新型无机闪烁体的能量分辨率中英文对照文档格式.docx
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07.85.Nc;
78.55.Hx;
78.90+t
关键词:
无机闪烁;
LaCl3(Ce),能量分辨率,伽玛射线探测器
介绍:
无机闪烁体被广泛应用于伽玛射线检测。
探测器的选择主要根据有关探测要求的基础而定。
例如:
效率,精力和时间分辨率,死时间,位置分辨,增长的可能性较大的晶体,晶体质量(辐射硬度,力学性能等)和成本。
例如见文件在[1-4]。
在许多情况下,能量分辨率是最重要的。
然而,通常的一个半导体探测器,例如:
Ge,只是基于对无机闪烁探测器的应用。
我们处理这个问题,是否可以提高无机闪烁探测器的探测的能量分辨率,因此,在闪烁体的适用性可以拓展,我们将讨论研究一种新的闪烁体。
无机闪烁体的基础要素:
在制定有效的伽玛射线检测新闪烁体,我们选择的材料一般都具有较高的密度R和高原子序数。
此外,该材料闪烁光传输率该较高,因此,我们依靠离子晶体或者某种共价晶体。
但与导带和化合价之间的禁止能量,Egap,大到足够可以传输。
另一方面,良好的能量,时间和位置分辨率,我们需要大量的闪烁光子Nph(相对变异数∝1/Nph),禁差距竟可能的小。
Nph=(E/Eeh)SQ
(1)
在右边第一项代表的生成电子空穴对的数目Neh吸收伽玛射线所产生的能量。
平均生成一个电子空穴对所需要的能量为:
Eeh≈2.5Egap。
S是闪烁体中心的能量发光转化效率。
Q是闪烁体受激发后的光子发光效率。
在这三个阶段S是至少可以预测的。
目前这在很大程度依赖于闪烁体的缺陷,不同于闪烁体中心,可以同时俘获电子或者电子空穴。
这些缺陷可能来自晶体本身结晶时侯的,也可能来自某些杂质的原因。
接下来我们考虑发光中心我们将只讨论了镧系金属离子Ce3+,该离子在第四层有一个壳层电子,受激发吼跃迁到底五层。
随后的退激将发生在第4层和第5层之间的电偶极子,伴随的衰减时间t≥30ns。
作为前提说明和必要条件的描述,该Ce3+必须是一种合乎规格的材料来融入闪烁体中心。
在大多数情况下,发射光谱与光传感器的灵敏度曲线拟合当好。
我们观察到每Mev能量的伽马射线的光子产量>2000。
现在我们来讨论能量分辨率。
分辨率是:
R=△E(FWHM)/E
在一个光电峰能量为E的伽马脉冲幅度谱可表示为:
R2=Rsci2+Rlid2+Rnise2
(2)
Rsci表示由于光源的光检测器不是理想的原因,即不服从泊松分布的统计数据时对光的贡献。
由于材料的不均匀性,在伽马射线的吸收和光子数量的收集依赖于伽马射线的入射位置和闪烁光检测器耦合的不完善,所以并没有跟入射伽马射线的能量成正比的响应(不相称的响应)。
Rlid表示在理想的光源检测机制和光源检测器下的结果,后者的理想偏差也包括在Rsic里面,这个我们以后再讨论。
Rnise表示电子噪声。
理想的闪烁体通过理想的光电倍增管(PMT)可以完全的传输光子。
所以Rsci=Rnise=0
因此R2=Rlid2假设经γ-射线吸收(a)Nph的闪烁光子生产和到达的光电倍增管阴极,(b)光电子是后来ηNph,(c)这些∝ηNph电子在第一倍增极和到达(d)倍增极的k(k=1,2…)放大后为δk并且我们假设δ1=δ2=δ3=δk=δ的,并且δ/δ1≈1的。
我们可以得出:
R2=Rlid2=5.56δ/[∝ηNph(δ-1)]≈5.56/Nel(3)
Nel表示第一次到达光电倍增管的数目。
在试验中,δ1≈10>δ2=δ3=δk,因此,在实际情况下,我们可以通过(3)看出R2的值比实际测得大。
请注意,对于一个半导体二极管(不倍增极结构)(3)也适用。
那么Nel就是是在二极管产生电子空穴对的数目。
在物质不均匀,光收集不完整,不相称和偏差的影响从光电子生产过程中的二项式分布及电子收集在第一倍增极不理想的情况下,例如由于阴极不均匀性和不完善的重点,我们有:
R2=Rsci2+Rlid2≈5.56[(νN-1/Nel)+1/Nel](4)
νN光子的产生包括所有非理想情况下的收集和1/Nel的理想情况。
为了说明,我们在图上显示,如图1所示。
ΔE/E的作为伽玛射线能量E的函数,为碘化钠:
铊闪烁耦合到光电倍增管
图。
1。
对ΔE/E的示意图(全曲线)作为伽玛射线能量E功能的碘化钠:
铊晶体耦合到光电倍增管。
虚线/虚线代表了主要贡献。
例如见[9,10]。
对于Rsci除了1/(Nel)1/2的组成部分,我们看到有两个组成部分,代表在0-4%的不均匀性,不完整的光收集水平线,等等,并与在0-400代表非相称keV的最大曲线。
表1给出了E=662Kev时的数值(137Cs)
在传统的闪烁体资料可见。
从图一我们可以清楚的看到在低能量E<100Kev,如果Nel,也就是Nph增大的话,是可以提高能量分辨率的。
这是很难达到的,因为光额产量已经很高了(见表1)在能量E>300Kev时,Rsci主要由能量支配其能量分辨率,这是没办法减小Rsci的。
然而,在下一节我们将会讲到,可以用闪烁体在高能量一样有高的分辨率。
3。
新的闪烁和能量分辨率
在表1中显示的是能量为662Kev是的光电峰的分辨率,在代尔夫特理工大学和伯尔尼大学的合作下开发的传统闪烁探测器探测应用新的闪烁体记录下来的数据,在第1列表示Ce掺杂浓度为mol%。
第二列给出N,即每兆电子伏特,产生的光子数。
第三列给出Nel,电子的或电子空穴在每吸收662keV的伽马射线探测器产生的光量子对数。
从对时间的积分看所示的数据,第四列给出了662Kev照片峰实验R值。
Rlid的计算是通过Nel,包括一个忽略倍增极统计5%的盘整(第五列)。
为准则和APD的它代表了探测器(过量)和电子噪音,光电倍增管的Rnoise被认为是可以忽略的。
从4-6列的值Rsci计算公式是
(2)。
表1表示的是在能量为662Kev的一些传统闪烁体的能量分辨率的数据,其定义见文中。
正如第二节提及到的NaI(Tl)的结果符合图1。
这是他们这种材料的特点。
Cs(Tl)也有类似的特征,例如见[17]。
使用硅探测器(SDD)探测出了一个很好的能量分辨率R=4.3%,
SDD有比较高的光电倍增管其中从0到8%-16%的种类而定,所以从0到60%的闪烁体发光(探测效率最高为565nm)。
然而,这并不能解释R值变小,显然对于使用Cs(Tl)探测时Rsci=3.8%,即远小于上述的晶体的值。
另外一个好的结果是,最近公布了YALO3(Tl)。
采用雪崩二极管(APD),R=4.3%。
而且,R的值不能通过高量子效率来解释,在这种情况下,Rsci≈2.5%。
2。
LaCl3(Tl)662千电子伏的脉冲γ射线光谱测定高度在(直径85平方毫米)耦合到光电倍增管(R1791,形成时间为10毫秒)。
在代尔夫特,伯尔尼的方案中,我们选择Ce掺杂闪烁的要求,并在第1和第2条所述原则的基础材料。
我们专注于卤化物,特别是溴化物和氯化物,目标针对探测效率高于或等于NaI(Tl)的,至少相当于光子产量产量,更快速的反应和更好的能量分辨率。
我们最新介绍的闪烁体RbGd2Br7(Ce)[12.13]。
我们得到的R=4.1%。
通过式2我们计算得出Rsci=3.2%
这个R和Rsci的值明显比NaI(Tl)的值小。
RbGd2Br7(Ce)有了一个小部分的改善,使得Rlid有较高的光子产量。
相对于NaI(Tl)和Cs(Tl)而言与光电倍增管的灵敏度曲线和闪烁发光光谱更好的匹配,CsI的情况一样。
另外一种新的闪烁体是LaCl3(Ce)。
起初这种材料的性能并不乐观,与0.57%的Ce混合后,具有较高的光子产额,使用光电倍增管可以读出,但是分辨率只有7%。
但是,提高Ce的掺杂度是可以得到更好的分辨率,如Ce10%时,R=3.1%。
看表格2La(+Ce)KX射线的逃逸封以及脱离光峰。
在这种情况下,Rsci=1.4%,也就是说这项闪烁体的贡献非常小。
只要不改变的Rsci价值与APD的读出应有的更大的Nel,并考虑到电子噪音,可以预算的分辨率<2.9%。
正如文章的第一节R=3.65%,表明,Rsci从1.4%增长到了2.64%。
这可能是由于APD的入口处窗口不均匀响应。
对于能读出YAlO3(Ce)较高的值的APD已经非常好了。
4.结论:
在上一节,我们了解到,由于LaCl3(Ce)的良好分辨率我们可以观察到较小的Rsci(见表1)这部分可能是由非相称的影响小的贡献Rsci解释。
这是RbGd2Br7(Ce)在此情况下观测到的迹象,在662Kev的光子产额(光子/兆电子伏特)是在0到5%和0,能量50-1400Kev之间的幅度变化。
同样对于YAlO3(Ce)所占的比例还是比较小为0到7%。
对于NaI(Tl)和NaI(Tl),却相反它的范围却是0到15%。
对于LaCl3(Ce)不相称的是,目前还没有测量,是无法预测的晶体类型显示的最小的非均衡影响。
目前还不清楚什么影响晶体的光收集和不均匀的。
LaCl3容易潮解,我们是通过一个石英晶体与光电倍增管耦合后才能用LaCl3的测量,将这个晶体和光电被怎管一起耦合在一个防潮的盒子里面。
硅润滑脂(通用电气公司,粘度60,000cst)负责耦合和样品所用的聚四氟乙烯覆盖。
观察到的光子的产量和能量分辨率是一样的。
Rsci值较小的原因,集中在第一倍增极的影响是相当重要的,如阴极不均匀性和不完善。
在LaCl3(Ce)的情况下对APD的应用也同样说明了。
其结果比预期的结果要差。
下一个步骤将是越来越多的大晶体。
那是光电效应的不匀称的影响将会更大。
显然,我们需要更多关注的是闪烁探测器的优化和研究。
按照闪烁体对温度的依赖性研究可能要好一点,冷却的准则可能需要更好的结果,但前提是闪烁的响应没有变得更糟。
我们都应该牢记,相对较小的R值只能在较高的能量实现。
(见图1)在能量<100Kev他的本质是光产额的原因,至于产量方面见图5。
更加值得注意的是在能量为662Kev时的能量分辨率是3.1%,这相当于市场上可见的CdZnTe闪烁体。
至于其他的性能,在LaCl3(Tl)Ce含量为10%的情况下,在26nm内衰减发射出20000个光子,其中90%只在1ms内发射。
LaCl3(Tl)的检测效率和NaI(Tl)差不多,想了解更多信息(见16)。
最后,通过上述的结论我们可以明显知道,在探测效率和能量分辨率的提高,我们可以通过新的闪烁体来实现,这将比传统的闪烁体更好。
特别是对于LaCl3(Tl)而言,其他的材料将继续发展下去。
5.参考文献:
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外文正文:
NewinorganicscintillatorsFaspectsofenergyresolution
CarelW.E.vanEijk*
RadiationTechnologyGroup,IRI,DelftUniversityofTechnology,Mekelweg15,2629JBDelft,TheNetherlands
Abstract
Energy-resolutionofinorganic-scintillatorgamma-raydetectorsisdiscussed.Experimentshowsthattheresolutioncanbesignificantlyimproved.ForthenewscintillatorLaCl3:
Ce,anenergyresolutionof3.1%wasobservedat662keV.r2001ElsevierScienceB.V.Allrightsreserved.PACS:
07.85.Nc;
78.90+t
Keywords:
Inorganicscintillators;
LaCl3:
Ce;
Energyresolution;
Gamma-raydetectors
1.Introduction
Inorganicscintillatorsarewidelyappliedforgamma-raydetection.Detectorselectionoccursonthebasisofrequirementsconcerninge.g.efficiency,energyandtimeresolution,deadtime,positionresolution,thepossibilitytogrowlargecrystals,crystalquality(radiationhardness,mechanicalproperties,etc.)andcost.E.g.seepapers
in[1–4].Inanumberofcasesenergyresolutionisallimportant.Then,ingeneralasemi-conductordetector,e.g.Ge,isappliedinsteadofadetectorbasedonaninorganicscintillator.Weaddressthequestionwhethertheenergyresolutionofan
inorganicscintillatorcanbeimprovedand,consequently,thescintillatorapplicabilitycanbeextended.Amongothersanewscintillatorwillbediscussed.
2.Inorganic-scintillatorbasics
Indevelopingnewscintillatorsforefficientgamma-raydetection,weselectingeneralamaterialwitharelativelyhighdensityr,andhighatomicnumberZ.Furthermore,thematerialshouldtransmitscintillationlightefficiently.Consequentlywerelyonioniccrystalsorcrystalswithsomedegreeofcovalency,butwithaforbiddengapenergybetweenvalenceandconductionband,Egap,largeenoughtotransmitthelight.Ontheotherhand,forgoodenergy,timeandpositionresolutionweneedalargenumberofscintillationphotons,Nph,(relativevariancep1=Nph),andconsequentlytheforbiddengapshouldbeassmallaspossibleas[5]
Thefirsttermontherightsiderepresentsthenumberofthermalizedelectron–holepairsNe2hproducedinabsorbinggamma-rayenergyE.Theaverageenergyrequiredtoproduceonethermalizedelectron–holepair:
Ee2hE2:
5Egap.Sisthetransport/transferefficiencyofthee2hpair/energytotheluminescencecentre(LC)ofthescintillator,andQistheefficiencyforphotonemissiononcetheLCisexcited(quantumefficiency).OfthethreestagesSistheleastpredictable.Itdependsverymuchondefectspresentinthescintillator,otherthantheLC,thatmaycaptureelectronsorholesorboth.Thesedefectscanarisefromtheinteractionitself,from
crystalgrowing,orbeduetoimpurities[3,4].Nextweconsidertheluminescencecentre.WewillconfineourselvestotheCe3+lanthanideion[6,7].Thisionhasoneelectroninthe4fstatewhichisliftedtotheempty5dshelluponexcitation.Subsequentde-excitationwilloccurbyanallowed5d–4felectricdipoletransitionwithadecaytimetX30ns.TheCe3+ionhastobeincorporatedasLCinamaterialwithspecificationsasdescribedinthepreviousparagraphandtherequirementthatit
canactasahostforthe3+ion.Inmostcasestheemissionspectrummatchesthelightsensorsensitivitycurveratherwell.Lightyields>
20,000photonsperMeVofabsorbedgamma-rayenergyareobserved[3,4,6].Wenowturntoenergyresolution.Theresolution,
R_DEeFWHMT=E,ofaphotopeakat
energyEinagamma-raypulseheightspectrumcanbeexpressedas,e.g.see[8]:
R2
scirepresentsthecontributionsfromthescintillatorduetothefactthatitisnotaperfectlightsource,i.e.atthelightdetectoritdoesnotdeliveranumberofphotonsobeyingPoissonstatisticsduetomaterialinhomogeneities,lightcollectiondependenceonthegamma-ray-absorptionpositionandimperfectscintillator-lightdetectorcoupling,anditdoesnothavearesponseproportionaltothegamma-rayenergy(non-proportionalityeffect).R2lidrepresentsthelightdetectionmechanismforaperfectlightsourceandanideallightdetector.DeviationsfromidealityofthelatterareusuallyalsoincludedinRsci.Wewillcomebacktothis.
R2noiserepresentstheelectronicnoise.Foranidealscintillatorreadoutbyanideal
photomultipliertube(PMT)Rsci_Rnoise_0and
(2)becomesR2_R2lid.Ass
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