【2017年整理】余文文-闪烁晶体

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1、中国地质大学（北京） 期末考试论文专用课程名称：人工晶体 班号：10031113 学号：1003111319 姓名：余文文 成绩： 任课教师：许江枫 梅乐夫 日期： 2014 年 05 月 30 日闪烁晶体的研究进展及在不同领域的应用材料科学与工程 1003111319 余文文许江枫 梅乐夫摘要：闪烁晶体是一类在高能射线或紫外光照射下发出荧光的晶体。本文阐述了闪烁晶体在各高精尖领域的应用以及无机闪烁晶体的分类，具体为卤化物，锗（硅）酸盐，钨酸盐及铝酸盐。并对闪烁晶体在高能物理等领域的应用和研究进展做了阐述。综合近年闪烁晶体的研究进展，探讨国内外在此领域内研究的优势与不足，同时阐述个人对闪烁晶体

2、发展前景的见解。关键词：闪烁晶体，应用，卤化物，锗（硅）酸盐，钨酸盐，铝酸盐1.1 引言1948 年,Hoftdater 发现的具有优良闪烁性能的 NaI:Tl 开辟了人类应用闪烁晶体的先河。经过近百年的发展, 以闪烁晶体为核心的探测和成像技术已经在核医学、高能物理、安全检查、工业无损探伤、空间物理及核探矿等方面得到了广泛的应用。上海硅酸盐研究所先后为欧洲核子中心大型正负电子对撞机 L3 探测器和大型强子对撞机(LHC)中的 CMS 探测器提供了数以万计的 BGO 和PWO 闪烁晶体产品，奠定了我国无机闪烁晶体的国际地位，闪烁晶体未来研究和应用前景广阔。1.2 闪烁晶体简介在众多的晶体中，一类

3、能在 X 光照射下激发出荧光来的晶体叫做闪烁晶体，闪烁晶体除了在 X光照射下会发出荧光外，其他像放射性同位素蜕变产生的高能射线如 射线、 射线照射它时也会发出荧光来，人们利用闪烁晶体的这种特性做成了测量各种射线的探测器，即当高能射线照射到探测器上后，闪烁晶体便发出荧光，射线愈强，发出的荧光愈强，这荧光被光电转换系统接收并转变成电信号，经过电子线路处理后，便能在指示器上指示出来，因此人们将这种探测器比喻为看得见 X 光和其他高能射线的眼睛。通常应用的闪烁晶体都是用人工方法培育出来的，种类也很多，从化学成分来讲有卤化物(包括碘化物、氟化物 )，锗（硅）酸盐，钨酸盐，铝酸盐等。1.2.1 卤化物常见

4、的卤化物闪烁晶体有 NaI:T1，CsI:T1，BaF 2，和稀土卤化物晶体。NaI:Tl 晶体具有光产额高 ，光电转换效率高，化学性能稳定和易生长等优点，是综合性能优良的闪烁体。1.2.2 锗（硅）酸盐锗酸铋晶体( B i 4Ge3O12 ，BGO )密度为 7.13 gcm，发射波长在 480 nm，易于与光电倍增管匹配，射线吸收系数高，抗辐照能力强，不潮解，是重要的闪烁体。中科院上海硅酸盐所 BGO 研究曾获国家发明一等奖，是我国晶体产业走向国际化的里程碑。目前，BGO 晶体主要应用于高能物理和核医学成像(PET)装置，西欧核子研究中心(CERN )建造的大型正负电子对撞机的 L3 电磁

5、量能器中 BGO 晶体的用量高达 12 000 根 (1.5 m ) 。1.2.3 钨酸盐常用的钨酸盐闪烁晶体主要有 PbWO，GdWO，CaWO 等。由于 PbWO (PWO )晶体具有密度高(约 8.3 gcm )、短的辐照长度 (约 0.89 cm )和快的衰减时间 (90的发光衰减时间小于 20 BS)和价格低廉等特点而被欧洲核子研究中心(CERN )选择作为大型强子对撞机(LHC )中电磁量能器(ECA L)用的闪烁材料。1.2.4 铝酸盐铝酸盐晶体主要包括 LnAlO3 (LnAP, 畸变的钙钛矿结构)和 Ln3Al5O12(LnAG,石榴石结构) ) (Ln = La， Y， G

6、d，Lu )两个体系，研究较多的闪烁晶体为 YAG：Ce，LuAP：Ce，GdAP：Ce，Y AG：Ce 等晶体，Y A IO ：Ce (Y A P：Ce )是 1 种密度约为 5.4 gcm 3，不易潮解，化学性能稳定和易加工的闪烁晶体，其发光产额高，约为 N aI：T1 晶体的 40 ，是 BGO 晶体的 4 倍，衰减时中国地质大学（北京） 期末考试论文专用课程名称：人工晶体 班号：10031113 学号：1003111319 姓名：余文文 成绩： 任课教师：许江枫 梅乐夫 日期： 2014 年 05 月 30 日间短，一般不大于 27 ns，比 NaI 晶体的衰减时间快了 1 个量级 ，

7、主发光峰值在 366 nm 附近，能与一般的光电探测器相 配 ，对的探测效率很高，但由于有效原子序数很小(Z = 39 )，主要应用于低能探测和软 X 射线探测。1.3 闪烁晶体的应用闪烁晶体应用广泛，根据闪烁晶体不同性能参数，以及不同领域对闪烁晶体的要求，我们可以对闪烁晶体进行有针对性的开发和应用。表 1 是不同应用对闪烁晶体的要求Table1 Different requirements of inorganic scintillation crystal for different applicationsMain applications Requirements for variou

8、s applicationsX-CT(medical) a . High light out put；b. Short decay time ；c. Low afterglow; d . High adsorption coefficient for X ray ,etc. PET a. High density(7g/cm3);b. Short decay time(8500 photons/MeV),etc.Well logging a. Large volume ; b. High Z number; c. Short decay time; d. High light out; e.

9、Good energy resolution ;f. High usable temperature(150) ； g. Resistant to shock; etc.Industrial X-CT Large light output to enable high transmission measurement; b. High density to achieve spatial resolution;High energy physics a. High density(large absorption, small Moliere radius);b. Short decay ti

10、me; c. High radiation hardness; d. moderate price ; etc.Nuclear physics a. Good energy resolution(1KeV); b. Fast decay time; c. High output for large detection efficiency ; etc.Astrophysics a. Good energy resolution ;b. High sensitivity(10-5-10-7photons/cm2/s);etc.1.3.1 影像核医学 (PET )领域的应用正电子断层扫描技术(PE

11、T )是一种反应病变组织的功能和代谢变化的核医学诊断技术，它开创了在分子水平无创伤性研究人脑功能和心肌存活情况的先河，使核医学进入了分子核医学的时代。美国把 PET 列为当代高科技世界九大明星的榜首。由无机闪烁晶体组成的探头是 PET 系统中重要的组成部分。为了进一步提高 PET 探测系统的空问和时间分辨率，常常要求闪烁晶体具有较大的光输出 ( 8500photons MeV )、较快的衰减常数 ( 7gcm 3)等特点。过去主要采用 BGO 晶体，但是它已不能完全满足 PET 系统的要求。目前，Ce:LSO，Ce:YAP，Ce:LuAP 等闪烁晶体被列为下一代 PET 系统中的理想材料。1.

12、3.2 工业 CT 方面的应用 工业 CI 对被测物体的无损探测速度快，空间分辨率和密度分辨率高，而且在许多应用场合中是常规的 X 射线成像和超声探伤等方法所不能取代的。工业 CI 的真正实际应用距今已经有 22 年左右 ，而且其具有显著经济意义的大规模应用已经得到证实。目前工业 C I 最为集中的应用领域是国防工业，如对火箭、枪炮和弹药的无损检测等；还被应用于飞机螺旋桨、发动机、汽轮机叶片、汽缸等的无损检测。工业 CT 的应用已深入到生产过程的在线实时检测和自动控制领域 。如美国ID M 公司研制的钢管全长探测系统 (IPIS)已经运用于钢管的检测。无机闪烁晶体在此领域有着潜在而巨大的应用前

13、景。1.3.3 油井勘探领域 的应用 石油钻井深达数千米，采用 射线探头能遥测地层特征，从而判断资源情况，世界上石油勘探中有三分之一是核测井的贡献。利用核测井技术可以迅速准确地进行勘探并反映各个不同生产井的情况 。核测井的经济效益最引人注目，每年的营业额估计上百亿美元。作为油井探测器的探头，要求闪烁晶体具有较好的能量分辨率(较高的光输出) ，更重要的是要求其具有很好的耐高温和抗震动等机械特性。1.3.4 安全稽查方面的应用 安全稽查是一个应用潜力大、范围广的领域。例如，机场、火车站行李、邮件的不开箱检查、中国地质大学（北京） 期末考试论文专用课程名称：人工晶体 班号：10031113 学号：1

14、003111319 姓名：余文文 成绩： 任课教师：许江枫 梅乐夫 日期： 2014 年 05 月 30 日爆炸、失火等安全隐患的探测，公安、海关等部门的稽查等，利用核技术进行探测是一种安全可靠、快捷方便的有效方法。将高效高密度无机闪烁晶体的价格控制在 3U SDcm 3 范围内，使闪烁晶体在行李检查方面得到大范围应用。1.3.5 核物理以及高能物理领域的应用 核物理和高能物理发展到今天，面临着一个必须解决的问题，即粒子质量的起源问题。为了弄清楚这个问题，世界上正在建造能量越来越大的大型对撞机和加速器，在这些装置上用来测量各种质子、电子、中子、介子等粒子能量的探头称作电磁量能器(ECAL )，

15、闪烁晶体是建造 ECA L 的核心材料。例如，美国 Standford 直线加速中心 (SLAC )、日本高能所 (KEK )采用 CsI(T1)晶体作Babar 以及 BELLE 实验，欧洲核子中心 (CER N )采用 PbWO4 晶体作 CMS 实验等。核物理以及高能物理实验要求无机闪烁晶体具有较高的密度、快的衰减常数以及高的光输出等。另外，于无机闪烁晶体在高能物理领域中用量巨大，合适的价格也是一个重要的衡量指标。1.4 不同领域用闪烁晶体要求根据应用领域的不同对闪烁体的要求也不尽相同，但一般情况下闪烁晶体应具备下列特性：密度较大，对带电粒子阻止本领大，对射线有很高的吸收系数、发光效率高、发光强度与入射线的能量有良好的线性关系、荧光衰减快、光学均匀性好以及对产生的荧光透明性好等，在中子探测中还要求含有对中子敏感 的元素等。常用的闪烁晶体有：碘化钠 (NaI:TI)，碘化铯 (Cs:T1)，氟化钡(BaF )，锗酸铋(BiGeO )，钨酸铅( PbWO )，铝酸钇(Y AIO:Ce)等。表 2 列 出了部分闪烁晶体及其主要性能参数。随着分子医学成