1003111319-余文文-閃爍晶體

1、中國地質(zhì)大學(xué)（北京）期末考試論文專用課程名稱：人工晶體班號：10031113 學(xué)號：1003111319 姓名：余文文成績：閃爍晶體的研究進(jìn)展及在不同領(lǐng)域的應(yīng)用材料科學(xué)與工程1003111319余文文許江楓梅樂夫摘要：閃爍晶體是一類在高能射線或紫外光照射下發(fā)出熒光的晶體。本文闡述了閃爍晶體在各 高精尖領(lǐng)域的應(yīng)用以及無機(jī)閃爍晶體的分類，具體為鹵化物，鍺（硅）酸鹽，鎢酸鹽及鋁酸鹽。并 對閃爍晶體在高能物理等領(lǐng)域的應(yīng)用和研究進(jìn)展做了闡述。綜合近年閃爍晶體的研究進(jìn)展，探討國 內(nèi)外在此領(lǐng)域內(nèi)研究的優(yōu)勢與不足，同時闡述個人對閃爍晶體發(fā)展前景的見解。關(guān)鍵詞：閃爍晶體，應(yīng)用，鹵化物，鍺（硅）酸鹽，鎢酸鹽，鋁酸

2、鹽1.1引言1948年,Hoftdater發(fā)現(xiàn)的具有優(yōu)良閃爍性能的Nal:TI開辟了人類應(yīng)用閃爍晶體的先河。經(jīng)過近百年的發(fā)展，以閃爍晶體為核心的探測和成像技術(shù)已經(jīng)在核醫(yī)學(xué)、高能物理、安全檢查、工業(yè)無損 探傷、空間物理及核探礦等方面得到了廣泛的應(yīng)用。上海硅酸鹽研究所先后為歐洲核子中心大型正 負(fù)電子對撞機(jī)L3探測器和大型強(qiáng)子對撞機(jī) （LHC）中的CMS探測器提供了數(shù)以萬計(jì)的 BGO和PW0 閃爍晶體產(chǎn)品，奠定了我國無機(jī)閃爍晶體的國際地位，閃爍晶體未來研究和應(yīng)用前景廣闊。1.2閃爍晶體簡介在眾多的晶體中，一類能在X光照射下激發(fā)出熒光來的晶體叫做閃爍晶體，閃爍晶體除了在X光照射下會發(fā)出熒光外，其他像放

3、射性同位素蛻變產(chǎn)生的高能射線如a射線、3射線照射它時也會發(fā)出熒光來，人們利用閃爍晶體的這種特性做成了測量各種射線的探測器，即當(dāng)高能射線照射到探 測器上后，閃爍晶體便發(fā)出熒光，射線愈強(qiáng)，發(fā)出的熒光愈強(qiáng)，這熒光被光電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)接收并轉(zhuǎn)變 成電信號，經(jīng)過電子線路處理后，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”。通常應(yīng)用的閃爍晶體都是用人工方法培育出來的，種類也很多，從 化學(xué)成分來講有鹵化物（包括碘化物、氟化物），鍺（硅）酸鹽，鎢酸鹽，鋁酸鹽等。1.2.1鹵化物常見的鹵化物閃爍晶體有Nal:T1 , CsI:T1 , BaF2,和稀土鹵化物晶體。Nal:TI

4、晶體具有光產(chǎn)額高，光電轉(zhuǎn)換效率高，化學(xué)性能穩(wěn)定和易生長等優(yōu)點(diǎn)，是綜合性能優(yōu)良的閃爍體。1.2.2鍺（硅）酸鹽鍺酸鉍晶體（B i4Ge3O12 , BGO ）密度為7.13 g/cm，發(fā)射波長在480 nm，易于與光電倍增管匹 配，射線吸收系數(shù)高，抗輻照能力強(qiáng)，不潮解，是重要的閃爍體。中科院上海硅酸鹽所BGO研究曾獲國家發(fā)明一等獎，是我國晶體產(chǎn)業(yè)走向國際化的里程碑。目前，BGO晶體主要應(yīng)用于高能物理和核醫(yī)學(xué)成像（PET）裝置，西歐核子研究中心 （CERN ）建造的大型正負(fù)電子對撞機(jī)的L3電磁量能器中BGO晶體的用量高達(dá) 12 000根（1.5 m ）。1.2.3鎢酸鹽常用的鎢酸鹽閃爍晶體主要有P

5、bWO , GdWO , CaWO等。由于PbWO （PWO ）晶體具有密度高（約8.3 g/cm ）、短的輻照長度（約0.89 cm ）和快的衰減時間（90%的發(fā)光衰減時間小于 20 BS）和價格低 廉等特點(diǎn)而被歐洲核子研究中心（CERN ）選擇作為大型強(qiáng)子對撞機(jī) （LHC ）中電磁量能器（ECA L）用的閃爍材料。1.2.4鋁酸鹽鋁酸鹽晶體主要包括 LnAlO 3 （LnAP,畸變的鈣鈦礦結(jié)構(gòu)）和Ln3Al5O12（LnAG,石榴石結(jié)構(gòu)）（Ln = La , Y , Gd, Lu ）兩個體系，研究較多的閃爍晶體為YAG : Ce, LuAP : Ce, GdAP : Ce, Y AG :C

6、e等晶體，Y A IO : Ce （Y A P : Ce ）是1種密度約為5.4 g/cm3,不易潮解，化學(xué)性能穩(wěn)定和易加 工的閃爍晶體，其發(fā)光產(chǎn)額高，約為N aI : T1晶體的40 %,是BGO晶體的4倍，衰減時間短，一般不大于27 ns,比Nal晶體的衰減時間快了_1個量級，主發(fā)光峰值在 366 nm附近，能與一般的 光電探測器相 配，對的探測效率很高， 但由于有效原子序數(shù)很?。╖ = 39 ），主要應(yīng)用于低能探測和 軟X射線探測。1.3閃爍晶體的應(yīng)用閃爍晶體應(yīng)用廣泛，根據(jù)閃爍晶體不同性能參數(shù)，以及不同領(lǐng)域?qū)﹂W爍晶體的要求，我們可以對 閃爍晶體進(jìn)行有針對性的開發(fā)和應(yīng)用。表1是不同應(yīng)用對閃

7、爍晶體的要求Table1 Differe nt requireme nts of inorganic scin tillati on crystal for differe nt applicati onsMain applicationsRequirements for various applicationsX-CT(medical)a . High light out put ; b. Short decay time; c. Low afterglow; d . High adsorpti on coefficie nt for X ray ,etc.PET3a. High densi

8、ty(>7g/cm );b. Short decay time(<100ns);c. High light out put(>8500 photons/MeV),etc.Well logginga. Large volume ; b. High Z number; c. Short decay time; d. High light out; e.Good en ergy resoluti on ;f. High usable temperature(150 °C )； g. Resista nt to shock; etc.Industrial X-CTLarge

9、 light output to en able high tran smissi on measureme nt; b. High den sity to achieve spatial resoluti on;High energy physicsa. High density(large absorption, small Moliere radius);b. Short decay time; c. High radiati on hard ness; d. moderate price ; etc.Nuclear physicsa. Good energy resolution(1K

10、eV); b. Fast decay time; c. High output for large detecti on efficie ncy ; etc.Astrophysics-5-72a. Good en ergy resoluti on ;b. High sen sitivity(10 -10 phot on s/cm /s);etc.1.3.1影像核醫(yī)學(xué)（PET ）領(lǐng)域的應(yīng)用正電子斷層掃描技術(shù)（PET ）是一種反應(yīng)病變組織的功能和代謝變化的核醫(yī)學(xué)診斷技術(shù)，它開創(chuàng)了在分子水平無創(chuàng)傷性研究人腦功能和心肌存活情況的先河，使核醫(yī)學(xué)進(jìn)入了分子核醫(yī)學(xué)的時代。美國 把PET列為當(dāng)代高科技世界九大

11、明星的榜首。由無機(jī)閃爍晶體組成的探頭是PET系統(tǒng)中重要的組成部分。為了進(jìn)一步提高 PET探測系統(tǒng)的空問和時間分辨率，常常要求閃爍晶體具有較大的光輸出（38500photons/ MeV ）、較快的衰減常數(shù)（100ns）、以及較高的密度（ 7g/cm ）等特點(diǎn)。過去主要采 用BGO晶體，但是它已不能完全滿足PET系統(tǒng)的要求。目前，Ce:LSO, Ce:YAP, Ce:LuAP等閃爍晶體被列為下一代 PET系統(tǒng)中的理想材料。1.3.2工業(yè)CT方面的應(yīng)用工業(yè)CI對被測物體的無損探測速度快，空間分辨率和密度分辨率高，而且在許多應(yīng)用場合中是 常規(guī)的X射線成像和超聲探傷等方法所不能取代的。工業(yè)CI的真正實(shí)

12、際應(yīng)用距今已經(jīng)有 22年左右,而且其具有顯著經(jīng)濟(jì)意義的大規(guī)模應(yīng)用已經(jīng)得到證實(shí)。目前工業(yè)C I最為集中的應(yīng)用領(lǐng)域是國防工業(yè)，如對火箭、槍炮和彈藥的無損檢測等；還被應(yīng)用于飛機(jī)螺旋槳、發(fā)動機(jī)、汽輪機(jī)葉片、汽缸等 的無損檢測。工業(yè) CT的應(yīng)用已深入到生產(chǎn)過程的在線實(shí)時檢測和自動控制領(lǐng)域。如美國ID M公司研制的鋼管全長探測系統(tǒng)（IPIS）已經(jīng)運(yùn)用于鋼管的檢測。無機(jī)閃爍晶體在此領(lǐng)域有著潛在而巨大的應(yīng)用前景。1.3.3油井勘探領(lǐng)域的應(yīng)用石油鉆井深達(dá)數(shù)千米，采用a射線探頭能遙測地層特征，從而判斷資源情況，世界上石油勘探中有三分之一是核測井的貢獻(xiàn)。利用核測井技術(shù)可以迅速準(zhǔn)確地進(jìn)行勘探并反映各個不同生產(chǎn)井的情

13、況。核測井的經(jīng)濟(jì)效益最引人注目，每年的營業(yè)額估計(jì)上百億美元。作為油井探測器的探頭，要求 閃爍晶體具有較好的能量分辨率（較高的光輸出），更重要的是要求其具有很好的耐高溫和抗震動等機(jī) 械特性。1.3.4安全稽查方面的應(yīng)用安全稽查是一個應(yīng)用潛力大、范圍廣的領(lǐng)域。例如，機(jī)場、火車站行李、郵件的不開箱檢查、爆任課教師：許江楓梅樂夫日期： 2014年05月30日中國地質(zhì)大學(xué)(北京)期末考試論文專用課程名稱：人工晶體班號：10031113 學(xué)號：1003111319 姓名：余文文成績：炸、失火等安全隱患的探測，公安、海關(guān)等部門的稽查等，利用核技術(shù)進(jìn)行探測是一種安全可靠、 快捷方便的有效方法。將高效高密度無機(jī)

14、閃爍晶體的價格控制在3U SD /cm 3范圍內(nèi)，使閃爍晶體在行李檢查方面得到大范圍應(yīng)用。1.3.5核物理以及高能物理領(lǐng)域的應(yīng)用核物理和高能物理發(fā)展到今天，面臨著一個必須解決的問題，即粒子質(zhì)量的起源問題。為了弄清 楚這個問題，世界上正在建造能量越來越大的大型對撞機(jī)和加速器，在這些裝置上用來測量各種質(zhì) 子、電子、中子、介子等粒子能量的探頭稱作電磁量能器(ECAL )，閃爍晶體是建造ECA L的核心材料。例如，美國 Standford直線加速中心(SLAC )、日本高能所 (KEK )采用Csl(T1)晶體作Babar 以及BELLE實(shí)驗(yàn)，歐洲核子中心(CER N )采用PbWO4晶體作CMS實(shí)驗(yàn)

15、等。核物理以及高能物理 實(shí)驗(yàn)要求無機(jī)閃爍晶體具有較高的密度、快的衰減常數(shù)以及高的光輸出等。另外，于無機(jī)閃爍晶體 在高能物理領(lǐng)域中用量巨大，合適的價格也是一個重要的衡量指標(biāo)。1.4不同領(lǐng)域用閃爍晶體要求根據(jù)應(yīng)用領(lǐng)域的不同對閃爍體的要求也不盡相同，但一般情況下閃爍晶體應(yīng)具備下列特性：密度較大，對帶電粒子阻止本領(lǐng)大，對射線有很高的吸收系數(shù)、發(fā)光效率高、發(fā)光強(qiáng)度與入射線的能量 有良好的線性關(guān)系、熒光衰減快、光學(xué)均勻性好以及對產(chǎn)生的熒光透明性好等，在中子探測中還要 求含有對中子敏感 的元素等。常用的閃爍晶體有： 碘化鈉(Nal:TI)，碘化銫(Cs:T1)，氟化鋇(BaF ), 鍺酸鉍(BiGeO )，

16、鎢酸鉛(PbWO )，鋁酸釔(Y AIO:Ce)等。表2列 出了部分閃爍晶體及其主要性能 參數(shù)。隨著分子醫(yī)學(xué)成像技術(shù)、高能物理工程以及各種極端條件下射線探測技術(shù)的發(fā)展，尋找和研 究具有高阻擋射線本領(lǐng)、高發(fā)光效率、高分辨率、高響應(yīng)速度和高耐輻射的新型閃爍體的研究正方 興未艾，如 Tm :K2NaLuF6, Lux (RE3+)1-xAIO3：Ce , Li 6Gd (BO3)3等晶體,都具有優(yōu)良的閃爍性能,在正電子湮滅成像 P ET等核醫(yī)學(xué)、中子探測和核物理領(lǐng)域有潛在應(yīng)用。表2部分閃爍晶體及其主要性能參數(shù)Table2 Physical and scintillation properties o

17、f several scintillation crystalsCrystalsDensity /g?:m-Melting point/ °cEmission wavelength/nmLY-1/Photons?MeV)Decay times /nsNal:TI3.676514104000230BaF24.811354220/3101040011,8000.6/620|Bi4Ge30i27.1310504809000300Bi4Si30i26.8010304801800100PbWO 48.291123420/490/52022010CdWO 47.91289500280003/17

18、YSO:Ce4.5419804201000037GSO:Ce6.711950450800060/600LSO:Ce7.4120504202500040/>2000LuAP:Ce8.3419603652050018YAP:Ce5.3718753652010024Lu 0.3Y 0.7AlO 36.2187536012000270Li3Lu(PO 4)2：Ce3.20-336/360<530018.8K3Lu(PO4)2：Ce3.90-3902360034.0|R3Lu(PO 4)2：Ce4.68-4151480036.81.5閃爍晶體的發(fā)展趨勢1.5.1應(yīng)用領(lǐng)域正在從大科學(xué)工程向民用

19、技術(shù)領(lǐng)域推廣閃爍晶體的早期發(fā)展得益于大科學(xué)工程的推動。1974年在美國Stanford大學(xué)建造的 Nal:TI晶體制成的晶體球成為丁肇中教授發(fā)現(xiàn)了J/屮粒子的重要工具。隨后，為了深入探索微觀世界及宇宙演化的奧秘，世界上建造了能量越來越大的對撞機(jī)和加速器，在這些裝置上用來測量各種質(zhì)子、電子 等粒子能量的探頭被稱作電磁量能器(calorimeter)，閃爍晶體是建造電磁量能器的關(guān)鍵材料。例如，80年代初國際協(xié)作組 L3P在歐洲核子研究中心用BGO晶體建造了世界上最大的正負(fù)電子對撞機(jī)；2000年初北京高能所正負(fù)電子對撞機(jī)二期改造工程BEPC H也用CsI(Tl)作為其核心探測元件；歐洲核子研究中心(

20、CERN)建成不久并投入運(yùn)行的大型強(qiáng)子對撞機(jī)(LHC)，其核心裝置便就是用PbWO4晶體建造其卩子螺線管 CMS探測器。這些大型科學(xué)工程的建設(shè)為探索基本粒子的屬性和物質(zhì)起源等 純科學(xué)問題發(fā)揮了重要作用。隨著X-CT和正電子層面掃描儀的誕生和發(fā)展，閃爍晶體開始步入民用領(lǐng)域，為工業(yè)生產(chǎn)，醫(yī)學(xué)進(jìn)步作出重大貢獻(xiàn)，同時，在安全稽查方面也發(fā)揮不可替代的作用。1.5.3從單一的材料制備到器件設(shè)計(jì)、加工、集成一體化方向發(fā)展傳統(tǒng)的晶體研發(fā)單位一般只專注于晶體的組分、缺陷、性能研究以及晶體生長技術(shù)的改進(jìn)和完善，很少涉足晶體器件和后續(xù)產(chǎn)品的開發(fā)。然而，單純的晶體材料開發(fā)不僅附加值低，而且與下游產(chǎn)業(yè) 的關(guān)聯(lián)度不夠緊密

21、，難以占領(lǐng)行業(yè)的制高點(diǎn)和取得競爭優(yōu)勢。所以，現(xiàn)在國際上的幾家大型晶體材 料研發(fā)單位都不是單一的只開發(fā)晶體材料，而是將晶體材料、材料加工和探測器研制融為一體。如法國Saint- Gobain公司通過收購老牌晶體廠家Bicron和Crismatec進(jìn)入閃爍晶體領(lǐng)域，產(chǎn)品除了 Nal,CsI, BGO，還有最新的LaCl3, LaB3等，但現(xiàn)在，該公司已經(jīng)將"Crystal”與"Detectors”兩個分支合二為一，在生產(chǎn)晶體的同時也制造高附加值的探頭，晶體線列和探測器，成為目前世界上規(guī)模 最大，技術(shù)最先進(jìn)，產(chǎn)品最齊全的閃爍晶體和閃爍探測器制造商。綜上所述，無機(jī)閃爍晶體材料的發(fā)展

22、趨勢是，核醫(yī)學(xué)和安全檢測等新興民用技術(shù)已經(jīng)成為驅(qū)動閃爍晶體材料發(fā)展的主要推動力。特 別值得強(qiáng)調(diào)的是許多世界一流的研發(fā)單位已從單一的材料制備擴(kuò)展到探測器設(shè)計(jì)、加工、集成一體 化的方向，從而大大提高了材料研發(fā)的針對性、有效性和先導(dǎo)性。參考文獻(xiàn)1 趙景泰，王 紅，金滕滕，王晨陽，胡關(guān)欽閃爍晶體材料的研究進(jìn)展(中國材料進(jìn)展)第 29卷第10期20 10 年 10 月.2 向衛(wèi)東，張瑜斐，申慧，徐家躍，江國健，邵明國 鎢酸鉛閃爍晶體垂直梯度凝固法生長及光學(xué)性能研究(人工晶體學(xué)報(bào))第40卷第2期2011年4月.3 I.V. Kilimchuk,V .P. Gavrilyuk, B.V. Grinyov,

23、V A Tarasov, Yu.T. Viday. Features of scintillation characteristics of Csl:Na and NaI:Tl crystals as the basis for soft gamma radiation detectors(ScienceDirect) Optical Materials 30 (2008) 1800 -802.4 Heismann BJ， Batz L，Pham-Gia K，et al. Signal Transport in Computed Tomography Detectors J. Nucl. Instr. & Meth.Phys.Res.2008，A591:28-35.5 蔡麗光，黃美松.人工晶體材料的生長技術(shù)(湖南有色金屬)第24卷第3期2008年6月.趙廣軍，徐軍.高光輸出快衰減高溫?zé)o機(jī)閃晶體的研究與發(fā)展(人工晶體學(xué)報(bào))第31卷第3卷2003年6月.7 劉志坤，熊巍，袁暉，謝建軍，陳良，周堯，曾陽，施鷹.鎢酸鉛閃爍晶體的雙摻雜性能研究(人工晶體學(xué)報(bào))第41卷第2期2012年4月8 Winicjusz Drozdowski ,Andrzej J. Wo