科学的科普（21）闪烁体计数器

张武昌 2025年8月30日星期六

虽然闪烁体发光现象曾被用于著名的阿尔法粒子金箔散射实验，但是由于闪烁体的发出的光非常微弱，在后来的一段时间应用较少。

光电倍增管发明之后，人们开始使用光电倍增管（photomultiplier tube, PMT）放大闪烁体的光信号，闪烁体在探测和计数放射性的应用中重新焕发了生机。

1930年代，光电倍增管技术和产品逐渐成熟。1944年，Curran 和Baker 将闪烁体和光电倍增技术结合起来。1947年，Kallman使用了奈（有机闪烁体）作为闪烁体，闪烁体计数器逐渐发展起来。从下图可以看出，自1945年之后发现了越来越多的闪烁体，包括无机和有机、固体（晶体）和液体。

塑料闪烁体和透明陶瓷闪烁体的名字很容易产生歧义，好像塑料和陶瓷是闪烁体，其实它们只是闪烁体的载体。将闪烁体均匀混合进融化的玻璃或透明陶瓷中，冷却成型，或者将大件切割制作成各种各样的形状，即为塑料染色体或透明陶瓷闪烁体，应用于不同用途的闪烁体探测器中。

光电倍增管也由电子管转变成体积小的半导体倍增管，闪烁体成像也称为可能。

目前的主要应用为液闪计数器、辐射计量仪和医学成像。

液闪计数器探测中微子

液体闪烁体在探测射线中的应用主要分为化学示踪分析和中微子探测。化学示踪分析方面称为液闪仪，在许多实验室中都有应用。

中微子就是基本粒子的一种，是整个宇宙中数量最多的粒子。在太阳的核心区域中，每一次氢核聚变的发生除了会产生伽马光子之外，也会产生巨量的中微子。这些中微子从太阳向四周发散，只有约十分之一的中微子在穿过地球的时候被地球留下来，剩余的部分全都飞向了宇宙深处。

每一秒就有将近10万亿个来自太阳的中微子从我们人体中穿过，但是我们人体几乎感受不到它的存在。这是因为中微子是一种中性粒子，它基本不与其他的物质起反应。地球上的一切事物对于中微子来说都是可以随意穿过的空间。

人类想要探测到中微子的存在十分困难，所以中微子又被称为幽灵粒子。1956年，Cowan等人用液闪的方法确认了中微子的存在。此后，对中微子的液体闪烁体探测逐渐开展起来。

 C.L. Cowan Jr., et al. Detection of the free neutrino: a confirmation. Science, 124 (3212) (1956), pp. 103-104

2025年8月26日，江门中微子实验（JUNO）已成功完成2万吨液体闪烁体灌注，并正式运行，成为世界最大的中微子探测器。

江门中微子实验由中国科学院高能物理研究所于2008年提出构想，2013年得到中国科学院战略性先导科技专项（A类）支持，并在同年得到广东省人民政府的支持，2015年启动隧道和地下实验室建设。2021年12月完成实验室建设并开始了探测器在地下实验室的安装建设，2024年12月探测器主体建设完成并开始灌注超纯水与液体闪烁体。

JUNO的核心探测器为有效质量达2万吨的液体闪烁体探测器（中心探测器），安置于地下实验大厅44米深的水池中央。直径41.1米的不锈钢网壳作为主支撑结构，承载了包括35.4米直径的有机玻璃球、两万吨液体闪烁体、两万只20英寸光电倍增管、两万五千只3英寸光电倍增管以及前端电子学、电缆、防磁线圈和隔光板等众多关键部件。遍布探测器内壁的光电倍增管协同工作，探测中微子与液闪相互作用产生的闪烁光，并将其转换为电信号输出。

在灌装过程中，项目团队首先在45天内完成超过6万吨超纯水的灌注，将内外有机玻璃球的液位差控制到厘米量级，流量偏差不超过0.5%，有力保障了探测器主体结构的安全稳定。随后历经半年的精细操作，将2万吨液体闪烁体精准注入直径35.4米的有机玻璃球内，并同步完成原有纯水的置换。尤为关键的是，超纯水与液体闪烁体的超高洁净度、透明度和极低放射性本底等特殊要求全部得到满足。

闪烁成像主要应用于医学X射线CT和PET

在医疗 CT（计算机断层扫描）系统中，闪烁体是探测器的核心部件，其作用是将穿透人体的 X 射线能量转化为可被后续电子系统识别的光信号，是实现 X 射线到电信号转换的 “桥梁”，直接影响 CT 成像的清晰度、灵敏度和剂量效率。

闪烁体广泛应用在X射线成像、核医学成像、高能物理等。一般来说，优秀的闪烁体需要具备：高光输出(发光效率)、快衰减时间、低余辉、高X线吸收能力、高化学稳定性、高抗辐射损伤、高光谱匹配性等要求。

探测器由一系列闪烁体晶体阵列、光电检测器、ASIC等单元组成。在闪烁体晶体阵列里，每一个晶体单元的5个面都被白色的胶水反射层覆盖。闪烁体对应力敏感，此处用作反射层的胶水要求应力足够小，固化温度必须低，同时具有较高的玻璃环转变温度，且还应易与钛白粉等混合。每一个晶体单元对应到光电检测器photodiode上时，都可采用Epotek胶进行粘接。通常都是选用Epotek 301或者301-2、301-2FL、310M-1。

机场和火车站的行李检查和人体CT检测是同样的原理，

使用的都是像素化闪烁阵列。像素化闪烁阵列由多个小型独立的闪烁探测器组成，最小像素尺寸为 0.3x0.3 毫米，像素间最小距离为 0.06 毫米，每个探测器能够独立探测辐射并提供空间信息。这种阵列能够提供高分辨率的成像，适用于行李和货物的X射线扫描。

1998年，PET被发明出来。PET (Positron Emission Tomography)，中文为正电子发射断层扫描，是医疗诊断和科学研究常用的无创成像技术。凭借放射性示踪剂的点点光亮，PET魔术般地深入到了生命体的代谢层面。

β+衰变会释放正电子，正电子在经历非常短暂的飞行后，会与人体组织中带负电的自由电子相遇，碰撞湮灭，同时释放出两个飞行方向相反的光子，即高能γ射线。γ射线很容易穿透人体组织。随后，它们在到环绕在人体外周的环状闪烁晶体阵列中现形。

用来阻挡和检测γ射线的物质叫闪烁晶体。PET的闪烁晶体为无机闪烁体，拥有极高的密度和原子数，常用的有BGO（锗酸铋），LSO（cerium-doped lutetium oxyorthosilicate）等。

有了海量的正负电子湮灭位置，科学家便可以模拟出放射性同位素在体内的分布，实现成像。

PET成像并不是直接将放射性同位素原子注射入人体，而是将之融入到一个参与人体代谢的有机大分子中。有机分子的选取多种多样，以常用的示踪剂氟代脱氧葡萄糖（FDG）为例，它是一种葡萄糖类似物，在体内会被大脑、肾脏、癌细胞等对葡萄糖利用率较高的组织大量吸收。又由于氟元素的“阻挠”，氟代脱氧葡萄糖无法在体内代谢、降解，因此氟代脱氧葡萄糖可以很好让目标细胞和组织显影。

将其中的氟元素标记上其不稳定的放射性同位素氟18，半衰期为110分钟，衰变以后生成氧，氧俘获周围组织中的氢离子后氟代脱氧葡萄糖就变成了葡萄糖，继续被人体利用。它β+衰变产生的伽马射线可以被PET仪器检测到。

氟代脱氧葡萄糖注射约一小时后，便在人体组织内分布开来，接着就可以开始PET扫描了。

辐射剂量仪

除了盖革计数器外，闪烁体和光电倍增管的结合还催生了更加便捷、高效的辐射计量仪。

这些产品大多是塑料闪烁体作为闪烁光源。但是与盖革计数器不同的是，和闪烁镜的有效期只有约1年一样，这些仪器的闪烁体也有一定的寿命，因为射线会导致闪烁体发光后分子结构改变，达到一定剂量后，发光效果就会不达标，需要定期更换。