阅读说明：本技术 闪烁晶体和包括其的测井设备和医学成像设备 (Scintillation crystal and logging device and medical imaging device comprising same ) 是由 杨侃 P·R·蒙格 J·M·弗兰克 于 2016-02-15 设计创作，主要内容包括：本申请涉及闪烁晶体和包括其的测井设备和医学成像设备。一种闪烁晶体可包括共掺杂有铊和另一种元素的卤化钠。在实施例中,所述闪烁晶体可包括NaX:Tl,Me,其中X表示卤素,并且Me表示第1族元素、第2族元素、稀土元素或其任何组合。在具体实施例中,所述闪烁晶体具有包括以下的性质：对于在300nm到700nm范围内的辐射,在不大于430nm波长下的发射最大值；或在662keV、22℃和1微秒积分时间下测量时,小于6.4％的能量分辨率。在另一个实施例中,所述共掺杂剂可为Sr或Ca。相比于仅掺杂有铊的卤化钠,所述闪烁晶体可具有更低能量分辨率、更好的比例、更短脉冲衰减时间或其任何组合。(The present application relates to scintillation crystals and logging devices and medical imaging devices including the same. A scintillation crystal can include a sodium halide co-doped with thallium and another element. In an embodiment, the scintillation crystal can include NaX Tl, Me, where X represents a halogen and Me represents a group 1 element, a group 2 element, a rare earth element, or any combination thereof. In a particular embodiment, the scintillation crystal has properties that include: an emission maximum at a wavelength of no more than 430nm for radiation in the range of 300nm to 700 nm; or an energy resolution of less than 6.4% when measured at 662keV, 22 ℃ and 1 microsecond integration time. In another embodiment, the co-dopant may be Sr or Ca. The scintillation crystal can have a lower energy resolution, a better ratio, a shorter pulse decay time, or any combination thereof, as compared to sodium halide doped with thallium only.)

闪烁晶体和包括其的测井设备和医学成像设备

本申请为申请日为2016年2月15日、申请号为201680010159.9、发明名称为“包括共掺杂卤化钠的闪烁晶体和包括所述闪烁晶体的辐射检测设备”的发明专利申请的分案申请。

技术领域

本公开涉及包括稀土卤化物的闪烁晶体以及包括这类闪烁晶体的辐射检测设备。

背景技术

NaI:Tl为极常见并且熟知的闪烁晶体。期望对NaI:Tl闪烁晶体的进一步改进。

发明内容

本申请提供了一种闪烁晶体，其包含NaX:Tl,Me，其中：

X表示卤素；

Me表示第1族元素、第2元素族、稀土元素或其任何组合；

Tl和Me中的每一种具有至少1×10^-5mol％的掺杂剂浓度；并且

所述闪烁晶体具有包括以下的性质：

在662keV、22℃和1微秒积分时间下测量时，小于6.4％的能量分辨率；或

小于具有NaX:Tl组成的另一种闪烁晶体的脉冲衰减时间。

本申请提供了一种闪烁晶体，其包含NaX:Tl,Sr，其中：

X表示卤素；并且

Tl和Sr中的每一种具有至少1×10^-5mol％的浓度。

本申请提供了一种闪烁晶体，其包含NaX:Tl,Ca，其中：

X表示卤素；

Tl和Ca中的每一种具有至少1×10^-5mol％的浓度；并且

在所述闪烁晶体和所述NaI:Tl晶体在22℃下测量时，相比于NaI:Tl晶体，所述闪烁晶体具有更短脉冲衰减时间或这两者。

本申请提供了一种闪烁晶体，其包含NaX:Tl,Me，其中：

X表示卤素；

Me表示第1族元素并且具有在1×10^-5mol％到9mol％范围内的浓度。

本申请提供了一种方法，其包含：

提供根据前述权利要求中任一项所述的闪烁晶体；

捕获在所述闪烁晶体内的辐射；

确定所述捕获的辐射的脉冲衰减时间和实际光输出；

确定对应于所述脉冲衰减时间的估算的光输出；并且

计算调节的光输出，所述调节的光输出为所述实际光输出与NaX:Tl的所述光输出除以所述估算的光输出相乘的乘积。

附图说明

在附图中以举例方式说明实施例，并且不作限制。

图1包括可用于医学成像的根据实施例的辐射检测设备的图示。

图2和图3包括可用于钻探或测井的根据实施例的辐射检测设备的图示。

图4包括对于Sr共掺杂和标准样本在室温和1微秒脉冲积分下暴露于662keV能量的γ辐射时所获得的。

图5包括对于La共掺杂和标准样本在室温和1微秒脉冲积分下暴露于662keV能量的γ辐射时所获得的。

图6包括相对光输出作为对于Sr共掺杂、Ca共掺杂和标准品样本的能量函数的曲线。

图7包括对于共掺杂有不同浓度的Ca的NaI:Tl晶体的闪烁光输出与脉冲衰减时间的曲线。

熟练技术人员应了解，图中的元件仅为简单和清晰起见而示出，但不一定按比例绘制。举例来说，图中一些元件的尺寸可能相对于其它元件放大以帮助改进对本发明的实施例的理解。

具体实施方式

结合附图提供以下说明来帮助理解本文所公开的教示内容。以下论述将集中于教示内容的特定实施方案和实施例上。提供此焦点以帮助描述教示内容，并且其不应被解释为对所述教示内容的范围或适用性的限制。

与元素周期表内的列相对应的族编号使用“新符号”公约，如在CRC化学和物理手册(CRC Handbook of Chemistry and Physics)，第81版(2000-2001)中所见。

术语“稀土”或“稀土元素”旨在意指元素周期表中的Y、Sc以及镧系元素(La到Lu)。

如本文所使用，术语“包含(comprises/comprising)”、“包括(includes/including)”、“具有(has/having)”或其任何其它变型是旨在涵盖非排它性的包括。举例来说，包含一列特征的工艺、方法、制品或设备不一定仅限于那些特征，但可包括没有明确列出或这类工艺、方法、制品或设备所固有的其它特征。另外，除非明确相反地陈述，否则“或”是指包括性的或，而非排它性的或。举例来说，条件A或B通过以下中的任一个来得到满足：A是真的(或存在的)并且B是假的(或不存在的)、A是假的(或不存在的)并且B是真的(或存在的)以及A和B都是真的(或存在的)。

使用“一个”或“一种”是用来描述本文所描述的元件和组件。这样做只是为了方便起见并且给出本发明范围的一般性意义。除非显而易见指的是其它情况，否则此说明应被理解为包括一个或至少一个，并且单数也包括多个，或反之亦然。

除非另外限定，否则本文所用的所有技术和科学术语具有与本发明所属领域的普通技术人员通常所理解相同的含义。材料、方法和实例仅是说明性的并非旨在为限制性的。至于本文未描述的方面，关于特定材料和处理动作的许多细节是常规的，并且可在闪烁和辐射检测领域内的教科书和其它来源中找到。

闪烁晶体可包括共掺杂有铊和另一种元素的卤化钠。共掺杂可改进能量分辨率、比例、光输出、衰减时间、另一种合适闪烁参数或其任何组合。在实施例中，闪烁晶体可包括NaX:Tl,Me，其中X表示卤素，并且Me表示第1族元素、第2族元素、稀土元素或其任何组合。具体共掺杂剂的选择可取决于待改进的具体闪烁参数。如在本说明书中所使用，共掺杂可包括两种或更多种不同元素(Tl和一种或多种其它元素)，并且共掺杂剂是指除Tl外的一种或多种掺杂剂。

关于卤化钠的组成，X可为I，或I和Br的组合。在X为I和Br的组合时，X可包括至少50mol％、至少70mol％或至少91mol％的I。在实施例中，Tl可具有至少1×10^-4mol％、至少1×10^-3mol％或至少0.01mol％的浓度，并且在另一个实施例中，Tl具有不大于5mol％、不大于0.2mol％或不大于0.15mol％的浓度。在具体实施例中，Tl具有在1×10^-4mol％到5mol％、1×10^-3mol％到0.2mol％范围内的浓度。在更具体实施例中，Tl具有在范围内0.03mol％到0.15mol％的浓度，显现良好性能，如高光输出和良好能量分辨率。

在实施例中，在共掺杂剂为第1族元素或第2族元素时，第1族元素或第2族元素的掺杂剂浓度为至少1×10^-4mol％、至少1×10^-3mol％或至少0.01mol％，并且在另一个实施例中，浓度不大于5mol％、不大于0.9mol％或不大于0.2mol％。在具体实施例中，第1族元素或第2族元素的浓度在1×10^-4mol％到5mol％、1×10^-3mol％到0.9mol％或0.01mol％到0.2mol％范围内。在实施例中，在共掺杂剂为稀土元素时，稀土元素的掺杂剂浓度为至少5×10^-4mol％或至少8×10^-4mol％，并且在另一个实施例中，掺杂剂浓度为不大于0.5mol％、0.05mol％或5×10^-3mol％。所有前述掺杂剂浓度用于在晶体中的掺杂剂浓度。

在具体实施例中，闪烁晶体为单晶。晶体中的掺杂剂浓度与形成闪烁晶体的熔融物中的掺杂剂浓度可不同或可相同。在形成晶体的熔融物中的Tl以及第1族和第2族共掺杂剂的浓度可包括如先前描述值中的任一个。相比于Na原子，稀土元素，并且尤其La和重元素相对较大，并且因此，可产生显著较低浓度的稀土元素。因此，在一个实施例中，对于稀土元素，熔融物中的掺杂剂浓度可较高，如至少1×10^-3mol％、至少5×10^-3mol％或至少0.01mol％。在阅读本说明书全文之后，在考虑这类掺杂剂的偏析系数之后，熟练技术人员将能够确定待在熔融物中的掺杂剂的量以在闪烁晶体中实现期望的掺杂剂浓度。

在选择共掺杂剂时，不同考虑因素可确定相比于其它元素，哪些特定元素更好地适合于改进特定闪烁参数。以下描述用作一般指导并且不解释为限制特定共掺杂剂的特定闪烁参数。

在实施例中，NaX:Tl,Me闪烁晶体的发射最大值的波长可相对地保持与NaX:Tl相同，使得耦接到或将耦接到闪烁晶体的光传感器的量子效率不会显著改变。对于在300nm到700nm范围内的辐射，在闪烁晶体暴露于具有60keV能量的γ辐射时，NaI:Tl具有在415nm和420nm之间的发射最大值。在实施例中，对于在300nm到700nm范围内的辐射，在闪烁晶体暴露于具有60keV能量的γ辐射时，共掺杂闪烁晶体具有在至少400nm、至少405nm或至少410nm波长下的发射最大值，并且在另一个实施例中，在闪烁晶体暴露于具有60keV能量的γ辐射时，共掺杂闪烁晶体具有在不大于430nm、不大于425nm或不大于420nm的波长下的发射最大值。在具体实施例中，在闪烁晶体暴露于具有60keV能量的γ辐射时，共掺杂闪烁晶体具有在400nm到430nm、405nm到425nm或410nm到420nm范围内的波长下的发射最大值。

在相比于NaX:Tl不显著影响发射最大值的波长的情况下，许多第1族、第2族和稀土元素可为NaX:Tl,Me中的共掺杂剂。共掺杂有稀土元素可增加光输出。一些稀土元素可更好地适合于使用而不影响发射最大值。举例来说，共掺杂有Sc、Y、La、LU和Yb较不可能显著影响发射最大值的波长。Eu可使发射最大值偏移到约440nm，并且这类偏移可造成量子效率降低或选择在440nm下具有更高量子效率的不同光传感器。共掺杂有较可能造成发射最大值的波长发生相当大偏移的其它稀土元素可包括Sm、Pr、Nd和Tb。

包括共掺杂有二价金属元素(例如，第2族元素)和稀土元素(除Tl之外)这两者的闪烁晶体可提供改进的性能。二价金属元素和稀土元素的组合作为在闪烁晶体中的共掺杂剂可具有改进(更低)的能量分辨率、改进(更快)脉冲衰减时间，并且抑制缺陷颜色中心。具体实施例包括共掺杂有Sr和Y或共掺杂有Ca和Y的NaX:Tl。

能量分辨率(也被称为脉冲高度分辨率或PHR)得到改进，因为对于共掺杂的闪烁晶体，能量分辨率可较小。除非另外规定，否则用于确定能量分辨率的行业标准为使闪烁晶体暴露于¹³⁷Cs，其在662keV能量下发射γ辐射。在具体测试方法中，测试在室温(如20℃到25℃和22℃)下执行。能量分辨率为在662keV峰值的最大值一半处的全宽除以峰高度。能量分辨率通常表达为百分比。能量分辨率可通过积分时间(也称为成形时间)确定。在相对较短积分时间下的良好能量分辨率对应于正确地识别辐射源的更短时间。

在实施例中，在662keV、22℃和1微秒积分时间下测量时，闪烁晶体具有小于6.4％、小于6.2％或小于6.0％的能量分辨率。在另一个实施例中，在662keV、22℃和在1微秒到4微秒范围内的任何积分时间下测量时，闪烁晶体具有小于6.1％、小于6.0％或小于5.9％的能量分辨率。虽然此时不知能量分辨率的下限，但是闪烁晶体可具有在1微秒到4微秒范围内的任何积分时间下的至少0.1％的能量分辨率。作为比较的基础，NaI:Tl在1、2和4微秒的积分时间下具有大于6.2％的能量分辨率。

第2族元素特别较适合于实现良好能量分辨率。Ca和Sr特别较适合于实现低能量分辨率。NaI:Tl,Sr可实现在1微秒积分时间下5.3％的能量分辨率，并且NaI:Tl,Ca可实现在1微秒积分时间下5.4％的能量分辨率。借助进一步优化，可实现甚至更低能量分辨率。将这类能量分辨率与NaI:Tl,Eu比较，报导NaI:Tl,Eu具有在1微秒积分时间下大于6.4％的能量分辨率并且在4微秒积分时间下大于6.2％的能量分辨率。在具体实施例中，在1微秒的积分时间下，能量分辨率为至少0.1％。

第1族元素也可改进能量分辨率。虽然不受理论束缚，但是替代Na原子的相对地较大第1族元素的使用可使晶格拉伸并且改进电洞迁移率。因此，可使用K、Rb和Cs。K具有相对高的放射性同位素浓度，因此Rb和Cs可为用于共掺杂剂的更好的候选物。

关于闪烁晶体的比例最近得到较大关注。理想地，光输出为能量的完美线性函数。因此，在用于具体闪烁晶体组合物的任何能量下，辐射源的识别可更容易并且以更高可信度执行，因为光输出与能量的曲线为理想地直的线。实际上，光输出可偏离完美的线性，并且这类偏离在较低能量下通常较大。确定闪烁晶体的比例的一种方法为测定在高能量如2615keV下的光输出。在光输出与能量的曲线中，直线从对应于0光输出、0能量的点(0，0)转到对应于在2615keV、2615keV下的光输出的另一个点(LY₂₆₁₅，2615)。

根据等式，在具体能量(以keV为单位)下相对光输出(如归一化到在2615keV下光输出)为：

其中实际光输出是在具体能量下的，并且预测光输出为：

其中LY₂₆₁₅为在2615keV下的实际光输出。

平均相对光输出可通过以下方式获得：相对光输出对具体能量范围积分以获得积分值，并且积分值除以具体能量范围。

1.00的相对光输出对应于完美的比例。随着偏离增加(高于1.00或低于1.00)，比例较差。举例来说，0.98的相对光输出好于1.05，因为相比于1.05，1.00更接近于0.98。

在实施例中，在32keV到81keV范围内的能量下，闪烁晶体具有至少1.01、至少1.04或至少1.07的如归一化到在2615keV下的光输出的平均相对光输出。在另一个实施例中，在32keV到81keV范围内的能量下，闪烁晶体具有不大于1.15、不大于1.13或不大于1.11的如归一化到在2615keV下的光输出的平均相对光输出。在具体实施例中，在32keV到81keV范围内的能量下，闪烁晶体具有在1.01到1.15、1.04到1.13或1.07到1.11范围内的如归一化到在2615keV下的光输出的平均相对光输出。作为比较的基础，在32keV到81keV范围内的能量下，NaI:Tl具有超过1.15的如归一化到在2615keV下的光输出的平均相对光输出。

虽然不大，但是在中等能量下可见改进。在实施例中，在122keV到511keV范围内的能量下，闪烁晶体具有至少1.01、至少1.02或至少1.03的如归一化到在2615keV下的光输出的平均相对光输出。在另一个实施例中，在122keV到511keV范围内的能量下，闪烁晶体具有不大于1.07、不大于1.06或不大于1.05的如归一化到在2615keV下的光输出的平均相对光输出。在具体实施例中，在122keV到511keV范围内的能量下，闪烁晶体具有在1.01到1.07、1.02到1.06或1.03到1.05范围内的如归一化到在2615keV下的光输出的平均相对光输出。作为比较的基础，在122keV到511keV范围内的能量下，NaI:Tl具有约1.08的如归一化到在2615keV下的光输出的平均相对光输出。

在实现比例方面，第2族元素是良好的。对于相对低和中等能量范围，Ca和Sr特别较适合于实现更接近1.00的比例。对于在32keV到81keV范围内的能量，NaI:Tl,Sr可实现1.09的如归一化到在2615keV下的光输出的平均相对光输出，并且NaI:Tl,Ca可实现1.15的如归一化到在2615keV下的光输出的平均相对光输出。对于在122keV到511keV范围内的能量，NaI:Tl,Sr可实现1.04的如归一化到在2615keV下的光输出的平均相对光输出，并且NaI:Tl,Ca可实现如归一化到1.06的在2615keV下的光输出的平均相对光输出。

相比于无共掺杂剂的组合物，在具有共掺杂剂的情况下闪烁脉冲衰减时间可减少。在实施例中，在闪烁晶体和NaI:Tl晶体在22℃下测量并且暴露于具有662keV能量的γ辐射时，具有共掺杂剂的闪烁晶体具有比脉冲衰减时间NaI:Tl晶体小至少5％、至少11％或至少20％的脉冲衰减时间。在另一个实施例中，在闪烁晶体和NaI:Tl晶体在22℃下测量并且暴露于具有662keV能量的γ辐射时，具有共掺杂剂的闪烁晶体具有比NaI:Tl晶体的脉冲衰减时间小不大于80％、不大于65％或不大于50％的脉冲衰减时间。在具体实施例中，在闪烁晶体和NaI:Tl晶体在22℃下测量并且暴露于具有662keV能量的γ辐射时，具有共掺杂剂的闪烁晶体具有比NaI:Tl晶体的脉冲衰减小在5％到80％、11％到65％或20％到50％范围内的脉冲衰减时间。关于实际时间，NaI:Tl晶体可具有约230ns的脉冲衰减时间，并且NaI:Tl,Sr晶体可具有低至160ns的脉冲衰减时间。类似改进可在NaI:Tl,Ca情况下出现。

可使用包括Bridgman、Czochralski、Kyropoulos、边缘限定膜进料生长(Edge-defined Film-fed Growth，EFG)、Stepanov等的多种晶体生长技术中的任一种形成闪烁晶体。起始材料包括卤化钠和掺杂剂的卤化物。在实施例中，起始材料可包括NaI和TlI，并且根据共掺杂剂，起始材料可包括CaI₂、SrI₂、LaI₃、YI₃、ScI₃、LuI₃、RbI、CsI等中的任何一种或多种。如果待添加相对少量的溴，那么掺杂剂中的任一种(Tl或共掺杂剂中的任一种)可为对应溴化物。如果需要更多溴，那么NaBr可取代一些NaI。在确定闪烁晶体的期望组成之后，熟练技术人员将能够使用掺杂剂相对于基础材料(例如，NaI)的偏析系数以确定在熔融物中使用的起始材料的量。晶体生长条件可与用于形成NaI:Tl的相同或可具有相对少改变以优化晶体形成过程。

如先前描述的闪烁晶体中的任一种可用于多种应用中。示例性应用包括γ射线光谱分析、同位素鉴别、单正电子发射计算机断层摄影术(SPECT)或正电子发射断层摄影术(PET)分析、x射线成像、油井测井检测器和检测放射性的存在。闪烁晶体可用于其它应用，并且因此，列举仅是示例性的而非限制性的。下文描述几个特定应用。

图1示出辐射检测设备100的实施例，所述设备可用于γ射线分析，如单正电子发射计算机断层摄影术(SPECT)或正电子发射断层摄影术(PET)分析。在所示的实施例中，辐射检测设备100包括光传感器101、光接口103和闪烁装置105。虽然示出光传感器101、光接口103和闪烁装置105彼此分开，但是熟练技术人员将了解光传感器101和闪烁装置105可耦接到光接口103，其中光接口103设置在光传感器101和闪烁装置105之间。闪烁装置105和光传感器101可用其它已知耦接方法光学耦接到光接口103，如使用光学凝胶或粘结剂或直接通过光学耦接元件的分子结合力。

光传感器101可为光电倍增管(PMT)、半导体类光电倍增管或混合光传感器。光传感器101可经由输入窗口116接收由闪烁装置105发射的光子，并且基于其接收的光子的数量产生电脉冲。光传感器101电耦接到电子模块130。电脉冲可通过电子模块130成形、数字化、分析或其任何组合以提供在光传感器101处所接收的光子的计数或其它信息。电子模块130可包括放大器、预放大器、鉴别器、模/数信号转换器、光子计数器、脉冲形状分析器或鉴别器、另一个电子组件或其任何组合。光传感器101可容纳在由能够保护光传感器101、电子模块130或其组合的材料(如金属、金属合金、其它材料或其任何组合)制成的管件或外壳内。

闪烁装置105包括闪烁晶体107，可为由通式NaX:Tl,Me表示的先前所描述闪烁晶体中的任一种，其中X表示卤素并且Me表示第1族元素、第2族元素、稀土元素或其任何组合。闪烁晶体107基本上被反射器109包围。在一个实施例中，反射器109可包括聚四氟乙烯(PTFE)、适于反射由闪烁晶体107发射的光的另一种材料或其组合。在说明性实施例中，反射器109可基本上被减震构件111包围。闪烁晶体107、反射器109和减震构件111可容纳在壳体113内。

闪烁装置105包括适于减少在闪烁晶体107和辐射检测设备100的其它元件(如光接口103、壳体113、减震构件111、反射器109或其任何组合)之间的相对移动的至少一种稳定机构。稳定机构可包括弹簧119、弹性体、另一种合适稳定机构或其组合。稳定机构可适于将横向力、水平力或其组合施加到闪烁晶体107以使其位置相对于辐射检测设备100的一个或多个其它元件稳定。

如图所示，光接口103适于耦接在光传感器101和闪烁装置105之间。光接口103也适于促进在光传感器101和闪烁装置105之间的光学耦接。光接口103可包括聚合物如硅氧烷橡胶，其经偏振以调整闪烁晶体107和输入窗口116的反射指数。在其它实施例中，光接口103可包括包括聚合物的凝胶或胶体和附加元件。

闪烁晶体可用于测井应用中。图2包括钻探设备10的绘图，包括连接到钻柱14的上端的上驱动装置12，所述钻柱14由牵拉工件17悬置在井孔16内。包括管道滑套的转台18可用于与上驱动装置12连接或代替上驱动装置12维持适当钻柱取向。井下遥测测量和传动设备20(通常被称为随钻测量(MWD)装置)为连接到钻柱14的下端的井下工具的一部分。MWD装置通过泥浆脉冲或电磁传输来将钻探相关联的参数传输到地表。这些信号在地表处通过数据接收装置22来接收。井下工具包括弯曲段23、井下马达24和钻头26。弯曲段23邻近于MWD装置，用于帮助钻探倾斜的井孔。井下马达24，如正排量马达(PDM)或井下涡轮机，推动钻头26并且处于井下工具的远端。

由数据接收装置22接收的井下信号提供到计算机28、输出装置30或这两者。计算机28可定位于井场处或远程地链接到井场。分析器设备可为计算机28的一部分或可位于接近MWD装置20的井下工具内。计算机28和分析器装置可包括可接收来自用户的输入的处理器。信号也发送到输出装置30，其可为显示器装置、硬拷贝日志打印装置、计量器、视听警报或其任何组合。计算机28以操作方式连接到牵拉工件17的控制件并且连接到与上驱动装置12和转台18关联的控制电子元件32以控制钻柱和钻头的转动。计算机28还可耦接到与钻探设备的泥浆泵关联的控制机构以控制钻头的转动。控制电子元件32还可接收手动输入，如钻机操作员。

图3示出在井下工具16内的MWD装置20的一部分的绘图。MWD装置20包括外壳202、温度传感器204、闪烁晶体222、光接口232、光传感器242和分析器装置262。外壳202可包括能够保护闪烁晶体222、光传感器242、分析器装置262或其组合的材料，如金属、金属合金、其它材料或其任何组合。温度传感器204定位成邻近闪烁晶体222、光传感器242或这两者。温度传感器204可包括能够确定外壳内温度超过MWD装置20正常运行温度的热电偶、热敏电阻或另一个合适装置。辐射检测设备包括光学耦接到光传感器242的闪烁晶体222，所述光传感器242耦接到分析器装置262。

闪烁晶体222具有较适合于高温应用的组成，如大于120℃、至少130℃、至少140℃、至少150℃和更高。在实施例中，闪烁晶体222可为由通式NaX:Tl,Me表示的先前描述的闪烁晶体中的任一种，其中X表示卤素并且Me表示第1族元素、第2族元素、稀土元素或其任何组合。

在另一个实施例中，具有如本文所描述的闪烁晶体的辐射检测设备可被配置成用于另一种应用。在具体实施例中，辐射检测设备可被配置成用于在瞬发γ中子活化分析中使用。减少的脉冲衰减时间可允许辐射检测设备的更简单设计。具体来说，无共掺杂剂的闪烁剂晶体可需要经加热(超过室温)以实现期望脉冲衰减时间。加热器可使辐射检测设备的设计复杂化并且可导致非所期望的噪音。借助共掺杂，脉冲衰减时间在室温(例如22℃)下可足够快速，因此，避免对于加热器的需要并且简化设计。

在另一个实施例中，来自闪烁事件的实际光输出可调节以改进能量分辨率。在闪烁晶体内的掺杂剂的浓度可在整个晶体中变化，并且掺杂剂的浓度可影响闪烁晶体的衰减时间和光输出。因此，衰减时间和光输出可取决于在闪烁晶体内捕获γ射线能量的位置。因为光输出用于确定相互作用的γ射线的能量，在能量测量中可存在变化。换句话说，能量分辨率将差。在另一个实施例中，实际光输出可基于脉冲衰减时间针对在光输出中的变化而调节。下文所描述的方法特别适用于衰减时间取决于共掺杂剂浓度的共掺杂剂如Ca、Sr、Ba、La或任何其它共掺杂剂。

在调节之前，产生使脉冲衰减时间与光输出相关联的等式。在检测以662keV能量发射γ射线的具体γ射线源例如¹³⁷Cs的辐射时，可针对在闪烁晶体内共掺杂剂的不同掺杂剂浓度收集数据。衰减时间与光输出的曲线提供在闪烁光输出和衰减时间之间的线性关系。脉冲衰减时间为在各个脉冲中的峰值光子通量的时刻和在光子通量下降到峰值光子通量的因数1/e(36.8％)时的时刻之间的时间间隔。因此，对应于曲线的数据的最小平方拟合可产生以下等式1。

LY_est＝m*DT+b， (等式1)

其中：LY_est为估算的光输出，

DT为脉冲衰减时间，

m为线的斜率，并且

b为线的y轴截距。

作为非限制性实例，图7包括共掺杂有Ca的NaI:Tl晶体的闪烁光输出与脉冲衰减时间的曲线(三角形标志)。在图7中的数据由其中在NaI:Tl晶体中Ca的浓度在各个样本中不同的样本产生。曲线的纵坐标为闪烁光输出，以光子/γ射线能量MeV为单位。横坐标为闪烁脉冲衰减时间，以纳秒为单位。参考图7，直线为数据的最小平方拟合，并且对于此线的等式为

LY_est＝206.28*DT-8360.3， (等式2)

其中：LY_est为以光子/MeV为单位的估算的光输出，并且

DT为以纳秒为单位的脉冲衰减时间。

如果需要或期望，对于不同共掺杂剂、不同辐射源或这两者可产生不同等式。等式与等式1具有相同格式并且对于不同共掺杂剂、辐射源或这两者对于m和b可具有不同值。

在已经产生用于等式1的m和b的值之后，可确定针对后续闪烁事件的脉冲衰减时间和光输出的实际测量。脉冲衰减时间可用于根据等式1确定估算的光输出。

实际测量的光输出可使用以下等式3通过用于无共掺杂剂的相同组成的闪烁剂(其为NaX：Tl)的光输出的比率来调节。

LY_adj＝LY_act*LY_std/LY_est， (等式3)

其中：

LY_adj为调节的光输出，

LY_act为如所测量的光输出，

LY_std为无共掺杂剂的闪烁晶体(例如NaI:Tl)的光输出，并且

LY_est为基于测量的脉冲衰减时间计算的所估计光输出。

LY_std可具有先前已知的值或可使用用于无共掺杂剂的闪烁晶体的脉冲衰减时间来计算。对于NaI:Tl，脉冲衰减时间可为230ns，并且等式2可用于确定LY_std。

调节允许每个单独脉冲的光输出通过补偿因素按比例调整以减少在相同晶体内或具有不同共掺杂剂含量的不同晶体之间的所测量光输出的变化。此过程可改进晶体的能量分辨率。因此，相比于使用无调节的实际测量，可更快速地和精确识别辐射源。

许多不同方面和实施方案是可能的。本文描述那些方面和实施例中的一些。阅读本说明书以后，熟练技术人员将了解，那些方面和实施例仅仅是说明性的，并且不限制本发明的范围。实施例可根据如下所列实施例中的任何一个或多个。

实施例1.一种闪烁晶体，其包含NaX:Tl,Me，其中：

X表示卤素；

Me表示第1族元素、第2元素族、稀土元素或其任何组合；

Tl和Me中的每一种具有至少1×10^-5mol％的掺杂剂浓度；并且

所述闪烁晶体具有包括以下的性质：

对于在300nm到700nm范围内的辐射，在不大于430nm波长下的发射最大值；

在662keV、22℃和1微秒积分时间下测量时，小于6.4％的能量分辨率；或

小于具有NaX:Tl组成的另一种闪烁晶体的脉冲衰减时间。

实施例2.根据实施例1所述的闪烁晶体，其中Me为稀土元素。

实施例3.根据实施例2所述的闪烁晶体，其中Me为La、Sc、Y、Lu、Yb或其任何组合。

实施例4.根据实施例2或实施例3所述的闪烁晶体，其中Me具有至少5×10^-4mol％或至少8×10^-4mol％的掺杂剂浓度。

实施例5.根据实施例2到实施例4中任一项所述的闪烁晶体，其中Me具有不大于0.9mol％、0.05mol％或5×10^-3mol％的掺杂剂浓度。

实施例6.根据实施例1所述的闪烁晶体，其中Me为第1族元素。

实施例7.根据实施例1所述的闪烁晶体，其中Me为第2族掺杂剂。

实施例8.根据实施例7所述的闪烁晶体，其中Me为Ca、Sr或其任何组合。

实施例9.一种闪烁晶体，其包含NaX:Tl,Sr，其中：

X表示卤素；并且

Tl和Sr中的每一种具有至少1×10^-5mol％的浓度。

实施例10.根据实施例9所述的闪烁晶体，其中在22℃下测量所述闪烁晶体和所述NaI:Tl晶体时，相比于NaI:Tl晶体，所述闪烁晶体具有更大光输出。

实施例11.一种闪烁晶体，其包含NaX:Tl,Ca，其中：

X表示卤素；

Tl和Ca中的每一种具有至少1×10^-5mol％的浓度；并且

在22℃下测量所述闪烁晶体和所述NaI:Tl晶体时，相比于NaI:Tl晶体，所述闪烁晶体具有更大光输出、更短脉冲衰减时间或这两者。

实施例12.一种闪烁晶体，其包含NaX:Tl,Me²⁺和RE，其中：

X表示卤素；

Me²⁺表示二价金属元素；

RE表示稀土元素；并且

Tl和Sr中的每一种具有至少1×10^-5mol％的浓度。

实施例13.根据实施例12所述的闪烁晶体，其中Me²⁺为Ca、Sr或其任何组合；并且RE为La、Sc、Y、L、Yb或其任何组合。

实施例14.一种闪烁晶体，其包含NaX:Tl,Me，其中：

X表示卤素；

Me表示第1族元素并且具有在1×10^-5mol％到9mol％范围内的浓度。

实施例15.根据实施例6或实施例14所述的闪烁晶体，其中Me为Rb、Cs或其任何组合。

实施例16.根据实施例6到实施例15中任一项所述的闪烁晶体，其中所述第1族元素、所述第2族元素、Sr、Ca、Me²⁺或RE具有至少1×10^-4mol％、至少1×10^-3mol％或至少0.01mol％的浓度。

实施例17.根据实施例6到实施例16中任一项所述的闪烁晶体，其中所述第1族元素、所述第2族元素、Sr、Ca、Me²⁺或RE具有不大于5mol％、不大于0.9mol％或不大于0.2mol％的浓度。

实施例18.根据实施例6到实施例17中任一项所述的闪烁晶体，其中所述第1族元素、所述第2族元素、Sr、Ca、Me²⁺或RE具有在1×10^-4mol％到5mol％、1×10^-3mol％到0.9mol％或0.01mol％到0.2mol％范围内的浓度。

实施例19.根据前述实施例中任一项所述的闪烁晶体，其中Tl具有至少1×10^{- 4}mol％、至少1×10^-3mol％或至少0.01mol％的浓度。

实施例20.根据前述实施例中任一项所述的闪烁晶体，其中Tl具有不大于5mol％、不大于0.9mol％或不大于0.2mol％的浓度。

实施例21.根据前述实施例中任一项所述的闪烁晶体，其中Tl具有在1×10^-4mol％到5mol％、1×10^-3mol％到0.9mol％或0.01mol％到0.2mol％范围内的浓度。

实施例22.根据前述实施例中任一项所述的闪烁晶体，其中X为I。

实施例23.根据实施例1到实施例21中任一项所述的闪烁晶体，其中X为I和Br的组合。

实施例24.根据实施例23中所述的闪烁晶体，其中X包括至少50mol％、至少70mol％或至少91mol％的I。

实施例25.根据前述实施例中任一项所述的闪烁晶体，其中在所述闪烁晶体暴露于具有60keV能量的γ辐射时，对于在300nm到700nm范围内的辐射，所述闪烁晶体具有在至少400nm、至少405nm或至少410nm波长下的发射最大值。

实施例26.根据前述实施例中任一项所述的闪烁晶体，其中在所述闪烁晶体暴露于具有60keV能量的γ辐射时，对于在300nm到700nm范围内的辐射，所述闪烁晶体具有在不大于430nm、不大于425nm或不大于420nm波长下的发射最大值。

实施例27.根据前述实施例中任一项所述的闪烁晶体，其中在所述闪烁晶体暴露于具有60keV能量的γ辐射时，对于在300nm到700nm范围内的辐射，所述闪烁晶体具有在400nm到430nm、405nm到425nm或410nm到420nm范围内的波长下的发射最大值。

实施例28.根据前述实施例中任一项所述的闪烁晶体，其中在662keV、22℃和1微秒积分时间下测量时，所述闪烁晶体具有小于6.4％、小于6.2％、小于6.0％或小于5.5％的能量分辨率。

实施例29.根据前述实施例中任一项所述的闪烁晶体，其中在662keV、22℃和在1微秒到4微秒范围内的任何积分时间下测量时，所述闪烁晶体具有小于6.1％、小于6.0％或小于5.9％的能量分辨率。

实施例30.根据前述实施例中任一项所述的闪烁晶体，其中在32keV到81keV范围内的能量下，所述闪烁晶体具有至少1.01、至少1.04或至少1.07的如归一化到在2615keV下的光输出的平均相对光输出。

实施例31.根据前述实施例中任一项所述的闪烁晶体，其中在32keV到81keV范围内的能量下，所述闪烁晶体具有不大于1.15、不大于1.13或不大于1.11的如归一化到在2615keV下的光输出的平均相对光输出。

实施例32.根据前述实施例中任一项所述的闪烁晶体，其中在32keV到81keV范围内的能量下，所述闪烁晶体具有在1.01到1.15、1.04到1.13或1.07到1.11范围内的如归一化到在2615keV下的光输出的平均相对光输出。

实施例33.根据前述实施例中任一项所述的闪烁晶体，其中在122keV到511keV范围内的能量下，所述闪烁晶体具有至少1.01、至少1.02或至少1.03的如归一化到在2615keV下的光输出的平均相对光输出。

实施例34.根据前述实施例中任一项所述的闪烁晶体，其中在122keV到511keV范围内的能量下，所述闪烁晶体具有不大于1.07、不大于1.06或不大于1.05的如归一化到在2615keV下的光输出的平均相对光输出。

实施例35.根据前述实施例中任一项所述的闪烁晶体，其中在122keV到511keV范围内的能量下，所述闪烁晶体具有在1.01到1.07、1.02到1.06或1.03到1.05范围内的如归一化到在2615keV下的光输出的平均相对光输出。

实施例36.根据实施例30到实施例35中任一项所述的闪烁晶体，其中如归一化到在2615keV下的所述光输出的在具体能量(以keV为单位)下所述相对光输出为：

其中所述实际光输出是在所述具体能量下的，并且所述预测光输出为：

其中LY₂₆₁₅为在2615keV下的实际光输出。

实施例37.根据实施例30到实施例36中任一项所述的闪烁晶体，其中所述平均相对光输出为所述相对光输出对具体能量范围的积分除以所述具体能量范围。

实施例38.根据前述实施例中任一项所述的闪烁晶体，其中在所述闪烁晶体和所述NaI:Tl晶体在22℃测量并且暴露于具有662keV能量的γ辐射下时，所述闪烁晶体具有比脉冲衰减时间NaI:Tl晶体小至少5％、至少11％或至少20％的脉冲衰减时间。

实施例39.根据前述实施例中任一项所述的闪烁晶体，其中在所述闪烁晶体和所述NaI:Tl晶体在22℃下测量并且暴露于具有662keV能量的γ辐射时，所述闪烁晶体具有比NaI:Tl晶体的脉冲衰减时间小不大于80％、不大于65％或不大于50％的脉冲衰减时间。

实施例40.根据前述实施例中任一项所述的闪烁晶体，其中在所述闪烁晶体和所述NaI:Tl晶体在22℃下测量并且暴露于具有662keV能量的γ辐射时，所述闪烁晶体具有比NaI:Tl晶体的脉冲衰减小在5％到80％、11％到65％或20％到50％范围内的脉冲衰减时间。

实施例41.根据前述实施例中任一项所述的闪烁晶体，其中所述闪烁晶体为单晶。

实施例42.一种辐射检测设备，其包含：

根据前述实施例中任一项所述的闪烁晶体；和

光学耦接到所述闪烁晶体的光传感器。

实施例43.根据实施例42所述的辐射检测设备，其进一步包含设置在所述闪烁晶体和所述光传感器之间的窗口。

实施例44.根据实施例42或实施例43所述的辐射检测设备，其进一步包含附接到最接近于所述光传感器的所述闪烁晶体的表面的透明粘合剂。

实施例45.根据实施例42到实施例44中任一项所述的辐射检测设备，其中所述辐射检测设备被配置成执行瞬发γ中子活化分析。

实施例46.一种方法，其包含：

提供根据前述实施例中任一项所述的闪烁晶体；

捕获在所述闪烁晶体内的辐射；

确定所述捕获的辐射的脉冲衰减时间和实际光输出；

确定对应于所述脉冲衰减时间的估算的光输出；并且

计算调节的光输出，所述调节的光输出为所述实际光输出与NaX：Tl的所述光输出除以所述估算的光输出相乘的乘积。

实例

将在实例中进一步描述本文所述的概念，这些实例不限制在权利要求中所描述的本发明的范围。实例展示不同组成的闪烁晶体的性能。为方便起见，公开于此实例章节中的数值可从多个读数取平均、近似或四舍五入。使用垂直Bridgman晶体生长技术形成样本。

形成闪烁晶体以比较共掺杂样本与NaI:Tl标准品的光输出(PH)和能量分辨率(PHR)。闪烁晶体的组成在表1中列出。在室温(约22℃)下通过将闪烁晶体暴露于¹³⁷Cs并且使用光电倍增管和多通道分析器来获得波谱而执行测试。

表1-标准品、Sr和La组合物

样本	TlI(mol％)	SrI<sub>2</sub>(mol％)	LaI<sub>3</sub>(mol％)
				NaI:Tl(标准品)	0.1000	-	-
NaI:Tl,Sr	0.05	0.11	-
				NaI:Tl,La	0.0880	-	8.6×10<sup>-5</sup>

图4和图5包括将NaI:Tl标准品与Sr共掺杂样本和La共掺杂样本进行比较的波谱。用1微秒积分时间执行能量分辨率。如在图4中可看出，相比于NaI:Tl标准品(其为约6.5％)，Sr共掺杂样本具有约5.3％的显著较好的能量分辨率。La共掺杂样本具有为NaI:Tl标准品的光输出的约109％的光输出(即，9％以上的光输出)。

Ca共掺杂样本也与NaI:Tl标准品进行比较。表2包括晶体组合物。Ca#1样本、Ca#2样本和Ca#3样本分别对应于接近Ca共掺杂晶体的顶部、中部和底部的位置。在室温(约22℃)下通过将闪烁晶体暴露于¹³⁷Cs并且使用光电倍增管和多通道分析器来获得波谱而执行测试。

表2-标准品和Ca组合物

样本	TlI(mol％)	CaI<sub>2</sub>(mol％)
			NaI:Tl(标准品)	0.100	-
NaI:Tl,Ca#1	0.06	0.09
			NaI:Tl,Ca#2	0.03	0.21
NaI:Tl,Ca#3	0.07	0.47

表3包括在使用1微秒、2微秒和4微秒的积分时间时样本的光输出(PH)和能量分辨率(PHR)。对于PH，Ca共掺杂样本的光输出与NaI:Tl标准品的光输出进行比较。

表3-Ca共掺杂样本的PH和PHR

在Ca共掺杂样本的情况下最佳脉冲高度分辨率为5.4％。可执行进一步工作以确定Ca浓度、Ca相对于Tl的相对浓度或这两者对能量分辨率是否具有显著影响。举例来说，在0.09mol％到0.47mol％下的Ca浓度或1.5到7.0的Ca:Tl比率可为Ca共掺杂样本提供更好的能量分辨率，如相比于超出所述范围中的任一个或两个的另一种Ca共掺杂样本。进一步研究可有助于提供关于浓度对能量分辨率影响的更好理解。

通过比较Sr共掺杂样本和Ca共掺杂样本与NaI:Tl标准品来测试比例。表4包括晶体组合物。Sr#1样本、Sr#2样本和Sr#3样本分别对应于接近Sr共掺杂晶体的顶部、中部和底部的位置。

表4-标准品、Sr和Ca组合物

样本	TlI(mol％)	SrI<sub>2</sub>(mol％)	CaI<sub>2</sub>(mol％)
				NaI:Tl(标准品)	0.100	-	-
NaI:Tl,Sr#1	0.05	0.11	-
				NaI:Tl.Sr#2	0.029	0.135	-
NaI:Tl,Sr#3	0.030	0.137	-
				NaI:Tl,Ca	0.053	-	0.020

对于样本中的每一个，通过将样本暴露于发射不同能量的辐射源来在多种不同能量下收集光输出数据。每个样本如归一化到对于相同样本的在2615keV下的光输出。在具体能量(以keV为单位)下相对光输出(如归一化到在2615keV下的光输出)为：

其中实际光输出是在具体能量下的，并且预测光输出为：

其中LY₂₆₁₅为在2615keV下的实际光输出。理想地，曲线应当具有在1.00下的所有点。平均相对光输出通过以下方式获得：相对光输出对具体能量范围积分以获得积分值，并且积分值除以具体能量范围。

图6包括相对光输出作为对于样本的能量函数的曲线。如在图6中可看出，随着能量降低，比例变较差。相比于Ca共掺杂和标准品样本，Sr共掺杂样本具有最佳比例。在低能量下，改进极显而易见。在32keV到81keV范围内的能量下，Sr共掺杂样本的平均光输出为约1.09。对于相同能量范围，Ca掺杂样本(约1.15)示出优于标准样品(约1.16)的改进。在中等能量下仍可见改进。对于在122keV到511keV范围内的能量，Sr共掺杂样本具有约1.04的相对光输出，Ca共掺杂样本具有约1.06的相对光输出，标准品样本具有约1.07的相对光输出。

在具有或无共掺杂的情况下，单晶来自包括相对于NaI处于0.1原子％的NaI,Tl熔融物。在共掺杂时，Ca²⁺以0.1原子％、0.3原子％和0.6原子％存在，并且Sr²⁺以0.05原子％、0.1原子％、0.2原子％和0.4原子％存在。由熔融物形成的晶体具有在以下表5中所列的组成。

表5-晶体组合物

共掺杂<sup>a</sup>	[Tl<sup>+</sup>]<sup>b</sup>	[Sr<sup>2+</sup>]<sup>b</sup>或[Ca<sup>2+</sup>]<sup>b</sup>
			仅Tl<sup>+</sup>	0.08±0.03％	0
0.05％Sr<sup>2+</sup>	0.08±0.05％	0.05±0.02％
			0.1％Sr<sup>2+</sup>	0.05±0.02％	0.11±0.01％
0.2％Sr<sup>2+</sup>	0.06±0.04％	0.18±0.01％
			0.4％Sr<sup>2+</sup>	0.09±0.06％	0.52±0.08％
0.1％Ca<sup>2+</sup>	0.06±0.03％	0.09±0.03％
			0.3％Ca<sup>2+</sup>	0.03±0.01％	0.21±0.03％
0.6％Ca<sup>2+</sup>	0.07±0.02％	0.47±0.02％

^a相对于Na⁺在熔融物中的原子％。

^b用电感耦接等离子体在生长晶体中测量的—光学发射光谱分析(ICP-OES)；以原子％为单位。

测试晶体的衰减时间，其通过用指数衰减函数拟合对应于662keV光峰的平均迹线来确定。对于每次测量，平均化三十个迹线。用双指数衰减函数拟合闪烁脉冲。快速和缓慢衰减时间的汇总在表6中列出。

表6-晶体的衰减组分

共掺杂	τ<sub>初级</sub>(ns)	τ<sub>次级</sub>(ns)
			仅Tl<sup>+</sup>	220±10<sup>a</sup>(96％)<sup>b</sup>	1500±200(4％)
0.05％Sr<sup>2+</sup>	201±21(94％)	860±240(6％)
			0.1％Sr<sup>2+</sup>	172±10(92％)	860±160(8％)
0.2％Sr<sup>2+</sup>	195±16(96％)	690±90(4％)
			0.4％Sr<sup>2+</sup>	195±7(96％)	1000±300(4％)
0.1％Ca<sup>2+</sup>	199±10(95％)	1030±150(5％)
			0.3％Ca<sup>2+</sup>	173±12(94％)	830±230(6％)
0.6％Ca<sup>2+</sup>	186±11(94％)	870±110(6％)

^a不确定性为来自相同晶体铸锭的样本测量结果的标准差。

^b在括弧中的值为特定衰减组分中总闪烁光的百分比。不确定性为1％到2％。

平均起来，具有0.1％Sr²⁺和0.3％Ca²⁺的共掺杂晶体示出在其对等物当中的最短衰减。两者均示出约170ns的格外快速初级衰减时间，其比标准品NaI:Tl⁺初级衰减时间快20％。记录的最快衰减为来自0.3％Ca²⁺共掺杂晶体的样本。样本示出155ns(92％)+530ns(8％)的衰减时间。

应注意，并非在上文一般描述或实例中所描述的所有活动都是需要的，一部分具体活动可为不需要的，并且可执行除所述活动之外的一种或多种其它活动。再进一步，所述活动列出的次序未必是其执行的次序。

为了清楚起见，在本文中在单独实施例的情况下所描述的某些特征也可以组合的形式提供于单个实施例中。相反，为了简洁起见，在单个实施例的情况下所描述的各种特征也可以单独地或以任何子组合形式提供。另外，提及在范围中所陈述的值包括所述范围内的每一个值。

上文关于特定实施例描述了益处、其它优势和问题的解决方案。然而，这些益处、优势、问题的解决方案以及可使任何益处、优势或解决方案发生或变得更显著的(一个或多个)任何特征不应被理解为任何或所有权利要求的重要、必要或基本的特征。

本文所描述的实施例的说明和图示旨在提供对不同实施例的结构的一般理解。所述说明和图示并不旨在充当使用本文所描述的结构或方法的设备和系统的所有元件和特征的详尽并且全面的描述。在单个实施例中也可以组合形式提供单独的实施例，并且反之，为了简洁起见，在单个实施例的情况下所描述的各种特征也可单独地或以任何次组合形式提供。另外，提及在范围中所陈述的值包括所述范围内的每一个值。仅在阅读本说明书之后，熟练技术人员就可清楚许多其它实施例。可使用其它实施例并且所述实施例可从本公开导出，使得在不脱离本发明的范围的情况下，可进行结构替代、逻辑替代或另一变化。因此，本公开应被视为说明性的而非限制性的。