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小料科普 | 多彩的人工晶体系列——闪烁晶体

来源:中材高新  发布时间:2020-08-17

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我们之所以能看到五彩缤纷的世界,是因为眼睛能接收周围物体发出或反射的可见光,但这仅仅是世界的一小部分。自然界中还存在着许多肉眼看不见的高能射线或粒子,甚至普通的传感器也无法直接探测到,人们必须借助一类被称为闪烁体的特殊材料,才能感知到它们的存在。

什么是闪烁晶体

闪烁晶体是一种能将Χ、γ射线或其它高能粒子的能量转变成可见光或紫外光的功能晶体材料,被人们形象地比喻为能看得见高能射线或粒子的“眼睛”。闪烁晶体探测过程如下图所示,首先由放射源产生的Χ或γ射线入射到闪烁晶体上,射线被闪烁晶体吸收产生闪烁光,然后由光探测器将光信号转变为电信号,再对电信号采集、存储和显示,从而实现对这些不可见高能射线或粒子的能量、动量、方向和持续时间等诸多物理参量的精准测量。

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自1948 年发现掺铊碘化钠(NaI:Tl)晶体的闪烁效应以来,国内外围绕闪烁晶体的生长、性能和应用开展了广泛而深入的研究,科技工作者们陆续研发出几百种无机闪烁晶体。根据晶体的化学成分可分为两大类:一类是氧化物闪烁体,如锗酸铋(BGO)、钨酸铅(PWO)、掺铈硅酸钇镥(LYSO:Ce)和掺铈钆镓铝石榴石(GAGG:Ce)等,它们具有密度高、衰减时间短和化学稳定性好的特点;第二类是卤化物闪烁体,如NaI:Tl、掺铊碘化铯(CsI: Tl)、掺铈溴化镧(LaBr3:Ce)和氟化钡(BaF2)等,它们大多具有低熔点、小的禁带宽度和非常高的发光效率,可以同时获得好的能量分辨率和时间分辨率。

闪烁晶体的应用

闪烁晶体与人们的生活息息相关,在安检、核医学成像、地质勘探、工业无损探伤、高能物理和环境监测等领域具有广阔的应用市场,是当今世界晶体材料领域中具有重大经济效益的主流晶体之一,产业规模仅次于半导体晶体和光学晶体。例如,在机场和地铁等场所广泛使用的行李安检机就是利用闪烁晶体探测穿透行李包的X射线,从而实现不开箱查验枪械、管制刀具等违禁物品,从而保证乘客的安全。在医院,利用闪烁晶体探测注入人体内的放射性示踪剂产生的高能伽马射线,在PET/CT机上获取人体的功能和代谢显像,代谢率高的组织或病变呈亮信号,代谢率低的呈暗信号,通过图像医生可以快速诊断出人体各器官的病变、肿瘤组织的大小和位置,用于癌症、肿瘤的早期诊断和治疗。在油田,利用闪烁晶体获得地层放射性物质含量和种类分布等数据,从而判断地层油气含量和位置。我国发射的嫦娥二号卫星利用闪烁晶体对月球表面大型撞击坑及其周围溅射物放射性元素含量进行探测,从而深入研究月球地质历史,为月球的开发利用提供有关的资源分布数据。

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晶体院闪烁晶体

晶体院闪烁晶体的研制始于1980年,先后承担了国家“六五”科技攻关、“九五”“十一五”“十二五”专项配套、2017年国家重点研发、国家科技部科研院所技术开发研究专项资助、朝阳区企业研发投入资助等多项科研任务。在国内首次采用热锻工艺研制成功NaI:Tl闪烁晶体,锻造出的NaI:Tl晶体不仅几何形状得到改变,而且机械强度和抗热冲击性能大大优于单晶,同时材料的透光性能、发光特性、红外和紫外光学性能均可与原来的单晶相媲美,可加工性也得到显著提高,打破了当时大尺寸、异形NaI:Tl闪烁晶体国外技术垄断的局面,填补了国内空白,该成果获建材行业部级科技进步二等奖。研制的NaI:Tl晶体成功应用于2008年奥运安检和大型安检门,产品还广泛应用于石油测井、γ射线照相机、同位素治疗和工业CT等辐射探测领域。目前,可根据用户使用和图纸要求生产各种规格NaI:Tl晶体,满足高温和抗震等要求。

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“十一五”和“十二五”期间,与中科院上海硅酸盐研究所合作研制的CsI:Tl晶体,打破了国外技术垄断。

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近年来,围绕国家重大科学工程以及行业和市场发展趋势,在国家重点研发计划的支持下,晶体院开展了LaBr3:Ce和GAGG:Ce等新型闪烁晶体和元器件的研制。LaBr3:Ce晶体具有光输出高、能量分辨率高、衰减时间短等优点,是目前已知闪烁性能最优异的晶体,在空间物理、核医学成像、环境检测等领域具有广阔的应用市场。我国发射的“嫦娥二号”卫星γ射线谱仪采用了LaBr3:Ce闪烁探测器,与“嫦娥一号”闪烁探测器相比,能量分辨率提高了1倍多。另外,基于高的光输出和极短的衰减时间,LaBr3:Ce晶体被认为是未来飞行时间-正电子发射断层成像(TOF-PET)优选闪烁晶体。GAGG:Ce闪烁晶体具有光输出高(已知氧化物晶体最高)、能量分辨率高、衰减时间短、不潮解等的优点,在核医学成像、高能物理等领域具有潜 在的应用市场。目前已突破了直径2英寸无开裂LaBr3:Ce和GAGG:Ce晶体生长和元器件制备等关键技术,申请发明专利4项,制定行业标准1项。

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闪烁晶体极大地拓展了人类的视野,也必将为人们的美好生活闪烁出更加多彩的光芒。

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