闪烁体光产额
闪烁体可以根据其化学成分主要分为两大类：无机闪烁体和有机闪烁体.(来源)[https://www.ebsco.com/research-starters/physics/scintillators]
闪烁体的光产额受多种因素的影响，包括入射粒子的种类和能量 。例如，对于不同的粒子（如电子、阿尔法粒子），同一闪烁体的光产额可能不同。 指出，光产额通常以电子作为入射粒子进行量化。温度也会影响某些闪烁体的光输出 。 提到，由于辐射跃迁和非辐射跃迁之间的竞争，大多数闪烁体的光输出都与温度有关。对于无机闪烁体，掺杂剂的种类和浓度是影响光产额的关键因素 。例如，NaI 和 CsI 中掺杂的铊（Tl）显著提高了它们的光产额。此外，在高电离密度下，可能会发生猝灭效应，从而降低光产额 。(文献)[https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC5843761/] 解释了高能带电粒子产生二次电子的过程，高密度的二次电子可能导致猝灭。 (资料)[https://luxiumsolutions.com/files/886/download]
(资料)[https://www.berkeleynucleonics.com/nai-sodium-iodide]
| 闪烁体材料 | 类型 | 化学式 | 密度 (g/cm³) | 发射峰值 (nm) | 衰减时间 (ns/μs) | 光产额 (光子/MeV) | 是否潮解 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 碘化钠 (NaI(Tl)) | 无机 | NaI:Tl | 3.67 | 415 | 230-250 ns | 55,000 | 是 |
| 碘化铯 (CsI(Tl)) | 无机 | CsI:Tl | 4.51 | 550 | 0.6 / 3.4 μs | 54,000 | 轻微 |
| 正硅酸镥钇 (LYSO) | 无机 | Lu₂SiO₅:Ce | 7.20 | 420 | 33-50 ns | 30,000 | 否 |
| 锗酸铋 (BGO) | 无机 | Bi₄Ge₃O₁₂ | 7.13 | 480 | 300 ns | 9,000 | 否 |
| 塑料闪烁体 (EJ-204) | 有机 | (乙烯基甲苯基) | ≈1.023 | ≈425 | ≈2 ns | 9,100 | 否 |
带电粒子在物质中的能量损失**#
A. 理论框架
带电粒子在物质中穿行时，会通过与物质原子发生电磁相互作用而损失能量。描述带电粒子平均能量损失与穿行距离关系的物理量被称为阻止本领（stopping power），通常用 -dE/dx 表示 。它也常被称为线性能量转移（LET）。
描述阻止本领的著名理论是贝特公式（Bethe formula）。对于速度为 v、电荷为 z（以电子电荷为单位）、能量为 E 的粒子穿过电子数密度为 n、平均激发能为 I 的物质时，相对论形式的贝特公式为 ：
-dE/dx = (4π(ze)² / (mₑv²)) * n * [ln(2mₑv²γ² / I) - β² - δ/2]
其中：
- e 是电子电荷
- mₑ 是电子静止质量
- v 是粒子的速度
- β = v/c 是粒子的相对速度（c 是光速）
- γ = 1 / √(1 - β²) 是洛伦兹因子
- n 是物质的电子数密度
- I 是物质的平均激发能
- δ 是密度效应修正项
贝特公式表明，阻止本领与入射粒子电荷的平方成正比，在较低能量下与粒子速度的平方成反比 。物质的电子数密度 n 和平均激发能 I 是影响阻止本领的关键材料参数 。平均激发能 I 反映了阻止物质原子的电子结构特性 。
在实际应用中，贝特公式在低能量区域或需要更高精度时需要进行修正，例如考虑电子壳层效应（shell correction）、巴克斯-安德森效应（Barkas-Andersen effect）和密度效应（density effect）等 。这些修正项在诸如 PSTAR 和 ASTAR 等计算程序中已被考虑在内 。
质量阻止本领（-dE/ρdx）是阻止本领除以物质密度 ρ 得到的物理量 。质量阻止本领在描述不同密度但原子组成相似的材料时非常有用，例如在气体中，阻止本领随压力变化，但质量阻止本领则相对稳定 。
C. 1厘米厚度内的能量沉积估算
在确定了阻止本领后，可以使用公式 ΔE = 阻止本领 × 厚度 × 密度 来计算粒子在 1 厘米厚闪烁体中沉积的能量。需要使用一致的单位，并且阻止本领通常以 MeV cm²/g 为单位，因此需要材料的密度。
- 塑料闪烁体（基于乙烯基甲苯）：密度 ≈ 1.023 g/cm³ 33。
- 质子：ΔE = 4.57 MeV cm²/g × 1 cm × 1.023 g/cm³ ≈ 4.67 MeV。
- 氘核：ΔE = 2.29 MeV cm²/g × 1 cm × 1.023 g/cm³ ≈ 2.34 MeV。
- 碘化钠：密度 ≈ 3.67 g/cm³ 6。
- 质子：ΔE = 2.30 MeV cm²/g × 1 cm × 3.67 g/cm³ ≈ 8.44 MeV。
- 氘核：ΔE = 1.15 MeV cm²/g × 1 cm × 3.67 g/cm³ ≈ 4.22 MeV。
- 碘化铯：密度 ≈ 4.51 g/cm³ 6。
- 质子：ΔE = 2.04 MeV cm²/g × 1 cm × 4.51 g/cm³ ≈ 9.20 MeV。
- 氘核：ΔE = 1.02 MeV cm²/g × 1 cm × 4.51 g/cm³ ≈ 4.60 MeV。
- LYSO：密度 ≈ 7.20 g/cm³ 6。假设其阻止本领与其他高密度无机闪烁体近似：
- 质子（近似）：ΔE ≈ 2.1 MeV cm²/g × 1 cm × 7.20 g/cm³ ≈ 15.12 MeV。
- 氘核（近似）：ΔE ≈ 1.05 MeV cm²/g × 1 cm × 7.20 g/cm³ ≈ 7.56 MeV。
- BGO：密度 ≈ 7.13 g/cm³ 6。假设其阻止本领与其他高密度无机闪烁体近似：
- 质子（近似）：ΔE ≈ 2.2 MeV cm²/g × 1 cm × 7.13 g/cm³ ≈ 15.69 MeV。
- 氘核（近似）：ΔE ≈ 1.1 MeV cm²/g × 1 cm × 7.13 g/cm³ ≈ 7.84 MeV。
D. 沉积能量与厚度的关系
对于给定的入射粒子能量，能量损失随着闪烁体厚度的增加而增加，直到达到粒子的射程。对于高能粒子，例如 300 MeV 的质子和氘核，在材料的初始穿行阶段，能量损失可能相对均匀。在粒子射程的末端，阻止本领会显著增加，形成所谓的布拉格峰 。然而，对于这些高能粒子，1 厘米的厚度远小于它们在这些材料中的射程。因此，在较小的厚度范围内，能量沉积与厚度近似成正比。要获得更完整的关系，需要计算不同能量下的阻止本领并进行积分。
E. 阻止本领和能量沉积计算结果总结
| 闪烁体材料 | 密度 (g/cm³) | 300 MeV 质子阻止本领 (MeV cm²/g) | 300 MeV 质子在 1 cm 中沉积能量 (MeV) | 300 MeV 氘核阻止本领 (MeV cm²/g) | 300 MeV 氘核在 1 cm 中沉积能量 (MeV) |
|---|---|---|---|---|---|
| 塑料闪烁体 (乙烯基甲苯) | ≈1.023 | 4.57 | 4.67 | 2.29 | 2.34 |
| 碘化钠 | 3.67 | 2.30 | 8.44 | 1.15 | 4.22 |
| 碘化铯 | 4.51 | 2.04 | 9.20 | 1.02 | 4.60 |
| LYSO | 7.20 | ≈2.1 | ≈15.12 | ≈1.05 | ≈7.56 |
| BGO | 7.13 | ≈2.2 | ≈15.69 | ≈1.1 | ≈7.84 |
参考资料
创建日期: 2025-04-28