[科普中国]-辐射发光

概念

高能带电粒子入射发光体后，同发光体中的原子(或分子)碰撞，从原子电离出来的电子，具有很大的动能，可以继续引起其他原子的激发或电离，因而产生大量次级电子。高能光子流入射发光体时，可能发生光电效应、康普顿效应及形成电子-正电子对（X射线主要产生光电子）；这些效应也都能产生大量次级电子。以上两种激发情况都有共同的特征：在粒子（光子）通过的路程上有大量的原子被激发或电离，并且产生大量的次级电子，因此这种激发具有密度高和空间不均匀性的特点，它们只发生在粒子（光子）经过的轨迹附近；典型的例子，对于ZnS材料，α粒子(能量约5MeV)引起的激发带直径只有10cm，β粒子(约为1MeV)引起的带直径只有1.8×10cm，而X射线（约35keV）引起的带则较大，为9×10cm。辐射激发的这些特点使得其发光量子效率大大超过1；例如对于X射线，高达1000以上的量子效率并不难获得。这些都是有别于普通激发和发光的特点。

发光材料发光材料受到射线辐照的性状还是比较复杂的。一般地说，长期受到粒子轰击，会逐渐引起原子的位移、形成各种缺陷，因而使无辐射中心数逐渐增加，发光性能逐渐衰退。与此相反，一些材料在射线粒子轰击下却观察到发光增长现象，例如ZnS在α粒子轰击下蓝发射带反而增强。总之辐照下物体的性状是比较复杂的，有待深入研究。

Al2O3:C材料辐射发光研究现状Al2O3: C 材料因为其良好的剂量相应范围和高灵敏度，与人体组织等效性接近，成为剂量监测研究的热门。Al2O3: C 探测器广泛应用于热释光(TL) 和光释光(OSL)剂量监测。热释光是物质预先吸收辐射能之后的热激发光， 光释光是物质预先吸收辐射能之后的光激发光，其基本原理类似，只是激发方式不同。Al2O3: C在接受照射的过程中会立刻产生辐射发光(RL) ，这为剂量监测的实时测量提供了理论依据。现阶段研究表明，Al2O3: C 材料的RL信号理论上是正比于辐射剂量率的，可以用于剂量的实时监测。但是值得一提的是其测量发光曲线并不是严格线性的， 这种现象产生原因是很复杂的、 多方面的， 也为剂量监测带来了难题。

现阶段研究表明， Al2O3: C 探测器的辐射发光信号强度与辐射剂量率整体成正比关系，在7mGy～14Gy剂量范围内有着很好的线性响应，通过实验处理或者算法处理可以反映实际剂量率大小，实现辐射剂量测量。但是，Al2O3: C 探测器的灵敏度会随着辐射剂量、剂量率、晶体温度等的变化而产生变化，实验数据必须经过合适的实验处理和算法处理才能反映真实辐射信息。在光纤系统中，利用脉冲式辐射条件和同步快门的方法可以有效排除光纤中的干扰信号。Al2O3: C 探测器的RL信号可以用作辐射剂量监测，配合光纤耦合技术可以实现剂量遥测和实时监测。

RL用于实时测量还存在诸多问题，如Al2O3: C探测器灵敏度变化的内在原因为何，探测器在低剂量和低剂量率下的性能问题以及如何提高光纤传输的效率等问题都是以后需要探究的。1

CsINa晶体的辐射发光特性及探测性能研究CsI(Na)晶体具有光产额高、机械性能好等优点，广泛应用于伽马射线探测、暗物质探测及深空探测等核辐射探测国际前沿领域。针对CsI(Na)晶体的辐射探测性能研究受到国内外学者的普遍关注。其中，晶体的辐射发光特性是其研究其探测特性的关键因素。本论文主要研究晶体的尺寸对晶体的探测性能的影响及晶体的辐射发光特性与晶体的粒度之间的关系，为CsI(Na)晶体在核辐射探测领域的应用提供了参考依据，具有一定的工程实践价值及学术意义。

在CsI(Na)晶体探测特性研究方面，主要利用蒙特卡罗程序进行模拟并且计算CsI(Na)晶体的尺寸对其探测效率的影响。模拟计算结果表明，当晶体体积一定时，随着晶体高度的减小，本征探测效率下降，并且晶体高度与本征探测效率二者线性度比较好。源峰效率随着晶体半径的增大先平缓上升后下降。

在CsI(Na)晶体的辐射发光性能研究方面，研究不同粒度CsI(Na)晶体在不同的激发方式下的辐射发光特性。块状CsI(Na)晶体的发光峰主要在315nm，420nm和590nm处，然而，对于纳米量级的CsI(Na)晶体，在不同的激发方式下，研究发现其发光峰较大尺度晶体表现出明显的差异：在阴极射线激发下，纳米量级的CsI(Na)晶体发光峰主要以315nm和590nm，而在光激发下，纳米量级的CsI(Na)晶体的发光峰主要以420nm为主。其原因是Na+相关的420nm发光峰由于纳米结构的表面效应逐渐消失。另外，论文还研究了在同样的实验条件下，得到CsI(TI)晶体在光和阴极射线激发下的发射光谱，结果表明纳米量级的CsI(TI)晶体并没有因为不同的激发方式而表现出不同的发射光谱，和块状CsI(TI)晶体一样，其发射光谱以在540nm的发光峰为主。2

辐射发光应用其中最重要的有：

① 闪烁计数器、闪烁探测器。用来进行射线强度、能谱及剂量的测量。

② X射线医疗及工业无损探测用的直接观察屏,以及使乳胶感光的增感屏。直接观察屏要求发光谱与人眼光谱响应匹配，一般谱峰在520～560nm之间。增感屏则要求感光乳胶对X 射线的吸收很少，而屏中的辐射发光材料吸收X 射线发出的光，能使乳胶感光，因此，发出的光应与乳胶的光谱响应相匹配。

③ 永久性发光材料。在发光材料(例如ZnS)中加入少量的放射性同位素，可以不需其他外加能源就能长时间地发光。有些同位素半衰期很长，所以称这种材料为永久性的发光材料。它可以用来作为一种弱照明的不熄光源，例如涂覆在仪表上，可在夜间或暗处观察。实际上，为了减低放射线对人体的伤害，常采用半衰期较短、毒害较低的人工同位素,例如氚(H)半衰期12.33年，钷(PM)半衰期2.65年，发光材料则用ZnS等。