闪烁探测器的性能测试与简单能谱系统实验

本文为年初所做的几个有关探测器的简单核电子学实验之一，现对内容进行整理；实验所采用的设备性能有限且无法达到专业实验室的水准，所述内容仅供参考；放射源与高压电对人体有害，不当的使用可能造成严重后果，笔者反对任何与自身水平不符的盲目模仿行为，请读者自负因模仿造成可能的不良后果。

一、什么是闪烁探测器

闪烁探测器(Scintillation detector)是一种利用辐射光子激发荧光物质发光进行放射性测量的探测器，相较其他探测器在灵敏度上存在明显优势。根据探测粒子的不同可分为中子闪烁探测器、γ闪烁探测器与重离子闪烁探测器等；根据所测量能量的不同又可分为高能探测器与低能探测器，探测器的性质与所采用的闪烁材料有关。闪烁探测器的核心部件为光电倍增管(Photomultiplier tube)与闪烁晶体(Scintillation crystal/scintillator)，高能光子或带电粒子能够在闪烁晶体中产生光电效应(Photoelectric effect)、电子对效应(Pair production effect)以及康普顿效应(Compton effect/scattering)从而产生次级带电粒电离发光释放出可见光子，这些光子被光电倍增管阴极接收，光电阴极释放电子经打拿极倍增后得到核脉冲信号。

二、探测器的特性

核探测器由于原理、制造工艺不同，其性能指标也有所不同，一般通过能量分辨率、灵敏度、坪特性来表征一个闪烁探测器的好坏。能量分辨率代表核探测器作为核谱学应用时测量能量的极限分辨能力，能量分辨率的标定测试，一般采用¹³⁷Cs或⁶⁰Co，以其光电峰的半高宽作为指标。坪特性指随电压变化，输出信号幅度或频率的变化趋势，一般而言根据这一趋势绘制的曲线图称为坪特性曲线(Plateau characteristics curve)，坪特性曲线中的坪长、坪斜率、起坪电压是表征一个探测器性能的关键参数，这些参数在设计配套仪器设备时有着重要的参考意义。

三、探测器特性的测量

在此笔者将以一只3*3吋的NaI探测器的特性进行测量，所需的设备有:

高压电源	GW3011	0-3000V Pos
示波器	HP54512B	300MHz 1Gsa
数字率表	ThermoESM FHT1100	/
NIM机架及电源	FH0001	/
多道分析器	OpenMCA	4096道
NaI探头	3*3吋	/

首先将NaI探测器的供电端子（SHV）连接至高压电源，信号输出端连接前放插件，前放插件输出端与率表、示波器以及多道插件的输入端连接。

连接完成后打开设备电源，设定率表的甄别阈后缓慢升高电压，当率表开始显示计数时记录电压值，此探头起始计数电压为700V

根据光电倍增管手册所给出的最高电压为1500V，在此取700-1600V为测试区间，每间隔50V测量一次计数率，以电压、计数率为坐标轴绘制坪特性曲线如下图。

可以得到探测器的起坪电压约为1350V，由于datasheet中给出最高工作电压限制，故无法在保证不损坏探头的前提下测得完整坪区。一般来说随着电压进一步升高由于分压器、管座漏电将导致计数率升高，同时分辨率进一步降低，系统信噪比变差，这就意味着探测器用于谱学测量时需要工作在一个最佳电压范围内以保证足够的灵敏度与能量分辨。
在探头底部放置一块参考源（¹³⁷Cs,0.5uCi),使用多道分析器在以上电压区间内每间隔50V测量一次能量分辨率，测得最佳分辨率在850V左右，此时分辨率为6.66%@662KeV,NaI(Tl)闪烁体的本征分辨率约为6%，体积大时分辨率也会略有下降，低于7%的能量分辨率对于一只3*3吋闪烁体探测器来说已经非常优秀。但值得注意的是，由测得的工作电压可知闪烁探测器并未工作在坪区上，因此在能谱测量中对高压供电的稳定性要求较高，高压的漂移将引起分辨率、光电峰中心能量的变化。