 效应和对产生。通常它们中的几个会结合在一起。γ 射线相互作用 n 材料导致高能电子的产生。电子能量与光响应不成比例导致光峰展宽。

参考文献 W. Mengesha、T.D. Taulbee、B .D. Rooney 和 J.D. Valentine.CsI（Tl）、CsI（Na） 和 YAP 的光产额非比例性IEEE Trans. Nucl. Sci. 第 45 卷，第 3 期，
（1998 年），第 456-461 页

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闪烁体比例是一个材料常数，每种材料都不同

因此，闪烁体的能量分辨率可以用以下公式来描述：

项 1 是相称性;第 2 项 统计的贡献（每次相互作用产生的光量）和第 3 项 PMT 或闪烁体等不均匀性效应。

闪烁探测器的能量分辨率是真正的探测器特性，受闪烁体和 PMT 或其他读出设备的物理特性的限制。

小型 NaI（Tl） 探测器吸收的 662 keV γ 射线的典型能量分辨率为 7.0 % FWHM。在低能量下，例如 5.9 keV，典型值为 40 % FWHM。在这些低能量下，闪烁晶体的表面处理会强烈影响分辨率。很明显，特别是在低能量下，闪烁探测器是低分辨率器件，这与 Si（Li） 或 HPGe 探测器不同。

使用比例更高的晶体，例如 LaBr3：Ce、LBC、CeBr3 或 SrI2（Eu），可以在 662 keV 伽马射线下实现低至 3-4% 水平的能量分辨率数。在高分辨率晶体部分中，提供了有关比例闪烁晶体的更多详细信息。

c. 时间分辨率

闪烁探测器的时间分辨率反映了准确定义探测器中辐射量子吸收矩的能力。

闪烁体的光脉冲以上升时间和 1/e 下降时间 τ（衰减时间参见闪烁特性部分）为特征 很明显，当闪烁脉冲较短（衰减时间短）且强度较高时，可以获得吸收事件的最佳时间定义。此外，PMT 和电子设备的上升时间和时间抖动（也称为传输时间扩展，TTS）也很重要。对于半导体读出，类似的特性也适用。

小厘米尺寸 NaI（Tl） 探测器对 60Co （1.2 MeV） 的典型时间分辨率为几纳秒。使用有机或 BaF2 闪烁晶体可以获得更好的时间分辨率。BaF2 是目前已知最快的无机闪烁体，探测器时间分辨率为几百皮秒。此外，溴化铈 （CeBr3） 闪烁体可实现相当的时间分辨率。

d. 峰谷比

检查闪烁探测器能量分辨率的一种灵敏方法是在能谱中定义所谓的峰谷 （P/V）。此标准不取决于信号中任何可能的偏移量。取两个 Gamma 峰之间的峰谷，或者取低能量峰与 PMT/电子噪声之间的比率。

76 x 76 mm NaI（Tl） 晶体的良好 P/V 比为 10：1。这相当于在 662 keV 时 7.0% 的能量分辨率。在 5.9 keV 时，高质量的 NaI（Tl） X 射线探测器的 P/V 比为 40：1。

e.频谱稳定

较大的计数速率变化和温度变化可能会导致谱图中的峰位置变化。这种效应在闪烁探测器中是不可避免的，因为闪烁体的光输出和光探测器放大（在大多数情况下）与温度有关。
光电倍增管读出情况下的另一个程序是 PMT 中的磁滞和记忆效应，这使校正算法复杂化。在硅光电倍增管中不存在这种效应。

为了补偿这些影响，可以使用所谓的 Am 脉冲发生器校准峰值位置。

这是一个安装在闪烁探测器内的非常小的放射性 241Am 源。241Am 发射的 α 粒子会在晶体中引起闪烁，这些闪烁被探测器的 PMT（或光电二极管）检测到。对于 NaI（Tl），α 峰位于 1.5 和 3.5 MeV 的 Gamma 等效能量 （GEE） 之间，可以指定。计数率通常为 50、100 或 200 cps。脉冲发生器峰值的位置用作参考，以补偿上述探测器响应的变化。

上述校准方法并不理想，因为大多数闪烁晶体对伽马射线和α粒子的响应是不同的。然而，仅在大温度范围下才需要使用热敏电阻等进行二阶补偿。

为了偶尔监控系统完整性，也可以使用发光二极管 （LED） 或激光端口。LED 可以安装在闪烁探测器内部，也可以为此提供一个窗口。存在一些特殊系统，它们通过将脉冲 LED 光注入光检测器并将其与（稳定的）内置半导体检测器的信号进行比较，从本质上稳定检测器的增益。

除了上述脉冲高度稳定方法外，当然也可以在（始终存在的）外部源的峰值上进行电子稳定。有时 40K 背景线可用于此目的。