γ射線探測
首先，伽馬射線探測器具有一般探測器的功能，記錄探測器中二次電子的能量損失；其次，它是將入射光子能量轉換成一個或多個快電子的轉換介質。閃爍探測器主要是由閃爍體、集光部件和光電轉換器件組成的輻射探測器。這種傳統的閃爍探測器具有效率高、信噪比高、響應時間快等特點，已廣泛應用于高能物理、宇宙線探測和核醫學等領域的研究，是輻射探測技術領域不可或缺的手段。
理想的閃爍體應具有以下特點：發光效率高、衰減時間短、余輝低、密度高、輻射長度短、成本低、發光譜與光子探測器響應譜匹配。輻射的長度決定了閃爍體對伽馬光子的吸收能力。發光峰波長是閃爍體最強發射光譜處的波長，光輸出是射線在閃爍體晶體中失去單位能量后產生的光子數，直接影響探測器的能量分辨率。衰減時間決定了閃爍體的最大計數率。
下圖顯示了用于伽馬射線檢測的探測器的基本結構。圖中的基本探測單元是一對與閃爍晶體耦合的光子探測器（PMT/APD/SiPM等）。位置讀出電路是對探測器輸出信號進行處理和計算的一部分，直接影響探測器的輸出性能，是探測器組成中不可缺少的一部分。
據報道，許多晶體已被證明可以作為閃爍晶體，可用于伽馬射線探測。目前，可大量生產的閃爍晶體為：BGO，Ce：LYSO，Ce：GAGG，BaF2，Ce：LuAG，Ce：YAG，CsI（TI），Pr：LuAg。
γ射線探測用閃爍晶體
BGO
- 高密度
- 有效原子序數高
- 輻射長度短
- 檢測效率高
- 高制動力 ·? 出色的能量分辨率
鍺酸鉍Bi4Ge3O12（BGO）晶體閃爍體因其對軟伽瑪射線的高阻止能力而備受關注。BGO閃爍體由于其高檢測效率，大光分數和相對較低的成本而成為用于伽馬射線檢測的有吸引力的材料。BGO的峰值發射波長為– 480 nm，與光電倍增管的光譜響應非常匹配。BGO的有效原子序數為75，密度為7.1g / cm3，可通過最小化受檢者接收的輻射劑量并縮短成像時間來提高檢測511 keVγ光子的效率。BGO的輻射長度為1.12cm，有利于生產緊湊的探測器或探頭部件，提高空間分辨率并節省成本。
目前，許多研究機構與BGO配合使用其他閃爍晶體，可以最大限度地發揮BGO的優勢，克服其輸出光產量低，衰減時間長的缺點。BGO主要用作有源屏蔽，因為有大量的單個BGO晶體可供使用，這使我們能夠構建重量更輕的探測器，這對于空間伽馬射線探測器的發展至關重要。另外，BGO晶體無余輝，無離解表面，抗輻照能力強，化學性能穩定，易于加工和維護。
| BGO | 密度[g/cm3] | 有效原子序數 | 發射波長[nm] | 能量分辨率 [662keV伽馬射線] | 衰減時間 (ns) |
| Ref[1] | 7.13 | 74 | 480 | 6.20% | 300 |
| Ref[2] | 7.13 | / | 480 | 11.5% | 300 |
| Ref[3] | 7.1 | 74 | 480 | 16.5% | 300 |
參考文獻
[1] BGO readout with photodiodes as a soft gamma-ray detector at -30 C
[2] The Comparison of Large Scintillators for High Energy Gamma-Rays Detection
[3] Comparative studies of CsI(Tl), LYSO and BGO scintillators
Ce:YAG
| 波長（最大發射）（nm） | 550 |
| 衰減時間（ns） | 70 |
| 發光量（光子/ keV） | 35 |
| 折光率 | 1.82@550nm |
| 輻射長度（cm） | 3.5 |
隨著醫療，工業和科學應用數量的增加，人們對新型閃爍體材料的開發越來越感興趣。Ce:YAG（Ce:Y3Al5O12）閃爍晶體具有光輸出高，時間響應快，伽馬射線檢測效率高，理化性能穩定，熒光光譜與普通光敏器件之間的良好耦合等優點，非常適用于脈沖伽馬射線測量。Ce:YAG單晶在文獻中被報道為快速氧化物閃爍體。Ce:YAG的密度約為4.56 g / cm3，有效原子序數為35。發射峰在550nm附近，與光電倍增管（PMT）和硅光電二極管（PD）的敏感接收波長良好匹配。
Ce:YAG晶體可用于帶電粒子和X射線/低能射線，但不適用于300 keV以上的射線，因為其有效原子序數低且密度適中，這限制了光峰檢測效率。請注意，由于Ce:YAG晶體的有效原子序數和密度較低，因此可以預期，使用Ce:YAG檢測器測得的光譜中的光子分數較低。在這方面，推薦將Ce:YAG用于X射線和低能射線的光譜測定。
參考文獻
[1] Comparative studies of Lu3Al5O12:Ce and Y3Al5O12:Ce scintillators for gamma-ray detection
[2]Investigation of some scintillation properties of YAG Ce crystals
[3] Comparative studies of CsI(Tl), LYSO and BGO scintillators
Ce:LuAG
| 波長（最大發射）（nm） | 535 |
| 波長范圍（nm） | 475-800 |
| 衰減時間（ns） | 70 |
| 發光量（光子/ keV） | 25 |
| 折光率 | 1.84@633nm |
對于現代閃爍體，高光輸出，良好的能量分辨率，高有效原子序數，快速閃爍響應，化學穩定性和塊狀晶體生長能力是非常重要的參數。Ce:LuAG單晶的密度更高，為6.67 g / cm3，有效原子序數為58.9，這在高能伽馬射線檢測中是有利的。通過使用具有高密度和高原子序數的材料可以實現高檢測效率。RT處的發射光譜在525 nm附近達到峰值，這與光電倍增管的光譜響應非常匹配。
參考文獻
[1] Comparative studies of Lu3Al5O12:Ce and Y3Al5O12:Ce scintillators for gamma-ray detection
[2]Comparison of Lu3Al5O12:Ce and LaBr3:Ce Scintillators in Gamma-Ray Spectrometry
[3] Scintillation Properties of LuAG:Ce, YAG:Ce and LYSO:Ce Crystals for Gamma-Ray Detection
Ce:GAGG
| 波長（最大發射）（nm） | 520 |
| 波長范圍（nm） | 475-800 |
| 衰減時間（ns） | 90 |
| 發光量（光子/ keV） | 50 |
| 折光率 | 1.95@540nm |
具有高密度和高伽瑪射線吸收系數的單晶閃爍體與光電檢測器結合在一起通常用于檢測高能光子和粒子。對于現代閃爍體，高光產量，良好的能量分辨率，高有效原子序數，快速閃爍響應，化學穩定性和大晶體生長能力是非常重要的參數。摻鈰的Gd3（Ga，Al）5O12（GAGG：Ce）是一種有前途的新型閃爍體，用于伽馬射線探測器。它是一種堅實的，不吸濕的淺黃色單晶。它很重（密度?6.5 g / cm3），通常用于高能伽馬射線測量。
GAGG：Ce的最大發射波長約為530nm，這是石榴石成分的典型值，適用于硅基光電探測器。它的特點是光輸出高，超過40000ph / MeV，光脈沖的快速衰減時間常數約為100 ns。
| Ce:GAGG | 密度[g/cm3] | 發射波長[nm] | 能量分辨率[662keV伽瑪射線] | 閃爍衰變 (ns) | 符合時間分辨率[511 keV] | 發光量[ph/MeV] |
| Ref [1] | 6.63 | 530 | 7.58% | 98.4 | / | 56000 |
| Ref[2] | 6.5 | 530 | 6% | 100 | 550ps | 33000 |
| Ref[3] | 6.63 | 530 | / | 90 | / | 46000 |
參考文獻
[1]Evaluation of GAGG:Ce scintillators for future space applications
[2]Performance of cerium-doped Gd3Al2Ga3O12(GAGG:Ce) scintillatorin gamma-rayspectrometry
[3]Development of a SIPM based gammaray imager using a Gd3Al2Ga3O12:Ce (GAGG:Ce) scintillator array
Ce:LYSO
| 波長（最大發射）（nm） | 410 |
| 衰減時間（ns） | 40 |
| 發光量（光子/ keV） | 25 |
| 相對于Nal（Tl）的光輸出（％） | 75 |
| 折光率 | 1.82@410nm |
無機閃爍體廣泛用于高能光子和核粒子的檢測和光譜學中。這些應用中對閃爍器的重要要求包括高光輸出，快速響應時間，高制動力和良好的能量分辨率。
（Lu，Y）2SiO5：Ce（LYSO：Ce）由于其所需的特性（例如高密度，短衰減時間和高光輸出）而被開發為用于伽馬射線檢測的有希望的閃爍體。Ce:LYSO的密度為7.11 g / cm3，室溫（RT）的發射光譜在420 nm附近達到峰值。Ce:LYSO的光產率高，高達約34,000 ph / MeV。
參考文獻
[1] Comparative studies of Lu3Al5O12:Ce and Y3Al5O12:Ce scintillators for gamma-ray detection
[2] Lu1.8Y0.2SiO5:Ce and LaCl3:Ce Scintillators for Gamma-Ray Detection
[3] Scintillation Properties of LuAG:Ce, YAG:Ce and LYSO:Ce Crystals for Gamma-Ray Detection
Ce:BaF2
| 波長（最大發射）nm | 310 |
| 波長范圍（nm） | 170-460 |
| 衰減時間（ns） | 630(慢); 0.87/0.88(快) |
| 發光量（光子/ keV） | 10(慢); 1.9(快) |
| 輻射長度（cm） | 2.026 |
氟化鋇（BaF2）是一種無機閃爍材料，由于其相對較高的密度，當量原子序數，輻射硬度和高發光度而用于γ射線的檢測。由于迅速的衰變發射成分，BaF2具有在伽馬射線定時實驗中使用的潛在能力。由于迅速的衰變發射成分，BaF2具有在伽馬射線定時實驗中使用的潛在能力。眾所周知，BaF2的光輸出具有三個衰減分量：兩個提示分量在大約195 nm和220 nm處具有大約600-800 ps的衰減常數，而更強烈，更慢的分量在310 nm附近具有一個衰減常數在大約300 nm處。630 ns阻礙了快速計時實驗。BaF2的高密度（4.9g / cm3）非常適合用于伽馬射線檢測。
| BaF2 | 密度[g/cm3] | 發射波長[nm] | 衰減時間[ns] | 能量分辨率[662keV伽馬射線] | 光輸出[ph/MeV] |
| Ref[1] | 4.9 | 300 | 600 | / | 12000 |
| Ref[1] | 4.88 | 320 | 620 | 13-14% | / |
參考文獻
[1] Suppression ofthe slow component ofscintillation light in BaF2
[2] A BaF2 crystal array for high energy γ-ray measurements
Tl:CsI
| 波長（最大發射）（nm） | 410 |
| 衰減時間（ns） | 40 |
| 發光量（光子/ keV） | 25 |
| 相對于Nal（Tl）的光輸出（％） | 75 |
| 折光率 | 1.82@410nm |
鉈摻雜碘化銫（CsI:Tl）閃爍體作為一種具有優異物理、化學、光學和閃爍性能的高電位輻射探測材料，在伽馬能譜、醫學成像等領域有著廣泛的應用。在可見光范圍內，硅光電二極管具有66000光子/MeV的高光子產額、800ns的快衰減時間、較高的轉換效率和550nm的合適發射波長，經典CsI:Tl閃爍體已廣泛應用于核和醫學成像領域。CsI:Tl晶體具有立方晶體結構，介質密度為4.53 g/cm3，原子序數（Z）為54。它們具有較強的機械穩定性，沒有解理面，化學穩定性高，吸濕性差。在伽馬射線探測中，CsI晶體具有密度大、原子序數高的阻止本領。這些特性使CsI晶體適合于γ射線探測。
| Tl:CsI | 密度[g/cm3] | 發射波長[nm] | 能量分辨率[662keV伽馬射線] | 閃爍ns衰減[ns] | 光產率[ph / MeV] |
| Ref [1] | 4.51 | 550 | 8% | 1000 | 55000 |
| Ref [2] | 4.53 | 540 | 3% | 800 | 66000 |
| Ref [3] | 4.51 | 550 | 4.3% | / | 63800 |
參考文獻
[1] The design and performance of a large-volume spherical CsI(Tl) scintillation counter for gamma-ray spectroscopy
[2] Impact of precursor purity on optical properties and radiation detection of CsITl scintillators
[3] First Prototype of a Gama-Camera Based on a Single CsI(T1) Scintillator Coupled to a Silicon Drift Detector Array?