我国常用的晶体和无机闪烁体探测器
NaI（Tl）晶体、碘化铯晶体、BGO晶体等闪烁体探测器.采购可以从法国圣戈班
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闪烁体探测器概述
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闪烁体探测器概述
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你可能喜欢闪烁材料&闪烁体&Scintillator&荧光
在正常情况下，物质中的原子的电子处于基态，不会出现发光现象，当吸收足够能量时，核外电子才会运动到能级较高的激发态，此时电子很不稳定，会向能级较低的激发态或基态跃迁，并释放出能量，同时发出不同频率的光。在发光过程中，发光物质从外界吸收能量而被激发，然后释放能量发出反映这个物质特征波长的光。根据能量的来源可以分为物理发光（如激光器、白炽灯、X射线管、荧光等）、机械发光、化学发光（如荧光棒）、生物发光。&
&物质在γ射线或高能粒子作用下产生脉冲光的现象称为闪烁效应,这些物质被称为闪烁体。闪烁体又称荧光体，当其受到X射线γ射线或其他高能粒子辐照时,其中的价电子就会因受到激发而进入激发态,即由价带进入导带，当电子由导带自发跃迁返回价带时,多余的能量即以荧光的形式发射出来,从而产生荧光。
& & 某些材料在射线（X-
射线、γ射线）或者高能量粒子的轰击作用下会发出紫外光或者可见光，即此种材
料在吸收高能射线或高能粒子后会使原子或分子激发，然后通过发射可见或紫外光快速衰减，这种现象称之为
闪烁效应。
&高能射线照射到探测器上后，闪烁材料便发出荧光，射线愈强，发出的荧光愈强。
&属于一种光致发光现象，光致发光最普遍的应用为日光灯。它是灯管内产生的激发管壁上的发光粉而发出的。其效率约为白炽灯的5倍。夜光表中就把放射性物质和闪烁材料组合在一起，不断闪烁发光。从量子力学理论上，这一过程可以描述为物质吸收光子跃迁到较高的后返回低能态，同时放出光子的过程。光致发光是多种形式的（Fluorescence）中的一种。
根据实验，单个分子中的电子跳跃到另外的电子能级会发出光子，从而显示出间歇性的荧光现象，或称为“闪烁”。
物理性质：
1。发光光谱
闪烁体受核辐射激发后所发射的光并不是单色的,而是一个连续带。
2。发光效率
发光效率是指闪烁体将所吸收的射线能量转变为光的比例。
3。发光时间和衰减时间
闪烁发光时间包括闪烁脉冲的上升时间和衰减时间两部分"上升时间主要由闪烁体电
子激发时间以及带电粒子在闪烁体中耗尽能量所需的时间决定,前者时间很短,可以忽略
不计,后者一般小于10E-9s。
ORTEC公司生产的中40x40x30(mm)的Csl晶体。
光照射到某些原子时，光的能量使原子核周围的一些电子由原来的轨道跃迁到了能量更高的轨道，即从基态跃迁到第一激发单线态或第二激发单线态等。第一激发单线态或第二激发单线态等是不稳定的，所以会恢复基态，当电子由第一激发单线态恢复到基态时，能量会以光的形式释放，所以产生荧光。
硒化镉量子点在紫外线的照射下发出荧光
&荧光是物质吸收光照或者其他电磁辐射后发出的光。大多数情况下，发光波长比吸收波长较长，更低。但是，当吸收强度较大时，可能发生现象，导致辐射波长短于吸收波长的情况发生。当辐射波长与吸收波长相等时，既是共振荧光。常见的例子是物质吸收紫外光，发出可见波段荧光，我们生活中的荧光灯就是这个原理，涂覆在灯管的荧光粉吸收灯管中汞蒸气发射的紫外光，而后由荧光粉发出，实现人眼可见。
通常情况下,大多数分子处在基态(So)的最低振动能级。当处于基态的分子吸收光子后被激发为激发态,激发态是很不稳定的,它可能通过非福射跃迁和辐射跃迁的形式失活释放出能量又重新跃迁回基态。非辐射跃迁是指多余的能量以热的形式耗散掉,包括振动弛豫、内转换、系间窜越等过程;辐射跃迁是指能量以光的形式释放出来,也就是所谓的荧光或憐光。
振动弛豫(Vibrational relaxation,
VR):分子吸收光子被激发后从基态(So)跃迁到单重激发态的较高振动能级上,然后处于激发态的分子以热的形式释放出部分能量,从较高的振动能级弛豫到该单重激发态的最低振动能级上,这就是激发态的"振动弛豫"过程。这一过程发生的时间大约在10E-14——10E-12s范围内。
内转换(Internal conversion,
IC):是指当高电子能级的低振动能级与低电子能级的高振动能级发生重叠时,激发态分子通过无福射跃迁释放多余的能量而回到低电子能级的过程。内转换发生时间一般在10E-12s左右,它不但发生在Si和So态之间,也发生在S2和Si、
T2和Ti等激发态之间。
荧光发射(Fluorescence emission,
F):分子从激发单重态经振动弛豫和内转换转移到第一单重激发态的最低振动能级后,以福射跃迁的形式回到基态的过程称为荧光发射。由于振动弛豫和内转换过程的能量损失,所以荧光发射的能量比分子吸收的要小,相应的荧光波长比吸收波长要长。荧光寿命一般在10—8
S的数量级。
系间窜越(Intersystem crossing,
ISC):是指不同多重激发态之间的无辐射跃迁,涉及到激发态电子自旋状态的改变。例如由Si态跃迁到Ti态。一般情况下这种跃迁是禁阻,但是如果两个能态有较大的重叠,就有可能通过自旋轨道耦合作用实现。这一过程的速度较慢,经历的时间较长。
磷光发射(Phosphorescence emission,
P):由第一激发三重态经辐射跃迁至基态的过程为磷光发射。这一跃迁仍然是自旋禁阻的,所以发光速度很慢,其寿命也较长,一般在微秒以上,甚至到秒。
实际上,荧光和憐光是两个相互竞争的过程,而大多数情况下荧光容易被观察到是因为在常温下或在溶液中,分子的振动很容易而系间窜越的几率很小,所以大多数分子都通过振动弛豫到达了单重态的最低振动能级;只有在固体状态或者低温时,由于振动弛豫被限制,而使系间窜越几率增加,才能较容易地观察到憐光的发射。
相关参数：
（1）激发：激发光谱是指不同波长的激发引起发射出某一波长荧光的相对效率。
（2）发射光谱：又为荧光光谱，是分子吸收辐射后再发射的结果。
（3）荧光强度：荧光强度与该种物质的荧光量子产率、消光系数以及含量等因素有关。
（4）荧光量子产率Q：量子产率表示物质将吸收的光能转化为荧光的本领，是荧光物质发出光子数与吸收光子数的比值。
（5）斯托克司(stokes)位移：斯托克司位移为最大荧光波长与最大激发波长之差。
（6）荧光寿命：当一束光激发荧光物质时，荧光物质的分子吸收能量后从基态跃迁到某一激发态，再以辐射的形式发出荧光回到基态，激发停止时，分子的荧光强度降低到激发时最大强度的1/e时所需的时间为荧光寿命。
&宽禁带半导体直接跃迁半导体材由于具有材料内多原胞范围内的激子振子强度耦合增强的效应，引起的Wannier
激子超快发射发光衰减时间往往在亚纳秒级，从而弥补了无机闪烁材料这个领域的缺陷。因此，CuI，HgI2，PbI2，ZnO:Ga
和CdS:In 等宽禁带半导体闪烁材料在最近十年内颇受关注。其中以ZnO
基材料尤为突出，近紫外激子发光在室温下衰减时间约为400ps，比BaF2的芯带－价带发射快了两倍。
日常使用的荧光棒为化学发光原理，使用时晃动荧光棒，使其中的两种化学物质发生反应，产生能量，染料吸收能量后，发出不同颜色的光。
闪烁体与荧光体的区别：一般单晶称闪烁体（Scintillator），如CsI,陶瓷称荧光体（Phosphor），如GOS。
&&激光的理论基础起源于大物理学家‘’，1917年爱因斯坦提出了一套全新的技术理论‘光与物质相互作用’。这一理论是说在组成物质的原子中，有不同数量的（电子）分布在不同的能级上，在高能级上的粒子受到某种光子的激发，会从高能级跳到（跃迁）到低能级上，这时将会辐射出与激发它的光相同性质的光，而且在某种状态下，能出现一个弱光激发出一个强光的现象。这就叫做“受激辐射的光放大”，简称激光。
&&光与物质的相互作用，实质上是组成物质的吸收或辐射光子，同时改变自身运动状况的表现。微观粒子都具有特定的一套能级（通常这些能级是分立的）。任一时刻粒子只能处在与某一能级相对应的物质与光相互作用的规律状态（或者简单地表述为处在某一个能级上）。与光子相互作用时，粒子从一个能级跃迁到另一个能级，并相应地吸收或辐射光子。光子的能量值为此两能级的能量差△E，频率为ν=△E/h（h为普朗克常量）。
受激吸收（简称吸收）
处于较低能级的粒子在受到外界的激发（即与其他的粒子发生了有能量交换的相互作用，如与光子发生非弹性碰撞），吸收了能量时，跃迁到与此能量相对应的较高能级。这种跃迁称为受激吸收。
2. 自发辐射
粒子受到激发而进入的，不是粒子的稳定状态，如存在着可以接纳粒子的较低能级，即使没有外界作用，粒子也有一定的概率，自发地从高能级激发态（E2）向低能级（E1）跃迁，同时辐射出能量为（E2-E1）的光子，光子频率
ν=（E2-E1）/h。这种辐射过程称为自发辐射。众多原子以自发辐射发出的光，不具有相位、偏振态、传播方向上的一致，是物理上所说的非相干光。
3. 受激辐射、激光
1917年爱因斯坦从理论上指出：除自发辐射外，处于高能级E2上的粒子还可以另一方式跃迁到较低能级。他指出当频率为
ν=（E2-E1）/h的光子入射时，也会引发粒子以一定的概率，迅速地从能级E2跃迁到能级E1，同时辐射一个与外来光子频率、相位、偏振态以及传播方向都相同的光子，这个过程称为。
可以设想，如果大量原子处在高能级E2上，当有一个频率
ν=（E2-E1）/h的光子入射，从而激励E2上的原子产生受激辐射，得到两个特征完全相同的光子，这两个光子再激励E2能级上原子，又使其产生受激辐射，可得到四个特征相同的光子，这意味着原来的光信号被放大了。这种在受激辐射过程中产生并被放大的光就是激光。
实际上大量的物理过程，比较光电效应（可见光、X射线）、闪烁发光、X射线产生都可以统一到光量子理论和能带理论之中。
无机闪烁体的发光机制还没有确定的系统理论,通常是用布落赫(EBloch)所提出的能带理论来解释。
KBi(WO4)2闪烁晶体：
荧光光谱测量的仪器型号为 PE
LS-55，测量时采用了粉末测量附件。
<font COLOR="#0nm 激发的发射谱中有一个 400nm 的主峰和 422，447，460 和 486nm
等数个尖峰。与PbWO4和
BGO相比，我们认为，发射谱中，400nm
的蓝光发射可能起源于W5d→O2p，486nm
峰可能起源于 Bi3+的3P1→1S0。400nm
的激发谱中从 225到 350nm 也有 237，256
和 280nm 等数个峰，因为这几个峰的位置接近于 BGO的激发谱，我们认为这几个峰来源于 Bi 的1S0→3P1，1S0→1P1。
在高能粒子或射线(如中子、X射线、Y射线等)激发下发出脉冲光的物质称作闪烁体。科学家们经过长时间的研究探索,发现了许多不同的闪烁体。它们按照化学成分可分为有机闪烁体、无机闪烁体,按照存在形态可分为单晶闪烁体、玻璃闪烁体和陶瓷闪烁体。闪烁晶体即单晶态的闪烁体,其中又以无机闪烁晶体最为重要,应用最为广泛。无机闪烁晶体主要分为氧化物和卤化物两大类,在卤化物类中,稀土卤化物占有很大的比重。
二十世纪初Crooks发现ZnS晶体能够吸收a粒子的现象,标志着闪烁晶体的诞生。但是随后的四十多年间闪烁晶体的发展-直处于停滞状态,直到1948年NaI:Tl的出现,闪烁晶体进入了高速发展的时期NaI:Tl具有良好的闪烁性能,能够满足X射线和Y射线的探测器等多种领域的需求,开辟了闪烁晶体工业应用的新纪元。尤其是在医学成像领域,NaI:Tl至今仍是单光子发射计算机断层成像术(SPECT)的首选闪烁晶体,具有重要的市场份额。但NaI:Tl也存在诸多不足,特别是时间分辨率过低,影响了成像质量的进一步提高,无法满足一些新兴领域和新技术的应用要求,这也促使人们去发展更多性能优异的闪烁晶体。
CsI:Tl具有比NaI:Tl更高的发光效率,但它的衰减时间偏长,且激发光谱峰值位于546
nm左右,无法与光电倍增管有效匹配,因此只能应用在以娃光二极管为接受器件的设备中,应用范围受到了一定的局限。BaF2具有很高的抗辖照能力和目前已知的最快的衰减速度,因而在材料科学研宄和高能物理领域备受青睐,但其光产额较低,且同样存在与光电倍增管的匹配问题。BGO晶体易于与光电倍增管匹配,兼具抗福照能力强、物化性质稳定等多种优点,在核医学成像如正电子发射断层成像(Positron
Emission Tomography, PET)方面具有重要应用,但其原料价格昂贵,成本居高不下,一定程度上限制了其推广应用。
闪烁晶体根据发光机理分为本征闪烁晶体（无需掺入杂质，其本身即可发光）与非本征闪烁晶体（需要掺入杂质(激活剂)，主要靠掺入的离子发光，以 Ce3+激活的闪烁晶体为最多）,本征闪烁晶体与非本征闪烁晶体有不同的闪烁机理。LaBr3本身闪烁性能并不突出,但是对其进行少量的Ce3+掺杂后,获得的非本征闪烁晶体拥有良好的闪烁性能,这种情况可以用能带理论进行很好的解释。
激活剂的基态以及激发态分别位于禁带的上下两部分,当激活剂吸收入射高能粒子或射线的能量后,能量升高,再捕获导带中的一个电子后跃迁到激发态,释放能量并发出具有特定波长的闪烁脉冲光。跃迁的速率、衰减时间、光产额与化合物的类型、钟离子的浓度以及温度有着密切的关系。虽然铺离子掺杂闪烁晶体的发光过程复杂多变,但还是会呈现出一定的规律性。经过研宄,人们发现最优先的闪烁机制是一个电子和一个空位直接将能量传递给Ce3+,导致Ce3+发生4f-5d跃迁,能量利用率为100%,时间小于Ins。然而,在实际过程中会存在其它两种形式的激发,一种是由于晶格驰缓造成价带顶部的空穴不稳定,另外一种是自陷离子发光。
光电倍增管的光谱响应灵敏区在
430～470nm，光电二极管光谱响应灵敏区在 500～530nm。
激发光源为钨靶，50kv，2mA。
闪烁体按状态分有固体闪烁体、液体闪烁体、气体闪烁体等。以下对这些闪烁体进行分述。
1、气体闪烁体使用的是惰性气体,激发波长在紫外或远紫外区,与普通光电倍增管不能很好藕合,需要加入波长位移剂。
2、液体闪烁体,主要指有机液体闪烁体,与塑料闪烁体相比只是所用溶剂为液态,比如溶剂为甲苯、二甲苯等,溶质为对联三苯、二苯葱等。
3、固体闪烁体有无机固体闪烁体和有机固体闪烁体两种。
对理想的闪烁体应该满足的条件:有较大的阻止本领,使入射的粒子能在闪烁体中损耗较多的能量;有较大的发光效率;使闪烁体对本身发出的荧光是透明的,即对自身发射的荧光吸收少;有合适的折射率,使产生的荧光在传输过程中尽量少的光损失,并且光学均匀性好,没有几何缺陷:所发射的荧光光谱应很好的与光电倍增管光阴极(或光电二极管,雪崩二极管等转换器件)的光谱灵敏区相配合;具有较短的发光衰减周期;易于加工成各种形状和大小;在放射源长期照射下,性能仍保持稳定。
由于发光材料基质的热歧化作用出现的结构缺陷(大部分是点缺陷)是在它们晶格节点间产生空位和离子或原子。由这些晶格缺陷所引起的发光叫非激活发光(自激活发光)。BaFZ、BGO、钨酸盐的发光就属于这种情况。产生这种发光不需要加激活离子。向基质晶格中掺入另一种元素的离子或原子时出现的杂质缺陷,这些杂质缺陷作为激活剂(发光中心),由这种缺陷引起的发光叫激活发光。
发光材料是指在激发作用下能发光的物质,这些材料包括:光致发光材料(紫外光、可见光和红外光)、阴极射线发光材料、电致发光材料和放射线致发光材料。狭义地来说,以高能粒子激发发光的发光物质称为闪烁体(scintillator);而用紫外等辐射产生发光的发光物质称为磷光体（phosphor)。
激活型闪烁体的发光机制：
高能射线(以γ射线为例)与物质的相互作用,可以产生多种作用过程。其中几率较大的主要作用过程为:康普敦效应、光电效应、(在核的场中)电子对产生和瑞利散射。当γ光子能量较低时,γ射线与闪烁体的作用主要是康普敦效应和光电效应;只有当γ光子能量较高时,才有电子对的产生。目前对一些闪烁体的发光的微观机制仍然还不能完全认识清楚,但己经提出的一些模型还是能解释和研究闪烁过程的绝大部分现象。激活型发光的闪烁晶体禁带宽度都较大,激活中心的基态和激发态都位于禁带中,这样能保证闪烁晶体有较大的发光效率。如图l一3所示。图1一2是闪烁体在位形坐标下带间跃迁和辐射情形,图l一3是闪烁体发光能带图。位形坐标图能直观形象地解释闪烁晶体的激发和跃迁过程,图1一3的E、G对应于图1一2位形坐标下激活中心的激发态和基态。以下结合这两个图来解释激活型发光的闪烁晶体的闪烁过程。
a、带电粒子或高能射线穿越闪烁晶体时,损失部分能量导致激子、导带电子和价带空穴的出现。它们都能自由地在晶格之间移动。因而粒子遗留在闪烁体内的那部分能量,在粒子轨迹附近被传递着,直到通过激子俘获或电子、空穴俘获而被激活中心或位错中心(陷阱)所吸收。当被激活中心俘获时,系统便由基态跃入某一激发态。如果激发态与基态之间的跃迁是允许的,那么这一跃迁便放出光子。如图1一2中的CD跃迁,就是图1一3中的荧光发射过程。
这种激发态的偶极子跃迁发射光子的寿命为1e-8s,CD跃迁能量小于AB跃迁中吸收的能量。这是由于系统在平衡时基态与激发态的位型不同,势能曲线中的最小值A与C对应的坐标r也不同。根据弗朗克一康登原理,对应于AB与CD的吸收与发射仅仅沿垂直线进行。发射光子后,系统处于D状态,随后通过晶格的热激发(声子发射)系统损耗掉剩余激发能而返回基态A。
b、如果由于热激发,系统的势能沿CE增长,那么便有可能发生沿EA的无光辐射跃迁,能量差EA又传回晶格。过程B与A竞争,分配比决定于温度,因为热涨落达到E点的几率与exp（-E'/KT）成正比,式中E'代表总深度EC的能量差。这对应于图1一3中的荧光淬灭过程。
c、还有另外一种可能。假若,激发态与基态之间不存在允许跃迁光发射,激发态将是亚稳态。亚稳态的寿命可静迢过1e-8s。亚稳态退激可通过CEA型无光发射跃迁,或者电子再获得能量跃至其它不稳定激发态退激而产生光发射。加入杂质形成电子与空穴陷阱的效应,与这种亚稳态相似。这些陷阱也使返回基态的跃迁被延迟。
随着闪烁晶体的不断发展和应用领域的日益拓宽，闪烁晶体的闪烁机理也得到了不断的完善和发展。无机闪烁晶体吸收射线或高能粒子后，经过多种微观过程，产生了低能量的荧光光子，其物理过程主要可以分为以下三个阶段：
第一阶段：吸收高能射线或粒子后产生一次电子和空穴；一次电子和空穴的驰豫，以及大量次级电子、空穴、光子、元激子及其它电子激励等的产生；
第二阶段：低能次级电子和空穴的驰豫（热化），即约为禁带宽度 Eg 能量的热化电子空穴对的形成；热化电子空穴对到发光中心的能量转移和发光中心的激发；
第三阶段：处于激发态的发光中心发射紫外或可见荧光，即闪烁光。
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