閃爍晶體的研究現(xiàn)狀

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1、閃爍晶體的研究現(xiàn)狀摘要=木文論述了近幾年閃爍晶體的研究現(xiàn)狀，介紹了閃爍晶體的發(fā)光機(jī)制以及主要性能指標(biāo)；重點介紹了鹵化物和氧化物兩大類中有代表性的閃爍晶體晶體。關(guān)鍵字：閃爍晶體；鹵化物；氧化物；現(xiàn)狀1.引言：當(dāng)高能射線（如X射線，丫射線）或其它放射性粒子,通過某些晶體吋，因射線或粒子的激發(fā)，該類晶體會發(fā)出熒光脈沖（閃爍光），具有這種性質(zhì)的晶體稱為閃爍晶體。閃爍晶體可用于X射線、Y射線、中子及其他高能粒子的探測，經(jīng)過100多年的發(fā)展，以閃爍晶體為核心的探測和成像技術(shù)已經(jīng)在核醫(yī)學(xué)、高能物理、安全檢查、工業(yè)無損探傷、空間物理及核探礦等方面得到了廣泛的應(yīng)用山。常用的

2、無機(jī)閃爍晶體材料通常'可以分為氧化物型和鹵化物型兩大類。主要的氧化物型閃爍晶有BGO、PWO、YAG等，它們大多具有密度高、衰減快和物化性能穩(wěn)定等優(yōu)點。傳統(tǒng)的鹵化物型閃爍晶體主要以堿金屬碘化物為代表，如NaI:TKCsI:Tl等，它們具有很高的光產(chǎn)額，同時也具有較好的能量分辨率和時間分辨率。下文將重點介紹這兩種閃爍晶體。2閃爍晶體的發(fā)光機(jī)制根據(jù)閃爍晶體的發(fā)光的特點，可簡單地將閃爍晶體的發(fā)光分為本征發(fā)光和非本征發(fā)光叫前者無需引入摻質(zhì)，其本身即可發(fā)光；后者需要引入摻質(zhì)（激活劑），主要靠引入的離子發(fā)光。2.1木征發(fā)光本征型閃爍晶體為數(shù)不少，大多數(shù)兼有高密度和快衰

3、減特性。不過，它們的光輸出都相對較低，其中，PWO,CeF3,BSO晶體的綜合性能相對較好⑷。2.2非本征發(fā)光可作為激活劑的離子有Tl+,Eu2+,Bi3+,Ce3+,Nd3+等。但以Ce*激活的閃爍晶體為最多。由于Ce的的發(fā)光為電偶極矩允許的5d->4f躍遷,發(fā)光強度大、衰減快,所以摻C尹閃爍晶體往往具有較好的時間分辨率和能量分辨率，深受人們親睞。3?閃爍晶體的主要性能指標(biāo)閃爍晶體被應(yīng)用在多個領(lǐng)域，對于不同的應(yīng)用領(lǐng)域?qū)ζ湫阅芤灿胁煌囊?。但是衡量一個閃爍體性能好壞的標(biāo)準(zhǔn)，主要決定于以下幾個方面⑸。3.1發(fā)射光譜的區(qū)域閃爍晶體可以接受高能射線或放射性粒子

4、，而發(fā)出熒光脈沖，但是在實際探測應(yīng)中還要將閃爍晶體與光接收器件耦合，以便將閃爍晶體發(fā)岀的光信號轉(zhuǎn)變?yōu)橥托盘枴３Ｓ玫墓饨邮掌饔校汗怆姳对龉?PMT)、硅光電二極管(SPD)以及是電感耦合器件(CCD)oPMT的光響應(yīng)靈敏區(qū)在430?470nm,SPD的敏感區(qū)在500?530nm,CCD探測器的靈敏區(qū)在520?580nm，閃爍體的發(fā)射光譜應(yīng)盡可能與之相匹，才能獲得高的靈敏度和高的效率。3.2光產(chǎn)額光產(chǎn)額表示在一次閃爍過程中產(chǎn)生的光子數(shù)目與帶電離子在閃爍晶體中損失的能量之比(ph/MeV),也稱為光輸出。光產(chǎn)額越高說明在接收相同能量之后所釋放的有效光子數(shù)越多，探

5、測器接收到的光子數(shù)越多效率就越高。3.3衰減時間衰減常數(shù)是表征閃爍晶體光衰減快慢的物理量，表示光子數(shù)衰減到最大時1/e時所需要的時間，是表征無機(jī)閃爍體較為重要的物理量。幾乎在所有的閃爍計數(shù)應(yīng)用領(lǐng)域都要求無機(jī)閃爍晶體具有較快的光衰減常數(shù)，這樣就可以最大程度地消除能量累積造成的重影。3.4輻射硬度閃爍晶體在長期接受大劑量的射線輻照Z后會在晶體內(nèi)部產(chǎn)生一些色心缺陷，它們捕獲電子后會形成陷阱，對晶體所發(fā)出的閃爍光產(chǎn)生吸收效應(yīng)，從而降低了晶體的透過率和光輸出。當(dāng)前對晶體的抗輻照性能述沒有明確的定義，通常用實際探測器所允許的最大輻照劑量來衡量。一般規(guī)定晶體經(jīng)輻照后，發(fā)

6、射峰波長處的透過率沿單位輻照長度下降1%?2%的輻照劑量為允許的最大輻照劑量。也有以輻照以后光產(chǎn)額的下降幅度作為衡量標(biāo)準(zhǔn)的。為提高晶體的抗輻照強度，常用的措施有提高原料的純度、減少晶體中的缺陷濃度或摻入某種特殊的雜質(zhì)組分（即摻雜）來進(jìn)行電荷補償或位置補償?shù)取?.5能量分辨率表示閃爍體能夠區(qū)別探測離子能量的能力，通常把光子計數(shù)值隨高度分布的半高寬與高度之比定義為能量分辨率，其值越低說明能量分辨率越高。3.6密度在對X射線探測時,要求閃爍體具有對電離輻射的高阻斷能力，總是希望所有入射到發(fā)光材料上的X射線都被吸收。當(dāng)X射線穿過閃爍體而沒被吸收，就不會產(chǎn)生激發(fā)。具

7、有高密度的閃爍晶體將在較短的距離內(nèi)阻止住X射線，從而更多地吸收X射線。因此，閃爍材料通常引用重元素，要求密度高。自閃爍晶體發(fā)展以來，最初對其的研究最要集中在鹵化物上，后來氧化物閃爍晶體居上成為了新的研究熱點，大概持續(xù)了幾十年的時間。2001年，新型稀土鹵化物閃爍晶體LaBr3:Ce的出現(xiàn)⑻，引發(fā)了閃爍晶體材料領(lǐng)域?qū)u化物閃爍晶體材料新的研究熱潮。在LaBr3:Ce晶體的鼓舞下，最近十幾年來，數(shù)十種性能各異的新型鹵化物閃爍晶體相繼問世，極大的豐富了閃爍晶體材料體系。4.1氟化物閃爍晶體4.1.1單組份氟化物閃爍晶體單組份氟化物閃爍體主要包括堿土金屬氟化物MF

8、?、稀土氟化物REFs，還有其他主族氟化物PbF2、RbF、CsF