闪烁晶体荧光光谱测试系统

2019-02-212766

闪烁晶体荧光光谱测试

什么是闪烁晶体？

闪烁晶体到底是什么？可能很多人都没听过这个词，但其实，在我们的日常生活中并不陌生。闪烁体是一种当被电离辐射激发之后会表现出发光特性的材料，是将高能转换为可见光的一种典型光电转换材料，可用于辐射探测和安全防护，通常在应用中将其加工成晶体，称为闪烁晶体。

在医学上，闪烁体是核医学影像设备比如X光、CT等检查设备的核心部件。同时，在行李安检、集装箱检查、大型工业设备无损探伤、石油测井、放射性探测、环境监测等领域，闪烁体都发挥着不可替代的作用。

图片1.jpg

各种闪烁晶体

典型材料

目前市面上比较成熟且商业化的闪烁体有碘化铯(CsI:tl)，碘化钠(NaI:tl)，硅酸钇镥(LYSO:Ce)，锗酸铋(BGO)和钨酸镉(CdWO4)等。

同时科学界也不乏对新型闪烁体材料的研究，2018年，西北工业大学的黄维院士、新加坡国立大学刘小刚教授、陈秋水博士以及福州大学杨黄浩教授等合作，发现了一种含有铯和铅重原子成分的全无机钙钛矿纳米晶闪烁体，其具有较强的X射线吸收能力、GX的三重态发光特征、可调控的电子能级结构以及较快的辐射发光速率。相关研究工作以“All-inorganic Perovskite Nanocrystal Scintillators”为题于Nature杂志在线发表。

图片2.jpg

在X射线照射下全无机钙钛矿纳米晶闪烁体的可调谐发光（数据截取自文章“All-inorganic Perovskite Nanocrystal Scintillators”）

典型闪烁晶体的参数特性

Properties/crystal	CsI (Tl)	NaI (Tl)	CsI(Na)	BGO	GSO	PWO	NPWO	CWO	ZnSe(Te)
Crystal structure	cubic	cubic	cubic	cubic	-	Tetragonal	Tetragonal	Tetragonal	-
Lattice constant( Å )	4.566	6.46	-	-	-	a = 5.416, c = 12.049	a=5,281, c=11,510	-	-
Melting point, °C	894	924	894	1050	1950	1123	920	1325	1773 - 1793
Density, g/cm3	4.51	3.67	4.51	7.13	6.71	8.28	7.57	7.9	5.42
Mohn hardness	2	2	2	5	6	3.5- 4.0(C)	4.9	4 - 4.5	-
Thermal expansion, 10-6/K	50	47.4	49	-	-	10	-	10.2	-
Refractive index	1.79	1.85	1.84	1.05-1.12	1.38	2.16	2.31	2.2 - 2.3	2.58 - 2.61 at 610 nm
Emission wavelength (nm )	560	410	420	300	440	450 / 420	520, Cherenkov eff.	470/540	610(fast), 640(slow)
Decay constant (ns )	1000	230	630	5	6	6	6	20 ns @ 470nm	1-3(fast), 30-70(slow)
Decay constant (ns )	1000	230	630	5	6	6	6	5 ms @ 540 nm	1-3(fast), 30-70(slow)
Radiation length (cm )	1.86	2.9	-	-	-	0.92	-	0.3	-
Hygroscopic	yes	yes	yes	No	No	No	No	No	No
Afterglow % at 6ms	0.05 - 5.0	0.5 - 5.0	0.5 - 5.0	-	-	-	-	0.1	< 0.05
Effective atomic number	54	50	54	75	59	73	74	65	33
Light yield [photons/MeVy]	52- 56 x103	38 x 103	(35 - 42) x 103	-	-	22.6~ 25.6x 104	5% of BGO	1.2 - 1.5 x 104	8.0 x 104
Background, pulse/sec/kg	< 3.0	< 3.0	< 3.0	-	-	-	-	-	-
Crystal cleavage plane	none	-100	none	-	-	-101	-	-10	-

闪烁晶体的荧光光谱测试

既然说闪烁晶体是典型的光电转换材料，那么测试闪烁晶体的发射光谱就必不可少了。此类材料主要用X射线做激发，用可见波段响应的探测器进行探测采集。

卓立汉光可提供一成套的闪烁体荧光光谱测试解决方案（系统包含：X射线光管，样品仓，光谱仪，光电倍增管（PMT），单光子计数器，提供铅盒、含铅玻璃等系统防护）。

客户案例

图片3.jpg

系统由氙灯、激发光谱仪、样品仓、发射光谱仪、探测器、数据采集器组成传统荧光光谱测量系统，另耦合小型X光管用于闪烁晶体激发。

图片4.jpg

选用美国MOXTEK公司 60KV 12W小型X光管对闪烁晶体进行激发，光源小巧且带散热，通过软件控制输出功率；

图片5.jpg

CsI闪烁晶体实测数据

图片6.jpg

YLF: 5%Ce3+闪烁晶体实测数据

美国MOXTEK小型X光管

我们可以提供不同靶材及外形尺寸。

图片7.jpg

Moxtek®MAGPRO系列 60KV & 70KV X射线光源，该系列X光管使用简单，一端接上电源线供电，另一端连接电脑USB，即可通过软件输入电流值、电压值控制X光管的输出；

60KV & 70KV X射线光源参数特性

Speciﬁcations
	60kV	70kV
	XRF	Imaging	XRF
Tube type:	Metal-ceramic
Operating Temp*:	-10º to +50º C	-10º to +50º C	-10º to +50º C
Storage Temp:	-20º to +85º C
Standard Coo领:	Forced air
Weight:	≤825g	≤900g	≤900g
Available Targets:	W, Rh, Ag, Cr, Cu, Mo	W	W, Mo
HV Polarity:	Grounded anode
High Voltage Potential:	5 to 60kV	50 to 70kV	40 to 70kV
Max Beam Current:	10 to 1000µA @ 5kV	10 to 240µA @ 50kV	10 to 300µA @ 40kV
Maximum Power:	12 watts
Focal Spot Size:	Typical ~400µm	Typical ~500µm	Typical ~500µm
Window:	Beryllium 125µm or 250µm (depending on target)
X-ray Beam Cone Angle:	~48°	~86°	~48°
Radiation Leakage:	as low as 2mR/h**	2mR/h at 50mm	<10mR/h at 50mm
Input Power:	24 VDC, 1.1A
Standard Warranty:	One year

目前卓立汉光的闪烁晶体荧光光谱测试系统的典型客户代表有：中山大学、深圳大学、ZG科学院海西研究院等

Speciﬁcations
	60kV	70kV
	XRF	Imaging	XRF
Tube type:	Metal-ceramic
Operating Temp*:	-10º to +50º C	-10º to +50º C	-10º to +50º C
Storage Temp:	-20º to +85º C
Standard Coo领:	Forced air
Weight:	≤825g	≤900g	≤900g
Available Targets:	W, Rh, Ag, Cr, Cu, Mo	W	W, Mo
HV Polarity:	Grounded anode
High Voltage Potential:	5 to 60kV	50 to 70kV	40 to 70kV
Max Beam Current:	10 to 1000µA @ 5kV	10 to 240µA @ 50kV	10 to 300µA @ 40kV
Maximum Power:	12 watts
Focal Spot Size:	Typical ~400µm	Typical ~500µm	Typical ~500µm
Window:	Beryllium 125µm or 250µm (depending on target)
X-ray Beam Cone Angle:	~48°	~86°	~48°
Radiation Leakage:	as low as 2mR/h**	2mR/h at 50mm	<10mR/h at 50mm
Input Power:	24 VDC, 1.1A
Standard Warranty:	One year