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闪烁陶瓷
2018-07-12 08:48:08 | 【 【打印】【关闭】

闪烁材料是一种能将入射在其上的高能射线(X/γ射线)或粒子转换为紫外或可见光的晶态能量转换体,广泛应用在高能物理与核物理实验、影像核医学(Computed Tomography ,简称 CTPositron Emission Tomography ,简称 PET )、工业CT在线检测、油井勘探、安全稽查及反恐应用等。近年来随着影像核医学医疗设备的发展和及和高能物理与核物理实验需求的提高,对闪烁体的要求也越来越高:大的有效原子序数(有利于高能射线吸收)、更高的光输出(提高信号强度)、更快的衰减(可以实时成像,减少干扰)、更高的能量分辨率(提高成像精度)。

    

     

闪烁材料在核医学成像、工业无损检测、高能物理粒子探测和机场安检等领域的应用

1)石榴石基闪烁陶瓷

闪烁陶瓷是近20年来快速发展起来的一类新的多晶闪烁体材料。与闪烁单晶相比,闪烁陶瓷可同样具有良好的物理化学稳定性和优异的闪烁性能。更重要的是,闪烁陶瓷在制备温度,组分设计(高浓度,多种类掺杂)和大尺寸制备上具有更大的优势,而石榴石结构的闪烁材料具有立方对称结构,易于实现透明陶瓷制备,在离子掺杂和结构设计上,具有明显优势,因此石榴石结构的透明闪烁陶瓷是新一代高性能(快衰减,高光产额,抗辐照损伤和低余辉等)闪烁材料的重要发展方向之一。

1.1LuYAG:Pr闪烁陶瓷

闪烁材料中的缺陷通过捕获输运过程中的载流子,延迟闪烁发光降低光产额,最终影响闪烁探测器性能。透明与光功能陶瓷研究团队通过采用第一性原理计算,低温热释光以及同步辐射等技术手段对材料中缺陷的存在形式和缺陷浓度进行表征。提出“能带工程”和“缺陷工程”共同作用的机制,并设计制备闪烁陶瓷材料LuYAG:Pr,成功抑制了材料中的浅能级缺陷,获得了材料综合闪烁性能提升,光产额达到24400ph/MeVY3+取代后不会在禁带中增加额外能级,而是导致禁带宽度减少,并使得材料中以反位缺陷为主的浅能级缺陷浓度下降。低温热释光表明,设计制备的材料中缺陷浓度大幅下降。光输出衰减动力学测试结果显示,材料中慢发光分量低于30%,光产额提高20%Phys. Rev. Applied, 2016, 6: 064026

(c)

(a) 理论计算LuAG能带结构; (b) 理论计算LuYAG能带结构; (c) Y3+取代作用机理示意图

1.2LuAG:Ce,Mg闪烁陶瓷

运用缺陷工程,通过Mg2+掺杂控制LuAG:Ce陶瓷中Ce4+/Ce3+比例,减少了电子陷阱缺陷在载流子输运中的影响,同时与氧空位相关的缺陷得到了较好的抑制或消除,所制备LuAG:Ce,Mg陶瓷的闪烁性能达到国际领先水平。陶瓷材料的光产额超过LuAG:Ce单晶50%,闪烁衰减中快发光分量达到60%Adv. Opt. Mater., 2016, 4: 731)。

  

LuAG:Ce,Mg闪烁陶瓷的光产额(左)与闪烁发光机理分析(右)

1.3非化学计量比LuAG:Ce,Mg闪烁陶瓷

结合非化学计量比与二价离子掺杂策略,在对陶瓷光产额影响很小的情况下,设计制备出的LuAG:Ce,Mg陶瓷在 X-ray停止5ms后基本无余辉。

 

1.4LuAG:PrCe:LuAG闪烁陶瓷的器件成像

LuAG:Pr闪烁陶瓷样品组成的4×4阵列耦合到光电倍增管得到的散点图,位置清晰可辨。用于深度效应探测器初步探索,BGO晶体和Pr:LuAG陶瓷阵列中的闪烁体单元均清晰可辨。Pr:LuAG陶瓷比商用BGO晶体光输出高,用4×4LuAG阵列与4×4BGO阵列叠层放置组成Phoswich探测器具有深度效应探测能力。

  

Pr:LuAG闪烁陶瓷阵列成像结果

4×4LuAG:Pr陶瓷阵列与4×4BGO晶体阵列叠层放置组成Phoswich探测器成像

LuAG:Ce,Mg闪烁陶瓷的X射线平板探测器成像进行了研究。切割后LuAG:Ce,Mg陶瓷对比度优于切割前,样品在7 lp/mm左右仍能保持很好的分辨率。LuAG:Ce,Mg陶瓷的成像分辨率接近单晶,但发光均匀性较差。要是LuAG:Ce,Mg闪烁陶瓷获得更好的分辨率,可通过提高激光切割精度获得。

 

LuAG:Ce,Mg闪烁陶瓷的X射线平板探测器成像研究

2非对称体系闪烁陶瓷

陶瓷闪烁体是近来透明透明陶瓷和闪烁材料领域的研究热点,从透明陶瓷的制备角度来说,具有立方晶系的对称结构由于不存在晶界双折射效应更易获得高的光学质量,而如果从发光考虑,一般希望发光中心离子处于低对称的晶体场环境中。因此,许多新型的、综合性能优异的闪烁体均具有非对称的晶体结构。在新型非对称体系闪烁陶瓷研究方向,课题组主要进行非对称透明陶瓷制备新工艺探索和闪烁性能优化等研究。涉及的主要材料体系包括:Gd2O2S: Pr, Ce(六方晶系:应用于医用CT和安检CT探测器)材料体系,CeF3(六方晶系:是高能物理实验装置理想的探测材料),LSO:Ce(单斜晶系:应用于高性能正电子湮没断层扫描成像技术PET探测器材料)等。

2.1. CeF3闪烁陶瓷

采用强磁场注浆成型工艺首次制备了晶粒定向排列的CeF3陶瓷,研究了影响晶粒定向度的因素。在这些研究的指导下制备了晶粒定向度超过93.09%CeF3陶瓷,为高透明度CeF3陶瓷的制备奠定了基础。特别证实CeF30.4T磁场下即可实现晶粒定向排列,这是永磁体磁场第一次应用到陶瓷材料的织构化制备中。

0.4T磁场(abc)和不加磁场(def)下注浆成型制备的CeF3陶瓷的背散射电子衍射花样;(g)给出了xyz轴以及磁场和注浆方向的示意图;(h)给出了各种颜色对应的晶面取向

在不同磁场强度下注浆成型的生坯烧结后所得CeF3陶瓷的XRD图谱 

2.2. GOS闪烁陶瓷

GOS 属于六方晶系,由于其存在各向异性,在晶界上存在双折射现象, 不易制备出透明陶瓷。GOS具有高光输出、高密度、短余辉等优良特性,已经在德国Siemens、日本Hitachi、荷兰Philips等企业生产的医用CT和安检CT探测器中获得广泛应用。但核心制备工艺被国外大公司垄断。国内研究GOS的单位并不多,而且主要集中在粉体制备方法的创新、粉体的形貌调控、纳米粉体制备等方面,关于GOS闪烁陶瓷详细的制备报道非常少。

透明与光功能陶瓷研究课题组以Gd2O2S: Pr, Ce陶瓷在医疗CT仪器上的应用为目标,对低成本、高效率、节能环保型制备粉体的方法进行了大量的工艺探索。如助熔剂法、间接硫源法、碳热还原法,并对不同烧结方法获得的GOS闪烁陶瓷进行光学和闪烁性能进行了研究。经捷克物理所及加州理工等权威测试机构表征,光产额、能量分辨率等关键闪烁性能超过东芝商业产品,说明课题组已经部分突破了GOS闪烁陶瓷关键制备技术,为材料的实际应用奠定了基础。

 

 

3)中子成像用ZnS:Ag闪烁陶瓷

基于对轻元素以及周期表内相邻元素的强大区分能力,慢中子探测在塑料爆炸物检测、石油探矿、储氢化合物、固体电源、催化剂以及高能物理等涉及国家战略安全、军用与民生领域具有重要的应用。ZnS:Ag凭借对α粒子的高响应以及对γ光子的低灵敏性而成为慢中子探测闪烁体的首选。相关材料的透明化可以克服粉末严重自吸收以及漫散射的影响,获得更高的慢中子探测效率以及二维以上更高分辨的成像能力,因此是当前及今后慢中子探测闪烁体研究的重点之一。

透明与光功能陶瓷研究课题组利用热扩散法已经成功获得了过渡金属(CrFe)掺杂透明ZnS激光材料,并实现了激光输出。近期将相关技术应用于ZnS:Ag透明陶瓷化研究,初步获得了半透明的陶瓷,在没有掺杂6Li的前提下,直接以α粒子辐照来模拟中子辐照,研究发现所得陶瓷样品可以观测到表征α粒子的发光脉冲和电荷谱,可望作为中子高分辨成像所需的优良闪烁体。

热扩散法所得Cr:ZnS/ZnSe激光透明陶瓷的吸收和发射光谱

 

高能α粒子激发下ZnS:Ag透明陶瓷的(左)电荷谱和α粒子信号(右,上升沿<10ns;下降沿<100nsα粒子信号幅度为20mv~200mv@2000V

 

 

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