γ射線探測(cè)
首先，伽馬射線探測(cè)器具有一般探測(cè)器的功能，記錄探測(cè)器中二次電子的能量損失；其次，它是將入射光子能量轉(zhuǎn)換成一個(gè)或多個(gè)快電子的轉(zhuǎn)換介質(zhì)。閃爍探測(cè)器主要是由閃爍體、集光部件和光電轉(zhuǎn)換器件組成的輻射探測(cè)器。這種傳統(tǒng)的閃爍探測(cè)器具有效率高、信噪比高、響應(yīng)時(shí)間快等特點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于高能物理、宇宙線探測(cè)和核醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域的研究，是輻射探測(cè)技術(shù)領(lǐng)域不可或缺的手段。
理想的閃爍體應(yīng)具有以下特點(diǎn)：發(fā)光效率高、衰減時(shí)間短、余輝低、密度高、輻射長(zhǎng)度短、成本低、發(fā)光譜與光子探測(cè)器響應(yīng)譜匹配。輻射的長(zhǎng)度決定了閃爍體對(duì)伽馬光子的吸收能力。發(fā)光峰波長(zhǎng)是閃爍體最強(qiáng)發(fā)射光譜處的波長(zhǎng)，光輸出是射線在閃爍體晶體中失去單位能量后產(chǎn)生的光子數(shù)，直接影響探測(cè)器的能量分辨率。衰減時(shí)間決定了閃爍體的最大計(jì)數(shù)率。
下圖顯示了用于伽馬射線檢測(cè)的探測(cè)器的基本結(jié)構(gòu)。圖中的基本探測(cè)單元是一對(duì)與閃爍晶體耦合的光子探測(cè)器（PMT/APD/SiPM等）。位置讀出電路是對(duì)探測(cè)器輸出信號(hào)進(jìn)行處理和計(jì)算的一部分，直接影響探測(cè)器的輸出性能，是探測(cè)器組成中不可缺少的一部分。
據(jù)報(bào)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(cè)。目前，可大量生產(chǎn)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(cè)用閃爍晶體
BGO
- 高密度
- 有效原子序數(shù)高
- 輻射長(zhǎng)度短
- 檢測(cè)效率高
- 高制動(dòng)力 ·? 出色的能量分辨率
鍺酸鉍Bi4Ge3O12（BGO）晶體閃爍體因其對(duì)軟伽瑪射線的高阻止能力而備受關(guān)注。BGO閃爍體由于其高檢測(cè)效率，大光分?jǐn)?shù)和相對(duì)較低的成本而成為用于伽馬射線檢測(cè)的有吸引力的材料。BGO的峰值發(fā)射波長(zhǎng)為– 480 nm，與光電倍增管的光譜響應(yīng)非常匹配。BGO的有效原子序數(shù)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(shí)間來提高檢測(cè)511 keVγ光子的效率。BGO的輻射長(zhǎng)度為1.12cm，有利于生產(chǎn)緊湊的探測(cè)器或探頭部件，提高空間分辨率并節(jié)省成本。
目前，許多研究機(jī)構(gòu)與BGO配合使用其他閃爍晶體，可以最大限度地發(fā)揮BGO的優(yōu)勢(shì)，克服其輸出光產(chǎn)量低，衰減時(shí)間長(zhǎng)的缺點(diǎn)。BGO主要用作有源屏蔽，因?yàn)橛写罅康膯蝹€(gè)BGO晶體可供使用，這使我們能夠構(gòu)建重量更輕的探測(cè)器，這對(duì)于空間伽馬射線探測(cè)器的發(fā)展至關(guān)重要。另外，BGO晶體無余輝，無離解表面，抗輻照能力強(qiáng)，化學(xué)性能穩(wěn)定，易于加工和維護(hù)。
| BGO | 密度[g/cm3] | 有效原子序數(shù) | 發(fā)射波長(zhǎng)[nm] | 能量分辨率 [662keV伽馬射線] | 衰減時(shí)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(xiàn)
[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(zhǎng)（最大發(fā)射）（nm） | 550 |
| 衰減時(shí)間（ns） | 70 |
| 發(fā)光量（光子/ keV） | 35 |
| 折光率 | 1.82@550nm |
| 輻射長(zhǎng)度（cm） | 3.5 |
隨著醫(yī)療，工業(yè)和科學(xué)應(yīng)用數(shù)量的增加，人們對(duì)新型閃爍體材料的開發(fā)越來越感興趣。Ce:YAG（Ce:Y3Al5O12）閃爍晶體具有光輸出高，時(shí)間響應(yīng)快，伽馬射線檢測(cè)效率高，理化性能穩(wěn)定，熒光光譜與普通光敏器件之間的良好耦合等優(yōu)點(diǎn)，非常適用于脈沖伽馬射線測(cè)量。Ce:YAG單晶在文獻(xiàn)中被報(bào)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(shù)為35。發(fā)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(zhǎng)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?yàn)槠溆行г有驍?shù)低且密度適中，這限制了光峰檢測(cè)效率。請(qǐng)注意，由于Ce:YAG晶體的有效原子序數(shù)和密度較低，因此可以預(yù)期，使用Ce:YAG檢測(cè)器測(cè)得的光譜中的光子分?jǐn)?shù)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(cè)定。
參考文獻(xiàn)
[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(zhǎng)（最大發(fā)射）（nm） | 535 |
| 波長(zhǎng)范圍（nm） | 475-800 |
| 衰減時(shí)間（ns） | 70 |
| 發(fā)光量（光子/ keV） | 25 |
| 折光率 | 1.84@633nm |
對(duì)于現(xiàn)代閃爍體，高光輸出，良好的能量分辨率，高有效原子序數(shù)，快速閃爍響應(yīng)，化學(xué)穩(wěn)定性和塊狀晶體生長(zhǎng)能力是非常重要的參數(shù)。Ce:LuAG單晶的密度更高，為6.67 g / cm3，有效原子序數(shù)為58.9，這在高能伽馬射線檢測(cè)中是有利的。通過使用具有高密度和高原子序數(shù)的材料可以實(shí)現(xiàn)高檢測(cè)效率。RT處的發(fā)射光譜在525 nm附近達(dá)到峰值，這與光電倍增管的光譜響應(yīng)非常匹配。
參考文獻(xiàn)
[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(zhǎng)（最大發(fā)射）（nm） | 520 |
| 波長(zhǎng)范圍（nm） | 475-800 |
| 衰減時(shí)間（ns） | 90 |
| 發(fā)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(shù)的單晶閃爍體與光電檢測(cè)器結(jié)合在一起通常用于檢測(cè)高能光子和粒子。對(duì)于現(xiàn)代閃爍體，高光產(chǎn)量，良好的能量分辨率，高有效原子序數(shù)，快速閃爍響應(yīng)，化學(xué)穩(wěn)定性和大晶體生長(zhǎng)能力是非常重要的參數(shù)。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(cè)器。它是一種堅(jiān)實(shí)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(cè)量。
GAGG：Ce的最大發(fā)射波長(zhǎng)約為530nm，這是石榴石成分的典型值，適用于硅基光電探測(cè)器。它的特點(diǎn)是光輸出高，超過40000ph / MeV，光脈沖的快速衰減時(shí)間常數(shù)約為100 ns。
| Ce:GAGG | 密度[g/cm3] | 發(fā)射波長(zhǎng)[nm] | 能量分辨率[662keV伽瑪射線] | 閃爍衰變 (ns) | 符合時(shí)間分辨率[511 keV] | 發(fā)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(xiàn)
[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(zhǎng)（最大發(fā)射）（nm） | 410 |
| 衰減時(shí)間（ns） | 40 |
| 發(fā)光量（光子/ keV） | 25 |
| 相對(duì)于Nal（Tl）的光輸出（％） | 75 |
| 折光率 | 1.82@410nm |
無機(jī)閃爍體廣泛用于高能光子和核粒子的檢測(cè)和光譜學(xué)中。這些應(yīng)用中對(duì)閃爍器的重要要求包括高光輸出，快速響應(yīng)時(shí)間，高制動(dòng)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(shí)間和高光輸出）而被開發(fā)為用于伽馬射線檢測(cè)的有希望的閃爍體。Ce:LYSO的密度為7.11 g / cm3，室溫（RT）的發(fā)射光譜在420 nm附近達(dá)到峰值。Ce:LYSO的光產(chǎn)率高，高達(dá)約34,000 ph / MeV。
參考文獻(xiàn)
[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(zhǎng)（最大發(fā)射）nm | 310 |
| 波長(zhǎng)范圍（nm） | 170-460 |
| 衰減時(shí)間（ns） | 630(慢); 0.87/0.88(快) |
| 發(fā)光量（光子/ keV） | 10(慢); 1.9(快) |
| 輻射長(zhǎng)度（cm） | 2.026 |
氟化鋇（BaF2）是一種無機(jī)閃爍材料，由于其相對(duì)較高的密度，當(dāng)量原子序數(shù)，輻射硬度和高發(fā)光度而用于γ射線的檢測(cè)。由于迅速的衰變發(fā)射成分，BaF2具有在伽馬射線定時(shí)實(shí)驗(yàn)中使用的潛在能力。由于迅速的衰變發(fā)射成分，BaF2具有在伽馬射線定時(shí)實(shí)驗(yàn)中使用的潛在能力。眾所周知，BaF2的光輸出具有三個(gè)衰減分量：兩個(gè)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(shù)，而更強(qiáng)烈，更慢的分量在310 nm附近具有一個(gè)衰減常數(shù)在大約300 nm處。630 ns阻礙了快速計(jì)時(shí)實(shí)驗(yàn)。BaF2的高密度（4.9g / cm3）非常適合用于伽馬射線檢測(cè)。
| BaF2 | 密度[g/cm3] | 發(fā)射波長(zhǎng)[nm] | 衰減時(shí)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(xiàn)
[1] Suppression ofthe slow component ofscintillation light in BaF2
[2] A BaF2 crystal array for high energy γ-ray measurements
Tl:CsI
| 波長(zhǎng)（最大發(fā)射）（nm） | 410 |
| 衰減時(shí)間（ns） | 40 |
| 發(fā)光量（光子/ keV） | 25 |
| 相對(duì)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(yōu)異物理、化學(xué)、光學(xué)和閃爍性能的高電位輻射探測(cè)材料，在伽馬能譜、醫(yī)學(xué)成像等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。在可見光范圍內(nèi)，硅光電二極管具有66000光子/MeV的高光子產(chǎn)額、800ns的快衰減時(shí)間、較高的轉(zhuǎn)換效率和550nm的合適發(fā)射波長(zhǎng)，經(jīng)典CsI:Tl閃爍體已廣泛應(yīng)用于核和醫(yī)學(xué)成像領(lǐng)域。CsI:Tl晶體具有立方晶體結(jié)構(gòu)，介質(zhì)密度為4.53 g/cm3，原子序數(shù)（Z）為54。它們具有較強(qiáng)的機(jī)械穩(wěn)定性，沒有解理面，化學(xué)穩(wěn)定性高，吸濕性差。在伽馬射線探測(cè)中，CsI晶體具有密度大、原子序數(shù)高的阻止本領(lǐng)。這些特性使CsI晶體適合于γ射線探測(cè)。
| Tl:CsI | 密度[g/cm3] | 發(fā)射波長(zhǎng)[nm] | 能量分辨率[662keV伽馬射線] | 閃爍ns衰減[ns] | 光產(chǎn)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(xiàn)
[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?