用于β谱学的ZnSe(Al,O)探测器相关性能的实验测定

《Sensors》：Experimental Determination of Detector-Relevant Properties of ZnSe(Al,O) for Beta Spectroscopy

　　

ZnSe基闪烁体是用于紧凑型β谱学的有前景材料，但ZnSe(Al,O)的探测器相关性能仍缺乏文献记录，且强烈依赖于掺杂剂和缺陷结构。本工作对一块面向SiPM基β探测器用于Sr-90/Y-90探测的商业化ZnSe(Al,O)晶体进行了实验表征。采用扫描电子显微镜-能量色散X射线光谱（SEM-EDS）验证元素组成并检查表面伪影，同时通过密度测量、布鲁斯特角折射率测量、紫外激发发射光谱、Sr-90/Y-90电荷谱分析和波形衰减拟合确定了光学和闪烁性能。发现该晶体含有Zn、Se、Al和O，平均原子丰度分别为50.3%、44.0%、1.2%和4.5%。测得密度为5.31 g cm^?3，650 nm处折射率为2.574。发射光谱峰值约在581 nm，处于硅光电探测器的可见光响应范围内。Sr-90/Y-90 β测量给出的本征光产额估计约为7.69×10⁴ photons MeV^?1，而数字化波形的指数拟合给出的衰减时间为（原文数值缺失）。这些结果为该ZnSe(Al,O)晶体提供了一个实验测定的参数集，支持其在紧凑型β谱学中的应用，同时也强调在进行可靠的探测器模拟之前需进行直接材料表征。

《Sensors》论文解读：ZnSe(Al,O)闪烁体探测器相关性质的实验测定

ZnSe基闪烁体因发射波长与光电探测器匹配，已被用于或提议用于α、β、γ和X射线探测。然而，其光学和闪烁性质强烈依赖掺杂剂种类以及缺陷结构，文献中关于ZnSe(Al,O)这类共掺杂体系的记录有限且零散。在研制用于Sr-90地下水原位监测的SiPM基β探测器过程中，研究人员需要可靠的晶体参数进行Geant4光学模拟和能谱解释；但供应商并未提供掺杂浓度、折射率、光产额等关键信息，此前模拟只能借用宽泛且变化较大的ZnSe文献值。这种不确定性直接影响探测器建模和谱数据解读，因此有必要对待用ZnSe(Al,O)晶体进行直接的实验表征。

研究人员对一块由英国Advatech UK提供的商用ZnSe(Al,O)晶体（直径42 mm，厚2.1 mm）开展了系统测量。主要技术方法包括：使用扫描电子显微镜-能量色散X射线光谱（SEM-EDS）确认元素组成并分析表面伪影；通过精密称重和尺寸测量计算密度；利用650 nm p偏振激光测量布鲁斯特角从而确定折射率；用365 nm紫外光源激发并记录发射光谱；将晶体分别耦合至Broadcom AFBR-S4N66P014M和Hamamatsu S14420-3050MG两款硅光电倍增管（SiPM），采集Sr-90/Y-90源的β脉冲，经电荷积分和端点外推获得电荷谱，再结合SiPM光子探测效率（PDE）及Geant4光学模拟得到的光收集效率（CE）修正为本征光产额；同时对数字化波形进行单指数衰减拟合，得到有效衰减时间。该批晶体没有队列信息，仅为单一商用样品。

实验结果按原文小节总结如下。

3.1 化学成分分析：SEM-EDS证实晶体含有Zn、Se、Al、O，平均原子丰度分别为50.3%、44.0%、1.2%和4.5%；归一化后的近似组成为ZnSe_0.875O_0.089Al_0.024，且Se:Zn比低于1