各类闪烁晶体性能对比

常见无机闪烁晶体性能

闪烁晶体相对光输

出(%)

衰减时

间(ns)

发光波

长(nm)

折射率

@λmax

密度

(g/cm3)

潮解

性

硬度余辉

熔点（℃）

NaI(Tl)

碘化钠

100 250 415 强 2

掺铊碘化铯47 1000 550 轻微 2 %@6ms 621

CsI(Na) 掺钠碘化铯85 630 420 有 2

%@6ms 621

纯CsI

纯碘化铯4-6 16000 315 轻微 2

%@6ms 621

BGO

锗酸铋20 300 480 无 5

%@3ms 1050

L YSO

硅酸钇镥

75 41 420 无

<%@6ms 2050 辐射探测设备及核医学设备常用闪烁晶体如上表所示，主要有CsI

系列，NaI（Tl），BGO以及LYSO闪烁晶体。

NaI(Tl)有很高的发光效率，并且在发光波段没有明显的自吸收，对Χ射线和γ射线均有良好的分辨能力。在所有的闪烁晶体材料中，它是应用最广泛的一种，可用于核医学、石油地质勘探、高能物理、环境监测等领域。NaI（Tl）晶体的最大的优势在于其相对光输出较高，制成的探头成像较为清晰。且热稳定性较好，温度适应性较强，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（rad：拉德，辐射剂量单位）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。其具有较强的潮解性。

CsI系列闪烁晶体潮解性略优于NaI（Tl）晶体。CsI(Tl)晶体的光输出可达NaI(Tl)晶体的85%，发光主峰位在550nm，能与硅光电二极管很好地匹配，从而使读出系统大为简化。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本底下探测重带电粒子。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。特别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晶体的潮解性比CsI(Tl)弱得多。其发射光谱中含有一个波长在305nm的快分量(10ns) 和波长在350-600nm附近的慢分量(100-4000ns) 。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%。该晶体的应用有利于获得比较好的时间分辨率。

NaI（Tl）与CsI系列闪烁晶体有以下特点：1. 密度与原子序数较小，导致辐射长度较长，制成的探测器（尤其是大型探测器）体积较为庞大。2. 硬度较小，一方面晶体很容易切割，另一方面抛光好的晶体表面很容易被划伤3.余辉较长，导致成像效果较差（类似有重影）。

4.熔点较低，结晶性能较好，生长成本较低。

BGO晶体光输出较小，但密度较大，辐射长度较小，几乎没有余辉且不潮解，熔点适中，成本较低广泛应用于高能物理、核物理、空间物理、核医学、地质勘察和其它工业领域。

LYSO晶体具有不错的光输出，较短的衰减时间，较大的密度，不潮解且基本无余辉，是一种综合性能比较优秀的闪烁晶体，然而由于其原料成本较高，且熔点较高，导致晶体生长效率较低，成本较高，一般应用于高端辐射成像（医疗成像等）。

无机闪烁晶体

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) .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。 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

(整理)闪烁晶体市场概况

闪烁晶体市场概况 闪烁体是指在高能粒子或射线(如X射线、γ射线等)的作用下能够发出脉冲光的物体。它是光电功能材料，被广泛用于高能物理、核物理、空间物理、核医学、地质勘探、安全检查以及国防工业等领域。闪烁体在地球物理探矿中有广泛应用，一般通过60Co发出γ射线，通过另一地方接收到的信号就可以分析矿床情况；在石油勘探方面闪烁体发挥着重要作用；在医学领域，利用γ射线制成手术刀，监测γ射线的也是闪烁体；在焊接大型高压容器，宇航设备等无损探伤方面闪烁体也都起着关键作用；在机场安全检查以及货运集装箱的检查中广泛采用闪烁体作为探测器。下图给出了闪烁晶体的产业链及其应用领域。

注： 影像检测医疗器材：如全身正子摄影仪、单光子摄影仪、加马摄影仪、X光摄影仪 医药研究：临床前动物实验摄影仪，如micro-PET、micro-SPECT、micro-CT 农业生技：水果虫害检测、农作物营养吸收与成长等非破坏性检测 工业检测：核能与太阳能等能源工业元件非破坏性检测 安全检测：机场、海关安全检查，货柜安全检查 辐射防护：上述应用区域皆需辐射防护设备，环境监控仪器 图2 LSO:Ce闪烁晶体图片 二、行业基本状况及趋势 目前，闪烁晶体的发展正处于一个新的上升时期。近年来，在高能物理和空间研究、医学成像以及迅猛发展的工业检测和安全检察等众多高技术装备中正在愈来愈多地出现闪烁晶体的身影，闪烁晶体与人们愈走愈近。 国际上，从事闪烁晶体的开发工作的单位很多，如俄罗斯的BTCP，乌克兰的Amcrys-H，法国Crismatec，德国的Korth, Molecular Technology，美国的Bicron，Optovac，Rexon和CTI，英国的Hilger-Crystals，日本的Ohyo Koken Koyo和Shin-EtsuChemical，捷克的Crytur，中国的SIC(上海硅酸盐所)和BGRI(北京玻璃研究院)等。目前，从生产规模上看俄罗斯BTCP和中国上海硅酸盐所处于领先水平。 国内从事闪烁晶体生长和性能研究的单位也很多，但具有批量生产能力的单位却为数不多。近十年来，北京玻璃研究院与上海硅酸盐所联合或各自独立地参与了多项国际高能物理工程，确立了中国在国际闪烁晶体领域的重要地位，并树立了良好的国际形象。 目前大批量生产的多数大尺寸闪烁晶体都是从熔体中生长的，采用的方法有Czochralski法(晶体提拉法)和Bridgnian-Stockbarger(坩埚下降法)。国外主要采用

NaI(Tl) 闪烁晶体γ能谱测量

NaI(Tl) 闪烁晶体γ能谱测量 实验人：吴家燕学号：15346036 一、实验目的 1、加深对γ射线和物质相互作用的理解； 2、掌握NaI(Tl) γ谱仪的原理及使用方法； 3、学会测量分析γ能谱； 4、学会测定γ谱仪的能量分辨率、线性、探测效率曲线； 5、测定未知放射源的能量和活度。 二、实验原理 1、γ谱仪的组成 NaI(Tl)闪烁谱仪由NaI(Tl)闪烁探头（包括闪烁体、光电倍增管、前置放大器）、高压电源以及谱仪放大器、多道分析器、计算机等设备组成。图1 为NaI(Tl)闪烁谱仪装置的示意图。 2、射线与闪烁体的相互作用 当γ射线入射至闪烁体时，发生三种基本相互作用过程：（1）光电效应；（2）

康普顿散射；（3）电子对效应。 图2 为示波器上观察到的单能γ射线的脉冲波形，谱仪测得的能谱图。图3 是137Cs、22Na 和60Co 放射源的γ能谱。图中标出的谱峰称为全能峰。在γ射 线能区，光电效应主要发生在K 壳层。在击出K 层电子的同时，外层电子填补K 层 空穴而发射X 光子。在闪烁体中，X 光子很快地再次光电吸收，将其能量转移给光 电子。上述两个过程是几乎同时产生的，因此它们相应的光输出必然是叠加在一起的，即由光电效应形成的脉冲幅度直接代表了γ射线的能量（而非减去该层电 子结合能）。 3、137Cs 能谱分析 4、闪烁谱仪的性能 能量分辨率

探测器输出脉冲幅度的形成过程中存在着统计涨落。即使是确定能量的粒子的脉冲幅度，也仍具有一定的分布，其分布示意图如图4 所示。通常把分布曲线极大值一半处的全宽度称半宽度即 FWHM，有时也用表示。半宽度反映了谱仪对相邻脉冲幅度或能量的分辨本领。因为有些涨落因素与能量有关，使用相对分辨本领即能量分辨率η更为确切。一般谱仪在线性条件下工作，故η也等于脉冲幅度分辨率，即 对于一台谱仪来说，近似地有 对于单晶谱仪来说，能量分辨率是以137Cs 的0.662MeV 单能γ射线的光电峰为标准的，它的值一般在8-15%，最好可达6-7%。 能量线性刻度曲线 为检查谱仪的能量线性情况，必须利用一组已知能量的γ放射源，测出它们的γ射线在谱中相应的全能峰位置（或道址），然后，作出γ能量对脉冲幅度（或道址）的能量刻度曲线。这个线性关系可用线性方程表示，即 式中x p 为峰位，即道址；E0 为截距，即零道对应的能量；G 为斜率，即每道对应的能量间隔，又称增益。实验中用的γ核素能量列于表2 中。典型的能量刻度曲线如图5 所示。

NaITl闪烁晶体原理

附录一NaI(Tl)闪烁晶体 闪烁体按其化学性质可分为两类：一类是无机晶体闪烁体，通常是含有少量杂质(称为激活剂)的无机盐晶体，如碘化钠(铊激活)单晶体、即NaI(Tl)，碘化铯(铊激活)单晶体、即CsI(Tl)，硫化锌(银激活)、即ZnS(Ag)等；另一类是有机闪烁体，它们都是苯环碳氢化合物。闪烁体的发光机制比较复杂，在此对无机晶体闪烁体的发光机制作一些简要的定性介绍。 无机晶体闪烁体属离子型晶体，原子(离子)之间结合得比较紧密相互之间影响比较大，晶格中原子电子能级加宽成为一系列连续的能带。其中最低能量状态已为电子所填满，故称 为满带；价电子都处于稍高的能量状态，这种能带称为“价带”。若价带未填 满，则在外电场作用下将有净电流产生；若价带已填满，则必须有电子被激 发到更高的能带——导带上去，才能产生电流，此时价带上有一空穴，导带 上有一电子，即产生了一个自由电子——空穴对。价带与导带之间的空隙中 不存在电子能级，称为禁带；禁带有一宽度E g，它和晶体的导电性质密切相 关，导体在0.1eV左右，半导体在0.63—2.5eV之间，无机闪烁体为绝缘透 明物质，E g>3eV，NaI为7.0eV。 也存在另一种情况：在闪烁晶体中产生的电子——空穴对仍束缚着，称 为“激子”，它们在晶格中一起运动，在外电场中无净电流产生，其能带在导带之下，称为“激带”。自由的导带电子和价带空穴可以复合成激子，激子也可以吸收热运动能量变成自由电子——空穴对。 当核辐射进入闪烁体时，既可产生自由电子——空穴对，也可以产生激子。而后电子从导带或激带跃迁到价带，退激过程中放出光子；也存在着竞争过程——非辐射跃迁，即通过放热(晶格振动)退激。 有一点需要指出，纯的NaI晶体不是有效的闪烁体。一是因为相应禁带宽度的光子能量在紫外光围，不是可见光；二是退激发出的光子尚未逸出晶体就会被 晶体自身吸收。为了解决这一问题，在纯晶体中掺入少 量杂质原子(如Tl)，称为“激活剂”，它们成为发光中心， 形成一套激发能级，能量比导带低，而基态却比价带高， 这样跃迁产生的光子能量就比禁带宽度E g小，那么它 就不可能再使价带上的电子激发到导带上去，从而避免 自吸收。 碘化钠闪烁晶体能吸收外来射线能量使原子、分子 电离和激发，退激时发射出荧光光子。NaI(Tl)晶体的密 度较大(ρ=3.67g/cm3)，而且高原子序数的碘占重量的 85%，所以对γ射线的探测效率特别高，同时相对发光效率大；它的发射光谱最强波长为415nm左右，能与光电倍增管的光谱响应较好匹配。此外，晶体的透明性也很好，测量γ射线时能量分辨率也是闪烁体中较好的一种。 一个需要指出的问题是：在闪烁体的选取上要注意闪烁体对所测的粒子要有较大的阻止本领，以使入射粒子(特别是能量较大的粒子)在闪烁体中能损耗较多的能量而退激产生光子。原先使用的国产NaI(Tl)晶体尺寸为φ20×5mm，这一厚度对定标时测高能γ(E>1MeV)时的效率不够高，而且对高能β粒子的计数率也比较低；本装置的闪烁探测器采用的尺寸为φ20×20mm的NaI(Tl)晶体可以说是一大改进，一方面可以提高探测高能γ部分的效率，另一方面也提高了实验中高能β粒子的计数率。

智能制造之闪烁晶体产业发展概况

龙源期刊网 https://www.wendangku.net/doc/af19175052.html, 智能制造之闪烁晶体产业发展概况 作者：王莎莎李楠张欢何涛 来源：《中国科技纵横》2018年第15期 摘要：闪烁晶体是一种人工合成的、内部阵列有序的物质，在高能射线通过时可以激发出荧光脉冲。闪烁晶体能探测各种射线，具有密度高、性能稳定等优点，被广泛应用于高能物理、核物理、放射医学、地质勘探、防爆检测、安全检查、国防装备、无损检测等领域，是精准诊疗、智能制造和安检领域的关键材料之一，其产业规模目前仅次于半导体晶体，成为国际先进无机非金属材料产业竞争的前沿。 关键词：闪烁晶体；智能制造；发展概况 中图分类号：TL812.1 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2018）15-0222-02 1 前言 闪烁晶体在高端医疗行业的快速健康发展可促进全民健康梦更早更好地实现，此外在安检探测和工业CT等方面的应用也是智能制造不可或缺的关键领域，对制造业强国建设具有重要的支撑作用。在制造业领域，中国制造正向智能制造转变。本文将综述国内外闪烁晶体产业发展历程、应用领域等情况，针对目前我国存在的挑战和面临的问题，提出促进产业发展的建议与措施。 2 闪烁晶体的发展历程 2.1 卤化物闪烁晶体的发展速度超出氧化物闪烁晶体的发展 几年前，像BGO、PbWO4和LYSO这样的氧化物闪烁晶体一直是人们的关注重点，自从上世纪末荷兰Delft理工大学发现氯化镧和溴化镧等新兴稀土卤化物晶体的闪烁效应以来，世界上掀起了卤化物研究热潮。美国劳伦斯伯克利国家实验室又在BaI2的基础上发明了两种新的闪烁晶体Ba2CsI5∶Eu和BaBrI∶Eu，这些新型卤化物晶体尽管性能优良，但都存在一个致命的弱点—易潮解，从而给原料合成、晶体的加工和应用等造成许多障碍。 2.2 从单晶块体材料向多晶、薄膜、阵列和纤维材料的发展 闪烁单晶固然性能优良，但存在成本高、各向异性和大尺寸晶体生长比较困难的问题，与之相比，陶瓷和玻璃因具有各向同性、易加工和易于获得大尺寸等优点而成为近几年大家关注的热点。针对氧化物材料熔点高的缺点，美国、日本、德国等国家相继开展了闪烁陶瓷的研究，已经能够实现部分体系的工业化生产。最近几年，卤化物闪烁陶瓷、半导体透明陶瓷和具

中国功能晶体研究进展

185 https://www.wendangku.net/doc/af19175052.html, Volume 1 · Issue 2 · June 2015 Engineering 中国功能晶体研究进展 王继扬１*，于浩海１，吴以成２，Ｒｏｂｅｒｔ　Ｂｏｕｇｈｔｏｎ３ 摘要：功能晶体是现代科学技术发展的基础材料之一，在当前 信息时代发挥着重要和关键的作用。本文总结了若干功能晶体的研究进展，综述了中国功能晶体的现状及重大成就和重要应 用，讨论了功能晶体面临的挑战和机遇，提出了可能的发展方向。 关键词：功能材料，激光晶体，非线性光学晶体，闪烁晶体，弛豫型铁电晶体，半导体 1?引言 晶体是具有长程有序的固体材料，功能晶体是力、热、电、磁、光、声等各种能量形式转化的媒介，是现代科学技术发展的基础材料之一。例如，众所周知的宝石——金刚石晶体由于其极高的硬度、优越的热学和电导性能，掺杂后还有半导体性质，是一种优秀的功能晶体；单晶硅是集成电路的基础，推动了计算机及其相关技术的蓬勃发展，使人类进入了信息时代。功能晶体的人工制备始于1900年法国科研工作者生长人工红宝石 (刚玉) 晶体用于制造手表轴承。人工晶体是针对特定需求而专门生长的高纯度和高度完整性单晶体，在现代科学技术中，人工晶体起着关键作用。 根据主要效应和应用，功能晶体可分成：激光晶体、非线性光学晶体、电光晶体、压电晶体、热释电晶体和闪烁晶体等。此外，大多数半导体晶也具有功能效应，属于功能晶体。目前，功能晶体在众多先进光电子和微电子设备起到了不可或缺的作用。 激光是20世纪四大发明之一，激光晶体是其核心和物质基础，标志着激光器的发展历程。1960年，Maiman 以红宝石晶体 (Cr 3+:Al 2O 3) 为激光介质，发明了首台激光器，标志着激光的产生[1]；20世纪70年代，掺钕钇铝石榴石 (Nd:Y AG) 激光晶体首次实现激光输出，推动了中高功率激光的发展；20世纪80年代，钛宝石 (Ti:Al 2O 3) 激光晶体的发展奠定了可调谐激光器 (范围为660~1100 nm) 和超快、超强激光器的基础。20世纪80年代晚期，激光二极管的商业化促进了全固态激光器的迅速发展；20世纪90年代，掺钕钒酸钇 (Nd:YVO 4) 晶体生长瓶颈的克服，促进了高效、紧凑全固态激光器和激光技术的广泛应用。 通常情况下，一种激光器仅发射一种或数种具有特定波长的激光，不同的应用和需求需要不同波长的激光。非线性光学晶体可通过非线性光学效应产生不同波长激光。非线性光学效应是指当激光通过非线性光学介质时，会诱发非线性光学介质的非线性极化，从而产生非线性谐波，如倍频、差频、和频、光参量振荡和光参量产生等。具有非线性光学效应的晶体称为非线性光学晶体。 本文概述了中国功能晶体的最新研究进展，涉及激光晶体、非线性光学晶体 (包括深紫外、可见、红外以及太赫兹波段等) 、闪烁晶体、弛豫铁电体和宽禁带半导体晶体等，并讨论了可能的发展方向。 2?功能晶体现状 2.1?激光晶体 激光晶体是可以通过电泵浦或者光泵浦实现激光输 1 State Key Laboratory of Crystal Materials, Shandong University, Jinan 250100, China; 2 Technical Institute of Physics and Chemistry, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100080, China; 3 Department of Physics and Astronomy, Bowling Green State University, Bowling Green, OH 43403-0001, USA * Correspondence author. E-mail: jywang@https://www.wendangku.net/doc/af19175052.html, Received 22 June 2015; received in revised form 28 June 2015; accepted 30 June 2015 ? The Author(s) 2015. Published by Engineering Sciences Press. This is an open access article under the CC BY license (https://www.wendangku.net/doc/af19175052.html,/licenses/by/4.0/)英文原文：Engineering 2015, 1(2): 192–210 引用本文：Jiyang Wang, Haohai Yu, Yicheng Wu, Robert Boughton. Recent Developments in Functional Crystals in China. Engineering , DOI 10.15302/J-ENG-2015053 Advanced Materials and Materials Genome—Review Research

闪烁晶体锗酸铋发光光谱的研究进展

１　引言 锗酸铋是一种具有闪烁性能的人工合 成单晶，目前多指Ｂｉ ４Ｇｅ ３ Ｏ１ ２ 晶体，简称 ＢＧＯ。ＢＧＯ最先是由瑞士ＲＣＡ公司的Ｎｉｔｓｃｂｅ于１９６５年合成的　［１］，１９７３年Ｗｅｂｅｒ和Ｍｏｃｈｍａｍｐ第一次发现了ＢＧＯ的闪烁性能［２］，Ｗｅｂｅｒ等人的研究表明ＢＧＯ晶体是一种性能优良的闪烁晶体，从而点燃了人们对ＢＧＯ晶体的研究热情。 ２晶体结构和闪烁性能 ＢＧＯ晶体属于立方晶系，　闪铋矿结构，其晶胞常数为１．０５　ｎｍ。其晶胞是由ＧｅＯ ４ －４四面体和Ｂｉ３＋组成的，　单位晶胞内包含４个 Ｂｉ ４Ｇｅ ３ Ｏ １２ 分子。Ｂｉ３＋离子处于六个ＧｅＯ ４ － ４四面体的空隙中，每个ＧｅＯ ４ －４四面体贡献一个Ｏ组成Ｂｉ３＋离子六配位氧的畸变八面体。 ＢＧＯ晶体密度大、熔点低、没有解 理面、易于生长。在物理方面，它具有 良好的光学性能。机械性能也很优异，比 如机械强度较高，硬度为５。压电性能良 好，光电转换效率高，热学性能稳定。在 化学性能方面，ＢＧＯ晶体不易潮解，虽溶 于盐酸或硝酸但不溶于水或有机溶剂。这 些特点使它非常适合做闪烁晶体［３］。和其他 闪烁晶体相比，其能量分辨率好，衰减时 间最短，辐照长度也是最小的［４］。ＢＧＯ晶 体发射光谱的中心位置在４８０ｎｍ，与探测 器的光谱相应匹配，再加上其无自然双折 射率、无旋光性的光学特点，使之更加接 近理想闪烁晶体。 ３　稀土掺杂ＢＧＯ晶体的发光研究 ３．１热释光光谱研究 Ｓ　Ｇ　Ｒａｙｍｏｎｄ［５］对掺杂稀土元素的ＢＧＯ 晶体的低温光谱进行了研究（包括 Ｄｙ ２ Ｏ ３ 、Ｓｍ ２ Ｏ ３ 、Ｅｒ ２ Ｏ ３ 、Ｅｕ ２ Ｏ ３ 、 Ｔｂ ２ Ｏ ３ 、ＨＯ ２ Ｏ ３ 、Ｔｍ ２ Ｏ ３ 掺杂的ＢＧＯ晶 体），并分析了各发光峰可能对应的能级 跃迁。 Ｓｏ　Ｚａｌｄｏ和Ｍｏｙａ［６］对掺杂ＢＧＯ的热释 光光谱做出解释，认为较宽的热发光波段 可能与氧原子格点的空穴有关。在低温 下，紫外线辐照可产生大量空穴并释放电 子，空穴随着温度的上升而变得不稳定， 而电子可以被某些Ｂｉ３＋离子捕获，从而产生 Ｂｉ２＋。随温度的升高，空穴既可以再次被 氧离子晶格所捕获，又可与Ｂｉ２＋再次结合， 产生激发态的Ｂｉ３＋离子，并且发光。 ３．２　阴极发光光谱研究 Ｒ．　Ｋｉｂａｒａ［７］等人对ＢＧＯ晶体在温度为 ３００Ｋ和４０Ｋ的阴极发光光谱进行了研究。 未掺杂的ＢＧＯ晶体发光中心波长为 ４９０ｎｍ，掺杂了Ｎｄ和Ｅｕ的ＢＧＯ晶体峰值 在４９０ｎｍ，５２０ｎｍ，５３８ｎｍ，并且４０Ｋ时 发光峰更为锐利。Ｒ．　Ｋｉｂａｒａ等人的实验证 明稀土离子可以提供更为有效的辐射衰变方 式。 ３．３　荧光光谱研究 Ｔ．　Ｔｓｕｂｏｉ［８］等人对Ｅｕ３＋掺杂的ＢＧＯ晶 体的低温荧光光谱进行了研究。发现温度 在１６Ｋ时，在３９４ｎｍ和４６４ｎｍ出现很强的 吸收峰，另外还观察到一些弱的吸收峰。 当温度从１６Ｋ上升到室温２９６Ｋ时，所有吸 收谱线都有所左移，如５７９．４８ｎｍ上升到 ５７９．２１ｎｍ。在１０Ｋ下使用５７９．６９ｎｍ的光进 行激发，可以得到了一系列激发谱线。 Ｗｅｉ［９］等人在常温下对掺杂Ｅｕ的ＢＧＯ晶体 的光谱进行了研究，同样观察到了４６２ｎｍ 和３９４ｎｍ的两个强吸收峰。 ４　发展前景 ４．１　合成ＢＧＯ单晶纤维 近年来，纤维因其具有广泛的应用而 成为研究焦点，但由于受限于尚不成熟的 纤维单晶生长技术，纤维单晶的应用还有 待推广。据文献报道，Ｈ．　Ｆａｒｈｉ［１０］等人已 经成功合成了ＢＧＯ单晶纤维，且其性能优 异，具有很好的应用前景。 ４．２　增强ＢＧＯ晶体的吸收率 提高ＢＧＯ晶体对Ｘ射线、γ射线的吸 收能力，可以使ＢＧＯ探测器更广泛地应用 于工业生产、辐射探测以及医疗等领域。 增强ＢＧＯ晶体对中子的敏感程度，通过与 其他材料共同制成的探测器，可以应用于 对核材料辐射的探测和控制，无论军事还 是民用都具有重要意义。 ４．３　ＢＧＯ晶体的磁光特性的研究 ＢＧＯ晶体具有较强的磁光效应，其磁 光性能可以满足光纤电流传感器的需求， 另外，ＢＧＯ晶体还是性能优良的电光晶 体，使得电压与电流的传感可以结合为一 体。如果能够进一步利用同一块晶体来同 时测量高压线上的电流、电压和电功率， 闪烁晶体锗酸铋发光光谱的研究进展张昊１，２　吴星艳１，２　王亚芳１，２ ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００１－８９７２．２０１０．１９．０１３ 基金项目：中国地质大学（北京）本科生创新实验基金项目

闪烁体材料比较

晶体 密度 g/cm3发光峰波 长/nm γ闪烁 效率 发光衰减 时间/ns 能量分辨 率137Cs% 是否 潮解 NaI(Tl) 3.67 415 100 230 7.0 强CsI(Tl) 4.51 550 45 1000 9.0 微CsI(Na) 4.51 420 85 630 弱BGO 7.13 480 15 300 9.5 否LSO:Ce 7.40 420 75 40 12.0 否GSO:Ce 6.71 440 30 60 7.8 否YAP:Ce 5.55 350 40 24 否LaBr3:Ce 5.30 380 16 3.2 强

应用领域各领域的要求 医学X-CT 高光输出，快衰减时间，低余辉，高X射线吸收系数 PET 高密度(> 7g/cm3)，快衰减时间(< 100ns)，高光输出(> 8500 photons/MeV) 石油测井大体积，高Z值，快衰减时间，高光输出，能量分辨率好，高温可用，抗震能力强工业X-CT 高光输出以满足高透射测量，高密度以满足空间分辨率 高能物理高密度(强吸收，Moliere radius较小)，快衰减时间，高辐射强度，价格低 核物理能量分辨率好，快衰减时间，高光输出以满足高探测效率 天体物理能量分辨率好，灵敏度高(10 -5～10 -7 photons/cm2 s-1)，抗硬射线辐射，温度系数好

光电倍增管的原理图 光电倍增管（PMT）是一种能把微弱光信号转变为电信号的真空光探测器件，具有极高灵敏度和超快时间响应。优异的灵敏度（高电流放大和高信噪比）主要得益于使用了基于多个排列的二次电子发射系统。它能够使电子在低噪声条件下得到倍增。PMT的原理是光阴极在光子的作用下向真空中激发出光电子，这些电子被外电场（或磁场）加速，经过聚焦、汇聚于第一次极，这些冲击次极的光电子能使第一次极释放更多的电子，它们再被聚焦在第二次极，这样一直经过大约十次以上倍增，放大倍数可达到108～1010。最后，在高电位的阳极收集到放大了的光电流并输出，进入后续电路供分析研究。光电倍增管阳极输出电流跟输入光电子数成正比。 光电倍增管有三个缺点：①灵敏度会由于强光照射或者因为照射时间过长而降低，停止照射后又部分的恢复，这种现象称为“疲乏”；②光阴极表面各点灵敏度不均匀；③光电倍增管是通过加上千伏的高压实现高增益的，而增益的获得依赖于打拿极间电子倍增实现，因此限制了其在强磁场中的应用

石榴石系列闪烁晶体的研究进展

第43卷第7期2015年7月 硅酸盐学报Vol. 43，No. 7 July，2015 JOURNAL OF THE CHINESE CERAMIC SOCIETY https://www.wendangku.net/doc/af19175052.html, DOI：10.14062/j.issn.0454-5648.2015.07.06 石榴石系列闪烁晶体的研究进展 汪超1,2，任国浩2 (1. 中国科学院大学，北京100864；2. 中国科学院上海硅酸盐研究所，上海200050) 摘要：主要对石榴石系列闪烁晶体近10多年的研究和发展情况进行了梳理。介绍了Pr、Ce掺杂的(Lu,Y)AG晶体中不同发光中心的发光机理、能量的传递、载流子再束缚过程等；阐述了反位缺陷(antisite defect, AD)对发光中心发光性能的影响及其作用机制；用带隙工程理论分析了Gd、Ga掺入可以消除AD缺陷副作用的机理。展示了新型石榴石晶体Gd3(Ga5–x Al x)O12:Ce(GGAG:Ce)晶体的光产额和能量分辨率，预计这类多组分掺杂将把石榴石晶体的发展引入一个新的阶段。关键词：石榴石晶体；闪烁性能；反位缺陷；掺杂 中图分类号：O78; O734 文献标志码：A 文章编号：0454–5648(2015)07–0882–10 网络出版时间：2015–05–27 18:47:31 网络出版地址：https://www.wendangku.net/doc/af19175052.html,/kcms/detail/11.2310.TQ.20150527.1847.023.html Recent Studies on Garnet Scintillation Crystals WANG Chao1,2, REN Guohao2 (1. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100864, China; 2. Shanghai Institute of Ceramics, Chinese Academy of Sciences, Shanghai 201800, China) Abstract: Recent development on garnet scintillation crystals studies was reviewed. Pr or Ce-doped (Lu,Y)AG crystals are introduced from structure, growth and scintillation characteristics. The scintillation mechanism, energy transfer and carriers-retrapping process of activators as well as the influence of antisite defects on their characterization were depicted. Antisite defects, which are suggested to be responsible for the slow components, were found to result from the high growth temperature, and could be eliminated by the incorporation of Gd and Ga ions. A compound of Gd3(Ga5–x Al x)O12:Ce presents an optimum light yield and a superior energy resolution among the existing oxide scintillators. The multi-components promote the development of garnet single crystal scintillators. Key words:garnet crystal; scintillation property; antisite defects; doping effect 无机闪烁晶体材料在高能粒子探测、核物理、医学成像设备如X-CT及正电子断层扫描仪(PET)等方面有很广泛的应用[1]。近几十年来，现代医学诊断技术对于高分辨清晰成像的迫切需求激发了人们对高密度、高光输出和快衰减闪烁材料的研究兴趣，从最初的NaI:Tl，到后来的锗酸铋(Bi4Ge3O12，BGO)、硅酸钆(Gd2Si2O7:Ce，GSO)和掺钇硅酸镥(Lu1.8Y0.2SiO5:Ce，LYSO)等，现在比较看好的是焦硅酸镥(LPS)、镥铝钙钛矿(LuAP)和具有石榴石结构的晶体如Lu3Al5O12:Pr和Gd3Ga3Al2O12:Ce等新型闪烁晶体[2?4]。 石榴石原指自然界存在的形似石榴籽的等轴状硅酸盐矿物，但人工合成的石榴石晶体主要以铝酸盐为主，石榴石具有一致熔融、物化性能稳定等特点，其典型代表是用作激光晶体的Nd掺杂钇铝石榴石(Y3Al5O12:Nd, YAG:Nd)，该晶体自上世纪60年代以来，一直作为固体激光器的首选材料[5]。直到上世纪80年代，Ce激活的钇铝石榴石Y3Al5O12:Ce 收稿日期：2014–12–16。修订日期：2015–03–08。 基金项目：国家自然科学基金(51202276)；上海硅酸盐研究所创新项目基金(Y39ZC2130G)资助。 第一作者：汪超(1990—)，男，硕士研究生。 通信作者：任国浩(1961—)，男，博士，研究员。Received date:2014–12–16. Revised date: 2014–03–08. First author: WANG Chao(1990–), male, Master candidate. E-mail: wangchao@https://www.wendangku.net/doc/af19175052.html, Correspondent author: REN Guohao(1961–), male, Ph.D., Professor. E-mail: rgh@https://www.wendangku.net/doc/af19175052.html,

新型闪烁晶体SrI_2：Eu及研究进展

秦来顺等：新型闪烁晶体SrI 2 :Eu及研究进展· 1977 · 第38卷第10期 新型闪烁晶体SrI2:Eu及研究进展 秦来顺1，史宏声1，舒康颖1，任国浩2 (1. 中国计量学院材料科学与工程学院，杭州 310018；2. 中国科学院上海硅酸盐研究所，上海 201800) 摘要：SrI2:Eu是一种性能优异的闪烁晶体，具有较大的原子序数、高的光输出、极低的能量分辨率和较小的余辉时间等优点。SrI2:Eu晶体适合于元素同位素甄别、安全检查及工业和医学X射线断层扫描、超高分辨X射线成像等领域。综述了新型闪烁晶体SrI2:Eu的闪烁性能和晶体生长研究成果；评述了晶体应用与晶体生长发展的方向；同时指出了该晶体开发过程中应解决的主要问题，如：原料处理、晶体生长、闪烁机理和器件应用等方面还需进一步加以研究，以推动该晶体的应用。 关键词：碘化锶晶体；晶体生长；闪烁性能 中图分类号：O731 文献标志码：A 文章编号：0454–5648(2010)10–1977–05 RESEARCH PROGRESS OF A NEW SCINTILLATION CRYSTAL SrI2:Eu QIN Laishun1，SHI Hongsheng1，SHU Kangying1，REN Guohao2 (1. College of Materials Science and Engineering, China Jiliang University, Hangzhou 310018; 2. Shanghai Institute of Ceramics, Chinese Academy of Sciences, Shanghai 201800, China) Abstract: SrI2:Eu crystal is an excellent scintillation crystal with relatively large effective atomic number, high light output, very small energy resolution, and relatively low afterglow time. It is very suitable for application in nuclear isotope identifiers and security inspection, and potential for industrial and medical computer tomography, high resolution X-ray imaging, etc. The scintillation prop-erty and crystal growth of the new scintillator SrI2:Eu crystal are reviewed in the paper. The application of SrI2:Eu crystal is described. Also some investigations necessary required for SrI2:Eu development are identified, such as raw materials processing, large crystal growth with high quality, scintillation mechanism and scintillator application. Key words: strontium iodide crystal; crystal growth; scintillation property 自从1948年Hofstadter[1]发现在γ射线激发下NaI(Tl)晶体产生闪烁发光，闪烁晶体开始用于探测X射线、γ射线和其它高能粒子，在各种高能物理、低能物理、天文物理等科学实验，加速器、油井探测、核医学、工业CT(computer tomography)及安全检查等领域得到了广泛的应用。2001年荷兰Delft 理工大学发明了新型闪烁晶体LaBr3:Ce，[2–5] LaBr3:Ce具有较高的密度(5.3g/cm3)、高光输出[60×103 photon (Ph)/MeV]、良好的能量分辨率(在能量为511keV时为3%)和快衰减时间(25ns)的优点，其性能全面超越了传统高光输出闪烁晶体NaI(Tl)和CsI(Tl)。但该晶体生长条件苛刻，原料价格昂贵，致使市场价格居高不下，在核辐射探测和安检设备方面的应用受到一定的限制。除了LaBr3:Ce晶体外，具有优异闪烁性能的LuI3:Ce晶体(光输出约为50×103 Ph/MeV，衰减时间为31ns)，由于其六方层状的生长习性，使该晶体生长困难，至今未得到较大尺寸的晶体样品。[5–6] 闪烁晶体在安检设备领域存在的巨大市场促使人们不断研发新的闪烁晶体材料，同时也关注和开发部分尚未研究清楚的已发现的闪烁晶体材料。1968年，Hofstadter[7]发现了SrI2:Eu晶体的闪烁性能，对该晶体申请了专利，但是，在此之后SrI2:Eu 晶体并未应用于辐射探测器。2008年美国Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL)和Lawrence Berkeley National Laboratory (LBNL)的科研人员重新 收稿日期：2010–02–28。修改稿收到日期：2010–04–09。基金项目：国家自然科学基金(11075147)资助项目。 第一作者：秦来顺(1978—)，男，博士，副教授。Received date:2010–02–28. Approved date: 2010–04–09. First author: QIN Laishun (1978–), male, Ph.D., associate professor. E-mail: sicqls@https://www.wendangku.net/doc/af19175052.html, 第38卷第10期2010年10月 硅酸盐学报 JOURNAL OF THE CHINESE CERAMIC SOCIETY Vol. 38，No. 10 October，2010

常用闪烁晶体及材料物理性能

常用闪烁晶体及材料物理性能 材料名称碘化钠 Nal(TI)碘化铯 CsI(Na) 氟化钡 BaF2 氟化钙 CaF2(Eu) 锗酸铋 BGO 钨酸铬 CdWO4 钨酸铅 PbWO4 铝酸钇 YAP:Ce 硅酸扎 GSO:Ce 硅酸镥 LSO:Ce 折射率 n 1.77-1.85 1.84 1.54low 1.50high 1.47 2.15 2.3 2.16 1.94 1.85 1.82 膨胀系数K-147.4x10-649 x 10-618.4 x 10-619.5 x 10-67 x 10-610.2 x 10-6 发射波长nm415520220:310435480470: 540420;450390450440截止波长nm320300135395320 衰减常数ns2506300.7；6300.94vs3005ms；20ms<10; 36035 (10)6040 [%ofNaI(Tl)]100855；165015 - 2025 - 300.3fast 0.2slow 403075 余辉[%]after 6ms 0.5 - 5.0 after 6ms < 0.3 After 3ms 0.005 After 3ms 0.1

光产额Pho/MeV γ38 x 10340 x 103 6.5 x 103 2.5 x 103 19 x 1038 - 10 x 103 1.2 - 1.5 x 1018 x 103 潮解性yes yes no no no no no no no no 解理面100no111111no010 辐射长度cm 2.59 1.85 2.06 1.12 1.000.85 1.83 1.39 1.14辐照硬度rad103>103105-7104-5103-8>106106>108>106比重g/cm3 3.67 4.51 4.88 3.187.137.98.28 5.35 6.317.41硬度莫氏 2.22345 4.28.5 熔点℃65062113541418105016851123187519502050

工业X-CT用闪烁晶体性能的MCNP

东华理工大学毕业设计(论文) 摘要 摘要 工业X-CT虽在原理上与医学X-CT相类似，但在系统结构设计和对X射线探测及扫描方式等方面二者却存在极大的差异，其系统结构设计将因被检测对象的不同而进行个性化的设计，因而对闪烁晶体的尺寸难于做到统一的标准尺寸，且晶体中还掺入了对人体有剧毒的杂质Tl和Cd等元素，这样对系统结构设计及人为操作方面带来困难。基此，针对工业X-CT系统中如何实现对X射线的高效探测问题，本论文采用蒙特卡罗方法，模拟研究了CsI(T1)、NaI(T1)、CdWO4 闪烁晶体与X射线作用后，其在能量分布、全能峰效率及闪烁体转换效率方面的性能。研究结果发现，CsI（Tl）闪烁晶体在全能峰效率，闪烁体转换效率，光特性及易于加工等方面，综合性能最优，它可以作为工业X-CT系统中对X射线高效探测的理想选择，当CsI(T1)晶体长度为1.5cm时，X射线能量为220keV时，探测器的全能峰效率高达62.3%，转换效率高达74.3%。这一结果可以给X-CT系统结构设计及操作方面带来重大参考价值。 关键词：工业X-CT；闪烁晶体；MCNP

ABSTRACT Industrial X-CT is similar with the medical X-CT in principle, but there are great differences between system architecture design and X-ray detection and scanning,besides,the system design will be designed personalizely due to different detected object, and thus the size of s cintillation crystals can’t achieve a uniform standard , and the crystal mixed with impurities such as Tl and Cd elements are also highly toxic to humans.Thus,it brings difficult to system architecture design and man-caused operational. Based on this, this paper takes Monte Carlo method for how to achieve efficient detection of X-ray problem in industrial X-CT system,and simulate energy distribution, the peak efficiency all-round performance of CsI (Tl), NaI (T1), CdWO4scintillation crysta after they acted with the role of X-ray.The results showed that, CsI (T1) scintillation crystal has optical properties in the all-round peak efficiency, scintillator conversion efficiency, and easy processing, etc. It can be used as ideal for X-ray high efficiency probe in industrial X-CT system. when the crystal length is1.5cm,and X-ray energy 220keV, the detector efficiency reached as high as 62.3% and all-round peak conversion efficiency as high as 74.3%. This result can bring great reference value of X-CT system design and operation of significant aspects. Key words: Industrial X-CT; scintillation crystal; MCNP