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闪烁晶体

王朝百科·作者佚名  2010-08-03  
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闪烁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。

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。

4、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(营),加强了开发的力度。

 
 
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