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閃爍晶體
鎖定
閃爍晶體概念定義
X射線可以用來進行醫療診斷、工業探傷和物質分析等,但人們是看不見X射線的,可是當它照射到一個熒光屏上就會發出熒光來,這樣醫生就看到了X射線透視人體的情況,同樣質量檢驗員就可瞭解到被檢物體內部質量有沒有問題,這個熒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射線照射下激發出熒光來的材料叫做閃爍材料,當然閃爍材料除了在X射線照射下會發出熒光外,其他像放射性同位素蜕變產生的高能射線如α射線、β射線照射它時也會發出熒光來。
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,閃爍材料便發出熒光,射線愈強,發出的熒光愈強,這熒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射線和其他高能射線的"眼睛"。
閃爍晶體應用領域
閃爍晶體高能物理
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)優化已發現的摻Ce高密度晶體的性能,從文獻報道來看,有價值的材料主要集中在摻Ce的稀土硅(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。
閃爍晶體核醫學成像
核醫學成像領域需要質量更高、成本更低的閃爍晶體。如正電子發射型計算機斷層顯像(PET)首選的閃爍晶體—Bi4Ge3O12(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,為進一步提高空間分辨率,有必要提高BGO晶體的光學質量,消除當中的微小散射顆粒。
閃爍晶體工業CT
進一步提高批量生產的CdWO4晶體的宏觀完整性,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。
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閃爍晶體研究現狀
同國外相比,中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硅酸鹽所等個別單位,而且晶體生長和性能研究方面結合得還不夠緊密。另外,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,尚存許多問題,與俄羅斯的BTCP相比,市場競爭能力還相對較弱。
就應用而言,中國閃爍晶體探測器件的製造單位還大多采用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,中國尚處於試製階段。不過,中國在閃爍探測器和整機的製造方面,正在加強開發力度。