閃爍晶體

閃爍晶體是指在X射線等高能粒子的撞擊下，能將高能粒子的動能轉變為光能而發出閃光的晶體。

基本介紹

• 中文名：閃爍晶體
• 外文名：Scintillation crystals
• 代表物質：鹵化物、鎢酸鹽、矽酸鹽
• 主要功能：用於x射線、高能粒子的探測

概念定義

閃爍晶體是指高能粒子的撞擊下，能將高能粒子的動能轉變為光能而發出閃光的晶體。

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螢光屏上就會發出螢光來，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了解到被檢物體內部質量有沒有問題，這個螢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射線照射下激發出螢光來的材料叫做閃爍材料，當然閃爍材料除了在X射線照射下會發出螢光外，其他像放射性同位素蛻變產生的高能射線如α射線、β射線照射它時也會發出螢光來。

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，閃爍材料便發出螢光，射線愈強，發出的螢光愈強，這螢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"。

通常套用的閃爍晶體材料都是用人工方法培育出來的，種類也很多，從化學成分來講有氧化物、鹵化物（包括碘化物、氟化物）等。

套用領域

閃爍晶體可用於x射線、γ射線、中子及其他高能粒子的探測，以閃爍晶體為核心的探測和成像技術已經在核醫學、高能物理、安全檢查、工業無損探傷、空間物理及核探礦等方面得到了廣泛的套用。

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）最佳化已發現的摻Ce高密度晶體的性能，從文獻報導來看，有價值的材料主要集中在摻Ce的稀土矽（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。

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。如目前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，為進一步提高空間解析度，有必要提高BGO晶體的光學質量，消除當中的微小散射顆粒。

工業CT

進一步提高批量生產的CdWO₄晶體的巨觀完整性，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。

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矽酸鹽所等個別單位，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。

就套用而言，中國閃爍晶體探測器件的製造單位還大多採用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。

中國將藉助天宮二號的晶體生長平台，開展CsI晶體空間晶體生長實驗，重點研究微重力與晶體組分分凝的關係。探索空間微重力條件下固熔體晶體的組分分凝的特點，研究摻雜CsI晶體中摻雜離子分布均勻性與微重力條件的關係。