[发明专利]光亮和快速的中子闪烁器

说明书

本申请是申请号为200580001993.3，申请日为2005年1月10日，发明名称为“光亮和快速的中子闪烁器”的中国专利申请的分案申请。

技术领域

本发明涉及新的闪烁材料，特别是单晶形式的闪烁材料，将它们制备成单晶的方法，以及它们用于检测和/或鉴别中子和/或γ射线辐射的应用。

背景技术

闪烁材料广泛地用于检测γ射线(或者能量降低至1keV或者更低的电磁波，以下称为“γ”)以及如中子、α-粒子等的粒子。

闪烁机制依赖于许多主要将入射光子或者粒子的高能量转化为可见光范围或者合理地接近可见光范围的光线的物理机理。人们对单晶形式的闪烁器，即在此应用范围内的由一个(最多几个)晶体构造的晶片尤为感兴趣。由于不存在易于存在于多晶材料中的穿过颗粒边界的内部漫射、非均质性以及其它缺点，单个晶体(单晶)构造使得它更易于在厚度方向上提取发射光。需要晶体结构(在原子意义上)是因为它决定着闪烁机制：玻璃态状的非晶态物质可能会产生不同的闪烁性质。然后采用多种本领域技术人员熟知的器件，比如，光电倍增管、光电二极管等对提取的光线进行收集。另一种构造是仍然保持材料的晶体结构，以粉末的形式对其进行应用，以仍然能够进行光线提取的方式使其或者被结合剂包裹或者与粘合剂烧结或者混合。通常，当厚度超过几毫米(不足以阻止粒子或者光子充分入射的厚度)时，那些构造也是不透明的。总之，当可能以及成本效益合算时，优选使用单晶。

γ、α或者β粒子、带电粒子或者中子(以下通常指定为“辐射”)是大量核医学、基础物理学、工业计量器、行李扫描器、油井记程仪等应用中主要的兴趣所在。在那些应用中，通常可以合意地将中子与可以同时到达检测器的γ射线鉴别，并且取决于射线的类型，闪烁检测器将能产生不同的荧光信号(参见，G.F.Knoll，Radiation Detectionand Measurements(Wiley，New York，2000))。

为了构造优良的中子或者γ检测器需要达到几个标准。

以本领域技术人员熟知的方式，绘制在入射辐射下闪烁器的能量图谱，在此将结果表示在柱形图上(x-轴为能量，y-轴为计数的数字)。在获取方法中，对“通道”进行限定以收集特定能量范围内的信号。

为了获得良好的入射辐射的能量峰鉴别，需要良好的(低的)能量分辨率。对于设定能量的给定检测器而言，能量分辨率通常被确定为能谱中所讨论的最大峰的半宽度除以此峰质心处能量的值(参见，G.F Knoll，″Radiation Detection and Measurement″，John Wiley andSons，Inc，第二版，p114)。

另一个非常重要的参数是衰减时间常数，该常数由W.W Moses进行了详细描述(Nucl.Instr and Meth.A336(1993)253)。衰减时间越快，使得分析越快。一般而言，在射线(中子或者γ)下由闪烁器收集的信号的时间光谱可以通过几个指数的和来拟合，所述的每个指数由衰减时间常数来表征。闪烁器的品质基本上由最快发射分量的贡献所决定。这就是我们在本文中要进一步报道的数值。

通常使用He3管进行中子检测。这种类型的装置具有高检测效率、优良的中子/γ鉴别力、可以被制成广泛的检测器尺寸并且在本领域具有悠久的历史。它的缺点是电荷收集时间相对较长和信号水平较低。在许多情形中，优选使用固态闪烁器。

用于中子检测的许多闪烁器都依赖于分子中⁶Li的存在。⁶Li能够俘获热中子，并且能根据以下反应将其转化为电离粒子：

α和氚核粒子共同具有4.78MeV的动能。随后，此能量在材料中的沉积会导致产生可检测的荧光。然而，仅仅存在⁶Li并不能保证其具有优良的性能。

由此，可以适宜地将γ/中子鉴别指标-所谓的γ-换算系数F_γ定义为：