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責任與文化

小料科普 | 多彩的人工晶體系列——閃爍晶體

來源:中材高新  發布時間:2020-08-17

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从后面疯狂输出动态图我們之所以能看到五彩繽紛的世界,是因為眼睛能接收周圍物體發出或反射的可見光,但這僅僅是世界的一小部分。自然界中還存在著許多肉眼看不見的高能射線或粒子,甚至普通的傳感器也無法直接探測到,人們必須借助一類被稱為閃爍體的特殊材料,才能感知到它們的存在。

什么是閃爍晶體

閃爍晶體是一種能將Χ、γ射線或其它高能粒子的能量轉變成可見光或紫外光的功能晶體材料,被人們形象地比喻為能看得見高能射線或粒子的“眼睛”。閃爍晶體探測過程如下圖所示,首先由放射源產生的Χ或γ射線入射到閃爍晶體上,射線被閃爍晶體吸收產生閃爍光,然后由光探測器將光信號轉變為電信號,再對電信號采集、存儲和顯示,從而實現對這些不可見高能射線或粒子的能量、動量、方向和持續時間等諸多物理參量的精準測量。

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从后面疯狂输出动态图自1948 年發現摻鉈碘化鈉(NaI:Tl)晶體的閃爍效應以來,國內外圍繞閃爍晶體的生長、性能和應用開展了廣泛而深入的研究,科技工作者們陸續研發出幾百種無機閃爍晶體。根據晶體的化學成分可分為兩大類:一類是氧化物閃爍體,如鍺酸鉍(BGO)、鎢酸鉛(PWO)、摻鈰硅酸釔镥(LYSO:Ce)和摻鈰釓鎵鋁石榴石(GAGG:Ce)等,它們具有密度高、衰減時間短和化學穩定性好的特點;第二類是鹵化物閃爍體,如NaI:Tl、摻鉈碘化銫(CsI: Tl)、摻鈰溴化鑭(LaBr3:Ce)和氟化鋇(BaF2)等,它們大多具有低熔點、小的禁帶寬度和非常高的發光效率,可以同時獲得好的能量分辨率和時間分辨率。

閃爍晶體的應用

从后面疯狂输出动态图閃爍晶體與人們的生活息息相關,在安檢、核醫學成像、地質勘探、工業無損探傷、高能物理和環境監測等領域具有廣闊的應用市場,是當今世界晶體材料領域中具有重大經濟效益的主流晶體之一,產業規模僅次于半導體晶體和光學晶體。例如,在機場和地鐵等場所廣泛使用的行李安檢機就是利用閃爍晶體探測穿透行李包的X射線,從而實現不開箱查驗槍械、管制刀具等違禁物品,從而保證乘客的安全。在醫院,利用閃爍晶體探測注入人體內的放射性示蹤劑產生的高能伽馬射線,在PET/CT機上獲取人體的功能和代謝顯像,代謝率高的組織或病變呈亮信號,代謝率低的呈暗信號,通過圖像醫生可以快速診斷出人體各器官的病變、腫瘤組織的大小和位置,用于癌癥、腫瘤的早期診斷和治療。在油田,利用閃爍晶體獲得地層放射性物質含量和種類分布等數據,從而判斷地層油氣含量和位置。我國發射的嫦娥二號衛星利用閃爍晶體對月球表面大型撞擊坑及其周圍濺射物放射性元素含量進行探測,從而深入研究月球地質歷史,為月球的開發利用提供有關的資源分布數據。

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晶體院閃爍晶體

从后面疯狂输出动态图晶體院閃爍晶體的研制始于1980年,先后承擔了國家“六五”科技攻關、“九五”“十一五”“十二五”專項配套、2017年國家重點研發、國家科技部科研院所技術開發研究專項資助、朝陽區企業研發投入資助等多項科研任務。在國內首次采用熱鍛工藝研制成功NaI:Tl閃爍晶體,鍛造出的NaI:Tl晶體不僅幾何形狀得到改變,而且機械強度和抗熱沖擊性能大大優于單晶,同時材料的透光性能、發光特性、紅外和紫外光學性能均可與原來的單晶相媲美,可加工性也得到顯著提高,打破了當時大尺寸、異形NaI:Tl閃爍晶體國外技術壟斷的局面,填補了國內空白,該成果獲建材行業部級科技進步二等獎。研制的NaI:Tl晶體成功應用于2008年奧運安檢和大型安檢門,產品還廣泛應用于石油測井、γ射線照相機、同位素治療和工業CT等輻射探測領域。目前,可根據用戶使用和圖紙要求生產各種規格NaI:Tl晶體,滿足高溫和抗震等要求。

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“十一五”和“十二五”期間,與中科院上海硅酸鹽研究所合作研制的CsI:Tl晶體,打破了國外技術壟斷。

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从后面疯狂输出动态图近年來,圍繞國家重大科學工程以及行業和市場發展趨勢,在國家重點研發計劃的支持下,晶體院開展了LaBr3:Ce和GAGG:Ce等新型閃爍晶體和元器件的研制。LaBr3:Ce晶體具有光輸出高、能量分辨率高、衰減時間短等優點,是目前已知閃爍性能最優異的晶體,在空間物理、核醫學成像、環境檢測等領域具有廣闊的應用市場。我國發射的“嫦娥二號”衛星γ射線譜儀采用了LaBr3:Ce閃爍探測器,與“嫦娥一號”閃爍探測器相比,能量分辨率提高了1倍多。另外,基于高的光輸出和極短的衰減時間,LaBr3:Ce晶體被認為是未來飛行時間-正電子發射斷層成像(TOF-PET)優選閃爍晶體。GAGG:Ce閃爍晶體具有光輸出高(已知氧化物晶體最高)、能量分辨率高、衰減時間短、不潮解等的優點,在核醫學成像、高能物理等領域具有潛 在的應用市場。目前已突破了直徑2英寸無開裂LaBr3:Ce和GAGG:Ce晶體生長和元器件制備等關鍵技術,申請發明專利4項,制定行業標準1項。

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閃爍晶體極大地拓展了人類的視野,也必將為人們的美好生活閃爍出更加多彩的光芒。

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