综述：有机和无机闪烁材料在工业应用中的最新发展

《Radiation Measurements》：Recent developments in the use of organic and inorganic scintillation materials in industrial applications

闪烁材料在工业核辐射检测中的应用现状及挑战。尽管新型闪烁材料在能量分辨率和检测性能上有显著提升，但工业界因高成本、供应不稳定及材料成熟度不足而较少采用，主要依赖传统3He计数器。未来需加强低成本、易获取材料研发及产学研合作。

　　

保罗·肖塔努斯（Paul Schotanus）

SCIONIX Holland B.V. 地址：Regulierenring 5, 3981 LA Bunnik, 荷兰

摘要：

本文简要概述了近期开发的闪烁材料在工业应用中的使用情况。尽管文献中报道了大量改进型材料，但由于成本高昂和供应有限，许多新型闪烁体并未在实际应用中得到采用。这表明当前的研究趋势可能与工业用户的实际需求和优先事项不完全一致。

引言

闪烁传感器广泛应用于各种工业领域，用于检测核辐射。例如，在多相流量计中测量密度以确定石油/天然气比例[1]；在即时中子伽马光谱系统中使用伽马光谱技术[2]；以及用于辐射安全应用中监测伽马射线场的各种基于闪烁技术的探测器。

在本概述中，“工业应用”一词明确排除了医疗、科学、健康物理、防扩散和太空相关领域。因此，不考虑用于放射性同位素识别装置（RIIDs）的传感器材料。

如第3.3节所述，医疗市场的需求主导了无机闪烁体的全球生产。这些需求占据了制造商在晶体生长和加工方面的主要成本。因此，医疗市场在塑造闪烁体市场方面起着关键作用。在工业界，最终用户通常是原始设备制造商（OEM），他们购买组件（如闪烁材料或完整的传感器装置）以集成到自己的系统中。一个重要考虑因素是，这些公司只能依赖市场上可购买的材料和产品。学术环境中开发的实验性材料不太可能被采用，因为其可重复性和长期可用性往往不确定。

本概述重点关注这些特定工业市场中的当前发展，并概述了未来预期的一些需求。

章节摘录

用于核辐射传感器的闪烁材料

由于工业传感器的典型使用寿命至少为5-7年（取决于具体应用），且认证过程通常耗时且繁琐，因此当出现新材料或读出技术的新进展时，工业用户通常不愿迅速更换设备。

此外，如果新材料或新技术不能显著提升系统性能或降低成本（例如降低成本超过15%），

无机晶体

多家工业公司生产无机闪烁晶体，最常用的方法是熔融生长技术，如布里奇曼（Bridgman）、科赫拉尔斯基（Czochralski）或基罗普洛斯（Kyropoulos）工艺[9]。典型的晶体生长设施如图1所示

这种工艺耗时较长，典型生长速度约为每小时几毫米，因此成本相对较高。所使用的坩埚类型取决于材料的熔点和化学性质。

无机闪烁体

自2001年以来，人们投入了大量精力开发新型闪烁材料，最初的重点是提高对662 keV伽马射线及更高能量的能量分辨率[19]。这一努力主要是出于9/11事件后对核恐怖主义的担忧。它促进了人们对闪烁比例关系和基本闪烁机制的更好理解，最终导致了高分辨率闪烁体（如LaBr₃、CeBr等）的开发。

工业领域中的中子探测器

中子探测器被应用于多种工业场景，包括：

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中子成像

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土壤和建筑材料中的水分测量

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核设施的安全监测

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核燃料和核废料的特性分析

传统上，中子检测使用³He计数器进行。然而，由于³He的成本迅速上升，人们开发了基于闪烁体的替代技术。例如，ZnS(Ag)与⁶LiF的混合物。

可能有利于工业应用的无机和有机闪烁体发展

新开发的无机闪烁体具有优异的能量分辨率、快速衰减时间，在某些情况下还具有中子/伽马射线区分能力。然而，其成本比传统材料高出至少一个数量级，且所需原材料（稀土元素）不易获得。

有机闪烁体的最新发展通常包含中子/伽马射线区分功能或金属掺杂，以实现有限的光谱分析能力。

结论

过去几十年科学界开发的新无机闪烁体并未在主流工业应用中得到广泛使用，而闪烁体在这些应用中往往起着关键作用。主要原因在于其成本高昂和供应有限。此外，许多新型闪烁体含有仅在全球少数地区才能获得的稀土元素，使其供应受到国际贸易限制。

结合高亮度和快速响应特性的闪烁体

利益冲突声明

? 作者声明以下可能被视为潜在利益冲突的财务利益/个人关系：P. 肖塔努斯博士（Dr. P. Schotanus）