荷蘭Scionix閃爍晶體\高密度和高效 Z（每個(gè)原子的質(zhì)子數(shù)）有效地檢測 γ 射線
閃爍材料的特性和用途
存在大量不同的閃爍晶體，可用于各種應(yīng)用。閃爍體的一些重要特性是：
- 密度和原子序數(shù) （Z）
- 光輸出（波長 + 強(qiáng)度）
- Decay time （閃爍光脈沖的持續(xù)時(shí)間）
- 機(jī)械和光學(xué)特性
- 成本
密度和原子序數(shù) （Z）
很明顯，為了有效地檢測 γ 射線，需要具有高密度和高效 Z（每個(gè)原子的質(zhì)子數(shù)）的材料（見上文）。無機(jī)閃爍晶體滿足制動(dòng)力和光學(xué)透明度的要求，其密度范圍約為 3 至 9 g/cm3，使其非常適合吸收穿透輻射（γ射線）。具有高 Z 值的材料用于高能 （> 1 MeV） 的γ光譜。
光輸出（波長 + 強(qiáng)度）
由于光電子統(tǒng)計(jì)（或電子-空穴對統(tǒng)計(jì)）在準(zhǔn)確測定輻射能量方面起著關(guān)鍵作用，因此所有光譜應(yīng)用都首選使用具有高光輸出的閃爍材料。閃爍體發(fā)射波長應(yīng)與所用光檢測設(shè)備（PM、SiPm 或光電二極管）的靈敏度相匹配。
Decay time （閃爍光脈沖的持續(xù)時(shí)間）
閃爍光脈沖（閃光）的特征通常是強(qiáng)度隨時(shí)間（脈沖上升時(shí)間）快速增加，然后呈指數(shù)級下降。閃爍體的衰減時(shí)間由光脈沖強(qiáng)度恢復(fù)到其最大值的 1/e 的時(shí)間定義。大多數(shù)閃爍體的特征是具有不止一個(gè)衰減時(shí)間，并且通常會(huì)提到有效平均衰減時(shí)間。衰減時(shí)間對于快速計(jì)數(shù)和/或定時(shí)應(yīng)用非常重要。
機(jī)械、光學(xué)和閃爍特性
伽馬射線能譜中使用最廣泛的閃爍材料 NaI（Tl） 具有吸濕性，僅用于密封金屬容器以保持其特性。所有水溶性閃爍材料的包裝方式應(yīng)使其不受濕氣侵蝕。一些閃爍晶體在機(jī)械壓力下很容易開裂或裂開，而另一些則是塑料的，只會(huì)像 CsI（Tl） 一樣變形。
在下面的表 3.1 中，列出了常用閃爍材料的最重要方面。該列表并不廣泛，并且會(huì)定期開發(fā)新材料。
最常見閃爍材料的物理特性
| 材料 | 密度（克/厘米3） | 排放最大 （納米） | 衰變不斷 (1) ? | 折射的指數(shù) (2) | 轉(zhuǎn)換效率 (3) | 吸濕 |
| 鈉 （Tl） | 3.67 | 415 | 0.23 微秒 | 1.85 | 100 | 是的 |
| CsI（Tl） | 4.51 | 550 | 0,6/3.4 微秒 | 1.79 | 45 | 稍 |
| 順化硅（Na） | 4.51 | 420 | 0.63 微秒 | 1.84 | 85 | 是的 |
| CsI（未摻雜） | 4.51 | 315 | 16 納秒 | 1.95 | 4-6 | 不 |
| Cs2LiYCl6：Ce（CLYC） | 3.31 | 275 至 450 納米 | 1,50,1000 納秒 | 1.81 | 30-40 | 是的 |
| CaF2（歐盟） | 3.18 | 435 | 0.84 微秒 | 1.47 | 50 | 不 |
| 氯化鋅3：Ce（0.9） | 3.79 | 350 | 70 納秒 | 1.90 | 95-100 | 是的 |
| SrI2（歐盟） | 4.60 | 450 | 1-5 微秒 | 1.85 | 120-140 | 是的 |
| 溴化鎢2.85Cl0.15：Ce （LBC） | 4.90 | 380 | 35 納秒 | 1.90 | 140 | 是的 |
| 6鋰玻璃 | 2.6 | 390/430 | 60 納秒 | 1.56 | 4-6 | 不 |
| Cs2LiLaBr4.8Cl1.2?Ce?（CLLBC） | 4.08 | 420 | 120 納秒 500 納秒 | 1.90 | 84 | 是的 |
| 6李 | 4.08 | 470 | 1.4 微秒 | 1.96 | 35 | 是的 |
| 苯并2 | 4.88 | 315220 | 0.63 微秒/0.8 納秒 | 1501.54 | 165 | 不 |
| CeBr3?系列 | 5.23 | 370 | 18 納秒 | 1.9 | 130 | 是的 |
| YAP（塞） | 5.55 | 350 | 27 納秒 | 1.94 | 35-40 | 不 |
| LYSO：Ce | 7.20 | 420 | 50 納秒 | 1.82 | 70-80 | 不 |
| BGO | 7.13 | 480 | 0.3 微秒 | 2.15 | 15-20 | 不 |
| 二氧化鎘4 | 7.90 | 470/540 | 20/5 微秒 | 2.3 | 25-30 | 不 |
| 二氧化鉛4 | 8.28 | 420 | 7 納秒 | 2.16 | 0.20 | 不 |
| 塑料（*） | 1.023 | 375-600 | 夜氪范圍 | 1.58 | 25-30 | 不 |
（1） γ射線的有效平均衰減時(shí)間。
（2） 在發(fā)射最大值
的波長處 （3） 當(dāng)耦合到帶有雙堿光電陰極面的光電倍增管時(shí)，γ射線在室溫下的相對閃爍信號。
（*） 近似數(shù)據(jù)
每種閃爍晶體都有其特定的應(yīng)用。對于高分辨率 γ 射線光譜，通常使用 NaI（Tl） 或 CeBr3（高光輸出）。對于高能物理應(yīng)用，使用鍺酸鉍 Bi4Ge3O12 （BGO） 晶體（高密度和 Z）或鎢酸鉛 （PbWO4） 改善了淋浴室的橫向限制。對于β顆粒的檢測，可以使用 CaF2（Eu） 或 YAP：Ce 代替塑料閃爍體（更高密度）。
閃爍材料及其最常見的應(yīng)用
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| 材料 | 重要屬性 | 主要應(yīng)用 |
| 鈉 （Tl） | 非常高的光輸出，良好的能量分辨率 | 一般閃爍計(jì)數(shù)、健康物理、環(huán)境監(jiān)測、高溫使用 |
| CsI（Tl） | 不吸濕，堅(jiān)固耐用 | 粒子和高能物理學(xué)、一般輻射檢測、光電二極管讀出、 |
| 順化硅（Na） | 高光輸出，堅(jiān)固耐用 | 地球物理、一般輻射探測 |
| CsI（未摻雜） | 快速、無吸濕性 | 物理學(xué)（量熱法） |
| CaF2（歐盟） | 低 Z、高光輸出 β 檢測器、α/β 磷 | β 檢測器，α/β phoswiches |
| Cs2LiYCl6：Ce （CLYC） | 中子探測能力 高分辨率 | 核標(biāo)識符、物理學(xué) |
| 氯化鋅3：Ce（0.9） | 非常高的光輸出，非常好的能量分辨率 | 高分辨率閃爍光譜、Health Physics 環(huán)境監(jiān)測 |
| CeBr3?系列 | 非常高的光輸出，非常好的能量分辨率，低背景 | 高分辨率光譜，低背景應(yīng)用 |
| 6Lil（歐盟） | 高中子截面，高光輸出 | 熱中子探測和光譜學(xué) |
| LaBr2.85Cl0.15： Ce （LBC） | 明亮、高分辨率的閃爍體（La-138 背景） | 高分辨率伽馬能譜 |
| 銫2LiLaBr4.8 Cl1.2 Ce （CLLBC） | 具有中子能力的高分辨率閃爍體 | 物理、安全 |
| SrI2（歐盟） | 明亮、高分辨率的閃爍體 | 高分辨率伽馬能譜 |
| 6鋰玻璃 | 高中子截面，無吸濕性 | 物理、安全 |
| 苯并2 | 超快的 sub-ns 紫外線發(fā)射 | 熱中性檢測 |
| YAP（塞） | 高光輸出、低 Z 值、快速 | 正電子壽命研究、物理學(xué)、快速定時(shí) |
| 萊索 | 高密度和 Z 軸，快速 | Mhz-X 射線光譜學(xué)、同步加速器物理學(xué) |
| BGO | 高密度和 Z 軸 | 物理研究， PETT， 高能物理 |
| 二氧化鎘4 | 密度非常高，余輝少。緩慢的衰減時(shí)間 | 粒子物理學(xué)、地球物理研究 PET、反康普頓光譜儀。 |
| 二氧化鉛4 | 快速、高密度、低余輝 | X 射線的直流測量（高強(qiáng)度），使用光電二極管讀數(shù)，計(jì)算機(jī)斷層掃描 （CT） |
| 塑料 | 快速、低密度和 Z 軸高光輸出 | 物理研究（量熱法）。一般計(jì)數(shù)、粒子和中子檢測。 |
NaI（Tl）?閃爍晶體因其高光輸出和發(fā)射光譜與光電倍增管的靈敏度完美匹配而被廣泛用于γ輻射檢測的標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用中，從而獲得良好的能量分辨率。此外，NaI（Tl） 是一種相對便宜的閃爍體。NaI（Tl） 晶體顯示出明顯的不成比例性（見下文），這導(dǎo)致 662 keV 時(shí)的能量分辨率限制為約 6% FWHM，NaI（Tl） 晶體可以在數(shù)百公斤的鑄錠中生長成大尺寸（直徑 400 毫米）。該材料可以切割成各種尺寸和形狀，并切割成小直徑。
CsI（Tl）?的優(yōu)點(diǎn)是它不是真正的吸濕性（然而，它的表面長期受到濕度的影響），并且在壓力下不會(huì)裂開或開裂。它是一種相對較亮的閃爍體，但其發(fā)射位于 500 nm 以上，而 PMT 并不那么敏感。然而，由于這一特性，它可以有效地通過硅光電二極管或 SiPm 讀出。由于具有不同電離能力的帶電粒子的衰變時(shí)間不同，CsI（Tl） 晶體經(jīng)常用于粒子物理學(xué)研究中的陣列或矩陣。
CsI（Na）?是一種吸濕性高光輸出堅(jiān)固型閃爍體，與 CsI（Tl） 一樣，主要用于需要機(jī)械穩(wěn)定性和良好能量分辨率的應(yīng)用。低于 120 oC，它是 NaI（Tl） 的替代品。CsI（Na） 的發(fā)射峰值為 400 nm，就像 NaI（Tl） 一樣。
未摻雜（純）CsI?是一種本征閃爍體，其密度和 Z 與 CsI（Na） 相同。它的發(fā)射波長約為 300 nm，并且由于它在室溫下強(qiáng)度強(qiáng)烈熱猝，因此相對較快（ns 衰減時(shí)間）。這種晶體中存在一種慢速成分，至少占總光產(chǎn)量的 10%。下面的發(fā)射光譜顯示了閃爍體的發(fā)射光譜如何受到其激活類型的影響。
CaF2（Eu）?，銪摻雜氟化鈣是一種相當(dāng)古老的低密度閃爍晶體。由于其低 Z 值，它非常適合以高效率（低反向散射分?jǐn)?shù)）檢測電子（β 粒子）。CaF2（Eu） 是一種相對較慢的閃爍體，不吸濕且對許多化學(xué)物質(zhì)呈惰性。它很脆，相對容易劈裂。
（6） LiI（Eu）?用于通過反應(yīng)檢測熱中子
α 和 triton 的總 Q 值為 4.78 MeV。得到的熱中子峰可以在大于 3 MeV 的 Gamma 等效能量處找到。這允許將中子相互作用與 γ 事件 （< 2.6 MeV） 分開。由于 6-LiI（Eu） 晶體中熱中子的典型吸收長度 （90%） 僅為 3 mm，因此對伽馬射線的效率可以降低。LiI（Eu） 晶體的直徑可達(dá) 25 毫米。
6-Li 玻璃閃爍體提供與 6LiI（Eu） 晶體相同的檢測熱中子的可能性。然而，光輸出遠(yuǎn)低于 LiI（Eu） 閃爍體，因此中子峰相對較寬。此外，所得粒子的閃爍效率很低，因此中子峰出現(xiàn)在 γ 能譜中大約 1.6 MeV 的位置。90% 的熱中子僅被 1 mm 的材料吸收。
所有含 6-Li 的閃爍體也可用于探測快中子，但核反應(yīng)的效率較小。
有關(guān)中子探測的更多詳細(xì)信息，請參閱應(yīng)用說明“使用閃爍體進(jìn)行中子探測”。
氟化鋇?（BaF2） 是一種非吸濕性閃爍體，在 220 nm 處具有非?？斓乃プ兎至俊榱藱z測這個(gè)組件，使用了帶有石英窗的光探測器。
氟化鋇探測器可實(shí)現(xiàn)快速的亞納秒級計(jì)時(shí)，例如用于正電子壽命測量。它是一個(gè)弱閃爍體，在 662 keV 時(shí)具有適度的能量分辨率（通常約為 10-12 % FWHM @ 662 keV。
BGO?（Bi4Ge3O12） 具有 7.13 g/cm3 的極高密度和高 Z 值，這使得這些晶體非常適合檢測天然放射性（U、Th、K）、高能物理應(yīng)用（高光分?jǐn)?shù)）或緊湊型康普頓抑制光譜儀。由于 BGO 的光輸出適中，能量分辨率不如標(biāo)準(zhǔn)堿鹵化物，如 NaI（Tl） 或 CsI（Tl）。
YAP：Ce （YAlO3：Ce）?是一種高密度 （5.5 g/cm3） 氧化物晶體，衰變時(shí)間比 NaI（Tl） 短約 10 倍 （23 ns） 它用于高計(jì)數(shù)率（高達(dá)幾 MHz）的探測器 這種材料的非吸濕性允許使用薄的聚酯薄膜入射窗。YAP：Ce 可以承受高達(dá) 104 戈瑞的伽馬劑量。
