无机闪烁晶体
闪烁体材料比较
晶体密度g/cm3发光峰波长/nmγ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。
无机闪烁晶体及其应用
工业 CT 发电汽轮机 高温高压下 安全检查
海军水下设施 安全检查
大型集装箱正在接受核探测检查
结语
1. 应用 方兴未艾 前景广阔 2. 核探测技术关键是探测器
无机闪烁晶体是核心元件 新型闪烁晶体 快速 高效 耐辐照 材料科学 化学 固体物理 晶体生长 3. 核探测技术 ----- 技术集成 新材料 电子技术 计算机技术 成象 图象重建
发光机制
闪烁晶体的基本参数
密度 辐射长度 发射光谱 ( 发射峰值波长 ) 透射光谱 ( 吸收光谱 ) 光输出 衰减时间 抗辐照性能 吸湿性 机械性能
无机闪烁晶体的种类
氧化物 复合氧化物 氧化物 ((复合氧化物)) 锗酸盐 BGO 硅酸盐 BSO 钨酸盐 PWO 卤化物 氟化物 BaF2
CeF3
荧光
高能射线
电信号
闪 烁 晶 体
光 电 转 换
读 出 系 统
主要高能物理实验装置
项目 名称 探测器 地点 闪烁晶体 晶体数量
正负电子对撞机 大型正负电子对撞机 LEP CLEO II L3 Cornell CERN University CsI:Tl BGO 7800 11500
B 介子工厂 B-Factory BaBar SLAC CsI:Tl 10000
碘化物 NaI:Tl CsI:Tl
琳琅满目的无机闪烁晶体
锗酸铋(BGO)晶体氟化钡(ຫໍສະໝຸດ aF2)晶体无机闪烁晶体的应用
基础研究 高能物理 核物理 化学 医学诊断 X射线断层扫描 (XCT ) 正电子发射断层扫描( PET ) 工业 应用 断层扫描 仪(工业 CT) 油井勘探 隐藏爆炸物检测
核探测原理图
无机闪烁晶体及其应用
殷之文 中国科学院上海硅酸盐研究所
(整理)闪烁晶体市场概况.
(整理)闪烁晶体市场概况.-CAL-FENGHAI-(2020YEAR-YICAI)_JINGBIAN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。
导模法生长无机闪烁晶体
闪烁晶体的发光原理：
激活剂的基态和激发态分别位于禁带的上下两部分。当价态中的激 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,由激发态返回到基态时释放能量并发出 具有特定波长的闪烁脉冲光。
无机闪烁晶体的分类: 常用的无机闪烁晶体材料通常可以分为氧化物型和卤化物型两大类。 主要的氧化物型闪烁晶有BGO、PWO、YAG等，它们大多具有密度高、 衰减快和物化性能稳定等优点。传统的卤化物型闪烁晶体主要以碱 金属碘化物为代表，如 NaI、CsI等，它们具有很高的光产额，同 时也具有较好的能量分辨率和时间分辨率。
2.闪烁晶体
闪烁晶体的定义： 当高能射线（如X射线，γ 射线)或其它放射性粒子,通过某些晶体 时，因射线或粒子的激发, 该类晶体会发出荧光脉冲(闪烁光)，具 有这种性质的晶体称为闪烁晶体。 闪烁晶体的应用: 闪烁晶体可用于X射线、γ 射线、中子及其他高能粒子的探测，经 过100多年的发展，以闪烁晶体为核心的探测和成像技术已经在核 医学、高能物理、安全检查、工业无损探伤、空间物理及核探矿等 方面得到了广泛的应用。
导模法生长无机闪烁晶体
主要内容 1.导模法
2.无机闪烁晶体
1.导模法(EFG)
导模法的定义及原理： 从熔体中制取单晶材料的方法之一，类似于提拉法，又叫边缘限定 薄膜供料法（Edge-defined Film-fed Growth technique）。它是将留 有毛细管狭缝的模具放在熔体中，熔液借毛细作用上升到模具顶部， 形成一层薄膜并向四周扩散，同时受子晶诱导结晶，模具顶部的边 缘可控制晶体呈片状、管状或所需的某种几何形状产出。
晶体生长过程中（国外文献截图）
导模法生长晶体的优点： 1.纵向温度梯度大，生长速度快，效率高。 2.可直接生长一定形状的晶体，如：片状，条状，柱状，桶状等各 种形状，不用切割只需简单加工就可直接使用，节约成本。 3. 熔体在毛细管中的对流作用非常弱 , 晶体在生长过程中由分凝现 象排出的过剩溶质 , 只有靠扩散向熔体主体中运动 , 因此 , 该方法 容易得到成分均匀的掺杂晶体。 4.光学均匀性较好
NaI(Tl)闪烁晶体基本知识
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范围，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。
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 1.85 3.67 强 20.3-0.5%@6ms651CsI(Tl) 掺铊碘化铯47 1000 550 1.79 4.53 轻微 20.5-5%@6ms621CsI(Na) 掺钠碘化铯85 630 420 1.84 4.51 有 20.5-5%@6ms621纯CsI 纯碘化铯4-6 16000 315 1.95 4.51 轻微 20.5-5%@6ms621BGO 锗酸铋20 300 480 2.3 7.13 无 50.005%@3ms1050L YSO 硅酸钇镥75 41 420 1.81 7.1 无 5.8<0.1%@6ms2050 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。
闪烁体发光机制
退激过程将可能发出光子，也可能变成晶格振 动能而不发光。
出现的问题：
A）对纯离子晶体，退激发出的光子容易被晶体 自吸收，传输到晶体外的光子很少； B）由于离子晶体禁带宽度大，退激发出的光子 能量为紫外范围，一般光电倍增管的光阴极不能 响应，这些发射的光子不能被有效利用。
解决办法：在晶体中掺入少量杂质。
③ 激发态是亚稳态，电子可以在此状态保 亚稳态 持一段较长的时间，像掉入陷阱一样。 这些电子可以从晶格振动中获得能量，重新 跃迁到导带，然后再通过发射光子而退激， 因而发光的衰减时间较长，称之为 “磷光”； 较长 它常常是闪烁体的本底光或 本底光 “余辉”的重要来 源。
2) 有机闪烁体的发光机制
晶体中电子的能态不 再用原子能级表示， 而用“能带”来描述。 晶体的发光机制 取决于整个晶体 的电子能态。 导带 激带 禁带 价带
对于离子晶体，辐射射入闪烁体使晶体原子 电离和激发。 结果使得价带中的一些电子由原来位置跃迁过 禁带而进入导带，成为自由电子，同时在价带 中形成空穴。（电离） 电子也可能跃迁到较低的激带，这时产生的电 子－空穴对称之为激子。激子只能在晶格中束 缚在一起运动。（激发） 导带上的自由电子和价带空穴可以复合成激 子，相反，激子也可以受热运动而变成自由电 子
价带
激发态的杂质原子有三种可能的退激方式： 退激方式
① 电子从激发态立即跃迁回基态，发射出光子， 发光的衰减时间通常在10-7s以内，称为“荧光”。 荧光光子为可见光的范围，且有效地 克服了发 可见光 克服 光的自吸收，使晶体的发射光谱和吸收光谱有 自吸收 效的分离。 ② 电子把激发能转换为晶格的振动(热运动)而 到达价带，并不发射光子，这种过程称为“猝灭 过程”。 这是无效的消耗入射粒子能量的过程;
闪烁晶体性能测试方法及应用研究
闪烁晶体性能测试⽅法及应⽤研究闪烁晶体性能测试⽅法及应⽤研究闪烁晶体⾃问世以来，在⾼能物理、核物理、核医学成像、⽯油测井、地质勘探以及⼯业⽆损检查等领域取得⼴泛应⽤。
为了对⼤型核医学成像设备及核探测仪器中晶体的选⽤提供参考，本⽂研究闪烁晶体的发光衰减时间、光输出强度、能量分辨率和余辉等闪烁特性，并通过原理框图、实验仪器与操作、数据处理以及误差分析详细叙述闪烁晶体的性能测试技术。
基于测试技术测试了锗酸铋BGO、掺铊碘化铯CsI(Tl)、掺铯溴化镧LaBr3: Ce以及硅酸钇镥L YSO四种闪烁晶体的性能，并结合物理特性分析它们在各领域应⽤的优劣势；同时针对⽅形LYSO晶体样品，研究三种不同尺⼨晶体性能的差异。
最后，对性能测试实验中晶体的不同放置⽅式以及对晶体加热来缩短余辉时间展开研究。
关键词：闪烁晶体，测试技术，探测器，光电倍增管第⼀章引⾔本章是全⽂的引⾔部分，主要介绍论⽂的研究背景及意义，简要分析国内外关于闪烁晶体材料和晶体性能测试的研究现状，进⽽提出本论⽂的研究内容，并对论⽂结构安排进⾏说明。
1.1 研究背景及意义闪烁晶体材料因其丰富的特性、优良的性能成为材料科学领域内的⼀⼤研究热点。
相⽐于液体、塑料⾼分⼦以及荧光粉等闪烁材料，⽆机闪烁晶体具有体积⼩、密度⾼、物理特性和闪烁性能优良等显著特点，在核医学、核物理、⼯业CT 以及安全稽查领域取得了⼴泛的发展。
因为不同领域对闪烁晶体材料特性的需求各异，所以对闪烁晶体性能的测试⼯作⽆论在科学研究还是⼯业应⽤中都显得尤为重要。
⽬前，在⾼端核医学领域发展迅猛的正电⼦发射断层扫描技术（Positron Emission Tomography，PET）进⼀步推动了⽆机闪烁晶体的发展，从最初应⽤到PET中的碘化钠NaI(Tl)晶体，到锗酸铋Bi4Ge3O12（BGO）晶体，再到如今性能更加优良的硅酸钇镥Lu2(1-x)Y2xSiO5（LYSO）晶体，新型闪烁晶体在⾏业进步的推动下不断涌现。
各类闪烁晶体性能对比
各类闪烁晶体性能对比 Prepared on 24 November 2020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100250415强2掺铊碘化铯471000550轻微2%@6ms621CsI(Na)掺钠碘化铯85630420有2%@6ms621纯CsI纯碘化铯4-616000315轻微2%@6ms621BGO锗酸铋20300480无5%@3ms1050L YSO硅酸钇镥7541420无<%@6ms2050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。
中子闪烁体材料
中子闪烁体材料中子闪烁体是一种能检测和测量中子的材料。
它利用中子与材料中的原子核发生核反应时释放出的能量激发闪烁效应，进而产生光信号。
中子闪烁体在核物理、核能、辐射测量以及核医学等领域中具有重要的应用。
中子闪烁体材料的选择很关键，它需要满足以下几个要求：高中子捕获截面、高反应效率、良好的闪烁性能、稳定的性能和较长的使用寿命。
通常情况下，中子闪烁体材料可以分为无机和有机两大类。
无机中子闪烁体材料主要包括：铁锂辉石（LiCaAlF6）、密度改性的液体闪烁体、溴化铯（CsBr）、溴化钾（KBr）等。
铁锂辉石是一种热释光红外读出型的中子闪烁体材料，其具有良好的抗辐照性能、高闪烁效率和较长的寿命。
密度改性的液体闪烁体是一种基于含有同位素的有机溶液，其具有较高的闪烁效率和较短的响应时间。
溴化铯和溴化钾则是无机晶体材料，具有高中子捕获截面和较高的反应效率。
有机中子闪烁体材料主要包括：液体闪烁体、塑料闪烁体和聚合物闪烁体等。
液体闪烁体是由有机溶剂加入荧光染料和增塑剂组成的，其中最常用的是芳香烃和氯化芳香烃。
液体闪烁体具有良好的能量转移效率和较高的闪烁效率。
塑料闪烁体主要是指聚苯乙烯（PS）或聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）等塑料材料，其具有较高的闪烁效率和较长的使用寿命。
聚合物闪烁体是一种由有机分子构成的材料，如聚苯胺（PANI）、聚氨酯（PU）等。
中子闪烁体材料的性能与其组分、结构有关。
一方面，组分的选择可以通过调控材料的能带结构和电子状态来改变中子与材料之间的相互作用，进而影响到材料的中子捕获截面和光输出性能。
另一方面，材料的结构也会影响闪烁效果，如晶型、晶格缺陷等都会对闪烁性能产生影响。
目前，中子闪烁体材料的研究与开发主要集中在提高闪烁效率、提高稳定性和减小响应时间上。
研究人员通过调控材料的组分和结构，寻找更具优异性能的中子闪烁体材料。
此外，也可以利用通过改变材料的形态和尺寸，如晶体形态和纳米结构等，来进一步优化其性能。
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各类闪烁晶体性能对比精选文档TTMS system office room 【TTMS16H-TTMS2A-TTMS8Q8-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 621CsI(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 621BGO锗酸铋20 300 480 无 5 %@3ms 1050LYSO 硅酸钇镥75 41 420 无<%@6ms2050 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。
液闪谱仪原理
液闪谱仪原理液闪谱仪是一种重要的粒子探测器，也是实验物理学中常用的一种仪器。
液闪谱仪可以测量各种粒子的能量和强度，对于核能研究、天体物理、粒子物理等领域具有重要意义。
本文将详细介绍液闪谱仪的原理。
液闪谱仪由闪烁体和光电倍增管组成。
闪烁体是用于探测入射粒子的物质，其内部含有低放射性物质，当其受到粒子的碰撞而激发时会发出光子信号。
液闪谱仪中常用的闪烁体包括有机液闪烁体和无机晶体闪烁体。
有机液闪烁体由有机液体和荧光染料组成，荧光染料吸收闪烁体中的光子并发出同一波长的光子，形成荧光。
有机液闪烁体的荧光强度与粒子入射的能量成正比。
荧光信号通过光纤或光导管传输到光电倍增管中。
无机晶体闪烁体是由无机晶体和掺杂材料组成的。
其工作原理与有机液闪烁体类似，但其荧光强度与入射粒子的能量不是线性关系。
液闪谱仪中的光电倍增管主要用于放大闪烁体中的光子信号。
光电倍增管内部含有光阴极、电子倍增管、阳极等电子器件。
荧光信号在光阴极上发生光电效应，形成光电子，经过电子倍增管的倍增作用，最终在阳极上产生电子脉冲信号。
液闪谱仪的探测效率主要由两部分组成：其一是入射粒子在闪烁体中产生的光子数，其二是闪烁体中荧光信号传输过程中产生的能量损失。
因此，液闪谱仪的探测效率与闪烁体的物理性质密切相关。
液闪谱仪的分辨本领被定义为两种不同能量的粒子被分辨出的能力。
分辨本领通常通过特定条件下的峰位分辨度来衡量。
峰位分辨度是指两个峰位之间的差异与它们之间的距离的比值。
液闪谱仪的分辨本领与其探测器长度、闪烁体的物理性质、光电倍增管的工作状态、信号传输过程中噪音等因素有关。
液闪谱仪在核物理、天体物理研究和粒子物理实验中有着广泛的应用。
例如，在高能物理实验中，液闪谱仪可以用于探测大型强子对撞机（LHC）中的强子束。
在天体物理学实验中，液闪谱仪可以用于测量宇宙射线的能量和强度。
在核物理学中，液闪谱仪可以用于探测放射性同位素的衰变以及中子的探测。
总之，液闪谱仪通过闪烁体和光电倍增管的相互作用，可以对入射粒子的能量和强度进行精确测量。
NaI(Tl)闪烁晶体原理资料讲解
N a I(T l)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范围，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。
BGO晶体
廖晶莹、叶崇志、杨培志.BGO闪烁晶体研究综述[J]，2004.12.BGO晶体是无机单晶体，分子式为Bi4Ge3O12，是目前探测γ效率最高的一种闪烁体。
荧光光谱范围为350-650nm，峰值在480nm。
光电倍增管，以日本滨松CR110为例，灵敏光谱响应范围300-650nm，最大响应波长420极限工作条件：阳极与阴极间电压1500Vdc，环境温度范围-80℃-+50℃，平均阳极电流0.1mA。
电流增益典型值为2.1*106，电压分布为各极之间均为1:1，选用均压电阻R=680K Ω。
BGO物理化学性能BGO晶体密度大，化学性能稳定，不易溶解，机械性能好，易加工。
其压电性能、热学性能和光学性能都较好。
闪烁性能理想闪烁晶体具备条件：1、高产光额，光产额越高，能量分辨率越好；2、短的衰减时间；3、高密度；4短辐照长度；5发射光谱与探测器光谱相应匹配；6、高辐照硬度；7价格低廉等。
综合考虑，BGO晶体基本具备了理想闪烁晶体性质。
光输出反映了发光效率，BGO相对NaI来说，较差，为12%左右。
能量分辨率是衡量闪烁晶体的重要参数，其定义为线宽FWHM（峰谱半高处的宽度）与能量比值，它主要受光输出影响。
BGO晶体低能γ射线（0.662MeV）一下能量分辨率与NaI相当，为9.3%，但能量升至50MeV时，其能量分辨率大大提高，优于NaI。
韩本华.BGO晶体的性能及应用[J].原子能科学技术,1989.5.BGO与NaI性能比较：1、对于BGO晶体来讲，密度大，平均原子序数高，所以对γ射线具有较高的探测效率。
用BGO晶体探测γ射线最大特点是全能峰的探测效率高，峰/康比大，反散射峰和逃逸峰小。
在总积分计数率测量上讲，BGO晶体与NaI差别不大。
2、BGO晶体的能量分辨率与晶体质量、入射γ射线能量、温度、晶体表面处理以及晶体的几何尺寸都有关系。
提高BGO的光输出，即可提高能量分辨率。
对晶体冷却，适当的表面处理以及采用特殊的性状都可增加光输出。
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。
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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) .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) Crystal2.1.1 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E0N/2ΔVO V0 VFig.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 crystal1.window2.coupling3.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×150mm2.1.6 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 CrystalCsI(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×20~100mm2.2.2 产品性能特点晶体尺寸Φ50mm×300mm，Cs137能量分辨率7.5%～10%。