工业X-CT用闪烁晶体性能的MCNP

东华理工大学毕业设计(论文) 摘要

摘要

工业X-CT虽在原理上与医学X-CT相类似，但在系统结构设计和对X射线探测及扫描方式等方面二者却存在极大的差异，其系统结构设计将因被检测对象的不同而进行个性化的设计，因而对闪烁晶体的尺寸难于做到统一的标准尺寸，且晶体中还掺入了对人体有剧毒的杂质Tl和Cd等元素，这样对系统结构设计及人为操作方面带来困难。基此，针对工业X-CT系统中如何实现对X射线的高效探测问题，本论文采用蒙特卡罗方法，模拟研究了CsI(T1)、NaI(T1)、CdWO4 闪烁晶体与X射线作用后，其在能量分布、全能峰效率及闪烁体转换效率方面的性能。研究结果发现，CsI（Tl）闪烁晶体在全能峰效率，闪烁体转换效率，光特性及易于加工等方面，综合性能最优，它可以作为工业X-CT系统中对X射线高效探测的理想选择，当CsI(T1)晶体长度为1.5cm时，X射线能量为220keV时，探测器的全能峰效率高达62.3%，转换效率高达74.3%。这一结果可以给X-CT系统结构设计及操作方面带来重大参考价值。

关键词：工业X-CT；闪烁晶体；MCNP

ABSTRACT

Industrial X-CT is similar with the medical X-CT in principle, but there are great differences between system architecture design and X-ray detection and scanning,besides,the system design will be designed personalizely due to different detected object, and thus the size of s cintillation crystals can’t achieve a uniform standard , and the crystal mixed with impurities such as Tl and Cd elements are also highly toxic to humans.Thus,it brings difficult to system architecture design and man-caused operational. Based on this, this paper takes Monte Carlo method for how to achieve efficient detection of X-ray problem in industrial X-CT system,and simulate energy distribution, the peak efficiency all-round performance of CsI (Tl), NaI (T1), CdWO4scintillation crysta after they acted with the role of X-ray.The results showed that, CsI (T1) scintillation crystal has optical properties in the all-round peak efficiency, scintillator conversion efficiency, and easy processing, etc. It can be used as ideal for X-ray high efficiency probe in industrial X-CT system. when the crystal length is1.5cm,and X-ray energy 220keV, the detector efficiency reached as high as 62.3% and all-round peak conversion efficiency as high as 74.3%. This result can bring great reference value of X-CT system design and operation of significant aspects.

Key words: Industrial X-CT; scintillation crystal; MCNP

目录

绪论 (1)

1 工业X-CT (2)

1.1 射线与物质的相互作用 (2)

1.1.1 光电效应 (2)

1.1.2 康普顿效应 (3)

1.1.3 电子对效应 (3)

1.2 工业X-CT的结构和原理 (3)

1.2.1工业X-CT基本原理 (4)

1.2.2工业X-CT的结构工作原理 (5)

1.3工业X-CT的新发展 (6)

2 闪烁晶体的性能 (7)

2.1 闪烁晶体的种类 (7)

2.2 闪烁晶体的物理特性 (7)

2.2.1 物理性能 (8)

2.2.2 全能峰效率 (8)

2.2.3 转换效率 (8)

3 蒙特卡罗方法与MCNP程序 (9)

3.1 蒙特卡罗方法模拟原理 (9)

3.2 蒙特卡罗方法的解题步骤 (10)

3.3 基于蒙特卡罗方法的MCNP程序 (11)

3.3.1 MCNP程序的发展 (11)

3.3.2 MCNP程序的特点 (12)

3.3.3 MCNP的应用状况 (13)

4 MCNP模型的建立与程序模拟 (15)

4.1 MCNP模拟的空间布置 (15)

4.2闪烁晶体性能MCNP模拟 (16)

4.2.1能量分布的MCNP模拟 (16)

4.2.2全能峰效率的MCNP模拟 (16)

4.2.3闪烁体转换效率的MCNP模拟 (19)

结论 (22)

致谢 (23)

参考文献 (24)

附录1 (25)

附录2 (26)

附录3 (27)

绪论

工业X-CT（X-ray Computed Tomography）是工业计算机析成像技术的简称，它是一种先进的无损检测手段，可广泛用于航空、航天、军事、冶金、机械、石油、电力、地质等领域内的无损检测与无损评价。在工业X-CT系统中，如何对X射线进行高效的探测，则是工业X-CT系统获取高质量CT的关键。

目前，在工业X-CT系统中，国内国外对X射线的探测，均是首先通过CsI(T1)、NaI(T1)、CdWO4和GOS (Gd2O2S)稀土等闪烁晶体或闪烁晶体屏将X射线转换成可见光，而后利用光电转换器件如PMT（Photomultiplier Tube）、PD（Photodiode）或CCD（Charge Coupled Device）等，将光信号转换成易于处理的电信号。为使CT图像有既要高的空间分辨率（或几何分辨率）又要使CT图像信号具有足够的信噪比，就需要对闪烁晶体的尺寸或闪烁屏的厚度进行合理的选取。这是因为，闪烁晶体的尺寸太大或闪烁晶体屏的厚度太厚，将直接影响CT图像的空间分辨率；但是，如果闪烁晶体的尺寸太小或闪烁晶体屏的厚度太薄，又将直接影响闪烁晶体或屏的发光效率，进而影响CT图像信号的信噪比。尤其是，一方面，工业X-CT系统虽在原理上与医用X-CT相类似，但在系统结构设计和对X射线探测及扫描方式等不同于医用X-CT，它检测的工件或零部件十分复杂，被检测的尺寸直径从几个mm到几百个mm,密度从几kg/m3到几十kg/m3，这就决定了工业X-CT是非标产品，其设计将因被检测对象的不同而进行个性化的设计，故对X射线的能量及其探测要求也不尽相同，因而其对CsI(T1)、NaI(T1)、CdWO4晶体尺寸也难于做到统一的尺寸标准。另一方面，CsI(T1)、NaI(T1)、CdWO4闪烁晶体对X射线的探测性能也未尽相同，且还参入了对人体有剧毒的杂质T1和Cd等元素。为使X射线在CsI(T1)、NaI(T1)、CdWO4 闪烁晶体中既有足够的能量沉积，让更多的X射线转换成可见光（提高信噪比），又要使工业X-CT系统的CT图像获得较高的空间（或几何）分辨率，基此，采用MCNP方法，模拟研究CsI(T1)、NaI(T1)、CdWO4闪烁晶体探测X射线的性能进行比较研究，则是解决问题的一个可选的方案。

本论文中第一章对射线与物质的相互作用以及工业X-CT的基本结构与原理做了详细的阐述，使本课题的研究工作有了充分的理论支持；第二章对闪烁晶体的性能进行了说明，为本论文的性能模拟理工理论基础；第三章对蒙特卡洛方法和MCNP程序进行了详细的介绍，使本课题的研究工作有了基本的模拟方法和程序技术支持；第四章对模型的建立和模拟过程进行了详细的介绍，同时对模拟结果进行了分析与研究，使本课题的研究具有一定的实际意义；第五章是本论文最后的结论部分，是对本课题模拟结果的总结，同时对在本课题模拟过程中出现的问题不足以及未来的改进方向进行了介绍。

1工业X-CT

工业X-CT是一种先进的无损检测手段，在工业X-CT系统中，首先通过CsI(T1)、NaI(T1)、CdWO4和GOS (Gd2O2S)稀土等闪烁晶体或闪烁晶体屏经过光电效应、康普顿效应及电子对效应等将X射线转换成可见光，而后利用光电转换器件如PMT、PD或CCD等，将光信号转换成易于处理的电信号[1]。

1.1 射线与物质的相互作用

γ射线、韧致辐射、湮没辐射和特征Χ射线等，虽然它们的起源不一、能量大小不等，但都属于电磁辐射。电磁辐射与物质相互作用的机制、与这些电磁辐射的起源是无关的，只与它们的能量有关。

γ射线与物质的相互作用和带电粒子与物质的相互作用有着显著的不同。γ光子不带电，它不像带电粒子那样直接与靶物质原子、电子发生库伦碰撞而使之电离或激发，或者与靶原子核发生碰撞导致弹性碰撞能量损失或辐射损失，因而不能像带电粒子那样用阻止本领dE/dx和射程来描述光子在物质中的行为。带电粒子主要通过连续的与物质原子的核外电子的许多次非弹性碰撞逐渐损失能量的，每一次碰撞中所转移的能量很小。而光子与物质相互作用时，发生一次相互作用就导致损失其大部分或全部能量。光子不是完全消失就是大角度散射掉。

光子可以通过与物质的相互作用被间接探测到。这些作用过程产生带电的次级粒子，随后在探测器的灵敏体积内通过电离过程被记录下来。γ射线与物质相互作用，可以有多种方式。当γ射线能量在30MeV以下时，在所有的相互作用中最主要的有三种方式：光电效应、康普顿效应和电子对效应。还有一些其它的相互作用方式，如：相干散射、光致核反应和核共振反应等。

1.1.1光电效应

γ射线与靶物质原子的束缚电子作用时，光子把全部能量转移给某个束缚电子，使之发射出去，而光子本身消失掉，这种过程称为光电效应。光电效应中发射出去的电子叫做光电子。

原子吸收了光子的全部能量，其中一部分消耗于光电子脱离原子核束缚所需的能量即电离能，另一部分就作为光电子的动能。所以，释放出来的光电子的能量就是入射光子的能量和该束缚电子所处的电子壳层的结合能之差。因此，要发生光电效应，γ光子的能量必须大于电子的结合能。光电子可以从原子的各个电子壳层中发射出来，但是自由电子却不能吸收入射光子的能量而成为光电子。而且，电子在原子中束缚的

越紧，就越使原子核参与上述过程，产生光电效应的概率就越大。

发生光电效应时，从原子内壳层上打出电子，在此壳层上就留下空位，并使原子处于激发状态。这种激发状态是不稳定的，退激过程有两种。一种是外层电子向内层跃迁。另一种是原子的激发能交给外壳层的其它电子，使它从原子中发射出来，这种电子称俄歇电子。

1.1.2康普顿效应

康普顿效应是入射γ光子与原子的核外电子之间发生的非弹性碰撞过程。这一作用过程中，入射光子的一部分能量转移给电子，使它脱离原子成为反冲电子，而光子的运动量发生变化。

康普顿效应与光电效应不同。光电效应中光子本身消失，能量完全转移给电子；康普顿效应中光子只是损失掉一部分能量。光电效应发生在束缚得最紧的内层电子上；由于外层电子的结合能相对不入射γ光能量可以忽略不计，所以康普顿效应可以认为是γ光子与处于静止状态的自由电子之间的弹性碰撞。入射光子的能量和动量就由反冲电子和散射光子两者之间进行分配。

1.1.3电子对效应

当γ光子从原子核旁经过时，在原子核的库伦场的作用下，γ光子转化为一个正电子和一个负电子，这种过程称为电子对效应。

根据能量守恒定律，只有当入射光子能量hv＞1.02MeV时，才能发生电子对效应。光子的能量除一部分转变为正负电子对的静止能量（1.02MeV）外，其余就作为他们的动能。

除了在原子核库仑场中发生电子对效应外，在电子的库仑场中也会产生正-负电子对。不过电子质量小，反冲能量较大，所以产生电子对的最低入射能量至少是4M0c2 而且产生电子对的概率要小得多。

对于一定能量的入射光子，电子对效应产生的正电子和负电子的动能从0到hv －2M0c2都是可能的，电子和正电子之间的能量分配是任意的。电子对过程中产生的快速正电子和电子，在吸收物质中通过电离损失和辐射损失消耗能量。正电子在吸收体中被很快慢化后，将发生湮没，湮没光子在物质中再发生相互作用。

1.2 工业X-CT的结构和原理

随着制造业的迅速发展，对产品质量检验的要求越来越高，需要对越来越多的关键、复杂零部件甚至产品内部缺陷进行严格探伤和内部结构尺寸精确测量。传统的无

损检测方法如超声波检测、射线照相检测等测量方法已不能满足要求。于是，许多先进的无损检测技术被开发应用于这些领域，ICT （Industrial Computed Tomography--简称工业CT ）技术便是其中的一种。

工业CT （ICT ）就是计算机层析照相或称工业计算机断层扫描成像。虽然层析成象有关理论的有关数学理论早在1917 年由J.Radon 提出，但只是在计算机出现后并与放射学科结合后才成为一门新的成像技术。在工业方面特别是在无损检测（NDT ）与无损评价（NDE ）领域更加显示出其独特之处。因此，国际无损检测界把工业CT 称为最佳的无损检测手段。进入80 年代以来，国际上主要的工业化国家已把X 射线或γ射线的ICT 用于航天、航空、军事、冶金、机械、石油、电力、地质、考古等部门的NDT 和NDE ，检测对象有导弹、火箭发动机、军用密封组件、核废料、石油岩芯、计算机芯片、精密铸件与锻件、汽车轮胎、陶瓷及复合材料、海关毒品、考古化石等。我国90 年代也已逐步把ICT 技术用于工业无损检测领域。

1.2.1 工业X-CT 基本原理

CT 的基本思想是：让一束X 射线投射在物体上，通过物体对X 射线的吸收（多次投影）便可获得物体内部的物质分布信息。

当强度为0I 的一个窄束X 射线穿过吸收系数为μ的物体时，其强度满足指数衰减关系见式（1-1）

0ut I I e -= （1-1）

式中t 为X 射线所穿过物质层厚度。在实际情况中，所研究的物体往往不是由单一成分组成的，当物体由若干个不同成分组成时，物体内部各处的μ也将可能不同。在这样的物质中，X 射线穿过整个物件后的强度见式（1-2）

0()()L I L I Exp u dt ??=- ???

?r （1-2）

式中()u r 为r 处的吸收率。CT 系统通过改变一组射线路径L ，记录下对应出射强度()I L 的变化来分析物体内部()u r 的分布。

在实际操作中，总是假定物体中的吸收系数()u r 是一个连续函数，通过射线测量方法和图像处理技术，将数学物理方程通过计算机解出函数()u r 。在计算机屏幕上，可用颜色或灰度来表示()u r 的大小，从而被扫描的物体的切面图像即可显示出来[2]

1.2.2工业X-CT的结构工作原理

在工业X-CT系统中，对X射线的探测可以有多种探测方式，但是从获取或采集X射线数据的方式看，主要有限性阵列探测和面阵列探测两种。对于采用CsI（Tl）、NaI（Tl）、CdWO4闪烁晶体实现对X射线的探测而言，通常以线阵列探测为主。图1即是目前工业X-CT中探测X射线的线阵数据获取的一种典型方式原理图1-1。

图1-1工业CT机结构工作原理图

当X射线进入线阵探测器时，通过与CsI（Tl）、NaI（Tl）、CdWO4闪烁晶体的相互作用因产生光电效应、康普顿效应和电子对效应而损失能量，并以光的形式为后端光电器件所探测。X射线能量低于1MeV时，其相互作用主要是光电效应和康普顿散射，如发生的作用光电效应，就直接计算收集电荷，并把散射光子作为入射光子重复计算。某一个光子与闪烁晶体发生的作用类型是随机的，但其几率受它的作用截面的限制[3]。

通常，工业X-CT中探测X射线的线阵数据获取时，其闪烁晶体为圆柱形，如图1-2所示。对其在进行蒙特卡罗方法模拟时，假设X射线源为能量可调的单能源，经前准直后进入探测器为平行光，晶体的直径不变，为0.3cm，而圆柱的长度可以变化，基此，模拟研究CsI（Tl）、NaI（Tl）、CdWO4闪烁晶体在不同长度、不同能量、不同晶体及X射线源-被检物-探测器距离（后面简称源距）为100cm情况下的一些性能。计算中每次模拟的粒子数为500000，光子和电子的截断条件主要是能量截断和位置截断，即当光子或电子的能量小于0.001MeV时，程序不再跟踪该粒子；若光子或电子溢出闪烁体，程序不再跟踪该粒子。荧光光子的截断条件是长度截断，即当荧光的传输距离大于150mm时，程序截断该束荧光。

晶体0.3cm

图1-2Monte Carlo模拟的计算模型

1.3工业X-CT的新发展

随着制造业的迅速发展，对产品的质量检验的要求越来越高，在无损检测的方法中，虽然X 射线实时成像系统检测速度快，但在检测灵敏度和空间分辨率及对缺陷的定位等方面都存在着明显的不足。

工业CT作为一种先进的检测工具，克服了X射线实时成像系统的不足，它可以显示被测工件的断面图像，并有着较高的检测灵敏度和空间分辨率，它可对缺陷进行定位和测量，动态范围宽，在无损检测中起着很重要的作用。虽然它也存在着一些不足，但它具备了别种检测方法所没有的特点，因此是不可替代的。

目前，工业CT被广泛地应用于各个领域，如铸件、锻件、焊接件、火箭发动机、石油钻杆、复合材料、陶瓷及冶金产品的检测等。具体的应用如：轧钢产品的质量检查，航空航天关键零部件的检测，材料的缺陷和密度变化，钢筋混凝土的孔洞腐蚀和断裂情况的检验等。工业CT除大量的应用于检测以上多类缺陷之外，还可应用于几何尺寸的测量。总之，工业CT有着良好的应用前景。

论光子晶体光纤技术的现状和发展

论光子晶体光纤技术的现状和发展 摘要: 光子晶体光纤，又称多孔光纤或微结构光纤，以其独特的光学特性和灵活的设计成为近年来的热门研究课题。光子晶体光纤在外观上和传统的普通单模光纤非常相似，但微观上光子晶体光纤的横截面完全不同。近年来，国内外的很多大学和科研单位都在积极开展光子晶体光纤的研究工作。本文阐述了PCF的一些独特光学性质、制作技术及其一些重要应用，介绍了PCF的发展以及最新成果。关键词:光子晶体,光子晶体光纤,非线性 1 引言 1987年Yabnolovitch 在讨论如何抑制自发辐射时提出了光子晶体这一新概念。几乎同时，John 在讨论光子局域时也独立提出。如果将不同介电常数的介电材料构成周期结构，电磁波在其中传播时由于布拉格散射，电磁波会受到调制而形成能带结构，这种能带结构叫做光子能带。光子能带之间可能出现带隙，即光子带隙。具有光子带隙的周期性介电结构就是光子晶体，或叫做光子带隙材料，也有人把它叫做电磁晶体。 光子晶体光纤（photonic crystal fiber，PCF），又称多孔光纤或微结构光纤，以其独特的光学特性和灵活的设计成为近年来的热门研究课题。这类光纤是由在纤芯周围沿着轴向规则排列微小空气孔构成，通过这些微小空气孔对光的约束，实现光的传导。独特的波导结构，灵活的制作方法，使得PCF与常规光纤相比具

有许多奇异的特性，有效地扩展和增加了光纤的应用领域[1]。在光纤激光器这一领域内，PCF经专门设计可具有大模面积且保持无限单模的特性，有效地克服了常规光纤的设计缺陷。以这种具有新颖波导结构和特性的光纤作为有源掺杂的载体，并把双包层概念引入到光子晶体光纤中，将使光纤激光器的某些性能有显著改善。近年来，国内外的很多大学和科研单位都在积极开展光子晶体光纤激光器的研究工作[2]。目前，国外输出功率达到几百瓦的光子晶体光纤激光器已有报道。本文阐述了PCF的一些独特光学性质、制作技术及其理论研究方法，介绍了PCF 的发展以及最新成果。 2 光子晶体光纤概述 2.1 光子晶体光纤导光原理 光子晶体光纤的概念基于光子晶体，按其传导机制可分为带隙型光子晶体光纤（PBG-PCF）和折射率引导型光子晶体光纤（TIR-PCF）两类[3]。 带隙型光子晶体光纤是一种具有石英-空气光子晶体包层的空芯石英光纤，其包层横截面的折射率具有规则的周期分布，通过包层光子晶体的布拉格衍射来限制光在纤芯中传播的在满足布拉格条件时出现光子带隙，对应波长的光不能在包层中传播，而只能限制在纤芯中传播，见图2-1（a）。 折射率引导型光子晶体光纤的导光机制与传统光纤类似，包层由石英-空气周期介质构成，中心为SiO2构成的实芯缺陷。由于纤芯折射率高于包层平均折射率，光波在纤芯中依靠全内反射传播。由于包层含有气孔，与传统光纤的实芯熔融硅包层不同，因而这种导光机制叫做改进的全内反射，见图2-1（b）

晶体管的特性曲线

晶体管的特性曲线 晶体管特性曲线即管子各电极电压与电流的关系曲线，是管子内部载流子运动的外部表现，反映了晶体管的性能，是分析放大电路的依据。为什么要研究特性曲线： (1) 直观地分析管子的工作状态 (2) 合理地选择偏置电路的参数,设计性能良好的电路重点讨论应用最广泛的共发射极接法的特性曲线 1.测量晶体管特性的实验线路 图1 共发射极电路 共发射极电路：发射极是输入回路、输出回路的公共端。如图1所示。 2．输入特性曲线 输入特性曲线是指当集-射极电压U CE为常数时，输入电路( 基极电路)中基极电流I B与基-射极电压U BE之间的关系曲线I B = f (U BE)，如图2所示。 图2 3DG100晶体管的输入特性曲线 U CE=0V时，B、E间加正向电压，这时发射结和集电结均为正偏，相当于两个二极管正向并联的特性。 U CE≥1V时，这时集电结反偏，从发射区注入基区的电子绝大部分都漂移到

集电极，只有小部分与空穴复合形成I B。U CE>1V以后，I C增加很少，因此I B 的变化量也很少，可以忽略U CE对I B的影响，即输入特性曲线都重合。 由输入特性曲线可知，和二极管的伏安特性一样，晶体管的输入特性也有一段死区。只有在发射结外接电压大于死区电压时，晶体管才会导通，有电流I B。 晶体管死区电压：硅管0.5V，锗管0.1V。晶体管正常工作时发射结电压：NPN型硅管U BE0.6 ~ 0.7) V PNP型锗管U BE0.2 ~ 0.3) V 3．输出特性曲线 输出特性曲线是指当基极电流I B为常数时，输出电路(集电极电路)中集电极电流I C与集-射极电压U CE之间的关系曲线I C = f (U CE)，如图3所示。 变化曲线，所以晶体管的输出特性曲在不同的I B下，可得出不同的I C随U CE 线是一族曲线。下面结合图4共发射极电路来进行分析。 图3 3DG100晶体管的输出特性曲线图4 共发射极电路 晶体管有三种工作状态，因而输出特性曲线分为三个工作区 (1) 放大区 在放大区I C=βI B，也称为线性区，具有恒流特性。在放大区，发射结处于正向偏置、集电结处于反向偏置，晶体管工作于放大状态。 对NPN 型管而言, 应使U BE> 0, U BC< 0，此时，U CE> U BE。 (2) 截止区I B = 0 的曲线以下的区域称为截止区。 I B = 0 时, I C = I CEO(很小)。(I CEO<0.001mA)。对NPN型硅管，当U BE<0.5V 时, 即已开始截止, 为使晶体管可靠截止, 常使U BE≤0。截止时, 集电结也处于反向偏置(U BC≤ 0),此时, I C≈0, U CE≈U CC。 (3) 饱和区当U CE< U BE时，集电结处于正向偏置(U BC> 0)，晶体管工作于饱和状态。

固体、液体、气体, 晶体、非晶体、单晶体、多晶体、准晶体它们的本质差别是什么

固体、液体、气体, 晶体、非晶体、单晶体、多晶体、准晶体/ 它们的本质差别是什么？ 2009-12-15 11:55:31| 分类：微电子物理| 标签：|字号大中小订阅 作者：Xie M. X. (UESTC，成都市) （1）气体： 气体能够压缩其体积，而固体与液体都不能被压缩，这是气体与其它两种状态（固体和液体）之间的最大差别。显然这是由于气体中原子（或分子）的分布比较稀疏、间距较大，而固体和液体中原子（或分子）的分布比较紧凑的缘故。 （2）固体与液体： 它们的最大差别就在于是否有流动性。造成这种差别的根本原因就是其中的原子排布是否有确定的框架规则，即是否存在所谓晶体结构。固体有一定的晶体结构，而液体则否。也因此，液体中原子的分布可以更加紧密一些，则原子密度通常也较大于固体。 例如Si和Ge晶体，都具有立方晶系的结构（通过具有方向性和饱和性的共价键把各个原子联系起来）；当这些晶体被熔化而变成液体以后，晶体结构即解体，其中的原子将排列得更加紧密，则其体积都将相应地有所减小。再如常见的水，是一种典型的液体，但在0oC 以下时即转变为固体——冰，就使得各个水分子都被水的晶体结构约束住了，不能随意流动，相应地体积也将增大。 （3）晶体和非晶体： 所有的固体都具有一定的晶体结构，这是区别于液体和气体的最大特点。但固体又有晶体与非晶体之分。晶体就是其中的原子排列非常规则，严格按照一定的晶体结构分布；采用科学术语，即是说，晶体就是其中原子的排列具有周期性和对称性的固体，或者说晶体中原子的排列具有长程有序性。 而非晶体，其中原子的排列虽然也遵从一定晶体结构的框架，但它只是在小范围内是完全规则的，而在大范围内则否，即不具有长程有序性，而是具有短程有序性。所以，非晶体实际上也是晶体，只不过其中原子的排列从大范围来看不太规则而已，即原子在排列上存在有缺陷。例如，非晶硅，它仍然具有立方晶系的晶体结构，但是从整个材料的大范围来看，原子排列就缺乏周期性和对称性，其中存在大量排列不规则的原子——缺陷。又如，半导体工艺中常用的SiO2薄膜，它具有六边形网络式的晶体结构，但是缺乏长程有序性，也是一种非晶体；当然，若把SiO2生长成水晶的话，那就成为了单晶体。 （4）单晶体和多晶体： 晶体又可区分为单晶体和多晶体。单晶体就是整个晶体中原子的排列都具有长程有序性，即晶体结构非常完整。现在用来制造半导体器件和集成电路的Si片就是典型的单晶体。 多晶体也是晶体，它不算非晶体；但多晶体又不同于单晶体。也可以说，多晶体是由许多单晶体（晶粒）组成的。每一个晶粒是单晶体，具有长程有序性；但不同的晶粒，它们的原子排列的取向不同；并且各个晶粒之间存在一个原子排列混乱的区域——晶粒间界。总之，多晶体是包含有晶粒（单晶体）和晶粒间界（缺陷）的一种复杂晶体。 （5）准晶体： 通常说的单晶体就是具有长程有序性——原子排列具有严格的周期性和对称性的晶体，它不可能存在五度和6度以上的旋转轴对称性。然而，1984年，丹?谢赫舍特曼在快速冷却的Al4Mn 合金中发现了一种新的相，其电子衍射斑具有明显的五次对称性，并推测这种结构具有三维空间的彭罗斯拼图结构，后来在许多复杂的合金中也发现了这一现象。这种具有5度旋转对称轴的、具有长程定向有序的固体相，它只是没有平移对称性，这种固体就

无机闪烁晶体

无机闪烁晶体、塑料闪烁体简介 无机闪烁晶体、塑料闪烁体简介 一无机闪烁晶体 1 闪烁晶体与辐射探测 X射线、CT、核医学放射性核素成像、环境辐射监测、高能射线探测，其原理都是利用光子流作为射线源，射线穿透人体或物质，再从人体或物质中发射出来或射线直接被探测器接收而形成影像。所以探测器系统对射线的接收程度就成为关键的因素之一，常用的技术有：气体电离室探测、半导体材料探测、闪烁晶体探测等。而闪烁晶体因其固有的吸收射线辐射发光的特性就成为测量射线能量和强度的良好材料。无机闪烁晶体主要应用领域有高能物理、核物理、核医学（如XCT、PET以及g相机）、工业应用（工业CT）、地质勘探、石油测井等。闪烁晶体在射线的激发下能发出位于可见光波段的光波，不同的闪烁体最大闪烁发射波长、光产额、闪烁衰减时间、辐射长度、辐照硬度及密度、熔点、硬度、吸潮性等物理性质都有所不同。现实中没有任何一种闪烁体能满足全部使用要求，每种闪烁晶体都有各自的优缺点，使用中需根据具体要求及应用领域选择不同的材料。一般来说无机闪烁晶体用于辐射探测时基本应具备以下几个条件： <1>对探测粒子有较大的阻止本领，使入射粒子在晶体中的损耗量较大，为此闪烁体的密度及有效原子序数应较大。 <2>具有较高的发光效率及较好的能量分辨率。 <3>在自身发光波段内无吸收，即有较高的透过率。 <4>较短的发光衰减时间（时间分辨好）。 <5>发射光与光探测元件光谱响应相匹配。 <6>较大的辐照硬度（抗辐射损伤）。 <7>较好的热稳定性（发光效率受温度影响小）。 <8>易于加工成各种形状和尺寸。 <9>较好的化学稳定性（不吸潮）。 现已开发的无机闪烁体如下：NaI(Tl) .CsI. CsI(Na) .CsI(Tl) .LiF(Eu) .CaF2(Eu) .CdF2、 BaF2.CeF3 .BGO(Bi3Ge4O12) .ZWO(ZnWO4) .CWO(CdWO)4 .PWO(PbWO4) .GSO:Ce(Gd2SiO2O5:Ce) .LAP:Ce(LaAlO3:Ce) .YAP:Ce （Y AlO3:Ce）.LSO:Ce(Lu2Si2O5:Ce)等。 2 无机闪烁晶体特性及应用领域 NaI和BGO是目前应用较多的闪烁晶体，NaI(Tl)光输出大。对NaI(Tl)光输出的界定是以最早的塑料闪烁体--蒽（C14H10） 来标定，相对于蒽，NaI(Tl)的相对光输出为230%。 NaI(Tl) 晶体密度较低（3.65g/cm3）， BGO有较高的密度（7.13g/cm3），但光输出较低（只有NaI(Tl)的8%）。现处于较前沿的闪烁晶体有：GSO(Ce)、YAP (Ce)、LAP(Ce)、LSO(Ce)等。这些晶体光输出较高，如LSO(Ce)约为NaI(Tl)的75%，且衰减时间快、密度高。因其优良的性能，尽管造价昂贵，但仍不失为高能探测的理想材料。 2.1碘化钠NaI(Tl)晶体 NaI(Tl)晶体的发光效率在所有与光电倍增管耦合的闪烁晶体中是最高的，光产额为38000 (光子数/MeVγ)，其余晶体的发光效率常以其相对于NaI(Tl)的百分数来表示。NaI(Tl)因具有很高的光产额且受温度的影响相对较小（可在170℃时使用），且成本低廉，所以较早应用于地质勘探及核医学中作为探测X射线、γ射线的敏感元件，迄今仍在广泛使用。 常见有NaI(Tl)单晶及热锻NaI(Tl)闪烁晶体，Table .1为NaI(Tl)单晶及热锻NaI(Tl)闪烁晶体性能。 Table .1 Scintillation Properties of NaI(Tl) and POLYSCIN NaI(Tl) Crystal

光子晶体光纤材料

光子晶体光纤材料 光子晶体的能带结构 电子能带与光子能带 在半导体晶体中, 电子受原子周期排列所构成的周期势场的作用, 它的能谱呈带状结构由于原子的布拉格散射, 在布里渊区边界上能量变得不连续, 出现带隙, 电子被全反射在光子晶体中, 也存在类似的周期性势场, 它是由介电函数在空间的周期性变化所提供的当介电函数的变化幅度较大且变化周期与光的波长相比拟时, 介质的布拉格散射也会产生带隙, 相应于此带隙区域的那些频率的光将不能通过介质, 而是被全部反射出去由于周期结构的相似性, 普通晶体的许多概念被引入光子晶体, 如能带、能隙、能态密度、缺陷态等实际制备的光子晶体多由两种介电常数不同的物质构成, 其中低介电物质常采用空气, 因此相应于半导体的价带和导带, 在光子晶体中存在介电带和空气带。 完全光子能隙的产生 光子能隙有完全能隙与不完全能隙的区分所谓完全能隙, 是指光在整个空间的所有传播方向上都有能隙, 且每个方向上的能隙能相互重叠不完全能隙, 相应于空间各个方向上的能隙并不完全重叠, 或只在特定的方向上有能隙由于能隙产生于布里渊区的边界处,原则上完全能隙更容易出现在布里渊区是近球形的结构中。FCC是具有最接近球形布里渊区的空间周期结构。 人们对光子能带的理论计算最初是照搬电子能带的计算方法, 如平面波法和缀加平面波法等, 将光子当作标量波, 利用薛定愕方程求解一计算结果显示, 包括在内的许多结构的光子晶体都将出现光子带隙然而, 随后的研究表明, 这种

标量波近似法不仅在定量上, 甚至在定性上都与实验结果不符。由于电子是自旋为1/2的费米子, 为标量波而光子是自旋为的玻色子, 是矢量的电磁波, 两者存在着本质的区别因此, 计算光子晶体的能带结构必须在矢量波理论的框架下, 从麦克斯韦方程出发在各种理论中, 平面波展开法是应用得最普遍, 也是最成功的由于光子之间没有复杂的相互作用, 理论计算可以非常精确地预言光子晶体的性质, 对实验工作起着重要的指导作用。 能带计算表明由球形颗粒构成的结构具有很高的对称性, 对称性引起的能级简并使它只存在不完全能隙, 例为了得到具有完全能隙的光子晶体结构, 需要从两方面考虑：（1）提高提高周期性介电函数的变化幅度, 即要有高的折射率反差（2）从结构上消除对称性引起的能带简并为此, 在结构的晶胞内引入两个球形粒子构成的金刚石结构, 能产生很宽的完全带隙，通过引入非球形的晶胞颗粒也能消除能带简并从而产生完全的光子带隙。利用材料介电常数的各向异性,在FCC、BCC、SC等各种简单晶格中也将产生部分能隙, 此外, 在介电质材料中引入彼此分离的金属颗粒构成的复合光子晶体, 将具有很宽的完全能隙, 然而由于在可见光和红外波段金属材料的强烈耗散, 这种光子晶体的效率很低。 光子晶体中的缺陷能级 半导体材料的广泛应用与其掺杂特性密切相关向高纯度半导体晶体中掺杂, 禁带中会产生相应的杂质能级, 从而显著改变半导体材料的电学、光学特性类似地, 可以向光子晶体中引入杂质和缺陷, 当缺陷是由引入额外的高介电材料所至图右, 其特性类似于半导体掺杂中的施主原子, 相应的缺陷能级起始于空气带底, 并随缺陷尺寸的变化而移向介电带当缺陷是由移去部分高介电材料所至, 其特性类似于半导体掺杂中的受主原子, 相应的缺陷能级起始于介电带顶, 并随缺陷

(整理)闪烁晶体市场概况

闪烁晶体市场概况 闪烁体是指在高能粒子或射线(如X射线、γ射线等)的作用下能够发出脉冲光的物体。它是光电功能材料，被广泛用于高能物理、核物理、空间物理、核医学、地质勘探、安全检查以及国防工业等领域。闪烁体在地球物理探矿中有广泛应用，一般通过60Co发出γ射线，通过另一地方接收到的信号就可以分析矿床情况；在石油勘探方面闪烁体发挥着重要作用；在医学领域，利用γ射线制成手术刀，监测γ射线的也是闪烁体；在焊接大型高压容器，宇航设备等无损探伤方面闪烁体也都起着关键作用；在机场安全检查以及货运集装箱的检查中广泛采用闪烁体作为探测器。下图给出了闪烁晶体的产业链及其应用领域。

注： 影像检测医疗器材：如全身正子摄影仪、单光子摄影仪、加马摄影仪、X光摄影仪 医药研究：临床前动物实验摄影仪，如micro-PET、micro-SPECT、micro-CT 农业生技：水果虫害检测、农作物营养吸收与成长等非破坏性检测 工业检测：核能与太阳能等能源工业元件非破坏性检测 安全检测：机场、海关安全检查，货柜安全检查 辐射防护：上述应用区域皆需辐射防护设备，环境监控仪器 图2 LSO:Ce闪烁晶体图片 二、行业基本状况及趋势 目前，闪烁晶体的发展正处于一个新的上升时期。近年来，在高能物理和空间研究、医学成像以及迅猛发展的工业检测和安全检察等众多高技术装备中正在愈来愈多地出现闪烁晶体的身影，闪烁晶体与人们愈走愈近。 国际上，从事闪烁晶体的开发工作的单位很多，如俄罗斯的BTCP，乌克兰的Amcrys-H，法国Crismatec，德国的Korth, Molecular Technology，美国的Bicron，Optovac，Rexon和CTI，英国的Hilger-Crystals，日本的Ohyo Koken Koyo和Shin-EtsuChemical，捷克的Crytur，中国的SIC(上海硅酸盐所)和BGRI(北京玻璃研究院)等。目前，从生产规模上看俄罗斯BTCP和中国上海硅酸盐所处于领先水平。 国内从事闪烁晶体生长和性能研究的单位也很多，但具有批量生产能力的单位却为数不多。近十年来，北京玻璃研究院与上海硅酸盐所联合或各自独立地参与了多项国际高能物理工程，确立了中国在国际闪烁晶体领域的重要地位，并树立了良好的国际形象。 目前大批量生产的多数大尺寸闪烁晶体都是从熔体中生长的，采用的方法有Czochralski法(晶体提拉法)和Bridgnian-Stockbarger(坩埚下降法)。国外主要采用

光子晶体毕业论文

引言 光子晶体光纤（PCF），又称多孔光纤或微结构光纤，以其独特的光学特性和灵活的设计成为近年来的热门研究课题。这类光纤是由在纤芯周围沿着轴向规则排列微小空气孔构成，通过这些微小空气孔对光的约束，实现光的传导。独特的波导结构，灵活的制作方法，使得PCF与常规光纤相比具有许多奇异的特性，有效地扩展和增加了光纤的应用领域，因而成为目前国际上研究的热点。在光纤激光器这一领域，PCF经专门设计可具有大模面积且保持无限单模的特性，有效地克服了常规光纤的设计缺陷。以这种具有新颖波导结构和特性的光纤作为有源掺杂的载体，并把双包层概念引入到光子晶体光纤中，将使光纤激光器的某些性能有显著改善。近年来，国外的很多大学和科研单位都在积极开展光子晶体光纤激光器的研究工作。目前，国外输出功率达到几百瓦的光子晶体光纤激光器已有报道。本文阐述了PCF的一些独特优越特性、导光原理及对光子带隙导光型光子晶体光纤的结构设计，介绍了PCF的发展以及优化设计。

第一章光子晶体光纤概述 §1．1光子带隙型光子晶体光纤的理论进展 上个世纪，随着科学技术的不断发展，电子技术几乎进入了人们生活的各个方面，人们对大规模集成电路的微型化、高效化和稳定性提出了更多、更高、更新的要求，而传统的电子技术不能满足高端前沿的发展需要。因此，人们把目光投向于光子技术，希望可以用光子取代电子来获取、传输、存储和处理信息。光子与电子相比有许多优点，光子具有极快的响应能力、极强的互连能力、极大的存储能力和极高的信息容量，但是光子不能和电子一样随意控制，这使得光通信、光器件的研究和应用难以取得进步。科学家们正努力寻找一种新型光学材料使光子能被有效控制，结果光子晶体迅速成为研究焦点。 1987年，E．Yablonovitch[1]研究在固体物理和电子学中抑制自发辐射时，提出周期性结构中某些特定频率光的传播在一个带隙被严格禁止；几乎同时S．John讨论在特定的无序介质超晶格中光子的局域性时，指出在规则排列的超晶格中引入某种缺陷，光子有可能被局限在缺陷中而不能向其它方向传播。由此提出了光子晶体的概念，指出光子带隙和光子局域是光子晶体的重要特征。直到1989年，Yablonovitch和Gmittern首次在实验上证实了三维光子带隙的存在，并指出当两种材料的折射率比足够大时，才能得到完全光子禁带，这一论断后来被广泛应用到实践中，成为得到光子禁带的重要条件。此后物理界才开始大举投入这方面的理论研究和实际应用，它完全不同于传统利用全反射理论来引导光传输，而是利用光子禁带，这样给光通讯领域带来了新的生机和活力。1999年国际权威杂志（Science）在预计所有学科研究趋势时，将光子晶体方面的研究列为未来的六大研究热点之一。 1992年，Russell提出光子晶体光纤的概：它是包层为有序排列的二维光子晶体，纤芯为破坏了包层有序排列的缺陷，光被局限在缺陷中进行传播。1996年英国的Southampton大学研制成功了世界上第一根光子晶体光纤，这项研究成果给光通信和光研究领域注入了新的活力，引起了全世界人们的普遍兴趣。接下来短短的十年间里，光子晶体光纤的研究和应用已经取得了较大的进步，并在（Science）和（Nature）杂志上多次有过相关报道，发表的论文数也是与

准晶体——21世纪的新奇材料

21世纪的新奇材料：准晶体 ——综述准晶体的奇异物性和可能用途专业：物理学姓名：张文斌学号：09405130 摘要：2011年10月5日诺贝尔化学奖揭晓，以色列科学家达尼埃尔?谢赫特曼（Danielshechtman）教授因发现准晶体(quasi-crystal)而独享这份殊荣。准晶体的发现给科技界带来了极大的震动，颠覆了传统晶体学理论，打破了晶体学固有的格局，成为各领域科学家关注的焦点，其具有的独特性能，也大大激发了人们对其研究的热情。本文主要从两个方面论述这一新奇材料：即准晶体的奇异物性和可能用途。 关键词：诺贝尔化学奖准晶体奇异物性可能用途 正文： 2011年10月5日诺贝尔化学奖揭晓，以色列科学家达尼埃尔?谢赫特曼（Danielshechtman）教授因发现准晶体(quasi-crystal)而独享这份殊荣。诺贝尔化学奖评选委员会在发表的声明中表明：从原子级别观察准晶体形态，会发现原子排列具有规律，符合数学法则，但不以重复形态出现。获奖者的发现给科技界带来了极大的震动，颠覆了传统晶体学理论，打破了晶体学固有的格局，改变了科学家对固体物质结构的认识；准晶体的发现，因此而成为各领域科学家关注的焦点，其具有的独特性能以及可能用途，也大大激发了人们对它的研究热情。一、准晶体及其发现： 何谓准晶体呢？所谓准晶体，是一种介于晶体和非晶体之间的固体。物质的构成由其原子排列特点而定。原子呈周期性排列的固体物质叫做晶体，原子呈无序排列的叫做非晶体。准晶体具有完全有序的结构：在准晶体的原子排列中，其结构是长程有序的，这一点和晶体相似；但是准晶体不具有晶体所应有的平移对称性，因而可以具有晶体所不允许的宏观对称性，这一点又和晶体不同。普通晶体具有的是二次、三次、四次或六次旋转对称性，但是准晶的布拉格衍射图具有其他的对称性，例如五次对称性或者更高的六次以上对称性。 关于准晶体的发现，其过程具有很大的传奇性。关于这种长程有序的结构，其实早有发现，数学家在1960年代就推测出了这种对称模型；但是直到快20年后这种理论上的结构才和准晶体的研究联系起来。这次获得诺贝尔奖的丹尼

半导体管特性图示仪的使用和晶体管参数测量

半导体管特性图示仪的使用和晶体管参数测量 一、实验目的 1、了解半导体特性图示仪的基本原理 2、学习使用半导体特性图示仪测量晶体管的特性曲线和参数。 二、预习要求 1、阅读本实验的实验原理，了解半导体图示仪的工作原理以及XJ4810 型半导体管图示仪的各旋钮作用。 2、复习晶体二极管、三极管主要参数的定义。 三、实验原理 （一）半导体特性图示仪的基本工作原理 任何一个半导体器件，使用前均应了解其性能，对于晶体三极管，只要知道其输入、输出特性曲线，就不难由曲线求出它的一系列参数，如输入、输出电阻、电流放大倍、漏电流、饱和电压、反向击穿电压等。但如何得到这两组曲线呢？最早是利用图4-1 的伏安法对晶体管进行逐点测试，而后描出曲线，逐点测试法不仅既费时又费力，而而且所得数据不能全面反映被测管的特性，在实际中，广泛采用半导体特性图示仪测量的晶体管输入、输出特性曲线。 图4-1 逐点法测试共射特性曲线的原理线路用半导体特性图示仪测量晶体管的特性曲线和各种直流参量的基本原理是用图4-2（a）中幅度随时间周期性连续变化的扫描电压UCS代替逐点法中的可调电压EC，用图4-2（b）所示的和扫描电压UCS的周期想对应的阶梯电流iB来代替逐点法中可以逐点改变基极电流的可变电压EB，将晶体管的特性曲线直接显示在示波管的荧光屏上，这样一来，荧光屏上光点位置的坐标便代替了逐点法中电压表和电流表的读数。

1、共射输出特性曲线的显示原理 当显示如图4-3 所示的NPN 型晶体管共发射极输出特性曲线时，图示仪内部和被测晶体管之间的连接方式如图4-4 所示. T是被测晶体管,基极接的是阶梯波信号源,由它产生基极阶梯电流ib 集电极扫描电压UCS直接加到示波器(图示仪中相当于示波器的部分,以下同)的X轴输入端,,经X轴放大器放大到示波管水平偏转板上集电极电流ic经取样电阻R得到与ic成正比的电压,UR=ic,R加到示波器的Y轴输入端,经Y轴放大器放大加到垂直偏转板上.子束的偏转角与偏转板上所加电压的大小成正比,所以荧光屏光点水平方向移动距离代表ic的大小,也就是说,荧光屏平面被模拟成了uce-ic 平面. 图4-4 输出特性曲线显示电路输出特性曲线的显示过程如图4-5 所示 当t=0 时, iB =0 ic=0 UCE =0 两对偏转板上的电压均为零,设此时荧光屏上光点的位置为坐标原点。在0-t1,这段时间内,集电极扫描电压UCS 处于第一个正弦半波周期。

光子晶体光纤基本特性及其应用研究[S](精)

光子晶体光纤基本特性及其应用研究[S] 英文题名 The Basic Characteristic and the Applications Study of Photonic Crystal Fibers 专业凝聚态物理关键词光子晶体光纤; 多极法; 色散; 有效模场面积; 非线性特性; 双折射; 英文关键词 Photonic crystal fibers; Multipole method; Chromatic dispersion; Effective model field area; Nonlinearity; Double refraction; 中文摘要光子晶体光纤是一种新型的光纤,由于它具有普通光纤所无法比拟的结构设计和光学特性,在近几年成为光纤研究领域的热点。本文介绍了光子晶体光纤的研究背景及发展现状,分析了它的结构特性,并列举了一些不同结构的光子晶体光纤,简单介绍了它的两种导光原理和制备方法,以及在各个方面的应用。设计了两种结构的光子晶体光纤,并对它们的基本特性进行了数值研究。论文所做的主要工作如下: 首先,对几种数值模拟光子晶体光纤特性的理论方法进行了介绍和对比,系统介绍了多极法的原理、方程以及适用条件,突出了多极法的特点和优势并选择多极法作为本文的主要研究方法。其次,采用多极法对实芯六角形光子晶体光纤的色散、有效模场面积与结构参数的关系进行了研究。得到如下结论:通过调节空气孔直径和包层空气孔间距的大小,改变空气孔填充介质的折射率,可以有效地控制光子晶体光纤的色散特性和有效模场面积。再次,设计了一种具有双折射的光子晶体光纤。数值研究发现:通过调节空气孔直径、包层空气孔间距的大小以及x和y方向的结构的不对称性,可以有效地调节光子晶体光纤的双折射特性,使双折射效应显著增强,甚至可以达到比普通光纤高出一个数量级的结果。这些结论为... 英文摘要 Photonic Crystal Fiber(PCF)is a new type of optical fiber. Because of its special structure design and optical properties, PCF has been a focus in optical fiber area in recent years. This paper introduces the research background and current development of PCF, analyzes its two kinds of transmission principle and manufacture ,as well as its application in various aspects.In this paper, it has designed two kinds of structures of PCF,and calculated some basic characteristic of PCF as well.The original jobs in ... 摘要 4-5 Abstract 5-6 第1章绪论 11- 25 1.1 引言 11 1.2 光子晶体简介 11-13 1.3 光子晶体光纤的导光原理 13-16 1.3.1 带隙型光子晶体光纤 13- 15 1.3.2 折射率引导型光子晶体光纤 15-16 1.4 光子晶体光纤基本特性 16-20 1.4.1 无截止单模性质 16- 18 1.4.2 色散特性 18 1.4.3 非线性特性 18-19 1.4.4 双折射特性 19-20 1.5 光子晶体光纤的发展现状及应用前景分析 20-23 1.5.1 光子晶体光纤研究现状 20-22 1.5.2 光子晶体光纤的应用前景分析 22- 23 1.6 本课题的研究目标及实现方法 23-25 第2章光子晶体光纤的研究方法 25-37 2.1 引言 25 2.2 几种光子晶体光纤的研究方法简介 25-28 2.2.1 有效折射率方法 25- 26 2.2.2 平面波法 26 2.2.3 Galerkin 方法 26 2.2.4 有限差分法 26-27 2.2.5 超元胞晶格方法 27-28 2.2.6 光束传播法 28 2.3 多极法

闪烁体材料比较

晶体 密度 g/cm3发光峰波 长/nm γ闪烁 效率 发光衰减 时间/ns 能量分辨 率137Cs% 是否 潮解 NaI(Tl) 3.67 415 100 230 7.0 强CsI(Tl) 4.51 550 45 1000 9.0 微CsI(Na) 4.51 420 85 630 弱BGO 7.13 480 15 300 9.5 否LSO:Ce 7.40 420 75 40 12.0 否GSO:Ce 6.71 440 30 60 7.8 否YAP:Ce 5.55 350 40 24 否LaBr3:Ce 5.30 380 16 3.2 强

应用领域各领域的要求 医学X-CT 高光输出，快衰减时间，低余辉，高X射线吸收系数 PET 高密度(> 7g/cm3)，快衰减时间(< 100ns)，高光输出(> 8500 photons/MeV) 石油测井大体积，高Z值，快衰减时间，高光输出，能量分辨率好，高温可用，抗震能力强工业X-CT 高光输出以满足高透射测量，高密度以满足空间分辨率 高能物理高密度(强吸收，Moliere radius较小)，快衰减时间，高辐射强度，价格低 核物理能量分辨率好，快衰减时间，高光输出以满足高探测效率 天体物理能量分辨率好，灵敏度高(10 -5～10 -7 photons/cm2 s-1)，抗硬射线辐射，温度系数好

光电倍增管的原理图 光电倍增管（PMT）是一种能把微弱光信号转变为电信号的真空光探测器件，具有极高灵敏度和超快时间响应。优异的灵敏度（高电流放大和高信噪比）主要得益于使用了基于多个排列的二次电子发射系统。它能够使电子在低噪声条件下得到倍增。PMT的原理是光阴极在光子的作用下向真空中激发出光电子，这些电子被外电场（或磁场）加速，经过聚焦、汇聚于第一次极，这些冲击次极的光电子能使第一次极释放更多的电子，它们再被聚焦在第二次极，这样一直经过大约十次以上倍增，放大倍数可达到108～1010。最后，在高电位的阳极收集到放大了的光电流并输出，进入后续电路供分析研究。光电倍增管阳极输出电流跟输入光电子数成正比。 光电倍增管有三个缺点：①灵敏度会由于强光照射或者因为照射时间过长而降低，停止照射后又部分的恢复，这种现象称为“疲乏”；②光阴极表面各点灵敏度不均匀；③光电倍增管是通过加上千伏的高压实现高增益的，而增益的获得依赖于打拿极间电子倍增实现，因此限制了其在强磁场中的应用

光子晶体光纤概述

光子晶体（PC）是一种介电常数随空间周期性变化的新型光学微结构材料，其概念是1987由S.jhon和E. Yablonovitch提出来的，就是将不同介电常数的介质材料在一维、二维就是将不同介电常数的介质材料在一维、二维或者三维空间组成具有光波长量级的折射率周期性变化的结构材料。 光子晶体的发现，可以说是光和电磁波传播与控制技术方面的一次革命。与电子晶体不同，光子晶体是折射率周期性变化产生光子能带和能隙，频率（波长、能量）处在禁带范围内的光子禁止在光子晶体中传播。当在光子晶体中引入缺陷使其周期性结构遭到破坏时，光子能隙就形成了具有一定频率宽度的缺陷区。我们知道，现代信息技术爆炸之发端是人类能以极为精巧复杂的方法控制半导体中电子流的能力，光子晶体则可以让人们同样地控制光子，甚至控制得更为灵活多样。可以预见，光子晶体将在光通信、光学、光电子学和信息科学等方面引发革命性变革，极有可能在21世界扮演更为重要的角色。1999年12月17日，国际权威杂志《Science》将光子晶体方面的研究列为当今十大科学进展之一。 1991年，Russell等人根据光子晶体传光原理首次提出了光子晶体光纤（PCF）的概念。 1996年，英国南安普顿大学的J.C.Knight 等人研制出世界上第一根PCF，之后在光纤通信和光学研究领域中，PCF引起了全世界的普遍兴趣。 目前，有关光子晶体光纤（PCF）的研究重点有：理论模型、制造工艺、性能测量、实验室实验和工程应用技术探讨等。 2.光子晶体光纤的结构及其导光原理 就结构而言，PCF可以分为实心光纤和空心光纤。实心光纤是将石英玻璃毛细管以周期性规律排列在石英玻璃棒周围的光纤。空心光纤是将石英玻璃毛细管以周期性规律排列在石英玻璃管周围的光纤。 PCF导光机理可以分为两类：折射率导光机理和光子能隙导光机理。 折射率导光机理：周期性缺陷的纤心折射率（石英玻璃）和周期性包层折射率（空气）之间有一定的差别，从而使光能够在纤芯中传播，这种结构的PCF导光机理依然是全内反射，但与常规G.652光纤有所不同，由于包层包含空气，所以这种机理称为改进的全内反射，这是因为空芯PCF中的小孔尺寸比传导光的波长还小的缘故。 光子能隙导光机理：在理论上,求解电磁波(光波) 在光子晶体中的本征方程即可导出实芯和

晶体管输入输出特性曲线测试电路实验报告

实验题目：晶体管输入输出特性曲线测试电路的设计 班级： 学号： 姓名： 日期：

一、实验目的 1. 了解测量双极型晶体管输出特性曲线的原理与方法 2. 熟悉脉冲波形的产生和波形变换的原理与方法 3. 熟悉各单元电路的设计方法 二、实验电路图及其说明 晶体管共发射极输出特性曲线如图所示，它是由函数i c=f (v CE)|i B=常数，表示的一簇曲线。它既反映了基极电流i B对集电极电流i C 的控制作用，同时也反映出集电极和发射极之间的电压v CE对集电极电流i C的影响。 如使示波器显示图那样的曲线，则应将集电极电流i C取样，加至示波器的Y轴输入端，将电压v CE加至示波器的X轴输入端。若要显示i B为不同值时的一簇曲线，基极电流应为逐级增加的阶梯波形。通常晶体管的集电极电压是从零开始增加，达到某一数值后又回到零值的扫描波形，本次实验采用锯齿波。 测量晶体管输出特性曲线的一种参考电路框图如图所示。 矩形波震荡电路产生矩形脉冲输出电压v O1。该电路一方面经锯齿波形成电路变换成锯齿波v O2，作为晶体管集电极的扫描电压；另一方面经阶梯波形成电路，通过隔离电阻送至晶体管的基极，作为积极驱动电流i B，波形见图3的第三个图（波形不完整，没有下降）。 电阻R C将集电极电流取样，经电压变换电路转换成与电流i C成正比的对地电压V O3,加至示波器的Y轴输入端，则示波器的屏幕上便会显示出晶体管输出特性曲线。 需要注意，锯齿波的周期与基极阶梯波每一级的时间要完全同步（用同一矩形脉冲

产生的锯齿波和阶梯波可以很好的满足这个条件）。阶梯波有多少级就会显示出多少条输出特性曲线。另外，每一整幅图形的显示频率不能太低，否则波形会闪烁。 选作：晶体管特性曲线数目可调： 主要设计指标和要求： 1、矩形波电压（V O1）的频率f大于500Hz,误差为±10Hz，占空比为4%~6%，电压幅度 峰峰值大约为20V。 2、晶体管基极阶梯波V O3的起始值为0，级数为10级，每极电压0.5V~1V。 3、晶体管集电极扫描电压V O2的起始电压为0V，幅度大约为10V。 三、预习 理论计算：电路设计与仿真： 1.矩形波电路：仿真图如下：

准晶体的发现与应用

准晶体的发现与应用 周宸材料科学与工程2009051005 2011-12-13 2011年的诺贝尔化学奖公布之后，科学界“天本地裂”。来自以色列的科学家丹尼尔·舍特曼因发现准晶体而获奖。准晶体颠覆了常年来的权威，打破了晶体学固有的格局。所以，我对准晶体很感兴趣，于是查找了许多文献资料。 准晶体的定义是，物质的构成由其原子排列特点而定。原子呈周期性排列的固体物质叫做晶体，原子呈无序排列的叫做非晶体，准晶是一种介于晶体和非晶体之间的固体。准晶具有完全有序的结构，然而又不具有晶体所应有的平移对称性，因而可以具有晶体所不允许的宏观对称性。 1982年，海法市以色列理工学院的丹尼尔?谢赫特曼（Daniel Shechtman）发现，一种铝锰合金好像具有五重对称性，也就是说，当其中的原子形成的图案旋转五分之一周（72度）时，图案看起来基本上是相同的。其他研究人员都嘲笑该发现，因为当时这种排列被认为在数学上是不可能做到的。然而，科学家们最终认识到，通过自身的排列，图案达到几乎重复但永远也不能重复时，固体中的原子可以得到这样的对称，变成“准晶体”。 先来讲一下为什么准晶体一直不被认为存在。就像孩子们的简单游戏所证明的那样，该解释对晶体可能拥有的对称性提出了限制。假如你想通过排列一模一样的瓷砖来铺盖桌面，利用重复的三角形瓷砖可以完成这项含有技巧的任务，所以有可能制造出具有三重对称性的晶体；利用四边形和六边形瓷砖也可以完成这项任务，因此也可以制造出四重和六重对称性的晶体。但是，利用五边形瓷砖无法完成这项任务，因为瓷砖之间总会有空隙。于是，不可能存在具有可重复排列的五重对称性晶体。因此，准晶体难以存在。 但是，科学家可以这样做。1982年4月8日上午，在马里兰州盖瑟斯堡市国家标准与技术研究院工作期间，谢赫特曼取了铝锰合金样品，为了防止结晶，他事先将样品速冻，并向其中发射了电子束。如果这种材料中存在有序排列的原子，电子就会通过原子的表面衍射出来，并且以特定的角度显现出探测器可以辨认的图案。谢赫特曼看到的衍射图案不同于以往看到的任何图案：它是亮点构成的同心圆，每个圆圈内有10个点。这些圈符表明，不可能的对称性是存在的。谢赫特曼用尽一切办法，一再检查自己的实验。但是，都得到了一样的结果。1 试验明确的说明，就算不能铺满平面，五边形也能组成相对对称的具有长程周期性的结构，这就是所谓的准晶体。 其实，现实生活中，准晶体的图案也是早为大家所熟知，却没有激发以前的科学家的灵感，不得不说是一种遗憾。例如，马赛克镶嵌工艺。数量上有限的、不同形状的瓷砖拼在一起，形成的图案从不重复。阿拉伯艺术家早在13世纪时就运用了这样的镶嵌工艺来装饰建筑物，例如当时装饰的西班牙格拉纳达市的阿尔汉布拉宫。20世纪60年代和70年代的时候，数学家们企图发现最少用多少块瓷砖就可以拼出这种非周期性的图案。20世纪70年代中期，彭罗斯得出答案：仅用两块菱形瓷砖作为一套就可以做到这一点。看一看彭罗斯图案，你就可以发现其中有许多五边形和十边形。 晶体学家阿伦?麦凯（Alan Mackay）利用圆圈代表彭罗斯瓷砖砖角处的原子，建造了一

NaI(Tl)闪烁晶体原理

附录一NaI(Tl)闪烁晶体 闪烁体按其化学性质可分为两类：一类是无机晶体闪烁体，通常是含有少量杂质(称为激活剂)的无机盐晶体，如碘化钠(铊激活)单晶体、即NaI(Tl)，碘化铯(铊激活)单晶体、即CsI(Tl)，硫化锌(银激活)、即ZnS(Ag)等；另一类是有机闪烁体，它们都是苯环碳氢化合物。闪烁体的发光机制比较复杂，在此对无机晶体闪烁体的发光机制作一些简要的定性介绍。 无机晶体闪烁体属离子型晶体，原子(离子)之间结合得比较紧密相互之间影响比较大，晶格中原子电子 能级加宽成为一系列连续的能带。其中最低能量状态已为电子所填满，故称 为满带；价电子都处于稍高的能量状态，这种能带称为“价带”。若价带未填 满，则在外电场作用下将有净电流产生；若价带已填满，则必须有电子被激 发到更高的能带——导带上去，才能产生电流，此时价带上有一空穴，导带 上有一电子，即产生了一个自由电子——空穴对。价带与导带之间的空隙中 不存在电子能级，称为禁带；禁带有一宽度E g，它和晶体的导电性质密切相 关，导体在0.1eV左右，半导体在0.63—2.5eV之间，无机闪烁体为绝缘透明 物质，E g>3eV，NaI为7.0eV。 也存在另一种情况：在闪烁晶体中产生的电子——空穴对仍束缚着，称 为“激子”，它们在晶格中一起运动，在外电场中无净电流产生，其能带在导带之下，称为“激带”。自由的导带电子和价带空穴可以复合成激子，激子也可以吸收热运动能量变成自由电子——空穴对。 当核辐射进入闪烁体时，既可产生自由电子——空穴对，也可以产生激子。而后电子从导带或激带跃迁到价带，退激过程中放出光子；也存在着竞争过程——非辐射跃迁，即通过放热(晶格振动)退激。 有一点需要指出，纯的NaI晶体不是有效的闪烁体。一是因为相应禁带宽度的光子能量在紫外光范围，不是可见光；二是退激发出的光子尚未逸出晶体就会被 晶体自身吸收。为了解决这一问题，在纯晶体中掺入少 量杂质原子(如Tl)，称为“激活剂”，它们成为发光中心， 形成一套激发能级，能量比导带低，而基态却比价带高， 这样跃迁产生的光子能量就比禁带宽度E g小，那么它 就不可能再使价带上的电子激发到导带上去，从而避免 自吸收。 碘化钠闪烁晶体能吸收外来射线能量使原子、分子 电离和激发，退激时发射出荧光光子。NaI(Tl)晶体的密 度较大(ρ=3.67g/cm3)，而且高原子序数的碘占重量的 85%，所以对γ射线的探测效率特别高，同时相对发光效率大；它的发射光谱最强波长为415nm左右，能与光电倍增管的光谱响应较好匹配。此外，晶体的透明性也很好，测量γ射线时能量分辨率也是闪烁体中较好的一种。 一个需要指出的问题是：在闪烁体的选取上要注意闪烁体对所测的粒子要有较大的阻止本领，以使入射粒子(特别是能量较大的粒子)在闪烁体中能损耗较多的能量而退激产生光子。原先使用的国产NaI(Tl)晶体尺寸为φ20×5mm，这一厚度对定标时测高能γ(E>1MeV)时的效率不够高，而且对高能β粒子的计数率也比较低；本装置的闪烁探测器采用的尺寸为φ20×20mm的NaI(Tl)晶体可以说是一大改进，一方面可以提高探测高能γ部分的效率，另一方面也提高了实验中高能β粒子的计数率。