7. 閃爍偵測器 Scintillation Detectors

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書籍資訊

• 譯本：何信佑（譯）（2023），核物理與粒子物理實驗技術。中文試譯版。（Leo, W. R.，1994）。
• 原著：Leo, W. R. (1994). Techniques for nuclear and particle physics experiments: A how-to approach (2nd revised ed.). Springer.
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• 7. 閃爍偵測器 Scintillation Detectors
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  • 7.0 簡介 Introduction
  • 7.1 一般特性 General Characteristics
  • 7.2 有機閃爍體 Organic Scintillators
  • 7.2 無機晶體閃爍體 Inorganic Crystals
  • 7.4 氣體閃爍體 Gaseous Scintillators
  • 7.5 玻璃閃爍體 Glasses
  • 7.6 光輸出響應 Light Output Response
  • 7.7 對各種輻射的固有偵測效率 Intrinsic Detection Efficiency for Various Radiations

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7.0 簡介 Introduction

閃爍偵測器（scintillation detector）無疑是當今核物理和粒子物理學中使用最頻繁、應用最廣泛的粒子探測裝置之一。它偵測的是閃爍（scintillation），也就是某些材料在受到原子核或其他輻射撞擊時會發出的微弱閃光。當耦合到（couple to）放大設備（例如光電倍增管）時，這些閃爍可以轉換為電脈衝，然後可以對其進行電子分析和計數，以便提供有關入射輻射的資訊。

最早使用閃爍體偵測粒子的例子可能是威廉·克魯克斯（Sir William Crookes） 於 1903 年發明的閃爍鏡（spinthariscope）。該儀器由硫化鋅屏幕構成，當被

$\alpha$ 粒子撞擊時會產生微弱的閃爍。當在黑暗的房間裡用顯微鏡觀察時，可以用肉眼辨別它們，儘管這需要一些練習。因為它用起來很乏味，所以從來沒有很受歡迎，不過蓋格（Hans Geiger）和馬士登（Ernest Marsden）還是在他們著名的散射實驗（譯按：拉塞福散射實驗）中出人意表地使用了它。其實，氣態游離儀器的發明之後，光學閃爍體計數器很快就被廢棄了。

1944 年，也就是不到半個世紀後，Curran 和 Baker 用當時新開發的光電倍增管（ photomultiplier tube，PMT）代替人眼，使閃爍體儀器重新煥發活力。現在，計數微弱的閃爍已經與氣態電離儀器達到相同的效率和可靠性。現代電子閃爍體探測器就這樣誕生了。新的發展和改進緊隨其後，因此到 1950 年代中期，閃爍探測器成為最可靠和最方便的探測器之一，今天仍然如此。 在本章中，我們將調查現有材料和當前使用的技術，並描述它們的基本原理。

7.1 一般特性 General Characteristics

閃爍偵測器的基本元件描繪在下面的圖 7.1 中。通常，它由（直接或者通過光導）光學耦合到光電倍增管的閃爍材料組成。 當輻射穿過閃爍體時，它會激發閃爍體中的原子和分子，從而發射出閃爍光。該光被傳輸到光電倍增管（簡稱 PM 或 PMT），被轉換成微弱的光電子流，然後被電子倍增系統進一步放大。產生的電流信號隨後由電子系統進行分析。

圖 7.1 閃爍計數器的示意圖

通常，閃爍體信號能夠提供多種信息。 其最突出的特點包括：

1. 對能量的敏感性（Sensitivity to Energy）。在某個最小能量之上，大多數閃爍體相對於沉積的能量以接近線性的方式表現，即，閃爍體的光輸出與激發能量成正比。 由於光電倍增管也是一種線性設備（如果操作得當！），最終電信號的幅度也將與該能量成正比。 這使得閃爍體適合當成能譜儀（energy spectrometer），儘管它不是用於此目的的理想儀器。
2. 快速時間響應（Fast Time Response）。 閃爍探測器是快速儀器，因為它們的響應和恢復時間（recovery times）相對於其他類型的探測器較短。 例如，這種較快的響應允許以更高的精度獲得時間訊息，即兩個事件之間的時間差。這一點及其快速恢復時間還允許閃爍探測器接受更高的計數率，因為無感時間（dead time，即等待閃爍體恢復時所損失的時間）減少了。
3. 脈衝形狀鑑別（Pulse Shape Discrimination.）。 對於某些閃爍體，可以分析發射光脈衝的形狀來區分不同類型的粒子。 這是由於不同游離能力的粒子激發不同的熒光機制。 該技術被稱為脈衝形狀鑑別，本章稍後將對此進行更詳細的討論。

閃爍體材料表現出所謂的冷光特性。冷光材料在暴露於某些形式的能量（例如光、熱、輻射等）時，會吸收並以可見光的形式重新發射能量。如果吸收後馬上再發射，或者更準確地說在

${10}^{-8}\text{s}$ 內發生（這大致是原子躍遷所花的時間），則該過程通常稱為螢光。但是，如果因為激發態是亞穩態而再發射延遲，則該過程稱為磷光或餘輝。 在這種情況下，吸收和再發射之間的延遲時間可能會持續幾微秒到幾小時，具體取決於材料。

• 發光、冷光（luminescence）
  • 光致發光（photoluminescence）
    • 螢光（fluorescence）
    • 磷光（phosphorescence）、餘輝（afterglow）

其他術語：

• 再發射（reemission）
• 亞穩態（metastable）

作為一級近似，再發射過程的時間演變可以描述為簡單的指數衰減（圖 7.2）

$$\begin{array}{}\text{(7.1)}& N=\frac{N_0}{{\tau }_{\text{d}}}\exp \left(\frac{-t}{{\tau }_{\text{d}}}\right)\end{array}$$ 其中

$N$ 是在時間

$t$ 發射出的光子數量，

$N_0$ 是發射出的光子總數，

${\tau }_{\text{d}}$ 是衰減常數。在大多數材料中，從零到最大值的有限上升時間通常遠比衰減時間還短，為簡單起見，此處將其視為零。

雖然這種簡單的表示法對於大多數用途來說已經足夠了，但實際上有些表現出更複雜的衰減。在這些情況下，更準確的描述可以由兩項指數函數給出：

$$\begin{array}{}\text{(7.2)}& N=A\exp \left(\frac{-t}{{\tau }_{\text{f}}}\right)+B\exp \left(\frac{-t}{{\tau }_{\text{s}}}\right)\end{array}$$ 其中

${\tau }_{\text{s}}$ 和

${\tau }_{\text{f}}$ 都是衰減常數。對於大多數閃爍體，一個部分通常比另一個快，因此習慣上將它們稱為快（fast）部量和慢（slow）部（所以下標為 f 和 s），或迅捷（prompt）部和延遲（delayed）部。兩個部分的相對大小

$A$ 和

$B$ 因材料而異，儘管通常占主導地位的是快部。圖 7.3 顯示了這些部分之間的關係。 正如將在後面的部分中看到的那樣，這兩個部分的存在構成了脈衝形狀鑑別技術的基礎。

（左）圖 7.2 螢光輻射的簡單指數衰減。上升時間通常比衰減時間短很多。
（右）圖 7.3 將閃爍光分解為快（迅捷）部和慢（延遲）部。 實線代表整體光輸出衰減曲線。

雖然閃爍材料有很多種，但不是所有材料都適合當作偵測器。一般來說，好的偵測器用閃爍體應該滿足以下要求：

1. 將激發能轉換為螢光輻射的轉換效率高
2. 對螢光輻射的透明，讓光穿透
3. 發射的光譜範圍與現有光電倍增管的光譜響應一致
4. 光輸出的衰減常數
   $\tau$ 很短。

目前使用的閃爍體材料有六種：有機晶體、有機液體、塑膠、無機晶體、氣體和玻璃。 在以下部分中，我們將簡要介紹每個類別。 它們的基本屬性總結在表 7.1 中。

7.2 有機閃爍體 Organic Scintillators

7.2 無機晶體閃爍體 Inorganic Crystals

7.4 氣體閃爍體 Gaseous Scintillators

氣體閃爍體主要由惰性氣體組成：氙氣、氪氣、氬氣和氦氣，也包括了氮氣。 在這些閃爍體中，原子被單獨激發並在大約 1 ns 內返回到它們的基態，因此它們的響應非常迅速。氣體閃爍體發射的波長通常在紫外光範圍內，可是大多數光電倍增管在該波段內的效率低下。克服這一困難的一種方法是在容器壁上塗上波長偏移劑（wavelength shifter），例如二苯基茋 (二苯基二苯乙烯，diphenylstilbene，DPS)。 這些材料強烈吸收紫外線中的光，並在光電倍增管的陰極效率更高的藍綠色區域發光。在某些情況下，PM 窗口也塗有一層薄薄的波長偏移器。

氣體閃爍體通常用於帶有重帶電粒子或核分裂碎片（fission fragments）的實驗中。 在這裡，壓力高達 200 atm 的幾種氣體（例如 90%

${\phantom{A}}_{\phantom{}}^{\phantom{3}}{\phantom{A}}_{\phantom{2}}^{\phantom{2}3}\mathrm{He}$、10%

$\mathrm{Xe}$）的混合物已被用於提高檢測效率。 近年來，氣體閃爍體也被提議作為太空物理學中的探測器。

研究者還用固態和液態氙以及液態氦進行了實驗，發現它們也有閃爍特性。

7.5 玻璃閃爍體 Glasses

7.6 光輸出響應 Light Output Response

7.7 對各種輻射的固有偵測效率 Intrinsic Detection Efficiency for Various Radiations

原則上，閃爍磷光體將響應任何可以直接或間接激發磷光體的分子或原子的輻射。然而，對於具有給定閃爍體的給定類型的輻射，人們不會總是發現有效地產生可用信號。事實上，我們必須考慮輻射與特定閃爍體材料分子相互作用的機制、這些相互作用在閃爍體體積中發生的可能性以及光輸出的響應。後一數量由閃爍體中的發光機制控制，並在前面的部分中進行了討論。第二個量由閃爍體材料中輻射的平均自由程給出。對於正常物質中能量不太高的帶電粒子，這個距離通常在微觀水平上，因此它在正常尺寸的任何閃爍體中損失一些能量的概率幾乎是100%。然而，對於中性粒子，平均某些材料中的自由程可能非常大，因此可能需要非常大的檢測器才能確保合理的效率。此外，還必須考慮是否需要能源信息。在這種情況下，要求變得更加嚴格，因為粒子現在必須儲存其所有能量，而不僅僅是其中的一部分。在本節中，我們考慮了核物理學中最常遇到的幾種輻射類型，討論了所涉及的問題以及每種輻射最適合的閃爍體探測器類型。