无机闪烁晶体及其应用

无机闪烁晶体经历了半个多世纪的发展，如今已经成为功能晶体材料中一颗璀璨的明珠。本书在广泛汲取国内外相关文献的基础上，结合作者所在单位过去四十多年所开展的相关研究工作，比较系统地总结了典型无机闪烁晶体材料的结构和性能特征、闪烁发光机理、晶体缺陷、晶体制备的关键技术以及商用无机闪烁晶体在辐射探测技术领域的应用情况。全书共8章，第1章和第2章从闪烁发光的基本概念和基本原理入手，以简洁通俗的方式阐述闪烁晶体的发光过程、发光机理，以及闪烁性能的测试和表征方法。第3~第7章按照材料的化学成分分别对卤化物、锗酸铋、钨酸盐、硅酸盐和铝酸盐等五个类别中的典型闪烁晶体进行介绍，阐述其结构、性能、生长方法、生长缺陷，以及制备技术等。第8章集中展示了闪烁材料在核物理、高能物理、核医学和安全检测等主要领域的应用。本书可作为从事人工晶体材料研究和开发工作的科研人员、工程技术人员，以及材料专业的本科生、研究生使用，也可供辐射探测技术开发与应用专业的工程技术人员参考。

前言
第1章无机闪烁晶体的发光机理1
1.1辐射与物质的相互作用1
1.1.1带电粒子与物质的相互作用1
1.1.2高能光子与物质的相互作用5
1.1.3中子与物质的相互作用11
1.2能量的吸收与激发过程12
1.2.1闪烁过程概述12
1.2.2闪烁效率14
1.3能量传输过程17
1.3.1掺杂离子的能量俘获17
1.3.2激子和陷阱的能量俘获17
1.4光发射过程18
1.4.1发光中心类型18
1.4.2辐射跃迁与非辐射跃迁19
1.4.3电荷迁移发光21
1.5闪烁发光动力学22
1.5.1闪烁上升时间和衰减时间22
1.5.2各类发光类型的衰减特性25
1.6光猝灭27
1.6.1温度猝灭27
1.6.2电离猝灭28
1.6.3浓度猝灭与自吸收30
1.6.4杂质猝灭32
1.7闪烁晶体的辐照损伤32
1.7.1电离辐射下的辐照损伤33
1.7.2质子辐照下的辐照损伤40
1.7.3中子辐照下的辐照损伤43
参考文献43
第2章闪烁性能的测试与研究方法48
2.1闪烁性能测试的物理基础49
2.1.1光传播的经典理论49
2.1.2高能光子/电子与闪烁晶体作用的相关参数53
2.1.3统计规律与误差分析55
2.2透射光谱与吸收光谱58
2.2.1测试原理与设备59
2.2.2数据处理方法60
2.3激发发射光谱63
2.3.1紫外/可见光激发发射光谱63
2.3.2X射线激发发射光谱64
2.3.3数据处理方法65
2.4多道能谱68
2.4.1测试原理69
2.4.2测试使用的光电探测器69
2.4.3多道能谱仪73
2.4.4数据处理与分析76
2.5闪烁衰减时间测试79
2.5.1测试原理79
2.5.2测试装置与方法80
2.5.3数据处理方法83
参考文献84
第3章卤化物闪烁晶体87
3.1碱金属卤化物闪烁晶体87
3.1.1碘化钠晶体88
3.1.2碘化铯晶体98
3.1.3掺铕碘化锂晶体122
3.2碱土金属卤化物闪烁晶体127
3.2.1氟化钡晶体127
3.2.2碘化锶晶体141
3.3稀土卤化物闪烁晶体150
3.3.1氟化铈晶体151
3.3.2氯化镧晶体156
3.3.3溴化镧晶体165
3.3.4溴化铈晶体181
3.4钾冰晶石闪烁晶体184
3.4.1钾冰晶石晶体结构185
3.4.2CLYC:Ce晶体的闪烁性能187
3.4.3CLLC:Ce晶体的闪烁性能196
3.4.4CLLB:Ce晶体的闪烁性能197
3.4.5CLLBC:Ce晶体的闪烁性能198
3.4.6CLYC:Ce晶体生长200
3.5新型卤化物闪烁晶体201
3.5.1卤化物复盐闪烁晶体201
3.5.2近红外发光卤化物晶体207
3.5.3钙钛矿结构闪烁晶体212
参考文献222
第4章锗酸铋闪烁晶体238
4.1BGO晶体的研究历史238
4.2BGO晶体的组成、结构与基本物性239
4.3BGO晶体的闪烁特性242
4.3.1发光、衰减及透光性能243
4.3.2光输出、能量分辨与能量响应性能247
4.3.3光响应均匀性250
4.3.4辐照诱导吸收与抗辐照性能259
4.4BGO晶体的生长262
4.4.1提拉法晶体生长263
4.4.2坩埚下降法晶体生长265
4.5BGO晶体的宏观缺陷270
4.5.1灰黑色界面层270
4.5.2纵向条纹273
4.5.3云层状散射274
4.5.4生长芯276
4.6BGO的晶体应用277
4.6.1高能物理277
4.6.2核物理278
4.6.3天体物理282
4.6.4核医学成像284
4.6.5资源勘探287
4.6.6其他应用288
参考文献288
第5章钨酸盐闪烁晶体298
5.1钨酸铅晶体298
5.1.1晶体结构299
5.1.2闪烁性能300
5.1.3色心与辐照损伤305
5.1.4掺杂效应307
5.1.5各向异性311
5.1.6晶体制备312
5.1.7晶体应用315
5.2钨酸镉晶体316
5.2.1晶体结构与基本物理性质316
5.2.2闪烁性能及机理317
5.2.3晶体制备324
5.2.4应用328
5.3钨酸钙329
5.3.1晶体闪烁性能330
5.3.2晶体生长333
5.4钨酸锌334
5.4.1晶体闪烁性能334
5.4.2晶体生长336
参考文献337
第6章硅酸盐闪烁晶体349
6.1正硅酸盐闪烁晶体349
6.1.1硅酸钆晶体349
6.1.2硅酸钇晶体354
6.1.3硅酸钇镥晶体358
6.2焦硅酸盐闪烁晶体401
6.2.1焦硅酸镥晶体401
6.2.2焦硅酸钆闪烁晶体414
参考文献419
第7章铝酸盐闪烁晶体430
7.1钙钛矿结构铝酸盐闪烁晶体430
7.1.1Lu1–xYxAlO3:Ce晶体431
7.1.2YAP:Ce/Yb晶体444
7.1.3GdAlO3:Ce晶体448
7.2石榴石结构铝酸盐闪烁晶体449
7.2.1YAG:Ce晶体451
7.2.2LuAG:Ce/Pr晶体453
7.2.3GAGG:Ce晶体459
参考文献469
第8章无机闪烁晶体的应用478
8.1应用领域对无机闪烁晶体的性能要求478
8.2核物理481
8.2.1粒子散射实验482
8.2.2射线探测483
8.2.3带电粒子探测484
8.2.4粒子鉴别485
8.2.5反康普顿屏蔽486
8.2.6中子探测486
8.2.7DMMSC实验487
8.3高能物理实验488
8.3.1晶体球探测器489
8.3.2北京谱仪490
8.3.3欧洲核子研究中心CMS实验492
8.3.4德国PANDA实验493
8.3.5下一代闪烁晶体电磁量能器495
8.4天体物理研究504
8.4.1暗物质和双β衰变504
8.4.2行星能谱测量505
8.4.3射线天文509
8.4.4太阳探测510
8.5医学成像512
8.5.1计算机断层扫描的基本原理514
8.5.2平面X射线成像514
8.5.3X射线计算机断层扫描516
8.5.4单光子发射计算机断层扫描519
8.5.5正电子发射断层扫描521
8.6射线无损检测530
8.6.1射线照相无损检测531
8.6.2X射线照相无损检测532
8.6.3X射线工业CT539
8.7电离辐射监测与安全检查546
8.7.1被动探测系统546
8.7.2X射线和射线主动探测系统552
8.7.3中子主动探测系统556
8.8核测井559
8.8.1核测井方法与原理560
8.8.2核测井主动射线源564
8.8.3核测井对闪烁晶体的性能要求565
8.8.4核测井用闪烁晶体566
参考文献567
附录一常用闪烁晶体的闪烁性能表575
附录二常用放射源576
附录三典型闪烁晶体吸收已知能量X射线的95%所需要的晶体厚度577