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闪烁探测器 发布于:

主要由闪烁体、光的收集部件和光电转换器件组成的辐射探测器。当粒子进入闪烁体时,闪烁体的原子或分子受激而产生荧光。利用光导和反射体等光的收集部件使荧光尽量多地射到光电转换器件的光敏层上并打出光电子。这些光电子可直接或经过倍增后,由输出级收集而形成电脉冲。早在1903年就有人发现 α粒子照射在硫化锌粉末上可产生荧光的现象。但是,直到 1947年,将光电倍增管与闪烁体结合起来后才制成现代的闪烁探测器。很多物质都可以在粒子入射后而受激发光,因此闪烁体的种类很多,可以是固体、液体或气体。

固体的无机闪烁体一般是指含有少量其它种晶体(激活剂)的无机盐晶体。虽然用纯无机盐晶体也可作为闪烁体,但加了激活剂后能明显提高发光效率。当闪烁体中原子的轨道电子从入射粒子接受大于其禁带宽度的能量时,便被激发跃迁至导带。然后,再经过一系列物理过程回到基态,根据退激的机制不同而发射出衰落时间很短的荧光(约 10纳秒)或是较长的磷光(约1纳秒或更长)。最常用的无机晶体是用铊激活的碘化钠晶体,即碘化钠(铊),最大可做到直径 500毫米以上。它有很高的发光效率和对γ射线的探测效率。其他无机晶体还有碘化铯(铊)、碘化锂(铕)、硫化锌(银)等,各有特点。新出现的有锗酸铋等。气体和液体的无机闪烁体,多用惰性气体及其液化态制成、如氙、氪、氩、氖、氦等。其中以氙的光输出最大而较多使用。

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。

NaI和BGO(锗酸铋)是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。

有机闪烁体大多属于苯环结构的芳香族碳氢化合物,其发光机制主要由于分子本身从激发态回到基态的跃迁。同无机晶体一样,有机闪烁体也有两个发光成分,荧光过程小于1纳秒。有机闪烁体又可分为有机晶体闪烁体、液体闪烁体和塑料闪烁体。有机晶体主要有蒽、茋、萘等,具有比较高的荧光效率,但体积不易做得很大。液体闪烁体和塑料闪烁体可看作是一个类型,都是由溶剂、溶质和波长转换剂三部分组成,所不同的只是塑料闪烁体的溶剂在常温下为固态。还可将被测放射性样品溶于液体闪烁体内,这种“无窗”的探测器能有效地探测能量很低的射线。液体和塑料闪烁体还有易于制成各种不同形状和大小的优点。塑料闪烁体还可以制成光导纤维,便于在各种几何条件下与光电器件耦合。

光电转换器件一般采用光电管与光电倍增管。但是,后出现的半导体光电器件,具有高的量子转换效率和低功耗,便于闪烁探测器的微型化和提高空间分辨率。已有人研制成闪烁体与光电器件均用半导体材料组成的单片集成化的闪烁探测器。

利用光电倍增管倍增系统所做成的电子倍增器,也可单独用来探测辐射。将分立的二次级改为连续的二次级后,形成通道型电子倍增器。微型化的通道型电子倍增器──微通道板可以做到在1c㎡面积上具有几十万个微通道。用微通道板作为电子倍增系统的光电转换器件,不但可以得到较高的灵敏度,而且还具有良好的时间特性和位置分辨率。

闪烁探测器具有探测效率高和灵敏体积大等优点。其能量分辨率虽然不如半导体探测器好,但对环境的适应性较强。特别是有机闪烁体的定时性能,中子、γ分辨能力和液体闪烁的内计数本领均有其独具的优点。因此,它仍是广泛使用的辐射探测器。


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