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1、第第4讲讲 核辐射探测器的最新进展核辐射探测器的最新进展 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，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）分射转换效率高、高探测
2、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。辨率以及大体积，组成阵列等。生产工艺、探测器使用环境条件与价格生产工艺、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，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；部分探测器已经被淘汰或被逐步取代；部分部分“老老”探测器被重新认识而得以探测器被重新认识而得以“重用重用”。1.新型核辐射探测器新型核辐射探测器1.1 LaCl3(Ce)与与LaBr3(Ce)LaCl3(Ce)是用铈是用铈(Ce)
3、激活的氯化镧晶体。激活的氯化镧晶体。LaBr3(Ce)是用铈是用铈(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闪烁闪烁体。其中，特别是体。其中，特别是LaBr3(Ce)，其对，其对与与X射线的高阻止本领；快闪射线的高阻止本领；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。诱人。LaCl3(Ce)与与LaBr3(Ce)最突出的特点是高能量分辨率最突出的特点是高能量分辨率。对。对137Cs的的光电峰分辨率分别为光电峰分辨率分别为3.9%与与2.8%。.其次
4、是快闪烁时间与高光输出。其次是快闪烁时间与高光输出。有人预言有人预言LaBr3(Ce)将是将是NaI(Tl)的升级换代的高性能探测器的升级换代的高性能探测器 LaCl3（Ce）LaBr3(Ce)闪烁体主要技术数据闪烁体主要技术数据 LaCl3（Ce）LaBr3(Ce)密度，密度，g/cm3：3.70 5.29潮解性：潮解性：是是 是是最强发射波长，最强发射波长，nm：350430 380折射率折射率(最强发射波长最强发射波长)：1.9 1.9闪烁衰减时间，闪烁衰减时间，ns：16 快成分快成分 28 慢成分慢成分 220光输出，光子光输出，光子/keV：49 63能量分辨率能量分辨率(662k
5、eV，典型，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1.2 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（20ZnTe，80CdTe）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(10500)keV的光子，目前的生产工艺可制备体积为(12)cm3的CdZnTe/CdTe单晶，探测能量达到1MeV以上 在X射线、射线能谱测量方面具有广泛应用前景。CdZ
6、nTe/CdTe晶体性能接近CdZnTe和CdTe晶体的基本特性半导体种类CdTe CdZnTe 原子序数48.52 48.30.52 禁带宽度，eV1.44 1.6 电阻率，cm约109（15）1010（）e，103 cm2/V（0.12）（0.89）（）h，105 cm2/V110 0.11 密度，g/cm35.85 5.81 为了充分应用塑料闪烁探测器的大体积、易成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、慢中子与足诸
7、如中微子、慢中子与探测等特殊需求探测等特殊需求1.3.1 含钆含钆(Gd)塑料闪烁体塑料闪烁体特 性 Gd质量份额，0123密度，g/cm3 1.172 1.182 1.195 1.204折射系数 1.480 1.475 1.456 1.457 Gd原子数，1022/cm3 0 0.0047 0.0095 0.0143 H原子数，1022/cm3 5.41 5.39 5.38 5.35 C原子数，1022/cm3 3.82 3.73 3.64 3.53 最强发射波长，nm 424424425425透度(max)，82.8 80.7 78.2 75.2 光输出，100796251热中子(E0.5
8、eV)探测器效率 0910.512.51.3.2 含铅含铅(Pb)塑料闪烁体塑料闪烁体塑料闪烁体塑料闪烁体(含铅含铅10%)性能指标性能指标密度密度,g/cm3：1.12 光产额，光子光产额，光子/MeV：5000闪烁衰减时间，闪烁衰减时间，ns：2 能量分辨率（能量分辨率（662keV），），%：30时间分辨时间分辨(FWHM),ps：1000潮解性：潮解性：不不光电子产额：光电子产额：250 1.511keV能量沉积能量沉积;2.50%光收集效率光收集效率;3.20%量子量子-光电子转换效率光电子转换效率1.3.3含氘含氘(D)塑料闪烁体塑料闪烁体191在塑料闪烁体中，用氘取代氢而制成的塑
9、料闪烁体。在塑料闪烁体中，用氘取代氢而制成的塑料闪烁体。a 中微子中微子与氢核的与氢核的(,H)反应，伴随很强的本底。而反应，伴随很强的本底。而(,D)反应反应中没有这一本底。中没有这一本底。b 快中子与含快中子与含H物质作用物质作用,反冲质子能量分布为以中子最大能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。而快中子与含量为上限的等几率分布。而快中子与含D物质作用物质作用,反冲质子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。能量分布中出现峰，这可以用于本底甄别，有效探测快中子。Gd2SiO5:Ce是过氧正硅酸钆是过氧正硅酸钆(铈铈)，简记作，简记作GSO，或，或GSO
10、:Ce。Lu2SiO5:Ce过氧正硅酸镥过氧正硅酸镥(铈铈)，简记作，简记作LSO，或，或LSO:Ce。GSO:Ce闪烁体最早于闪烁体最早于1983年，由年，由Takagi和和Fukazawa已报告研制成已报告研制成功，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，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。研制的最新进展。LSO与与GSO的主要特点是有效原子序数高，的主要特点是有效原子序数高，阻止本领大；闪烁衰阻止本领大；闪烁衰减时间快
11、，可用于快计数减时间快，可用于快计数；光输出与闪烁衰减时间随温度的变化极；光输出与闪烁衰减时间随温度的变化极为平缓（为平缓（GSO）。）。Gd2SiO5:Ce与与Lu2(SiO4)O:Ce闪烁体技术数据闪烁体技术数据 GSO LSO 密度,g/cm3：6.71 7.4最强发射波长，nm：430 420相对闪烁效率NaI(Tl)，%：2075 是BGO的5倍光输出，光子/MeV：7.8103闪烁衰减时间，ns：60 40 快成分 56 （85%90%）慢成分 600 (10%15%)折射系数（发射峰波长）：1.9 1.82有效原子序数：59 66能量分辨率（662keV），%：8.0 12.4辐
12、射长度，cm：1.14 1.5 Bi4Si3O12-本证晶体本证晶体-BSO密度密度,g/cm3：6.807.13最强发射波长，最强发射波长，nm：480最强激发波长，最强激发波长，nm：285闪烁截止波长，闪烁截止波长，nm：350相对闪烁效率相对闪烁效率相对相对BGO，%：2012闪烁衰减时间闪烁衰减时间(室温室温)，ns：100？300 折射率（折射率（480nm）：）：2.06 2.15能量分辨率（能量分辨率（662keV），），%：30辐射长度，辐射长度，cm：1.15潮解性：潮解性：不不发光效率的温度效应，发光效率的温度效应，%/K：2光电子产额，光电子光电子产额，光电子/MeV：
13、90闪烁衰减时间增大闪烁衰减时间增大20倍倍1.6 金刚石探测器金刚石探测器-俄罗斯研制成功一种由金刚石制作的核辐射探测器供应市场。俄罗斯研制成功一种由金刚石制作的核辐射探测器供应市场。1K（PDPS1K）型金刚石探测器，主要用于）型金刚石探测器，主要用于、与质子剂量测量。与质子剂量测量。特点：天然金刚石为原材料、灵敏度高、耐辐照、耐高温、组织等效性、灵敏度与射线入射特点：天然金刚石为原材料、灵敏度高、耐辐照、耐高温、组织等效性、灵敏度与射线入射方方 向无关与防水性。向无关与防水性。技术指标技术指标与与射线计量率量程，射线计量率量程，Gy/min：0.0530能量响应区间，能量响应区间，MeV
14、：0.0825 425灵敏度，灵敏度，C/Gy：（0.55.0）10-7转换特性的非线性，转换特性的非线性，：2电压，电压，V：100暗电流，暗电流，A：510-13灵敏区厚度，灵敏区厚度，mm：0.10.4灵敏体积，灵敏体积，mm3：16耐辐照，耐辐照，Gy：1072.其他准新型探测器其他准新型探测器2.1 Bi4Ge3O12(BGO)锗酸铋锗酸铋-一种问世仅仅十几年的新型闪烁体，本征晶体。一种问世仅仅十几年的新型闪烁体，本征晶体。阻止本领高，余辉小阻止本领高，余辉小,化学性能稳定，机械强度好，现已被化学性能稳定，机械强度好，现已被广泛采用。主要用于许多广泛采用。主要用于许多计数的场合。对计
15、数的场合。对BGO的深入研的深入研究揭示了其许多特点。究揭示了其许多特点。a.BGO的发光机制是的发光机制是Bi3+离子的离子的 3P1态态1So态的电跃迁。态的电跃迁。因此，因此，BGO的发光机制与的发光机制与NaI(Tl)不同。不同。BGO本身是一种本身是一种纯闪烁晶体，其发光不受激活剂在晶体中的浓度及分布的纯闪烁晶体，其发光不受激活剂在晶体中的浓度及分布的均匀性的影响。均匀性的影响。b.图图2示出示出BGO在在295K时的荧光特性曲线。发射光谱分布在时的荧光特性曲线。发射光谱分布在(350650)nm区间，峰值在区间，峰值在480nm。由图可见，。由图可见，BGO的吸的吸收特性曲线与发光
16、特性曲线并不重叠，即收特性曲线与发光特性曲线并不重叠，即BGO不吸收它自不吸收它自身所发的光。图中还叠加上普通光电倍增管和硅光电二极身所发的光。图中还叠加上普通光电倍增管和硅光电二极管的光谱响应曲线。可以看出管的光谱响应曲线。可以看出BGO的发射光谱与普通光电的发射光谱与普通光电倍增管和硅光电二极管的光谱响应特性相匹配。因而倍增管和硅光电二极管的光谱响应特性相匹配。因而BGO的应用对光电倍增管和电子学线路没有特殊要求。的应用对光电倍增管和电子学线路没有特殊要求。图2 BGO荧光特性、普通光电倍增管和硅光电二极管的光谱响应特性c.理论计算得到的理论计算得到的BGO和和NaI(Tl)的量子效率，对于同一能量，的量子效率，对于同一能量，在光电区内，在光电区内，BGO的量子效率比的量子效率比NaI(Tl)的高。但是由于的高。但是由于BGO的折射率高（的折射率高（480nm，n2.15），而普通光耦合相关材料的），而普通光耦合相关材料的硅胶，硅胶，n 1.5，空气为，空气为1，光电倍增管窗玻璃一般为，光电倍增管窗玻璃一般为1.5，因此，因此，BGO所发出的闪烁光中的一大部分，由于全内反射而被所发
