γ射线探测
首先，伽马射线探测器具有一般探测器的功能，记录探测器中二次电子的能量损失；其次，它是将入射光子能量转换成一个或多个快电子的转换介质。闪烁探测器主要是由闪烁体、集光部件和光电转换器件组成的辐射探测器。这种传统的闪烁探测器具有效率高、信噪比高、响应时间快等特点，已广泛应用于高能物理、宇宙线探测和核医学等领域的研究，是辐射探测技术领域不可或缺的手段。
理想的闪烁体应具有以下特点：发光效率高、衰减时间短、余辉低、密度高、辐射长度短、成本低、发光谱与光子探测器响应谱匹配。辐射的长度决定了闪烁体对伽马光子的吸收能力。发光峰波长是闪烁体最强发射光谱处的波长，光输出是射线在闪烁体晶体中失去单位能量后产生的光子数，直接影响探测器的能量分辨率。衰减时间决定了闪烁体的最大计数率。
下图显示了用于伽马射线检测的探测器的基本结构。图中的基本探测单元是一对与闪烁晶体耦合的光子探测器（PMT/APD/SiPM等）。位置读出电路是对探测器输出信号进行处理和计算的一部分，直接影响探测器的输出性能，是探测器组成中不可缺少的一部分。
据报道，许多晶体已被证明可以作为闪烁晶体，可用于伽马射线探测。目前，可大量生产的闪烁晶体为：BGO，Ce：LYSO，Ce：GAGG，BaF2，Ce：LuAG，Ce：YAG，CsI（TI），Pr：LuAg。
γ射线探测用闪烁晶体
BGO
- 高密度
- 有效原子序数高
- 辐射长度短
- 检测效率高
- 高制动力 · 出色的能量分辨率
锗酸铋Bi4Ge3O12（BGO）晶体闪烁体因其对软伽玛射线的高阻止能力而备受关注。BGO闪烁体由于其高检测效率，大光分数和相对较低的成本而成为用于伽马射线检测的有吸引力的材料。BGO的峰值发射波长为– 480 nm，与光电倍增管的光谱响应非常匹配。BGO的有效原子序数为75，密度为7.1g / cm3，可通过最小化受检者接收的辐射剂量并缩短成像时间来提高检测511 keVγ光子的效率。BGO的辐射长度为1.12cm，有利于生产紧凑的探测器或探头部件，提高空间分辨率并节省成本。
目前，许多研究机构与BGO配合使用其他闪烁晶体，可以最大限度地发挥BGO的优势，克服其输出光产量低，衰减时间长的缺点。BGO主要用作有源屏蔽，因为有大量的单个BGO晶体可供使用，这使我们能够构建重量更轻的探测器，这对于空间伽马射线探测器的发展至关重要。另外，BGO晶体无余辉，无离解表面，抗辐照能力强，化学性能稳定，易于加工和维护。
| BGO | 密度[g/cm3] | 有效原子序数 | 发射波长[nm] | 能量分辨率 [662keV伽马射线] | 衰减时间 (ns) |
| Ref[1] | 7.13 | 74 | 480 | 6.20% | 300 |
| Ref[2] | 7.13 | / | 480 | 11.5% | 300 |
| Ref[3] | 7.1 | 74 | 480 | 16.5% | 300 |
参考文献
[1] BGO readout with photodiodes as a soft gamma-ray detector at -30 C
[2] The Comparison of Large Scintillators for High Energy Gamma-Rays Detection
[3] Comparative studies of CsI(Tl), LYSO and BGO scintillators
Ce:YAG
| 波长（最大发射）（nm） | 550 |
| 衰减时间（ns） | 70 |
| 发光量（光子/ keV） | 35 |
| 折光率 | 1.82@550nm |
| 辐射长度（cm） | 3.5 |
随着医疗，工业和科学应用数量的增加，人们对新型闪烁体材料的开发越来越感兴趣。Ce:YAG（Ce:Y3Al5O12）闪烁晶体具有光输出高，时间响应快，伽马射线检测效率高，理化性能稳定，荧光光谱与普通光敏器件之间的良好耦合等优点，非常适用于脉冲伽马射线测量。Ce:YAG单晶在文献中被报道为快速氧化物闪烁体。Ce:YAG的密度约为4.56 g / cm3，有效原子序数为35。发射峰在550nm附近，与光电倍增管（PMT）和硅光电二极管（PD）的敏感接收波长良好匹配。
Ce:YAG晶体可用于带电粒子和X射线/低能射线，但不适用于300 keV以上的射线，因为其有效原子序数低且密度适中，这限制了光峰检测效率。请注意，由于Ce:YAG晶体的有效原子序数和密度较低，因此可以预期，使用Ce:YAG检测器测得的光谱中的光子分数较低。在这方面，推荐将Ce:YAG用于X射线和低能射线的光谱测定。
参考文献
[1] Comparative studies of Lu3Al5O12:Ce and Y3Al5O12:Ce scintillators for gamma-ray detection
[2]Investigation of some scintillation properties of YAG Ce crystals
[3] Comparative studies of CsI(Tl), LYSO and BGO scintillators
Ce:LuAG
| 波长（最大发射）（nm） | 535 |
| 波长范围（nm） | 475-800 |
| 衰减时间（ns） | 70 |
| 发光量（光子/ keV） | 25 |
| 折光率 | 1.84@633nm |
对于现代闪烁体，高光输出，良好的能量分辨率，高有效原子序数，快速闪烁响应，化学稳定性和块状晶体生长能力是非常重要的参数。Ce:LuAG单晶的密度更高，为6.67 g / cm3，有效原子序数为58.9，这在高能伽马射线检测中是有利的。通过使用具有高密度和高原子序数的材料可以实现高检测效率。RT处的发射光谱在525 nm附近达到峰值，这与光电倍增管的光谱响应非常匹配。
参考文献
[1] Comparative studies of Lu3Al5O12:Ce and Y3Al5O12:Ce scintillators for gamma-ray detection
[2]Comparison of Lu3Al5O12:Ce and LaBr3:Ce Scintillators in Gamma-Ray Spectrometry
[3] Scintillation Properties of LuAG:Ce, YAG:Ce and LYSO:Ce Crystals for Gamma-Ray Detection
Ce:GAGG
| 波长（最大发射）（nm） | 520 |
| 波长范围（nm） | 475-800 |
| 衰减时间（ns） | 90 |
| 发光量（光子/ keV） | 50 |
| 折光率 | 1.95@540nm |
具有高密度和高伽玛射线吸收系数的单晶闪烁体与光电检测器结合在一起通常用于检测高能光子和粒子。对于现代闪烁体，高光产量，良好的能量分辨率，高有效原子序数，快速闪烁响应，化学稳定性和大晶体生长能力是非常重要的参数。掺铈的Gd3（Ga，Al）5O12（GAGG：Ce）是一种有前途的新型闪烁体，用于伽马射线探测器。它是一种坚实的，不吸湿的浅黄色单晶。它很重（密度〜6.5 g / cm3），通常用于高能伽马射线测量。
GAGG：Ce的最大发射波长约为530nm，这是石榴石成分的典型值，适用于硅基光电探测器。它的特点是光输出高，超过40000ph / MeV，光脉冲的快速衰减时间常数约为100 ns。
| Ce:GAGG | 密度[g/cm3] | 发射波长[nm] | 能量分辨率[662keV伽玛射线] | 闪烁衰变 (ns) | 符合时间分辨率[511 keV] | 发光量[ph/MeV] |
| Ref [1] | 6.63 | 530 | 7.58% | 98.4 | / | 56000 |
| Ref[2] | 6.5 | 530 | 6% | 100 | 550ps | 33000 |
| Ref[3] | 6.63 | 530 | / | 90 | / | 46000 |
参考文献
[1]Evaluation of GAGG:Ce scintillators for future space applications
[2]Performance of cerium-doped Gd3Al2Ga3O12(GAGG:Ce) scintillatorin gamma-rayspectrometry
[3]Development of a SIPM based gammaray imager using a Gd3Al2Ga3O12:Ce (GAGG:Ce) scintillator array
Ce:LYSO
| 波长（最大发射）（nm） | 410 |
| 衰减时间（ns） | 40 |
| 发光量（光子/ keV） | 25 |
| 相对于Nal（Tl）的光输出（％） | 75 |
| 折光率 | 1.82@410nm |
无机闪烁体广泛用于高能光子和核粒子的检测和光谱学中。这些应用中对闪烁器的重要要求包括高光输出，快速响应时间，高制动力和良好的能量分辨率。
（Lu，Y）2SiO5：Ce（LYSO：Ce）由于其所需的特性（例如高密度，短衰减时间和高光输出）而被开发为用于伽马射线检测的有希望的闪烁体。Ce:LYSO的密度为7.11 g / cm3，室温（RT）的发射光谱在420 nm附近达到峰值。Ce:LYSO的光产率高，高达约34,000 ph / MeV。
参考文献
[1] Comparative studies of Lu3Al5O12:Ce and Y3Al5O12:Ce scintillators for gamma-ray detection
[2] Lu1.8Y0.2SiO5:Ce and LaCl3:Ce Scintillators for Gamma-Ray Detection
[3] Scintillation Properties of LuAG:Ce, YAG:Ce and LYSO:Ce Crystals for Gamma-Ray Detection
Ce:BaF2
| 波长（最大发射）nm | 310 |
| 波长范围（nm） | 170-460 |
| 衰减时间（ns） | 630(慢); 0.87/0.88(快) |
| 发光量（光子/ keV） | 10(慢); 1.9(快) |
| 辐射长度（cm） | 2.026 |
氟化钡（BaF2）是一种无机闪烁材料，由于其相对较高的密度，当量原子序数，辐射硬度和高发光度而用于γ射线的检测。由于迅速的衰变发射成分，BaF2具有在伽马射线定时实验中使用的潜在能力。由于迅速的衰变发射成分，BaF2具有在伽马射线定时实验中使用的潜在能力。众所周知，BaF2的光输出具有三个衰减分量：两个提示分量在大约195 nm和220 nm处具有大约600-800 ps的衰减常数，而更强烈，更慢的分量在310 nm附近具有一个衰减常数在大约300 nm处。630 ns阻碍了快速计时实验。BaF2的高密度（4.9g / cm3）非常适合用于伽马射线检测。
| BaF2 | 密度[g/cm3] | 发射波长[nm] | 衰减时间[ns] | 能量分辨率[662keV伽马射线] | 光输出[ph/MeV] |
| Ref[1] | 4.9 | 300 | 600 | / | 12000 |
| Ref[1] | 4.88 | 320 | 620 | 13-14% | / |
参考文献
[1] Suppression ofthe slow component ofscintillation light in BaF2
[2] A BaF2 crystal array for high energy γ-ray measurements
Tl:CsI
| 波长（最大发射）（nm） | 410 |
| 衰减时间（ns） | 40 |
| 发光量（光子/ keV） | 25 |
| 相对于Nal（Tl）的光输出（％） | 75 |
| 折光率 | 1.82@410nm |
铊掺杂碘化铯（CsI:Tl）闪烁体作为一种具有优异物理、化学、光学和闪烁性能的高电位辐射探测材料，在伽马能谱、医学成像等领域有着广泛的应用。在可见光范围内，硅光电二极管具有66000光子/MeV的高光子产额、800ns的快衰减时间、较高的转换效率和550nm的合适发射波长，经典CsI:Tl闪烁体已广泛应用于核和医学成像领域。CsI:Tl晶体具有立方晶体结构，介质密度为4.53 g/cm3，原子序数（Z）为54。它们具有较强的机械稳定性，没有解理面，化学稳定性高，吸湿性差。在伽马射线探测中，CsI晶体具有密度大、原子序数高的阻止本领。这些特性使CsI晶体适合于γ射线探测。
| Tl:CsI | 密度[g/cm3] | 发射波长[nm] | 能量分辨率[662keV伽马射线] | 闪烁ns衰减[ns] | 光产率[ph / MeV] |
| Ref [1] | 4.51 | 550 | 8% | 1000 | 55000 |
| Ref [2] | 4.53 | 540 | 3% | 800 | 66000 |
| Ref [3] | 4.51 | 550 | 4.3% | / | 63800 |
参考文献
[1] The design and performance of a large-volume spherical CsI(Tl) scintillation counter for gamma-ray spectroscopy
[2] Impact of precursor purity on optical properties and radiation detection of CsITl scintillators
[3] First Prototype of a Gama-Camera Based on a Single CsI(T1) Scintillator Coupled to a Silicon Drift Detector Array