闪烁探测器篇(4)_主要闪烁体性能介绍
一，无机闪烁体
01，碘化钠(NaI)晶体
NaI晶体是透明的单晶体，有纯的NaI和铊**的NaI(TI)两种，经常使用的是铊**的。其密度大，又含有高原子序数的碘，因此光电效应、康普顿效应和电子对效应的作用截面大，对γ射线和X射线有较大的阻止本领和探测效率，是目前探测γ射线最好的闪烁体。NaI(TI)晶体最大的缺点是易潮解，吸收空气中水分后会发黄变质而不能使用，因此必须密封。
02，碘化铯(CsI)晶体
CsI晶体有铊**CsI(TI)，钠**CsI(Na)，和纯CsI三种。其密度和平均原子序数比NaI(TI)还要大，因此对γ射线吸收系数更大，探测效率更高，且不宜潮解。常用的CsI(TI)和NaI(TI)相比，其发光衰减时间较长，且发光效率不及NaI(TI)的一半，因此能量分辨率不如NaI(TI)。
03，硫化锌(ZnS)晶体
ZnS晶体是白色多晶粉末，常使用的是银**的ZnS (Ag)，使用时需喷涂在有机玻璃上。由于透明度差，且只能做的很薄，故不适合探测电子和γ光子。其主要用于探测α粒子和重粒子，探测效率可达100%。
04，锗酸铋(BGO)晶体
锗酸铋晶体的化学式为Bi4Ge3O12，简称BGO，不潮解、密度大、抗辐照、对γ射线吸收系数大、探测效率高、发射光谱易于与光电倍增管匹配，是高能物理实验重要的闪烁体之一。
05，钨酸铅(PWO)晶体
钨酸铅为无色透明晶体，化学分子式为PbWO4，简称PWO。其不潮解、密度大、抗辐照、对γ射线吸收系数大、探测效率高、发射光谱易于与光电倍增管匹配，但最大缺点是发光产额低。
06，氟化钡(BaF2)晶体
BaF2是快晶体，其发光衰减时间非常短。是已知最快的闪烁晶体，三个发光峰的波长为195nm，220nm和310nm，对应的发光衰减时间分别为0.87ns，0.88ns和600ns。其主要用于X射线和γ射线的探测。
07，硅酸镥(LSO)晶体
LSO是一种新型的高发光强度、快响应的无机闪烁体。1990年，梅切尔发明了掺铈的硅酸镥(Lu2(SiO4)O:Ce)，它是一种密度高、高原子序数的无机闪烁晶体。其时间响应快，发光产额高，抗辐照性能强，不潮解。其制成的γ探测器特别适合于高能物理和核医学成像。但其缺点是镥元素具有天然放射性，会造成较强本底，且生长困难，价格昂贵，大大制约了其应用。
08，硅酸钇镥(LYSO)晶体
LYSO与LSO的性能相当，但由于加入了钇元素，降低了晶体生长和制造工艺的难度，被认为是综合性能最好的无机闪烁材料，具有广泛的应用前景。
09，硅酸钇(YSO)晶体
YSO(Ce)与LYSO类似，是一种性能优良的闪烁晶体，且不带自发放射性。其发光峰在420nm附近，方便与PMT和SiPM耦合，但其发光衰减时间比LYSO略长几十纳秒。
10，硅酸钆(GSO)晶体
GSO和LSO一样，都是不潮解的重晶体，其发光衰减时间为56ns，是一种较好的快响应晶体。由于GSO的密度高而且温度效应非常好，在核测井中得到了重要应用。
11，铝酸钇(YAP)晶体
YAP是一种不潮解、外观像玻璃的晶体。其有效原子系数低，发光衰减时间短至30ns，也是一种较好的快响应晶体。
12，钇铝石榴石(YAG)晶体
YAG是一种性能优良的闪烁晶体，其发光中心波长为550nm，发光衰减时间为75ns，且不潮解、耐高温，可用于极端环境下。
13，溴化镧(LaBr3)晶体
LaBr3(Ce)晶体具有光产额高、能量分辨率好、衰减时间短、非线性响应小等优点，可广泛应用于国际防恐反恐、核材料控制、安全检查、能源、核医学、工业计量、石油测井等多个领域。
14，玻璃闪烁体
玻璃闪烁体的主要优点是制造简单、成本低、透明度好、化学性质稳定，耐酸碱、耐潮湿、耐高低温、发光衰减时间短等。其最大缺点是发光效率很低。目前常用的有掺LiO2或10B的玻璃，主要用于中子探测。
下表总结了常用的无机闪烁晶体的主要特性：
|
闪烁体 |
密度 (g/cm3) |
相对发光 效率（%） |
发光衰减 时间（1/e） |
主峰波长（nm） |
折射率 |
|
NaI(TI) |
3.67 |
100 |
250 |
415 |
1.85 |
|
CsI(TI) |
4.51 |
45 |
1000 |
550 |
1.79 |
|
CsI(Na) |
4.51 |
85 |
630 |
420 |
1.84 |
|
ZnS (Ag) |
4.09 |
130 |
110 |
450 |
2.36 |
|
BGO |
7.13 |
20 |
300 |
480 |
2.15 |
|
PWO |
8.28 |
0.4/0.3 |
490/520/420 |
50/10 |
2.16 |
|
BaF2 |
4.88 |
3 |
0.6-0.8 |
220（195） |
1.54 |
|
4.88 |
16 |
630 |
310 |
1.50 |
|
|
LSO(Ce) |
7.41 |
60 |
40 |
420 |
1.82 |
|
LYSO(Ce) |
7.1 |
87 |
36 |
420 |
1.81 |
|
YSO(Ce) |
4.5 |
30 |
50-70 |
420 |
1.8 |
|
GSO |
6.71 |
~30 |
60 |
440 |
1.85 |
|
YAP(Ce) |
5.4 |
50 |
28 |
370 |
1.95 |
|
YAG(Ce) |
4.55 |
15 |
70 |
550 |
1.82 |
|
LaBr3(Ce) |
5.08 |
165 |
16 |
380 |
-1.9 |
二，有机闪烁体
有机闪烁体主要成分是芳香族化合物，分子由聚合或联苯环构成，分成四大类：有机晶体、塑料闪烁体、闪烁光纤以及液体闪烁体。
1，有机晶体
有机晶体有蒽、芪、联三苯等。发光衰减时间比无机晶体少1~2个数量级，为探测快速高通量的带电粒子提供了可能。但缺点是有机晶体制备比较困难，很难做成大块晶体。它的机械性能、温度性能、辐照性能都比较差，而且价格昂贵，因此用的不多。其中蒽晶体和芪晶体用的相对较多。
蒽晶体在有机闪烁体中有最大的发光效率，但也不到NaI(TI)的一半，其发光衰减时间约30ns，是常用的标准闪烁晶体。
芪晶体的光输出较小，是蒽晶体的0.5倍。但发光衰减时间仅有4.5ns，较容易制备和提纯，也是常用的标准闪烁晶体。
2，塑料闪烁体
塑料闪烁体可以测量α、β、γ、快中子、质子、宇宙射线及裂变碎片。它制作简便，可以加工成圆柱体、片状、矩形、薄膜等，也可以做成大面积闪烁体。发光衰减时间只有1~3ns，透明度高，光传输性能好。性能稳定、机械强度高、耐振动、耐高温、耐潮湿，不需要封装。但能量分辨率本领差，主要用于强度、计数测量，用于时间测量和快符合实验中。
3，闪烁光纤
闪烁光纤是经一定的工艺将闪烁体加工成的直径不同的光纤，它由两部分组成：核心部分（芯层）和表面涂层部分（包层）。闪烁光纤可以弯成不同的形状，可以延伸到空间任何位置，用其组成的探测器具有空间分辨好，时间分辨好、抗辐照等优点，深受高能物理学家的青睐。
4，液体闪烁体
液体闪烁体的优点是发光衰减时间短，透明度好，易制备，可达4π立体角的优越集合测量条件。缺点是有一定的毒性，操作要注意。
塑料闪烁体和液体闪烁体都是由溶剂、溶质和波长位移剂组成。溶剂室透明度好的有机固体或液体，溶质是发光物质，波长位移剂将发光物质发出的荧光全部吸收再发出与光电倍增管更容易匹配的光波，从而提高光的传播和收集效率。
三，气体闪烁体
气体闪烁体，通常用的多为惰性气体，尤以氦、氩、氙为普遍。其发光效率很低，约为NaI(TI)的十分之一,发光衰减时间约10ns。气体闪烁体在许多方面得到应用，例如气体闪烁正比室。
参考文献：
[1]原子核物理实验方法
[2]粒子探测技术及数据获取
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