3.6　YAG材料的二次电子探测器及背散射电子探测器

现在有些厂家的电镜配的是高发光效率的YAG（Yttrium钇、Aluminum铝、Garnet Ce3+含铈钇铝石榴型的硅酸钙矿，分子式为Y2Al5O12）或YAP（Yttrium钇、Aluminum铝、Perovskite Ce3+含铈的钇铝钙钛矿，分子式为YAlO3）材料做成的用于探测SE或BSE的探测器。

YAG是一种较新型的闪烁体材料，用这种掺铈的YAG材料制成的闪烁体比用传统的P类荧光粉做成的闪烁体的发光效率更高、亮度更亮、更耐离子和电子的轰击，而且几乎不存在随使用时间的增长而导致其发光效率下降的问题。当电镜使用了几年之后，采用YAG材料做闪烁体的电镜图像质量与刚安装时的差异仍然不大，而采用传统P类荧光粉做闪烁体的电镜，P47虽然比P15的余晖更短、发光效率更高，但半年后P47仍会逐渐退化，这不仅在实际的应用中有这种现象，而且在理论上也有对它进行探讨和分析的报道。用P47做成的E-T SED在使用一段时间后，其所成的图像亮度会逐渐变暗，信噪比会慢慢变差，这种现象只有更换新的闪烁体才能解决。而选用YAG材料做成的闪烁体基本上可避免这一问题。图3.6.1为YAG背散射电子探测器的实物照片。

图3.6.1　YAG背散射电子探测器

这种掺铈的YAG材料的结构式为Y3Al5O12:Ce3+，它是由Y2O3和Al2O3反应生成的一种复合氧化物，具有石榴石结构。它的发光特性是荧光粉在蓝光和稍长波长的紫外光激发下，部分蓝光被荧光体吸收，荧光体产生高效的黄色可见光，这种光转换效率高、流明效率也高，属于典型的下转换光。铈激活的钇铝石榴石荧光粉蓝光激发光谱与InGaN芯片的发光光谱能互相匹配，并转换成白光需要的黄光发射。这种掺铈的YAG闪烁晶体的最大优点是其发光的中心波长约在550nm，这在黄绿光的范围内，它是人眼、光导管、老式的感光胶片都比较敏感的波段，它还可以与硅半导体的光电二极管等检测部件有效耦合。调整YAG中的Ce3+的含量比例可以获得不同色温的白光。铈激活的钇铝石榴石具有良好、稳定的物理和化学性能，经得起电子的长期照射和轰击，也具有良好的温度猝灭特性。

这种掺铈的YAG闪烁晶体的衰减时间很短，而且闪烁晶体的抗潮湿、耐高温和热力学性能都很稳定，特别适合做电子探测器并方便成像。它与多种导光元件的匹配也很好，它常应用在α粒子和γ射线等多种粒子的探测领域。最近几年它还用在多种高档机型扫描电镜的探测器和发光二极管照明灯中的反射膜层及高分辨力显微成像的荧光屏中。用于制作扫描电镜探测器的YAG材料中的Ce含量通常为1%～2%。在扫描电镜的探测器中Ce3+作为其发光强度的主激活剂，光致发光光谱及色坐标值与Ce3+的浓度密切相关，其Ce3+有一个最佳的浓度值，若含量低，则发光效率不高；若含量高，则容易发生浓度猝灭。Ce3+浓度的稳定性也都会对光转换效率产生直接的影响。该荧光粉的发光强度也受到多种因素的制约，如原材料的纯度，灼烧后是否有杂相，晶体形貌是否吸收了水汽或是否会产生氧化性的气体等，这都会影响到Ce3+的稳定。在荧光粉贮存、保管和使用过程中要避免产生氧化，采取措施尽量防止Ce3+转化为Ce4+，这样才能提高Ce3+的稳定性。

YAG属于立方晶系，其折射率为1.816，热膨胀系数为7.8×10-6K，密度为4.56g/cm3，洛氏（Mohs）硬度为8.25，熔点在1 950～1 970℃。

YAP属于正交晶系，其折射率为1.913～1.94，a\b\c的热膨胀系数分别为9.5×10-6K\4.3×10-6K\10.8×10-6K，密度为5.35g/cm3，洛氏（Mohs）硬度为8.5。

YAG和YAP这两种材料有许多相类似的地方，使用这两种材料做成的探测器的特点有：

（1）光电转换效率高、噪声低、信噪比好。

（2）YAP和YAG都比E-T SED中的P47响应快，YAP的响应最快。

（3）适用于高计数率和耐高能电子的轰击，YAG的衰减时间约为70ns。

（4）YAP和YAG响应峰的主峰值分别为360～378nm和550～560nm。

（5）寿命长，不易老化，基本上可使用电镜整个生命周期。

（6）用作BSED时图像的亮度和原子序数的分辨力也都比半导体型的探测器更亮、更高。

YAG和YAP探测器的缺点有：

（1）造价费用比常规的P类闪烁体的E-T SED和半导体型的BSED高。

（2）用其作为BSED所挤占的WD间隙比半导体型的大。

（3）个别机型的扫描电镜安装了这种背散射电子探测器之后就不能与能谱仪同步使用。