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闪烁晶体

时间:2019-05-09     作者:管理员【原创】   阅读

1. 定义:

1>闪烁晶体

       在X射线和射射线等高能粒子的撞击下,能将高能粒子的动能转变为光能而发出闪光的晶体。
       晶体物质由于具有各种各样的特性,所以还是各种技术用的重要材料,特别是在近代由于新技术的飞速发展,要求具有各种性能的晶体材料,而自然界蕴藏的晶体不论在质量上、数量和品种上都满足不了需要,因此科学家就模拟自然界的成矿条件,采用人工方法来培育晶体,这就叫做人工晶体。
       人工晶体种类繁多,真是五花八门,这里要介绍的是近年来日益受到人们青睐的一大类晶体--闪烁晶体。
       说到闪烁晶体,人们会感到陌生。我们知道,当高速度运动的电子流轰击某些固体物质时,被轰物体能发生一种看不见的电磁波,叫做X光,X光的穿透本领是很大的,无论是人体的组织,还是几厘米厚的钢板,它们都能畅通无阻,因此可用来进行医疗诊断、工业探伤和物质分析等,但从X光管发出的X光,人们是看不见的,可是当它照射到一个荧光屏上就会发出荧光来,这样医生就看到了X光透视人体的情况,同样质量检验员就可了解到被检物体内部质量有没有问题,这个荧光屏就起到了把人眼看不见的X光转变成看得见的光线的作用。这些能在X光照射下激发出荧光来的材料叫做闪烁材料,当然闪烁材料除了在X光照射下会发出荧光外,其他像放射性同位素蜕变产生的高能射线如α射线、β射线照射它时也会发出荧光来,人们利用闪烁材料的这种特性做成了测量各种射线的探测器,即当高能射线照射到探测器上后,闪烁材料便发出荧光,射线愈强,发出的荧光愈强,这荧光被光电转换系统接收并转变成电信号,经过电子线路处理后,便能在指示器上指示出来,因此人们将这种探测器比喻为看得见X光和其他高能射线的“眼睛”。
       通常应用的闪烁晶体材料都是用人工方法培育出来的,种类也很多,从化学成分来讲有氧化物、卤化物(包括碘化物、氟化物)等。

2. 分类:

1>高能物理用闪烁晶体

       由于高能物理实验的前沿之一将是研究更高能量(~TeV级甚至更高)的辐射,装置很大,需要晶体数量很多,因而要求闪烁晶体不仅具有高密度(≥7g/cm)、快衰减(15~50ns)和高抗辐照(~1TeV)等特性外,而且价格低廉。对光产额要求,相对较低。
       对这类闪烁晶体的研究和开发难度很大,特别具有挑战性。主要的任务有:
       (1)研制新的高密度、快衰减闪烁晶体有两条途径。其一是,寻找新的高密度且适于Ce掺入的较低熔点(如<1300℃)的单晶基质材料,如含稀土的钨酸盐类;其二是,根据交叉发光机理(Cross Luminesecence),寻找新的低芯带材料,可从高密度氟化物中筛选。
       (2)对高密度的Cherenkov晶体材料进行改性,使其成为闪烁晶体,如PbF2、NaBi(WO4)2等晶体。
       (3)优化已发现的掺Ce高密度晶体的性能,从文献报道来看,有价值的材料主要集中在掺Ce的稀土硅(铝)酸盐,如GSO:Ce、LuAP:Ce、LSO:Ce以及Lux(RE)1-xAP:Ce等。
       (4)设法降低高熔点全稀土闪烁晶体的生长成本,如改进生长工艺参数提高单产量和合格率,进行技术革新降低生产成本。

2>核医学成像用闪烁晶体

       需要进一步提高现有闪烁晶体的质量,大幅度降低生产成本。如目前PET首选的闪烁晶体—BGO昂贵的价格是使PET的价格(上百万美元)高居不下的因素之一。同时,为进一步提高空间分辨率,有必要提高BGO的光学质量,消除当中的微小散射颗粒。

3>工业CT用闪烁晶体

       进一步提高批量生产的CWO晶体的宏观完整性,解决个体间性能差异较大的问题。对于高光产额且不易开裂的闪烁晶体,如CsI:Tl晶体,则需要开发大截面(>15×15cm)且具有较好均匀性的晶体,用于制作大平面CT或CCD相机。

3. 国内闪烁晶体开发中存在的问题

       同国外相比,我国闪烁晶体从业的科研人员较少。闪烁晶体方面的人才培养单位只有上海硅酸盐所等个别单位,而且晶体生长和性能研究方面结合得还不够紧密。另外,我们自主开发的新型闪烁晶体较少,特别是在高熔点、高性能的闪烁晶体的研制方面还十分薄弱。在闪烁晶体的产业化运作方面,尚存在这样或那样的问题,与俄罗斯的BTCP相比,市场竞争能力还相对较弱。
       就应用而言,国内闪烁晶体探测器件的制造单位还大多采用NaI:Tl或CsI:Tl等少数几种晶体,性能更为优的闪烁晶体使用较少,甚至尚未使用用闪烁晶体。在工业CT和PET制造方面,我国尚处于试制阶段。不过,令人欣慰的是,我国在闪烁探测器和整机的制造方面,正在进行合作,加强了开发的力度。



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