定义与应用原理
闪烁材料是指能够将X射线或伽马射线等高能辐射转换为可见光或近可见光的物质。闪烁体广泛应用于医学诊断、高能物理及地球物理勘探等领域，其形态多样，涵盖气态、液态或固态，材质既包括有机物，也包括玻璃、单晶或陶瓷等无机物。
利用闪烁体的探测器通常由两个主要部分组成：闪烁材料本身和光电探测器（如光电倍增管或光电二极管）。光电探测器的作用是将闪烁体发出的光转换为电信号，以便进行后续分析。
图1：由闪烁材料与光电倍增管耦合构成的闪烁探测器示意图。
光电倍增管是最常用的光电探测器，其结构包含一个光电阴极以及随后的一系列倍增极（dynode）。当光子撞击光电阴极时，会发射出光电子，从而引发电子在倍增极之间发生级联倍增。由此产生的放大信号在阳极被收集，并传输至测量电路。电信号的强度与产生的光电子数量成正比。
闪烁过程的机理包含三个主要子过程：转换、能量传递和发光。当高能辐射被闪烁材料吸收时，会产生初级电子-空穴对，随后通过级联效应产生次级电子-空穴对。这些激发态载流子经历热化过程，在皮秒（10⁻¹²秒）量级的时间内分别达到导带底和价带顶。随后，自由电子-空穴对在材料中迁移，将能量传递给发光中心，这一快速过程持续约10⁻¹²至10⁻⁸秒。最后发生发光现象，其持续时间取决于材料内部特定的发光中心特性。
发射光子的能量是区分不同放射性同位素的关键参数，因为它与入射辐射的能量相关联。优先利用光电效应可提高测量精度，因为该机制能确保入射辐射被完全吸收。为了增加发生光电效应的概率，通常选用具有高原子序数和高光电效应份额的材料。
闪烁体具备若干对其应用至关重要的特性，包括光产额（光子/MeV）、能量分辨率、衰减时间、余辉和阻止本领；这些特性决定了其在各种任务中的适用性。
闪烁体的制备
传统上，无机闪烁体通常采用柴可拉斯基法（Czochralski）或布里奇曼-斯托克巴格法（Bridgman-Stockbarger）制备成单晶。柴可拉斯基法涉及从熔体中缓慢提拉籽晶，而布里奇曼-斯托克巴格法则将装有熔融材料的密封安瓿瓶缓慢降温至低温区，以促进晶体生长。这两种方法均根据材料的熔点及对环境条件的敏感度等因素，针对特定材料进行选择和调整。如图2所示，切克劳斯基法（Czochralski method）涉及将一颗晶种固定在垂直机械臂的末端，使其刚好接触熔体的表面。随后，机械臂缓慢提升，使晶体在晶种与熔体的界面处生长形成。通常，晶体会缓慢旋转，以防止熔体中的不均匀性传递到晶体上。通过计算机控制的设备调节提拉速率，可以生长出所需直径的晶体。该方法常用于高熔点材料的制备。
图2. 乔克拉斯基（Czochralski）法装置（左）
图3. 布里奇曼-斯托克巴格（Bridgman-Stockbarger）法炉体（右）。
相比之下，如图3所示的布里奇曼-斯托克巴格法涉及在密封安瓿（呈圆柱形，底部为锥形）内加热多晶材料。安瓿内的加热装置使材料保持熔融状态。随着安瓿被缓慢降入低温区域，晶体便从锥形尖端开始生长。下降速率与晶体生长速率相匹配，从而确保晶体与熔体界面处的温度保持恒定。若该方法操作得当，安瓿内的全部熔融材料将结晶成一颗完整的大单晶。随着结晶界面向上移动，杂质会在熔体与固体的界面处富集，最终集中在晶体的上部。该方法特别适用于熔点较低以及对大气环境敏感的材料，例如碘化锶（Strontium Iodide）。
闪烁体研发最新进展
图4. 常见闪烁体的研发历程。箭头指示了材料的改性过程。
最初，碱金属卤化物（如 NaI 和 CsI）及天然荧光材料（如 CaF2 和 CdWO4）受到了研究关注。值得注意的是，CaF2 和 CdWO4（在矿物学中分别被称为萤石和白钨矿）成为了早期的候选材料。20 世纪 40 年代至 60 年代期间，一系列基础闪烁体材料得以开发，其中包括 Tl 掺杂的 NaI、Tl 掺杂的 CsI 以及 Eu 掺杂的 CaF2。
随后，在 20 世纪 80 年代，研究人员开创性地开发了诸如 Bi4Ge3O12 (BGO) 等新型材料，这些材料具有极高的有效原子序数。凭借其优异的性能，BGO 被应用于早期的正电子发射断层扫描 (PET) 系统中。BGO 的问世推动了大量的研发工作，特别是将 Ce 掺杂引入绝缘基质材料这一技术，该技术此后成为了闪烁体开发中的标准工艺。Ce 掺杂的 Lu2SiO5 (LSO) 及其掺钇变体 LYSO 已成为主流材料，并在现代 PET 系统中取代了 BGO。
图5. LYSO (Ce)
近期的创新成果包括铈（Ce）掺杂的 Gd3(Al,Ga)5O12（GAGG）材料的开发，该材料已广泛应用于硅基光电探测器。值得注意的是，Ce 掺杂的石榴石型闪烁体具有独特的发射波长，使其非常适合用于基于光电二极管的辐射探测器。图4全面展示了常见闪烁体材料的研发历程。
图 6. GAGG(Ge)
Shalom EO 提供什么？
Shalom EO 是一家领先的闪烁体材料供应商，提供多种选择以满足各种应用需求。其闪烁体材料主要分为两大类：晶体和塑料。
晶体闪烁体由无机晶体材料构成，通常掺杂特定杂质以增强其闪烁性能。这些晶体通常具有高光输出效率和优异的能量分辨率，因此适用于粒子物理、医学成像和辐射探测等领域的精密测量。晶体闪烁体材料的典型例子包括掺铊碘化钠 (NaI(Tl))、掺铊碘化铯 (CsI(Tl)) 和镥钇氧正硅酸盐 (LYSO)。这些材料广泛应用于对性能和精度要求极高的场合。
塑料闪烁体由掺杂了荧光染料或其他闪烁剂的有机聚合物构成。与晶体闪烁体相比，这些材料具有多功能性、易于加工和成本效益高等优点。塑料闪烁体常用于对灵活性、耐用性和低成本有要求的应用场景，例如辐射监测、核保障和工业过程控制。这些材料既能高效探测电离辐射，又能根据特定需求进行定制。
图6. 塑料闪烁材料
杭州Shalom EO提供多种无机闪烁体，包括CsI(Tl)、LYSO(Ce)、CsI(Na)、BGO、YAG(Ce)、CaF2(Eu)、BaF2、CdWO4、GAGG(Ce)、LuAg(Ce)、GOS、LSO、LaBr3(Ce)、LaCl3(Ce)和CeBr3。产品形式涵盖带或不带反射层的抛光晶体、封装晶体、像素化闪烁体、闪烁屏，以及由光电倍增管（PMT）、电子学组件和闪烁体组成的探测器组件。
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