第4讲 核辐射探测器的进展
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第4讲 核辐射探测器的最新进展
汲长松
中核（北京）核仪器厂 2009年11月
核辐射探测器的发展是核技术进展的标志之一，一个国家核辐射探 测器的研制与制作水平，也是该国核技术水平高低的重要标志之一。 核辐射探测器的发展与核探测技术的发展同步，经历了由计数，测 谱，到图像显示的发展历程。对核辐射探测器的发展要求是：辐射 转换效率高、高探测器效率、快时间、高（脉冲幅度、能量）分辨 率以及大体积，组成阵列等。
密度,g/cm3：
1.12
光产额，光子/MeV： 5000
闪烁衰减时间，ns：
2
能量分辨率（662keV），% ： 30
时间分辨(FWHM),ps ： 1000
潮解性：
不
光电子产额：
250
[1. 511k能eV量沉积;
2. 50% 光收集效率;
3. 20% 量子---光电子转换效率]
1.3.3含氘(D)塑料闪烁体[191]
1.3.1 含钆(Gd) 塑料闪烁体
特性
0
密度，g/cm3 1.172
折射系数 1.480
Gd原子数， ×1022/ cm3
0
H原子数， ×1022/ cm3
5.41
C原子数， ×1022/ cm3
3.82
最强发射波 长，nm
424
透度(λmax)， ％
82.8
光输出，％ 100
热中子
0
(E≤0.5eV)探
在塑料闪烁体中，用氘取代氢而制成的塑料闪烁体。
a 中微子ν与氢核的(ν,H)反应，伴随很强的本底。而(ν,D)反应 中没有这一本底。
b 快中子与含H物质作用,反冲质子能量分布为以中子最大能 量为上限的等几率分布。而快中子与含D物质作用,反冲质子 能量分布中出现峰，这可以用于本底甄别，有效探测快中子。
LaCl3（Ce）
LaBr3(Ce)
密度，g/cm3：
3.70
5.29
潮解性：
是
是
最强发射波长，nm ：
350~430
380
折射率(最强发射波长)：
1.9
~1.9
闪烁衰减时间，ns：
16
快成分
28
慢成分
220
光输出，光子/keV：
49
63
能量分辨率(662keV，典型)，%： 3.9
2.8
图1 LaBr3(Ce)闪烁体BriLanCe380的发射谱及双碱光电倍增管不同光窗的量子效率 B—硼硅玻璃；W—透紫玻璃；Q石英玻璃
1.4 Gd2(SiO4)O:Ce 与Lu2(SiO4)O:Ce
Gd2SiO5:Ce是过氧正硅酸钆 (铈)，简记作GSO，或GSO:Ce。 Lu2SiO5:Ce过氧正硅酸镥 (铈)，简记作LSO，或LSO:Ce。 GSO:Ce 闪烁体最早于 1983年，由Takagi 和Fukazawa已报告研制成 功，但是作为闪烁探测器引起重视，是近几年的事情。因此可以说， 上述两种用铈激活的镧系元素晶体闪烁体，是近几年来闪烁探测器 研制的最新进展。
，%：2075
[
光输出，光子/MeV： 7.8×103
闪烁衰减时间，ns： 60
LSO 7.4 420 是BGO的5倍]
40
快成分
56
慢成分
600
折射系数（发射峰波长）：1.9
有效原子序数：
59
能量分辨率（662keV），%：8.0
辐射长度，cm：
（85%~90%） (10%~15%) 1.82 66 12.4 1.14
LSO与GSO的主要特点是有效原子序数高， γ阻止本领大；闪烁衰 减时间快，可用于快计数 ；光输出与闪烁衰减时间随温度的变化极 为平缓（ GSO ）。
Gd2SiO5:Ce与Lu 2(SiO4)O:Ce闪烁体技术数据
GSO
密度,g/cm3：
6.71
最强发射波长，nm： 430
相对闪烁效率 [NaI(Tl)]
CdZnTe 48.30.52 1.6 （1～5） ×1010 （0.8～9）
0.1～1
密度，g/cm3
5.85
5.81
1.3 掺杂塑料闪烁体
为了充分应用塑料闪烁探测器的大体积、易成 型与价格低，以及可大批量生产等优势，近些 年来已研制成功多种掺杂塑料闪烁体，用于满 足诸如中微子、慢中子与 γ探测等特殊需求
LaCl 3(Ce) 与LaBr 3(Ce) 最突出的特点是高能量分辨率 。对137Csγ 的 光电峰分辨率分别为 3.9% 与2.8% 。.其次是快闪烁时间与高光输出。
有人预言LaBr 3(Ce) 将是NaI(Tl) 的升级换代的高性能探测器
LaCl 3（Ce）LaBr3(Ce)闪烁体主要技术数据
生产工艺、探测器使用环境条件与价格
最近十几年来，研制成功多种新型核辐射探测器，
部分新品种已经形成为商品而逐渐被市场接受；
部分探测器已经被淘汰或被逐步取代；
部分“老”探测器被重新认识而得以“重用”。
1.新型核辐射探测器
1.1 LaCl 3(Ce) 与LaBr 3(Ce) LaCl 3(Ce) 是用铈(Ce) 激活的氯化镧晶体。 LaBr 3(Ce) 是用铈(Ce) 激活的溴化镧晶体。它们都近几年研制成功的镧系元素新型 γ闪烁 体。其中，特别是 LaBr 3(Ce) ，其对γ与X射线的高阻止本领；快闪 烁时间；极高的能量分辨率以及稳定的温度特性，使其应用前景 诱人。
1.2 CdZnTe/CdTe 二十多年的探索与对比而最后胜出的化合物半导体探测器。 决定性的优点：半导体探测器的极高能量分辨率，
可在室温下很好地工作 CdTe/CdZnTe （20％ZnTe ，80％CdTe ）晶体的原子序数高、禁带 能宽大、电阻率高，非常适合探测能量 (10～500)keV的光子， 目前的生产工艺可制备体积为 (1～2)cm3的CdZnTe/CdTe 单晶，探测 能量达到 1MeV 以上
在X射线、γ射线能谱测量方面具有广泛应用前景。 CdZnTe/CdTe 晶体性能接近
CdZnTe 和CdTe 晶体的基本特性
半导体种类 原子序数 禁带宽度，eV 电阻率，Ω·cm
（μτ）e，103 cm2/V （μτ）h，105 cm2/V
CdTe 48.52 1.44 约109
（0.1～2） 1～10
Gd 质量份额 ，％
1
2
3
1.182
1.195
1.204
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
1.475
1.456
1.457
0.0047 0.0095 0.0143
5.39
5.38
5.35
3.73
3.64
3.53
424
425
425
80.7
78.2
75.2
79
62
51
9
10.5
12.5
1.3.2 含铅(Pb) 塑料闪烁体
塑料闪烁体(含铅10%) 性能指标
汲长松
中核（北京）核仪器厂 2009年11月
核辐射探测器的发展是核技术进展的标志之一，一个国家核辐射探 测器的研制与制作水平，也是该国核技术水平高低的重要标志之一。 核辐射探测器的发展与核探测技术的发展同步，经历了由计数，测 谱，到图像显示的发展历程。对核辐射探测器的发展要求是：辐射 转换效率高、高探测器效率、快时间、高（脉冲幅度、能量）分辨 率以及大体积，组成阵列等。
密度,g/cm3：
1.12
光产额，光子/MeV： 5000
闪烁衰减时间，ns：
2
能量分辨率（662keV），% ： 30
时间分辨(FWHM),ps ： 1000
潮解性：
不
光电子产额：
250
[1. 511k能eV量沉积;
2. 50% 光收集效率;
3. 20% 量子---光电子转换效率]
1.3.3含氘(D)塑料闪烁体[191]
1.3.1 含钆(Gd) 塑料闪烁体
特性
0
密度，g/cm3 1.172
折射系数 1.480
Gd原子数， ×1022/ cm3
0
H原子数， ×1022/ cm3
5.41
C原子数， ×1022/ cm3
3.82
最强发射波 长，nm
424
透度(λmax)， ％
82.8
光输出，％ 100
热中子
0
(E≤0.5eV)探
在塑料闪烁体中，用氘取代氢而制成的塑料闪烁体。
a 中微子ν与氢核的(ν,H)反应，伴随很强的本底。而(ν,D)反应 中没有这一本底。
b 快中子与含H物质作用,反冲质子能量分布为以中子最大能 量为上限的等几率分布。而快中子与含D物质作用,反冲质子 能量分布中出现峰，这可以用于本底甄别，有效探测快中子。
LaCl3（Ce）
LaBr3(Ce)
密度，g/cm3：
3.70
5.29
潮解性：
是
是
最强发射波长，nm ：
350~430
380
折射率(最强发射波长)：
1.9
~1.9
闪烁衰减时间，ns：
16
快成分
28
慢成分
220
光输出，光子/keV：
49
63
能量分辨率(662keV，典型)，%： 3.9
2.8
图1 LaBr3(Ce)闪烁体BriLanCe380的发射谱及双碱光电倍增管不同光窗的量子效率 B—硼硅玻璃；W—透紫玻璃；Q石英玻璃
1.4 Gd2(SiO4)O:Ce 与Lu2(SiO4)O:Ce
Gd2SiO5:Ce是过氧正硅酸钆 (铈)，简记作GSO，或GSO:Ce。 Lu2SiO5:Ce过氧正硅酸镥 (铈)，简记作LSO，或LSO:Ce。 GSO:Ce 闪烁体最早于 1983年，由Takagi 和Fukazawa已报告研制成 功，但是作为闪烁探测器引起重视，是近几年的事情。因此可以说， 上述两种用铈激活的镧系元素晶体闪烁体，是近几年来闪烁探测器 研制的最新进展。
，%：2075
[
光输出，光子/MeV： 7.8×103
闪烁衰减时间，ns： 60
LSO 7.4 420 是BGO的5倍]
40
快成分
56
慢成分
600
折射系数（发射峰波长）：1.9
有效原子序数：
59
能量分辨率（662keV），%：8.0
辐射长度，cm：
（85%~90%） (10%~15%) 1.82 66 12.4 1.14
LSO与GSO的主要特点是有效原子序数高， γ阻止本领大；闪烁衰 减时间快，可用于快计数 ；光输出与闪烁衰减时间随温度的变化极 为平缓（ GSO ）。
Gd2SiO5:Ce与Lu 2(SiO4)O:Ce闪烁体技术数据
GSO
密度,g/cm3：
6.71
最强发射波长，nm： 430
相对闪烁效率 [NaI(Tl)]
CdZnTe 48.30.52 1.6 （1～5） ×1010 （0.8～9）
0.1～1
密度，g/cm3
5.85
5.81
1.3 掺杂塑料闪烁体
为了充分应用塑料闪烁探测器的大体积、易成 型与价格低，以及可大批量生产等优势，近些 年来已研制成功多种掺杂塑料闪烁体，用于满 足诸如中微子、慢中子与 γ探测等特殊需求
LaCl 3(Ce) 与LaBr 3(Ce) 最突出的特点是高能量分辨率 。对137Csγ 的 光电峰分辨率分别为 3.9% 与2.8% 。.其次是快闪烁时间与高光输出。
有人预言LaBr 3(Ce) 将是NaI(Tl) 的升级换代的高性能探测器
LaCl 3（Ce）LaBr3(Ce)闪烁体主要技术数据
生产工艺、探测器使用环境条件与价格
最近十几年来，研制成功多种新型核辐射探测器，
部分新品种已经形成为商品而逐渐被市场接受；
部分探测器已经被淘汰或被逐步取代；
部分“老”探测器被重新认识而得以“重用”。
1.新型核辐射探测器
1.1 LaCl 3(Ce) 与LaBr 3(Ce) LaCl 3(Ce) 是用铈(Ce) 激活的氯化镧晶体。 LaBr 3(Ce) 是用铈(Ce) 激活的溴化镧晶体。它们都近几年研制成功的镧系元素新型 γ闪烁 体。其中，特别是 LaBr 3(Ce) ，其对γ与X射线的高阻止本领；快闪 烁时间；极高的能量分辨率以及稳定的温度特性，使其应用前景 诱人。
1.2 CdZnTe/CdTe 二十多年的探索与对比而最后胜出的化合物半导体探测器。 决定性的优点：半导体探测器的极高能量分辨率，
可在室温下很好地工作 CdTe/CdZnTe （20％ZnTe ，80％CdTe ）晶体的原子序数高、禁带 能宽大、电阻率高，非常适合探测能量 (10～500)keV的光子， 目前的生产工艺可制备体积为 (1～2)cm3的CdZnTe/CdTe 单晶，探测 能量达到 1MeV 以上
在X射线、γ射线能谱测量方面具有广泛应用前景。 CdZnTe/CdTe 晶体性能接近
CdZnTe 和CdTe 晶体的基本特性
半导体种类 原子序数 禁带宽度，eV 电阻率，Ω·cm
（μτ）e，103 cm2/V （μτ）h，105 cm2/V
CdTe 48.52 1.44 约109
（0.1～2） 1～10
Gd 质量份额 ，％
1
2
3
1.182
1.195
1.204
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
1.475
1.456
1.457
0.0047 0.0095 0.0143
5.39
5.38
5.35
3.73
3.64
3.53
424
425
425
80.7
78.2
75.2
79
62
51
9
10.5
12.5
1.3.2 含铅(Pb) 塑料闪烁体
塑料闪烁体(含铅10%) 性能指标