閃爍晶體

閃爍晶體是指在高能粒子(X射線或γ射線)的照射下會發出紫外光或可見光的晶體,與其他螢光材料(如螢光粉)不同,閃爍晶體是巨大的單晶材料,它所發出的螢光能透過材料本身,而其他螢光材料只是粉末狀的微晶,不透光。閃爍晶體與光電倍增管結合,可用於核輻射探測,廣泛套用在醫學,工業領域。

玲瓏剔透、光彩奪目的金剛石以及五顏六色的天然寶石都是自然界出產的晶體。在人類文明的漫長進程中,由於寶石的瑰麗、罕見、珍貴,古代人們曾把它佩帶在身上,作為克邪護身的法寶,後來則被用來製作戒指、耳環、項璉等裝飾品,美化人們的生活。
晶體物質由於具有各種各樣的特性,所以還是各種技術用的重要材料,特別是在近代由於新技術的飛速發展,要求具有各種性能的晶體材料,而自然界蘊藏的晶體不論在質量上、數量和品種上都滿足不了需要,因此科學家就模擬自然界的成礦條件,採用人工方法來培育晶體,這就叫做人工晶體。
人工晶體種類繁多,真是五花八門,這裡要介紹的是近年來日益受到人們青睞的一大類晶體--閃爍晶體。
說到閃爍晶體,人們會感到陌生。我們知道,當高速度運動的電子流轟擊某些固體物質時,被轟物體能發生一種看不見的電磁波,叫做X光,X光的穿透本領是很大的,無論是人體的組織,還是幾厘米厚的鋼板,它們都能暢通無阻,因此可用來進行醫療診斷、工業探傷和物質分析等,但從X光管發出的X光,人們是看不見的,可是當它照射到一個螢光屏上就會發出螢光來,這樣醫生就看到了X光透視人體的情況,同樣質量檢驗員就可了解到被檢物體內部質量有沒有問題,這個螢光屏就起到了把人眼看不見的X光轉變成看得見的光線的作用。這些能在X光照射下激發出螢光來的材料叫做閃爍材料,當然閃爍材料除了在X光照射下會發出螢光外,其他像放射性同位素蛻變產生的高能射線如α射線、β射線照射它時也會發出螢光來,人們利用閃爍材料的這種特性做成了測量各種射線的探測器,即當高能射線照射到探測器上後,閃爍材料便發出螢光,射線愈強,發出的螢光愈強,這螢光被光電轉換系統接收並轉變成電信號,經過電子線路處理後,便能在指示器上指示出來,因此人們將這種探測器比喻為看得見X光和其他高能射線的"眼睛"。
通常套用的閃爍晶體材料都是用人工方法培育出來的,種類也很多,從化學成分來講有氧化物、鹵化物(包括碘化物、氟化物)等。
1、高能物理用閃爍晶體
由於高能物理實驗的前沿之一將是研究更高能量(~TeV級甚至更高)的輻射,裝置很大,需要晶體數量很多,因而要求閃爍晶體不僅具有高密度(≥7g/cm)、快衰減(15~50ns)和高抗輻照(~1TeV)等特性外,而且價格低廉。對光產額要求,相對較低。對這類閃爍晶體的研究和開發難度很大,特別具有挑戰性。主要的任務有:
(1)、研製新的高密度、快衰減閃爍晶體有兩條途徑。其一是,尋找新的高密度且適於Ce摻入的較低熔點(如<1300℃)的單晶基質材料,如含稀土的鎢酸鹽類;其二是,根據交叉發光機理(Cross Luminesecence),尋找新的低芯帶材料,可從高密度氟化物中篩選。
(2)、對高密度的Cherenkov晶體材料進行改性,使其成為閃爍晶體,如PbF2、NaBi(WO4)2等晶體。
(3)、最佳化已發現的摻Ce高密度晶體的性能
從文獻報導來看,有價值的材料主要集中在摻Ce的稀土矽(鋁)酸鹽,如GSO:Ce、LuAP:Ce、LSO:Ce以及Lux(RE)1-xAP:Ce等。
(4)、設法降低高熔點全稀土閃爍晶體的生長成本
如改進生長工藝參數提高單產量和合格率,進行技術革新降低生產成本。
2、核醫學成像用閃爍晶體
需要進一步提高現有閃爍晶體的質量,大幅度降低生產成本。如目前PET首選的閃爍晶體—BGO昂貴的價格是使PET的價格(上百萬美元)高居不下的因素之一。同時,為進一步提高空間解析度,有必要提高BGO的光學質量,消除當中的微小散射顆粒。
3、工業CT用閃爍晶體
進一步提高批量生產的CWO晶體的巨觀完整性,解決個體間性能差異較大的問題。對於高光產額且不易開裂的閃爍晶體,如CsI:Tl晶體,則需要開發大截面(>15×15cm)且具有較好均勻性的晶體,用於製作大平面CT或CCD相機。
4、國內閃爍晶體開發及相關產業中存在的問題
同國外相比,我國閃爍晶體從業的科研人員較少。閃爍晶體方面的人才培養單位只有上海矽酸鹽所等個別單位,而且晶體生長和性能研究方面結合得還不夠緊密。另外,我們自主開發的新型閃爍晶體較少,特別是在高熔點、高性能的閃爍晶體的研製方面還十分薄弱。在閃爍晶體的產業化運作方面,尚存在這樣或那樣的問題,與俄羅斯的BTCP相比,市場競爭能力還相對較弱。
就套用而言,國內閃爍晶體探測器件的製造單位還大多採用NaI:Tl或CsI:Tl等少數幾種晶體,性能更為優的閃爍晶體使用較少,甚至尚未使用用閃爍晶體。在工業CT和PET製造方面,我國尚處於試製階段。不過,令人欣慰的是,我國在閃爍探測器和整機的製造方面,正在進行合作(營),加強了開發的力度。

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