闪烁晶体应用核物理医学成像安全检查工业探伤地质勘探高能Indico课件

1、新型卤化物闪烁晶体研究中国计量大学材料学院史宏声2018.101闪烁晶体简介卤化物晶体研究闪烁晶体应用核物理医学成像安全检查工业探伤地质勘探高能物理核辐射探测所有人工晶体中全球市场销量排名第二，仅次于半导体2003年，GE公司全球采购3亿美元2PhotonsNaI:Tl晶体吸收高能粒子的能量将其转变成可见光非晶硅和光电二极管阵列将光信号转变成电信号Sodium Iodide (NaI)LightAmorphous Silicon Panel(Photodiode/Transistor Array)Electrons电流信号被转变成数字信号Digital DataRead Out Electro

2、nics闪烁晶体具有分辨高能粒子如X射线,射线的能力,能够用于制造高能粒子探测器,从而得到广泛应用. 闪烁晶体简介高能射线的眼睛34R2=Rstat2+Rin2+Rnp2能量分辨率Rv 0.15，主要决定于光输出Rin(inhomogeneity ) ：非均匀性，晶体作为体材料的非均匀性以及光电倍增管的非均匀性Rnp（nonproportionality）：晶体在不同能量辐射下的光输出与辐射能量不成正比R的极限值很可能在2% 662keVMarvin J. Weber, Journal of Luminescence, 2002, 100:3545.Pieter Dorenbos, IEEE

3、Transactions on Nuclear Science, 2010, 57(3):1162-1167.简要历史回顾56新型卤化物闪烁晶体CrystalLight Yield (photons/MeV)Density(g/cm3)Energy Resolution(662 keV)Decay Time(ns)Wavelength of maximum emission(nm) LaBr3:Ce70,000*5.082.0%*18380SrI2:Eu120,0004.592.3%1100440CsBa2I5:Eu102,0005.02.3%3000430KSr2I5:Eu94,0004.3

4、92.4%990445R3%3%R4%CrystalLight Yield (photons/MeV)Density(g/cm3)Energy Resolution(662 keV)Decay Time(ns)Wavelength of maximum emission(nm) Cs4SrI6:Eu62,3004.033.3%1600467Cs2NaGdBr6:Ce48,0004.183.3%76388/415全面超越 NaI:Tl/CsI:TlM. S. Alekhin, Applied Physics Letters, 2013, 102(16): 161915. N. J. Cherep

5、y, Applied Physics Letters，2008，92：083508.E.D. Bourret-Courchesne, Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A, 2009, 612:138-142.L. Stand, Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A, 2015, 780:40-44.L. Stand, Journal of Crystal Growth, 2018, 486:162168.Samulon E C， Journal of L

6、uminescence，2014，153( 3) : 64-72光输出：70,000ph/Mev衰减时间：18ns密度：5.1g/cm3能量分辨率：2.8%光输出：38,000ph/MeV衰减时间： 300ns密度：3.67g/cm3能量分辨率： 7%LaBr3:CeNaI:TlLaBr3:Ce晶体生长?7辐照损伤?LaBr3:Ce: Crystal growthPHR 3.8%662keVCrystal Growth & Design, 2010, 10(10): 4433-4436.8稳定的一英寸晶体器件，1.5英寸与2英寸晶体加工时开裂 / 2010 Time of recovery(d

7、ays)Pre-irrad1234584060Light output(phe/MeV)221618761936187118811875185519281936Relative light output(%)10084.787.484.484.984.683.78787.4晶体在60天内，光输出恢复到原来的87.4%，从表中看出，恢复后的光输出仍然在5%误差的范围内，几乎没有看到明显的恢复9LaBr3:Ce闪烁晶体的辐照恢复 Radiation measurement, 2014,65:14-17.LaBr3:Ce: Radiation damage晶体的辐照损伤与剂量率无关RecoveryT

8、ime（day）Increase of Relative L.O （%）Drozdowski et al., 2007b(15mm 5mm LaBr3:5%Ce)283%499%Drozdowski et al., 2008b(1 1 LaBr3:5%Ce)172%Our result(111113mm3 LaBr3:3%Ce)603%10实验结果比较LaBr3:Ce: Radiation damage假设晶体色心的产生和湮灭同时存在，则色心i的湮灭速率为ai，色心的产生速率是bi，则R就是剂量率，其中Di是晶体中色心的浓度 。 上式还可以写成以下式子：其中 是晶体最初的色心浓度。 则 是平衡

9、时的色心浓度。11辐照损伤与剂量率的理论基础LaBr3:Ce: Radiation damageDose(rad)102103104105106-ray Source60Co137Cs137Cs137Cs137CsDose rate(rad/h)3070007000700028800Time(hour)3.330.1291.28612.85731.2512辐照剂量与辐照剂量率LaBr3:Ce: Radiation damage13辐照冲击SamplesL.O(p.e./Mev)Relative L.O (%)102103104105106Sample 2570099.193.189.387.5

10、72.8Sample 3505197.990.185.580.670.2Sample 4476597.790.985.669.150.3辐照冲击（Damage shock）是指晶体在接受辐照之后光学性能产生比较大的衰退，之后再加大辐照剂量时，晶体的性能产生相对较少的衰减。晶体在103rad 开始表现出辐照冲击The first doseDamage shockDrozdowski et al., 2007b(15mm 5mm LaBr3:5%Ce)1kGy1kGyDrozdowski et al., 2008b(1 1 LaBr3:5%Ce)0.1kGy0.1kGyDrozdowski et al., 2008a(1 1 LaBr3:5%Ce)0.02kGy0.02kGyOur result102rad=1Gy103rad=