了解闪烁材料及其在辐射探测中的作用

闪烁材料是晶体或形态物质,在吸收伽马射线、X射线或中子等电离辐射时会发出可见或紫外线。这种光线被称作闪烁,通过光探测器转换成电信号,从而能够探测、计数和光谱分析辐射。 任何辐射探测系统的表现都关键取决于其闪烁器的特性:光率、衰变时间、能量分辨率、密度和稳定性。 材料科学的进步导致新的闪烁器在速度、敏感性和耐久性方面超越传统信号,从而打开了从手持式安全扫描仪到全身PET图像仪的新的可能性。

定义闪烁器性能的密钥属性

光的产生(光子/微声)决定信号对噪声的比例。光的产生百分比提高了能量分辨率,并允许检测到非常低的辐射剂量。 减速时间[(光脉冲的持续时间)限制了计数速度和计时分辨率;快速衰减对于在正电子排放整流法(PET)中探测巧合和拒绝背景噪音至关重要。 能源分辨率[(以百分比表示)反映了区分不同光能的能力。 强度和有效原子数对停止电力进行治理,即,材料如何高效吸收高能光子 硬度和]] 热度影响运行寿命和包装要求。

传统煽动者及其限制

几十年来,碘化 ⁇ (NaI:Tl)由于光产量高,成本低,一直是辐射探测的功率。 然而,其衰变时间~230纳秒限制计数率,其湿度性质需要密封。碘化 ⁇ (CsI:Tl)密度高,非湿度变种,但其光输出中等。 Bismouth genate(BGO)密度高,停电率低,而且衰变慢(300纳),因此不适合快速的计时应用。 这些缺陷促使人们寻找新的材料,这些材料能够满足现代探测器的要求 — — 发光器、更亮、更强壮,并能在各种环境中运作,如记录、货物扫描和国土安全。

材料构成方面的最新发展

稀有地块氧化硫酸盐和加奈特

⁇ -剂量 ⁇ -羟基 ⁇ 基 ⁇ 基 ⁇ 基 ⁇ 基 ⁇ 基 ⁇ 基 ⁇ 基 ⁇ 基 ⁇ 基 ⁇ 基 ⁇ 基 ⁇ 基 ⁇ 基 ⁇ 基 ⁇ 基 ⁇ 基 ⁇ 基 ⁇ 基 ⁇ 基 ⁇ 基 ⁇ 基 ⁇ 基 ⁇ 基 ⁇ 基 ⁇ 基 ⁇ 基 ⁇ 基 ⁇ 基 ⁇ 基 ⁇ 基 ⁇ 基 ⁇ 基 ⁇ 基 ⁇ 基 ⁇ 基 ⁇ 基 ⁇ 基 ⁇ 基 ⁇ 基 ⁇ 基 ⁇ 基 ⁇ 基 ⁇ 基 ⁇ 基 ⁇ 基 ⁇ 基 ⁇ 基 ⁇ 基 ⁇ 基 ⁇ 基 ⁇ 基 ⁇ 基 ⁇ 基 ⁇ 基 ⁇ 基 ⁇ 基 ⁇ 基 ⁇ 基 ⁇ 基 ⁇ 基 ⁇ 基 ⁇ 基 ⁇ 基 ⁇ 基 ⁇ 基 ⁇ 基 ⁇ 基 ⁇ 基 ⁇ 基 ⁇ 基 ⁇ 基 ⁇ 基 ⁇ 基 ⁇ 基 ⁇ 基 ⁇ 基 ⁇ 基 ⁇ 基 ⁇ 基 ⁇ 基 ⁇ 基 ⁇ 基 ⁇ 基 ⁇ 基 ⁇ 基 ⁇ 基 ⁇ 基 ⁇ 基 ⁇ 基 ⁇ 基 ⁇ 基 ⁇ 基 ⁇ 基 ⁇ 基 ⁇ 基 ⁇ 基 ⁇ 基 ⁇ 基 ⁇ 基 ⁇ 基 ⁇ 基 ⁇ 基 ⁇ 基 ⁇ 基 ⁇ 基 ⁇ 基 ⁇ 基 ⁇ 基 ⁇ 基 ⁇ 基 ⁇ 基 ⁇ 基 ⁇ 基 ⁇ 基 ⁇ 基 ⁇ 基 ⁇ 基 ⁇ 基 ⁇ 基 ⁇ 基 ⁇ 基 ⁇ 基 ⁇ 基 ⁇ 基

佩罗夫斯基特闪烁器

Halide perovskites,特别是CsPbBr3和MAPbBr3纳米晶体,因其超高的光产量(高达20万光子/微量)和纳米秒范围内的快速衰变组件,引起了强烈的研究兴趣,其低成本的溶液-基于“X射线”的合成可以使大面积的X射线成像探测器成为可能,然而,稳定性问题——特别是水分敏感性和离子迁移——仍然是个障碍,最近关于封装复合材料和二维超解体的工作提高了寿命,原型成像器显示空间分辨率与几微米一样微量。

纳米结构化和复合化闪烁器

纳米结构-将量子点或金属纳米粒子嵌入透明基质中-能够通过表面质粒耦合或散射增强光提取,例如,ZnO纳米线阵列能增加有效指数,并将光导光导到光检测器上. 复合闪烁器,如装有重无机纳米粒子的塑料闪烁器,能将高停电力与灵活性和低成本相结合,对于大面积的安全筛选和门户监测器特别有吸引力,因为单位成本的敏感性至关重要。

晶体生长和读取技术创新

改进的晶体生长技术——Czochralski和垂直Bridgman——现在生产出缺陷较少、纯度更高、剂量更统一的布。用钙或镁的Co ⁇ Doping已被证明抑制LYSO和LSO晶体的后光,提高计算成像的信号清晰度。在光探测器方面,广泛采用硅光倍增器(SipMs)是变革性的。SipM是紧凑的,在低偏倾电压下运行,对磁场不敏感,并且提供高收益(>106)。它们消除了大量光倍增压管,并能够用千个像素进行探测。将下一代的闪烁器与SipMs结合,产生具有亚视秒时分辨率的系统,使飞行PET具有极大改进的信号-to ⁇ 诺比。

对辐射探测应用的影响

医疗成像

在PET中,LYSO和GAG同时改进光的产量和衰减时间直接转化为真实的巧合率和更好的时间分辨率。 现代临床PET系统现在可以达到200ps以下的计时分辨率,减少扫描时间和降低病人剂量。在单光子排放计算成像(SPECT)和QQray成像中,基于perovotte的光子摄像器提供了高分辨率、低成本的平面XPanel探测器(电子噪音最小)的潜力。 数字牙科和乳房照相系统越来越依赖CsI:Tl针状晶体,这些晶体能有效地引导光线到光二极管阵列,但新的复合显像仪保证空间分辨率更高。

安全和边缘检查

对于放射性和核威胁探测,伽马和中子辐射的敏感性至关重要。Cs2LiYCl6:Ce(CLYC):和Li ⁇ loaded眼镜等高级闪烁器提供了脉冲-形状的区别,允许在单一材料中同时检测伽马射线和热中子。快速的SipM读取时间使手持识别器能够以秒的速度报告同位素组成。在货物扫描仪中,大容量BGO或LYSO板被单晶GAG板所取代,这些板既能提供高停电,又能更好的解度,从而减少假警报。

核安全和环境监测

实时监测核设施和环境污染需要崎岖的长寿命探测器,加网式闪烁器的辐射硬度的提高及其非光谱性质使得能够在不发生性能退化的恶劣条件下(高温、湿度、振动)部署这些材料,这些材料现在用于极端温度和压力的下井工具,此外,发展闪烁纤维和毛细毛,使得能够分布分布的遥感网络,用于在退役地点周围对大面积进行监测。

未来方向和挑战

尽管进展迅速,但仍存在若干障碍。 佩罗夫斯基特闪烁器必须在持续辐射照射下克服长期稳定性。 大型、优质LYSO和GAG晶体的成本仍然很高,这刺激了对陶瓷闪烁器的努力,这些闪烁器可以使用粉末喷火来制造。 机器学习正在应用来预测最佳的喷雾浓度和反射条件,加速材料的发现。 将闪烁器与高级读取电子(例如定制的ASICs与时间的Asto-数码转换器)相结合,将推动定时分辨率向10ps,从而能够采用新的成像方式。 最后,将闪烁探测器与便携式电池的动力设备结合,将无线数据传输,将辐射探测延伸到日常安全和医疗点。

随着研究的继续,新材料成分、晶体生长改善和高性能光检测器的结合将进一步提高辐射探测系统的敏感性、速度和可靠性。 这些进步不仅有利于现有的应用,而且有利于新的应用,从实时内测肿瘤到环境清理核查。 闪烁材料的未来是光明的,也是有象征意义的。

外部参考:]