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荷蘭Scionix 閃爍晶體 scintillation crystal

閃爍材料的性質和用途

存在大量不同的閃爍晶體用于各種應用。閃爍體的一些重要特征是:

• 密度和原子序數(Z)
• 光輸出(波長+強度)
• 衰減時間(閃爍光脈沖的持續時間)
• 機械和光學特性
• 費用

密度和原子序數(Z)

很明顯，為了有效地探測γ射線，一種具有高密度和高效Z(每個原子的質子數)是必需的(見上文)。無機閃爍晶體滿足阻止能力和光學透明度的要求，它們的密度范圍從大約3到9 g/cm3，使它們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射線光譜。

光輸出(波長+強度)

由于光電子統計(或電子-空穴對統計)在精確確定輻射能量中起著關鍵作用，所以使用具有高光輸出對于所有光譜應用都是優選的。閃爍體發射波長應與所使用的光檢測設備(PM、SiPm或光電二極管)的靈敏度相匹配。

衰減時間(閃爍光脈沖的持續時間)

閃爍光脈沖(閃光)的特征通常是強度隨時間(脈沖上升時間)快速增加，然后呈指數下降。這衰變時間通過光脈沖的強度返回到其最大值的1/e之后的時間來定義閃爍體的最大值。大多數閃爍體的特征在于不止一個衰變時間，并且通常提到有效平均衰變時間。衰減時間對于快速計數和/或定時應用是重要的。

荷蘭Scionix 高分辨率(比例)閃爍體

High resolution (proportional) scintillators

目前，人們對閃爍體的特性及其內在能量分辨率的決定因素有了更深入的了解。已經開發出許多材料，它們對 γ 射線的響應比經典的堿金屬鹵化物（如 NaI(Tl)、CsI(Tl) 等）更具比例性。這使得一類比例閃爍體得以問世。新材料正在不斷開發中，以下列表并不全面。

在最佳光探測條件下，高亮度比例閃爍體在 662 keV γ 射線下的能量分辨率約為 3-4%。與其他閃爍體一樣，每種材料都有其優缺點。以下是一些典型的比例曲線：

比例閃爍體?只有在光檢測優化的情況下才能提供其卓越的能量分辨率性能，即通過光探測器（PMT 或 SiPM）覆蓋盡可能大的面積。

LBC（溴氯化鑭）LaBr2.85Cl0.15:Ce?閃爍體?具有與眾所周知的 LaBr3:Ce?晶體相似的特性。能量分辨率約為 3.0% FWHM（662 keV），并且材料在機械強度上略高于 LaBr3。LBC 晶體也存在與 LaBr3 相同的 La-138 背景問題。

CeBr3（溴化鈰）閃爍體?的特點是密度和原子序數較高，并且對 γ 射線具有比例響應。典型的能量分辨率為 662 keV 下的 4% FWHM。

該材料表現出快速衰減，典型衰減時間約為20納秒（對于51毫米晶體），并且余輝可以忽略不計。 溴化鈰 (CeBr?) 具有很強的吸濕性，當與 光電倍增管 (PMT) 直接耦合時可提供最佳性能。 由于其快速的光脈沖上升時間，CeBr? 探測器可以實現亞納秒時間分辨率，略遜于 氟化鋇 (BaF?) 探測器。 使用 CeBr? 閃爍體時，來自 鐳 和 銫-137 的 609 keV 和 662 keV 伽馬射線能譜峰可以輕松分離。

Cs2LiYCl6:Ce (CLYC)閃爍晶體提供3.3克/立方厘米的合理密度。這種比例晶體為662 keV伽馬射線提供4.5–5% FWHM的能量分辨率。由于n-6Li反應產生的熱中子峰在大約3.3兆電子伏處產生一個窄峰。它的快速閃爍組件不會被中子激發，這打開了PSD能力或進一步改善了中子/伽馬分離。CLYC有一些較慢的發射成分，因此需要更長的信號整形時間。為了吸收90%的熱中子，需要12.5毫米的晶體。 溴氯化銫鑭鋰閃爍體具有眾所周知的LaBr3:Ce晶體的特性。大約3 % FWHM (662 keV)的能量分辨率是標準的。此外，由于鋰的存在，該材料可用于中子檢測，具有3.1- 3.2 MeV之間的尖銳熱中子峰。此外，CLLBC利用PSD提供出色的中子/伽馬分辨能力。 摻銪碘化鍶是非常亮的相對較慢的閃爍體，具有非常好的比例性。典型的能量分辨率為3.5% @ 662 keV和6% @ 122 keV。這種材料不透輻射。由于其固有的自吸收(小斯托克斯位移)，晶體需要一些特殊的表面制備技術。長衰減時間需要非常長的(數字)成形時間常數(> 10 s)，這使得高計數率行為變得復雜。自吸收將晶體的最大尺寸限制在大約。4厘米。

有機（塑料）閃爍體

有機閃爍體（也稱為“塑料閃爍體”）由透明的基質材料（塑料）摻雜閃爍有機分子（例如 POPOP：pbis [2(5-phenyloxazolyl)] benzene）組成。輻射主要通過 康普頓效應 被基質材料吸收，這是由于有機材料的低密度和低 Z 值（原子序數）。因此，塑料閃爍體主要用于 β 顆粒及其他粒子的探測，或者在需要大體積探測器的情況下使用，因為其材料成本相對較低。

塑料閃爍體主要用于需要大探測器體積的應用，例如安全檢測或健康物理領域。與 NaI(Tl)（碘化鈉鉈摻雜）探測器相比，塑料閃爍體的單位體積成本要低得多，并且可以制造成長達數米的探測器板。

目前已有大量具有特定特性的有機閃爍體材料，可在 SCIONIX 網站上找到，這些材料信息直接來源于 ELJEN Technology 網站。SCIONIX 是 ELJEN Technology 在歐洲的代表。

有機閃爍體可以摻雜特定的原子，例如 6-鋰（EJ-270）或 硼（EJ-254），以使其對 中子 具有靈敏度，或者摻雜 鉛（EJ-256）以改善對低能量輻射的響應（使其更接近 組織等效）。這些摻雜元素會影響閃爍體的性能。

此外，還存在能夠通過脈沖形狀分析（pulse shape discrimination, PSD）區分伽馬射線與快中子的塑料閃爍體，這類探測器被用于物理研究及某些安全應用。例如，EJ-276（EJ-299-33 的繼任者）就具備這種能力。詳細信息可參考這些材料的數據表。

液體閃爍體

摻雜液體也可用作**閃爍體。某些液體閃爍體（如 EJ-301 或 EJ-309）能夠基于其閃爍脈沖形狀實現快中子/伽馬射線區分**。

通過使用合適的電子技術（如**數字化儀），可以有效地將中子脈沖與伽馬射線脈沖區分開來。這種特性使液體閃爍體在核探測**、粒子物理研究和安全應用中具有重要作用。

液體閃爍探測器需要允許液體在溫度變化下膨脹的裝置。欲了解更多信息，請參閱液體閃爍體的技術數據表。

哪種閃爍體適合您的應用？

當我們仔細觀察物理性質表時，很明顯，目前已知的閃爍晶體中沒有一種具有所有的物理性質理想特征例如高密度、快速衰減、低成本等。輻射探測器中某種閃爍晶體的選擇很大程度上取決于應用。諸如以下問題:

1.–要測量的輻射能量和類型是什么？

2.–預期計數率是多少？

3.–實驗條件是什么(溫度、沖擊)？

4.–閃爍體能否生長到所需的尺寸？和

5–它的成本是多少？

在這方面對于確定最佳選擇是非常重要的。