閃爍體探測器

閃爍體探測器（scintillation detector）是用電離輻射在閃爍體（英語：scintillator）中產生的閃光來探測，也是目前應用最多、最廣泛的電離輻射探測器之一。輻射引起物質發光的現象很早就被人們所關注和利用：早在1903年，威廉·克魯克斯就發明了由硫化鋅螢光材料製成的閃爍鏡並用其觀察鐳衰變放出的輻射^[1]^[2]；盧瑟福在其著名的盧瑟福散射實驗中也曾使用硫化鋅螢光屏觀測α粒子^[3]。不過，由於傳統螢光材料在使用上很不方便，閃爍探測器一直沒有大的進展。1947年Coltman和Marshall成功利用光電倍增管測量了輻射在閃爍體內產生的微弱螢光光子^[4]，這標誌著現代閃爍體計數器（scintillation counter）的發端。之後隨著光電倍增的應用和相關技術的進步，閃爍體探測器得到了非常迅速的發展，各種新型閃爍體材料層出不窮。由於具有計數效率（英語：Counting efficiency）高、分辨時間短、使用方便、適用性廣等特點，閃爍體探測器在某些方面的應用已超過氣體離子化探測器，並有研究γ射線譜（英語：Gamma spectroscopy）的功能。

工作原理

閃爍體計數器工作原理

閃爍體計數器的工作原理如下：入射輻射在閃爍體內損耗並沉積能量，引起閃爍體中原子（或離子、分子）的電離激發，之後受激粒子退激放出波長接近於可見光的閃爍光子。閃爍光子通過光導射入光電倍增管的光陰極並打出光電子，光電子受打拿極之間強電場的作用加速運動並轟擊下一打拿極，打出更多電子，由此實現電子的倍增，直到最終到達陽極並在輸出迴路中產生信號。^[5]

測量α射線一般使用一大塊硫酸鋅閃爍體薄片「窗口」，測量β射線則一般是使用塑料閃爍體薄片「窗口」。^[5]X和γ射線穿透力強，不需要使用窗口形狀的設計，一般使用塊狀的閃爍體晶體。

閃爍體

閃爍體的分類

閃爍體材料大致可分為以下三類：^[6]

用於γ射線探測的CsI(Tl)晶體

無機閃爍體：包括鹼金屬鹵化物晶體（如NaI(Tl)、CsI(Tl)等，其中Tl是激活劑）、其他無機晶體（如CdWO
4、BGO等）、玻璃體
有機閃爍體：有機晶體（如蒽、芪等）、有機液體、塑料閃爍體
氣體閃爍體：如氬、氙等

閃爍體的性質

用於輻射探測的理想閃爍體應具有以下性質：

發光效率高：能夠將入射帶電粒子的動能儘可能多地轉換為閃爍光子數
線性好：入射帶電粒子損耗的能量在很大範圍內與產生閃爍光子數保持線性關係
發射光譜與吸收光譜不重疊：閃爍體介質對自身發射光是透明的，不存在自吸收
發光衰減時間短：入射粒子產生閃光的持續時間短，探測器反應快
其它性質：加工性能好、折射率合適、原料易得且無毒、成本低廉等

一般而言，無機閃爍體的光子產額高、線性好，但發光衰減時間較長；有機閃爍體發光衰減時間短，但光子產額較低。^[7]

閃爍體的發光機理

不同閃爍體在電離輻射作用下發光的物理機制有很大區別：^[5]^[7]

無機閃爍體：這類閃爍體的發光機制以摻雜激活劑的鹼金屬鹵化物晶體最為典型。在此類晶體中各原子呈周期性排列，在原子核電場的作用下，原本屬於單個原子的核外電子可以以在相鄰原子間轉移，這樣的電子不再固定從屬於某個原子，而是從屬於整個晶體，這種現象稱為晶體中電子的共有化。原先孤立原子中的能級也相互交錯重疊形成晶體能帶，這些能帶又可分為價帶與導帶，二者之間存在一定寬度的禁帶。當電離輻射進入晶體中，原先處於價帶的電子受激發躍遷至導帶，之後經過一段時間（典型值為10^-7秒左右），電子又退激回到價帶，在此過程中會釋放出光子，光子能量等於電子前後所處能帶能量之差。一般情況下，禁帶較寬，因此躍遷釋放光子的能量較高，超出可見光範圍。如果在晶體中摻入Tl等雜質（激活劑），則可以在原先的禁帶中產生一些局部能級，這樣電子再受激和退激時就可能會落到這些局部能級，相應的能量差也比原來要小，因此退激放出的光子能量比原先要低，即落在可見光範圍內。
有機閃爍體：有機閃爍體大多屬於苯環結構的芳香族化合物，其發光過程中主要通過π電子的躍遷實現。
氣體閃爍體：氣體分子受電離輻射激發，退激時釋放光子。氣體閃爍體放出的光子大多屬於紫外光波段，因此需要使用專門針對紫外光的光電元件，或者在工作氣體中摻入少量雜質氣體（如氮氣）通過吸收部分紫外光子來產生可見光光子。

γ射線譜

使用閃爍體計數器測量gamma射線譜；探測器將脈衝信號發送給多頻道分析器（英語：multichannel analyzer）。

使用 NaI(Tl) 閃爍體測得的銫137γ射線譜。閃爍體射線譜的能量解析度有限，因此將衰變產生的恆定能量射線顯示成了模糊的寬峰

在檢測X和γ射線時，閃爍體的功能是將一個高能量光子轉換為多個低能量光子。閃爍體產生的光子數量對於入射能量（電子伏特）幾乎成正比，因此可以通過測量光電倍增後的亮度來推測原有射線的能量。通過辨認射線能量，可以推知樣品含有的放射性元素。^[5]

參考文獻

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[1] W. Crookes. Certain Properties of the Emanations of Radium. Chemical News. 1903, 87: 241.

[2] Paul W. Frame. William Crookes and the Turbulent Luminous Sea. Oak Ridge Associated Universities. [2013-12-21]. （原始內容存檔於2021-04-17）.

[3] E. Rutherford. The Scattering of α and β Particles by Matter and the Structure of the Atom (PDF). Philosophical Magazine. 1911, 21: 669 [2013-12-21]. （原始內容存檔 (PDF)於2021-05-07）.

[4] J. W. Coltman, F. H. Marshall. Photomultiplier Radiation Detector. Nucleonics. 1947, 1 (3): 58.

[Knoll-5] 5.0 ^5.1 ^5.2 ^5.3 Glenn F. Knoll. Radiation Detection and Measurement 3rd. John Wiley & Sons. 2000. ISBN 978-0-471-07338-3.

[AN_Ji-gang-6] 安繼剛. 《电离辐射探测器》. 北京: 原子能出版社. 1995. ISBN 978-7-5022-1332-9.

[CHEN_Bo-xian-7] 7.0 ^7.1 陳伯顯, 張智. 《核辐射物理及探测学》. 哈爾濱: 哈爾濱工程大學出版社. 2011年8月. ISBN 978-7-5661-0187-7.

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