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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) .CdF2BaF2.CeF.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
Density [g/cm3]
3.67
Melting point [K]
924
Thermal expansion coefficient [K-1]
47.4 x 10-6
Cleavage plane
(100)
Hardness (Mho)
2
Hygroscopic
yes
Wavelength of emission maximum [nm]
415
Refractive index at emission maximum
1.85
Primary decay time [µs]
0.25
Temperature coefficient of light yield
0.3% K-¹
Light yield [photons/MeV γ]
38 x 103
2.1.1 NaI(Tl)单晶
NaI(Tl)单晶是以NaI为基质材料掺以适当浓度的TlI生长而成的闪烁晶体材料。Fig.1是NaI(Tl)晶体的发光光谱,其最大发射波长在415nm,可以与光电倍增管的光阴极很好的匹配。Fig.2表示了温度对晶体光输出的影响。可以看出,相对于CsI和BGO晶体,NaI(Tl)在高温时具有更高的发光强度,这使其在环境温度较高的场合有更强的适应性,例如油井或空间探测。NaI(Tl)晶体易受辐射损伤,若长时间暴露在高强度的辐照下则会降低其闪烁性能,一般在射线强度高于102rad时就会观察到辐射损伤。所以晶体不要暴露在来自荧光灯或太阳光的紫外线辐照下。
 
2.1.2 热锻NaI(Tl)闪烁晶体
热锻NaI(Tl)晶体是以NaI(Tl)单晶为毛坯,在一定的温度和压力下通过塑性形变而成。晶体在发生塑性形变后,由于位错的不断交互和增殖,形成了位错多边化和亚晶粒结构,改善了原单晶易沿(100)面解理的特性,从而提高了其抗冷热冲击和机械震动的能力,而闪烁性能却不受影响。此外,通过热锻工艺更易于制备各种复杂几何形状和大尺寸的晶体,如六边形、正方形、矩形等晶体器件以及长度超过200mm的晶体。目前热锻NaI(Tl)已广泛应用于空间研究、石油测井、地质勘探及核医学等领域。在探测仪器下井过程中,由于井深及地质情况复杂和不同探测条件的要求,晶体还必须具有较好的抗震等机械特性,尤其是在有冲击环境下的测井,晶体的抗震要求更高。抗震性晶体的研制在这个领域里有较大的发展前景。但NaI(Tl)密度较低(3.65g/cm3)易于潮解,衰减较慢(230ns),在高能探测时无优势。
2.1.3主要性能指标
(a) 能量分辨率
     NaI(Tl)晶体测试图谱
N                                入射线能量E0
 
 
 

N/2                                    
                                    ΔV
 
 
 
 

  O                             V0                  V
Fig.3  放射源137Cs
对于一定能量E0的入射线,探测器输出信号的幅度是服从统计规律的,它围绕V0呈Fig.3分布。横坐标表示输出光子的信号幅度,纵坐标表示相应幅度时的对应计数率。希望在V0处这个曲线分布越窄越好,这样越能将能量相近的两种射线分开。通常用能量分辨率R来表示闪烁体对射线的分辨能力,R=(ΔV/ V0)×100%。对于NaI(Tl)晶体,它对不同能量的射线其分辨率并不是一个常数,通常所说的能量分辨率是指对于137Cs峰(0.66Mev)而言(如Fig.3所示),NaI(Tl)晶体137Cs的分辨率一般在7—11%之间,其百分数越小晶体分辨率越高,但随晶体长径比增大,能量分辨率会有所下降,不同的应用场合,晶体长径比有不同的要求。能量分辨率与晶体质量(透明性、均匀性)、晶体尺寸、封装质量、使用温度等都有关系,这个指标在进行射线能量测试时很重要。
(b )计数率
在一定时间内(一般为100秒),闪烁体发出的光子数称为计数率,在进行射线强度测量时常要求此指标。计数率主要与晶体尺寸有关,尺寸越大计数率越高。
(c)发光效率
发光效率指闪烁体将所吸收的核辐射能量转变为光的本领,实际测试场合中采用与标准闪烁体相比较的相对值(百分数)来表示。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,故常将其作为100%。其余晶体的发光效率均以其相对于NaI(Tl)的百分数来表示,如CsI(Tl)的发光效率为45%, CsI(Na)的发光效率为85%。绝对光输出指晶体相对于1MeV所发出光子的数目,如Table .1中的38000 (光子数/MeVγ)
 
2.1.4晶体封装
NaI(Tl)晶体易潮解,必须密封使用。封装是防止晶体潮解并保证光子能从一个端面透出,这就需要解决晶体和玻璃窗之间的耦合问题,以实现晶体的最大光输出。

Fig.4 Schematic diagram of encapsulating the crystal
1.window  2.coupling  3.reflecting matter
这样对玻璃窗、耦合材料、晶体三者之间的材料性能都有一定的匹配要求。封装质量的好坏,直接影响到晶体的闪烁性能,Fig.4是NaI(Tl)晶体的封装简图。
 
2.1.5 主要规格:
端窗圆柱系列:φ19mm×200mm ~φ64mm×300mm
异形晶体:三角柱、四方柱、六棱柱等。
薄片晶体:φ1mm×3mm ~φ170mm×20mm
侧窗圆柱系列:φ37mm×120mm ~φ50mm×150mm
2.1.6  产品性能特点
1 能量分辨率
晶体尺寸Φ20mm×50mm,Cs137能量分辨率6.5%~8%
晶体尺寸Φ50mm×300mm,Cs137能量分辨率8.5%~12%。能量分辨率均匀性〈4%。
2 探测效率
晶体直径>40 mm的闪烁体,探测效率>10%;
晶体直径<40 mm的闪烁体,探测效率> 5%。
3 闪烁体本底计数<180/秒 。
4晶体使用温度: 120℃~175℃。
 
2.2 碘化铯(CsI)系列闪烁晶体
CsI闪烁晶体可分为Tl激活、Na激活和纯碘化铯三种,它们均为无色透明的立方晶体。CsI(Tl)晶体的光输出可达NaI(Tl)晶体的45%,发光主峰位在550nm(如Fig.5所示),能与硅光电二极管很好地匹配,显示系统简化。它的衰减时间与入射粒子的电离本领有关,特别适宜于在强γ辐射本底下探测重带电粒子。另外,掺铊碘化铯晶体抗热冲击能力强,并具有一定的可塑性,易于加工成不同形状的探测单元。CsI(Na)的发光效率与NaI(Tl) 接近,发射光谱的主峰位在420nm,更容易与光电倍增管配合,温度效应好,适合于在高温环境和空间科学研究中使用。它的缺点是在低能(20keV)下发光效率很快下降,潮解作用比CsI(Tl)厉害。 纯CsI晶体发射光谱中含有一个波长在305nm的快分量(10ns) 和波长350nm-600nm附近的慢分量(100 ns -4000ns) 。通过对慢分量的抑制,快/慢分量比可以达到4倍,总的光输出可达NaI:Tl 的4%-5%。
Table.2 Scintillation Properties of CsI(Tl),CsI(Na),undoped CsI Crystal
CsI(Tl)
CsI(Na)
CsI(undoped)
 
Density [g/cm3]
4.51
4.51
4.51
Melting point [K]
894
894
894
Thermal expansion coefficient [K-1]
54 x 10-6
49 x 10-6
49 x 10-6
Cleavage plane
none
none
none
Hardness (Mho)
2
2
2
Hygroscopic
slighTly
yes
slighTly
Wavelength of emission maximum [nm]
550
420
315
Lower wavelength cutoff [nm]
320
300
260
Refractive index at emission maximum
1.79
1.84
1.95
Primary decay time [µs]
1
0.63
0.016
Afterglow (after 6ms) [%]
0.5 - 5.0
0.5 - 5.0
--
Light yield [photons/MeVγ]
52- 56 x103
38-44x103
2x103
Photoelectron yield [% of NaI(Tl)] (y rays)
45
85
4 - 6
CsI(Tl)闪烁体,因不潮解、密度高(相对NaI(Tl))、平均原子序数大、辐照硬度高,所以对射线的阻挡能力强、对能量相对高的γ射线的探测效率较高。在γ射线能量低于5Mev左右、环境要求比较苛刻的条件下使用CsI(Tl)代替NaI(Tl)晶体,在给定的某一峰总比下,可以使用较小尺寸的CsI晶体。非杂质激活的CsI晶体,适合于探测低能γ射线或带电粒子。
 
2.2.1主要规格:
端窗圆柱系列:φ15mm×200mm ~φ64mm×300mm
薄片晶体:φ1mm×3mm ~φ170mm×20~100mm
2.2.2        产品性能特点
 晶体尺寸Φ50mm×300mm,Cs137能量分辨率7.5%~10%。
晶体使用温度: 120℃~175℃。
 
2.3锗酸铋BGO(Bi3Ge4O12晶体
BGO是一种具有立方结构、无色透明的无机氧化物晶体,它不潮解,在高能射线激发下能发出峰值为波长480nm的荧光,与NaI(Tl)发光波长接近。对光电倍增管和电子线路无更复杂的特殊要求。 BGO的发光摆脱了杂质激活剂分布的非均匀性影响,且有较高的密度(7.13g/cm3)和短的辐照长度,对γ射线的吸收系数是NaI(Tl)的2.5倍左右,所以在探测器效率相同时,BGO的尺寸比NaI(TL)可减少60%,整体几何体积可减少90%左右。Table. 3为Bi3Ge4O12闪烁晶体性能。
Table.3  Scintillation Properties of BGO Crystal
Density (g/cm3)
7.13
Melting point (℃)
1050
Parameter of crystal cell (A)
10.518
Refractive index
2.15
Radiation length (cm)
1.1
Peak of fluorescence spectra (nm)
480
Decay time (ns)
300
Light output relative to Nal(Tl) (%)
10-14
Energy resolution (511 Kev,%)
20
BGO晶体可用于任何空间有限、要求对γ射线阻止大的高能γ辐射探测场合,由于吸收系数高、余辉低,BGO晶体特别适合于X射线断层照相、工业CT用。目前,大量使用BGO晶体的领域已从高能物理逐渐转为核医学成像,是PET首选闪烁晶体。
2.3.1主要规格:
端窗圆柱系列:φ10mm×200mm ~φ64mm×300mm
薄片晶体:φ1mm×3mm ~φ120mm×20~100mm
 
2.4氟化钡(BaF2)晶体
BaF2既具有较宽的透光范围(190 nm -1200 nm)和较高的透光率,又具有良好的闪烁性能,吸水性小且折射率在很宽的温度范围内变化不大,是一种品质优良的激光窗口材料。做为闪烁体其发射峰中含有峰值波长为180nm-240nm的快分量和峰值波长为310nm的慢分量发光成分,其中快分量衰减时间0.6ns,慢分量620ns。而且它们的发光强度与温度无关,这是迄今为止衰减速度最快的闪烁体。Table. 4为BaF2闪烁晶体性能。
Table.4  Scintillation Properties of BaF2 Crystal
Cleavage
(111)
Density (g/cm3)
4.89
Melting point (℃)
1280
Hardness (Mho)
3
Hygroscopic
No
Radiation length (cm)
2.06
Peak emission (nm)
310(slow),220(fast)
Decay constant (ns)
620(slow),0.6(fast)
Refractive index at peak emission
1.51(slow),1.49(fast)
Afterglow (after 3ms) (%)
0.005
Light output relative to Nal(Tl) (%)
20%(slow),4%(fast)
BaF2晶体是一种纯晶体,在α、β、γ射线的作用下能产生闪烁发光,在闪烁应用中,最重要的特性是兼有无机闪烁体对γ射线的高探测效率、输出脉冲幅度中有光电峰及有机闪烁体的快时间特性。由于快成分脉冲可以用于精密的时间测量,得到很高的时间分辨率,所以可在高能物理和医学应用中做为正电子湮灭技术研究的良好材料。而快速闪烁效应和高的抗辐照能力适合于在大型粒子加速器上作探测应用。
2.5钨酸铅(PbWO4)晶体
PWO晶体是一种新型闪烁晶体,它具有密度高8.28 g/cm3,辐射长度短0.92 cm,辐照硬度大106rad,衰减常数小6/30 ns,价格相对适中和性能兼顾的特点,是一种很有发展前景的高阻止本领辐射探测材料。
Table.5  Scintillation Properties of PbWO4 Crystal
Density (g/cm3)
8.28
Radiation length (cm)
0.92
Molere radius (cm)
2.19
Decay constant (ns)
6/30
Peak emission (nm)
440/530
Light output relative to NaI(Tl) (%)
0.5
Index of refraction
2.16
Melting point (℃)
1123
Hygroscopicity
No
Cleavage
(101)
由Table.5可知:尽管PbWO4晶体的发光效率比较低(相当于NaI(Tl)0.5%),但因衰减时间很短(只有几个ns),是目前已知的闪烁晶体中衰减时间短、抗辐照损伤能力最强的闪烁晶体,且因有密度高8.28 g/cm3,兼有高阻止本领和较理想闪烁性能,从而可使探测器的体积大为缩小,所以仍不失为高能物理、核物理方面的良好辐射探测材料。国内上海硅酸盐研究所(SIC)和北京玻璃研究院(BGRI)对该晶体研究较深入。
2.6高密度、快衰减闪烁晶体
这类闪烁体简单来说有:硅酸钆GSO:Ce(Gd2Si2O5:Ce)、铝酸钇YAP:Ce(Y AlO3:Ce)、硅酸镥LSO(Lu2Si2O5:Ce)等。Table.6为这类闪烁体的闪烁性能。
Table.6  Scintillation Properties of  GSO:Ce、YAP:Ce、LSO:Ce  Crystal
Crystal
YAP:Ce
GSO:Ce
LSO:Ce
Density (g/cm3)
5.35
6.71
7.41
Peak emission (nm)
390
450
440
Light output relative to NaI(Tl) (%)
40
30
75
Decay constant (ns)
35 (10)
60
40
Index of refraction
1.94
1.85
1.82
Radiation length (cm)
1.83
1.39
1.14
Radiation Hardness(rad)
106
>108
>106
Melting point (℃)
1875
1950
2050
Cleavage
no
no
no
Hardness (Mho)
8.5
 
 
Hygroscopicity
no
no
no
从Table.6可见:这类闪烁体主要是掺Ce3+的稀土硅(铝)酸盐,发射峰在390nm—440nm之间,有高密度5.35 g/cm3—7.41 g/cm3 、低辐照长度1.83 cm—1.14 cm、快衰减35 ns—40 ns的特点,相对于NaI(Tl)晶体,具有较高的光输出(30 %—75 %)、不潮解、不节理的优良特性。这些晶体光输出较高、衰减时间快、密度高,故对射线的探测效率较高。如:LSO(Ce)约为NaI(TL)的75%、衰减时间快(40ns)、密度为7.41g/cm3。可这些晶体的熔点都较高(LSO(Ce) 的熔点为2040℃),生长难度大、所用设备较复杂,所以离产业化还有一定的距离。但因其优良的性能, 尽管其造价昂贵,但仍不失为高能量(~TeV级甚至更高)辐射研究的理想材料。近年来,欧洲核子中心,美国直线加速中心等都在研究各种高能工程实验,这些高能闪烁体已被各研究单位给予极大的关注。我国上硅所、上海光机所等单位目前已在做这方面的研究工作。这种闪烁体的应用,设法降低成本、改进技术是推广应用必须要考虑的问题。
 
二塑料闪烁体
见附件文章:《塑料闪烁体耐辐照性能研究》 
作者:汲长松;北京核仪器厂
 
塑料闪烁体是有机闪烁物质在塑料中的固容体,一般由基质闪烁物质及移波剂组成。基质材料多是聚苯乙烯等闪烁物质,移波剂的作用是把闪烁光有效的快速传输及延长。塑料闪烁体不是晶体,只是有机闪烁体,可用于快中子、质子、宇宙射线几裂变碎片等的探测。它容易制备大体积的透明体,且容易加工成各种形状,并具有不潮解、耐辐照、闪烁衰减时间短、价格低的优点。
 型号
      规格(单位: mm)
价格 (币种: RMB)
 
 
 
 
HND-S2型塑料闪烁体
1200×600×50
 
1000×500×50
 
1200×250×50
 
1000×250×50
 
1000×100×50
 
600×100×50
 
200×200×60(喷涂TiO2)
 
100×100×60(喷涂TiO2)
 
Æ50×2000
 
Æ50×1000
 
Æ75×82(喷涂ZnS)
 
HND-DS2型低本底塑料闪烁体αβ塑料双闪烁体(光导有机玻璃厚5mm或6mm)
Æ80
 
Æ60
 
Æ50
 
250×300
 
HND-S2型超薄板
1×300×150
 
1×200×100
 
Æ100×1
 
注: 可根据用户的特殊需要制造各种尺寸的塑料闪烁体.