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閃爍體基礎知識Ⅲ——應用

發布時間:2019-10-21 編輯:韓永飛

基于閃爍體可以將高能粒子轉化為可見光的特性,結合相應的光電探測器就可以將其應用于如下四個主要的領域:1安全檢查2高能物理3醫療設備4石油勘探

一、 安全檢查

北京濱松批量生產安檢所需的CsI(Tl)CWONaI(Tl)RGBS(稀土石榴石基閃爍體,性能參數與GAGG相當)閃爍體,客戶包括國內外知名廠家,占據全球較大的市場份額。針對安檢應用的場所或要求不同,將其分為如圖1所示的四類:




安檢應用及對閃爍體的要求說明


二、高能物理探測

閃爍體應用于高能物理大型科學實驗來探測未知的粒子和能量,如夸克、暗物質等。該應用對材料的密度、衰減時間及抗輻照性能較關注。一般為國家性或國際性的實驗,用量較大,如下列舉了目前國內外較知名的實驗,部分實驗中北京濱松作為閃爍體的供應商與中國高能物理研究所合作為國家的高能物理事業做出了貢獻。

1LEP(大型電子對撞機)

歐洲核子研究中心(CERN)于20世紀90年代建成了當時世界上能量最高的正負電子對撞機。LEP周長27公里,總對撞能量為200 GeV,如圖2所示。其中L3實驗是用于宇宙線繆子和推斷大氣中微子能譜的精確測量,其中電磁量能器使用了12000根棱臺型BGO閃爍體。


  

2  大型電子對撞機裝置的鳥瞰圖及L3探測器


2LHC(歐洲大型強子對撞機)

它是現在世界上最大、能量最高的粒子加速器。2008910日,對撞機初次啟動進行測試。在這項投資近百億美元的世界最大科學工程中,緊湊型μ子螺線管探測器(CMS)使用了10萬余支鎢酸鉛(PWO)閃爍體,如圖3所示。


  

圖3 鎢酸鉛晶體及CMS探測器


3KEKB介子工廠)

Belle探測器是B介子工廠中的核心探測器,它將與超級高能B介子加速器SuperKEKB攜手合作追蹤粒子。其中用到的閃爍晶體主要是CsI(Tl),數量近9000支,如圖4所示。


  
圖4  碘化銫閃爍體及Belle II探測器

4BESIII(北京譜儀)

它作為北京正負電子對撞機重大改造工程的重要組成部分,總投資達人民幣2.4億元,是北京正負電子對撞機的眼睛。其中用到的異形碘化銫()閃爍體有近1400支由BHP提供,如圖5所示。


  
圖5 異形碘化銫晶體及北京譜儀


5HXMT(X射線調制望遠鏡)

慧眼是中國第一個自主研制的空間天文衛星,它能實現寬波段X射線的巡天觀測,并對黑洞和中子星等高能天體的高靈敏度定向觀測。北京濱松承擔了主探測器中關鍵器件復合閃爍體的生產任務(復合閃爍體及衛星的示意圖見圖6),經測試驗證均滿足使用要求。北京濱松作為核心供應商應邀于2017年參加了衛星發射的觀摩。


  

圖6 復合閃爍體實物及慧眼衛星示意圖


6HERD(高能宇宙輻射探測設施)

它是未來中國空間站上規劃中的科學載荷之一,主要通過對100MeV~10TeV能區電子、γ射線能譜的觀測來尋找暗物質粒子。它將用到800030*30*30mm規格的LYSO閃爍體組成三維陣列作為核心探測器,如圖7所示。北京濱松作為原理樣機的核心供應商已應邀到CERN參加了兩次高能粒子束流驗證試驗。


  

圖7 LYSO閃爍體及HERD裝置示意圖

三、醫療設備

閃爍體應用于醫療影像設備中,作為核心的射線探測器件,結合光電探測器及后續電路對相關人體部位進行成像,從而輔助醫生進行疾病診斷。按照用途及原理的不同分為如下三類(如圖8所示),其中PET-CT是目前較為熱門的設備,主要用于對腫瘤、神經系統、心臟等疾病早期診斷,特別是在腫瘤的定性定位診斷、良惡性的鑒別診斷、治療方案的選擇與療效評價及復發的監測等方面具有重要意義。





圖8 醫療應用及對閃爍體的要求說明

四、石油勘探

核測井(放射性測井):以物質的原子核物理性質為基礎的測井方法。如圖9所示,核測井是通過閃爍探測器把地層信息轉換成電信號,然后傳輸到地面儀器,由地面儀器對測量信息進行采集、處理和記錄的過程。圖10為北京濱松研制的高溫閃爍體及隨鉆閃爍體。

具體的核測井方法包括自然伽瑪測井、自然伽瑪能譜測井、密度測井(散射伽瑪能譜測井)、中子測井等等。


  
圖9 石油勘探示意圖及原理圖

  
圖10 北京濱松研制的不同規格的高溫閃爍體及隨鉆閃爍體

除此之外,閃爍體還可以用于中子探測、工業無損檢測、地質勘探、PM2.5監測等輻射探測相關的行業或領域。

(部分圖片來自網絡)


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