【毕业设计】对闪烁体性能及应用的研究

论文原创性保证书我保证所提交的论文都是自己独立完成，如有抄袭、剽窃、雷同等现象，愿承担相应后果，接受学校的处理。专业生物医学工程班级2009级1班签名2013年月日摘要闪烁晶体的研究和发展日新月异，随着人们对闪烁晶体的更加深入的认识以及晶体生长技术的发展，许多已开发的闪烁晶体的性能得到优化和提高，应用范围也随之扩大。然而随着核医学、核物理、安全检查、极端条件应用以及工业无损探伤发展的更高要求，对闪烁晶体的综合性能要求越来越高，进一步设计、发现、开发和生长具有高密度、优良光学均匀性、高带电粒子阻止本领、高光产额、快衰减、高稳定性、低成本等综合优良性能的闪烁晶体仍然是闪烁材料研究的重点。本文阐述了闪烁体的发展历程，在X射线探测器上的应用原理，并分析目前使用的闪烁体的材料存在的缺点，同时引出当前一种新型闪烁体材料Y，GD2O3EU简称YGO陶瓷闪烁体材料，简单介绍它的性能特点及制备及烧结方法。并对未来闪烁体的发展趋势和未来发展提出自己的看法，使闪烁体的发展日趋成熟。关键词闪烁体；闪烁性能；闪烁探测器；新型闪烁体材料ABSTRACTSCINTILLATIONCRYSTALRESEARCHANDDEVELOPMENTWITHEACHPASSINGDAY,ASPEOPLEMOREINDEPTHUNDERSTANDINGOFSCINTILLATIONCRYSTALSANDCRYSTALGROWTHTECHNOLOGYDEVELOPMENT,MANYDEVELOPEDTHEPERFORMANCEOFSCINTILLATIONCRYSTALSWASOPTIMIZEDANDIMPROVED,APPLICATIONSCOPEISEXPANDEDBUTASNUCLEARMEDICINE,NUCLEARPHYSICS,SAFETYINSPECTION,THEEXTREMECONDITIONSOFAPPLICATIONANDINDUSTRIALNONDESTRUCTIVETESTINGFORTHEDEVELOPMENTOFHIGHERREQUIREMENTS,COMPREHENSIVEPERFORMANCEOFSCINTILLATIONCRYSTALDEMANDISHIGHERANDHIGHER,FURTHERDESIGN,DISCOVERY,DEVELOPMENTANDGROWTHWITHHIGHDENSITY,GOODOPTICALHOMOGENEITY,HIGHCHARGEDPARTICLESTOPPINGPOWER,HIGHYIELD,FASTDECAYANDEXCELLENTCOMPREHENSIVEPROPERTIESSUCHASHIGHSTABILITY,LOWCOSTSCINTILLATIONCRYSTALSARESTILLFLASHINGMATERIALSRESEARCHFOCUSTHISPAPEREXPOUNDSTHEDEVELOPINGCOURSEOFSCINTILLATOR,APPLICATIONINXRAYDETECTORTHEORY,ANDANALYSISOFTHECURRENTUSEOFTHEDISADVANTAGESOFSCINTILLATORMATERIAL,ATTHESAMETIMELEADTOPRESENTANEWSCINTILLATORMATERIALY,GD2O3EUHEREINAFTERREFERREDTOASYGOCERAMICSCINTILLATORMATERIAL,INTRODUCESITSCHARACTERISTICSANDPREPARATIONANDSINTERINGMETHODANDFORTHEFUTUREDEVELOPMENTTRENDOFTHESCINTILLATORANDTHEFUTUREDEVELOPMENTPROPOSEDOWNVIEW,MAKETHEMATUREOFTHESCINTILLATORKEYWORDSSCINTILLATORSCINTILLATIONPROPERTIESSCINTILLATIONDETECTORNEWSCINTILLATORMATERIAL目录第一章绪论1第二章X射线探测器与闪烁体的发展221X射线探测器的技术演进222闪烁体的发展史3第三章闪烁体631闪烁体的组成及性能6311结构组成6312主要性能632闪烁体在探测器上的应用原理733现有闪烁体材料存在的不足及改进11第四章总结与展望1441总结1442展望1443对未来发展的几点看法15参考文献16致谢17第一章绪论1895年12月8日威廉康拉德伦琴（WILHILMCONRADROENTGEN发现X线，为医学放射学的形成提供了先决条件。随后，X线机应用于临床医学的发展经历了的漫长过程。X射线机系统中，X射线探测器是最为重要的关键部件之一，它直接决定了采集信号的质量，进而决定了最终图像的质量，因此也是近年来在技术上进步最快的X射线机关键部件。数字化探测器的成功应用将X射线机带入到了数字化阶段。完整的数字化X射线机成像部件包括了探测器图像采集器、控制器和影像监视器三部分1探测器图像采集器，主要由探测器、探测器电源和保护结构等构成。探测器中或有X射线灵敏单元对X射线敏感直接记录，或有荧光屏可将X射线转换为可见光，再由光灵敏单元对可见光信号进行信号采集和记录，这些灵敏单元的大小直接决定图像的空间分辨率。2控制器，控制器有图像采集控制器和系统控制器。图像采集控制器主要由计算机控制的探测器的采集电路获取数字图像；系统控制器是计算机系统，包括操作程序、图像处理程序、图像存储、打印、网络管理程序等。3影像监视器，它是用来显示摄影图像的，为诊断工作人员提供影像质量参考。由于在工程上影像监视器相对独立，因此一般在讲到探测器时往往忽略了这一部分。X射线机系统中，X射线探测器是最为重要的关键部件之一，它直接决定了采集信号的质量，进而决定了最终图像的质量，因此也是近年来在技术上进步最快的X射线机关键部件。数字化探测器的成功应用将X射线机带入到了数字化阶段。经过100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。闪烁体放射源的应用为发展国民经济、保障人民健康做出了重大贡献，在医学上，闪烁体是核医学影像设备的核心部件，通过它医生可以快速诊断出人体各器官的病变、肿瘤组织的大小和位置。可以帮助病人及早发现疾病并及时预防和治疗。本人在实习期间接触到了X射线探测器，了解了X射线探测器上的闪烁体的发展历程和功能，本文主要介绍闪烁体的工作原理、性质及发展现状以及针对现有闪烁体存在的不足提出建议，并对闪烁体未来的发展趋势进行简单的分析，使闪烁体的发展日益成熟。第二章X射线探测器与闪烁体的发展21X射线探测器的技术演进数字荧光成像（DIGITALFLUORESCENCE，DF）是最早的平片数字化技术，但由于其成像质及信息含量远不如传统X射线摄影而没有被推广发展。CR技术的发展是源于成像板（IMAGINGPLATE，IP）技术的突破，20世纪70年代飞利浦公司就开发出了IP板，但没有应用到X射线机上。直到1981年日本富士胶片公司率先研制开发出用于X射线成像机的IP板，解决了数字荧光成像中的不足，并推出首台用于临床应的CR，才使X射线机数字得到进一步的发展。富士公司推出的CR，它是采用磷光体结晶构成的成像板（PLATED）即IP板吸收X射线信息，IP板感光形成潜影，再经过扫描转化成数字化信号进入计算机系统进行图像处理。由CR的图像处理技术过程来看，它不是直接的数字化X射线摄影，但其技术仍在不断完善。2003年富士公司又推出了能一次进行多线扫描的CR系统，采用对IP（影像板）的双面读取技术，进一步提高了检测效率和分辨率，成像速度又有提高。紧随富士公司其后的还有EASTKODAK和AGFA等公司也相继研制开发出CR系统，2002年以色列的OREXCR公司推出了新型CR系统，该系统进行图像采集装置、质量控制操作和拍片前透视确认等都可在一个房间完成。总之，CR问世已经20多年来，其成像技术每年都有新的发展，图像质量越来越好，而成本不断下降。然而追求X射线摄影直接数字化一直是临床医生的需求与愿望，为了实现临床中的需求，在20世纪80年代人们开始利用现代的晶体管制作技术和计算机技术开发研制数字化X射线摄影探测器（DR），目的是改变传统的用胶片记录X射线影像或屏/片成像。目前所说的DR（DIGITALRADIOGRAPHY）也叫数字摄影，在概念上更加强调中间环节的减少，可直接输出影像的数字化信号，而原来影像增强器CCD方式尽管其输出也是数字化信号，但在概念上已被排除在DR之外。而采用增感屏光学系统CCD形式获取数字化X射线图像的方式，尽管有一点类似影像增强器加CCD的工作方法，但由于没有了影像增强器而被认为是DR的一种。目前的DR技术有三种1非晶硅（ASI，一种硅平板探测器，间接转换式的平板探测器；2非晶硒ASE平板探测器，直接转换的平板探测器；3荧光板光学系统CCD（或CMOS）。基于前两者所制造出的面阵型探测器也被称之为平板DR探测器（FPD）。现在普遍应用的DR主要是采用平板探测器（FPD），它或者将X射线强度直接转变成各阵元的电信号，或者在极为有限的空间内先将X射线信号转变为可见光，再通过光电二极管组成的薄膜晶体管（THINFILMTRANSISTOR，TFT）转换成电信号，然后再由专门的读出电路将这些电信号直接读出并送计算机系统进行处理。大量DR平板探测技术应用于临床诊断X射线机始于90年代初，以美国DRC公司率先开发的平板探测器为标志。1995年在北美放射学会（RSNA）上展出了世界第一台基于平板DR探测器的X射线机，这标志着数字X射线成像技术正式进入X射线机产品领域，同时也预示着新的一轮X射线机的技术革命就此开始。1997年STERLING，TRIXELL和CANON等公司推出直接数字化X射线摄影技术。STERLING公司利用非晶硒探测X射线，而TRIXELL和CANON公司则利用非晶硅制成的光电二极管探测X线。此后大公司相继跟进，1997年GE公司也推出DR探测器X射线机。这两类DR探测器技术都是将闪烁荧光体置于顶部“涂”有硅的薄膜晶体二极管阵列之上，然后利用光敏元件将光信号转化成电信号，最后转换成字信号输送到计算。目前采用非晶硅探测技术的生产企业还有SIEMENS、PHILIPS等公司，TRIXELL平板是由法国THALES，德国SIEMENS和荷兰PHILIPS共同投资生产的，所以目前TRIXELL平板是当前TFT结构产品的主流，也是DR探测器的金标准。随着数字化探测器技术的发展，以线状排布的数字化探测器逐渐成为线扫描X射线机探测器的主流。与平板探测器相对应，多数数字化DR探测技术在线扫描射线机上也均有所应用。22闪烁体的发展史1948年，HOFSTADTE发现的具有优良闪烁性能的NAITL开劈了人类应用闪烁晶体的先河。经过100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。闪烁晶体一般对自己发出的荧光是透明的，因而如果将闪烁晶体与光接收器件如CCD成像板或光电倍增管耦合，便可制成晶体闪烁探测计数器。闪烁晶体可用于X射线、射线、中子及其他高能粒子的探测。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NAITL，碘化铯CSITL，氟化钡BAF2，锗酸铋BI4GE3O12，钨酸铅PBWO4，铝酸钇YALO3CE等。随着分子医学成像技术、高能物理工程以及各种极端条件下射线探测技术的发展，寻找和研究具有高阻挡射线本领、高发光效率、高分辨率、高响应速度和高耐辐射的新型闪烁体的研究正方兴未艾，如TMK2NALUF6，LUXRE31XALO3CE，LI6GDBO33等晶体，都具有优良的闪烁性能，在正电子湮灭成像PET等核医学、中子探测和核物理领域有潜在应用。本文主要从不同闪烁晶体组成类型出发，分别简要介绍了近年来卤化物、锗硅酸盐、钨酸盐、硼磷酸盐等闪烁晶体的研究进展和应用以及新型闪烁晶体的生长和性能研究。常见的卤化物闪烁晶体有NAITL，CSITL，BAF2和稀土卤化物晶体。NAITL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。近年来，NAITL晶体在瞬发射线中子活化分析PGNAA装置中也取得了广泛应用。CSITL晶体虽然衰减时间较长约1000NS，但具有非常高的光输出，且发射波长为560NM左右，与半导体光电二极管匹配很好，可以应用于安全检查、中微子探测、元素分析、核技术和高能物理领域，已被日本高能物理研究所KEK和美国的斯坦福线性加速器中心SLAC选作为电磁量能器的探测器，我国北京的正负电子对撞机BEPC进行升级改造也选用了CSITL晶体。常用的钨酸盐闪烁晶体主要有PBWO4，GDWO4，CAWO4等。由于PBWO4PWO晶体具有密度高约83G/CM3、短的辐照长度约089CM和快的衰减时间90的发光衰减时间小于20NS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ECAL用的闪烁材料。CDWO4CWO晶体具有密度高790G/CM3、辐射长度短106CM、发光效率与能量分辨率高、对X射线吸收系数大、抗辐照损伤性能强等特点，是一种优良的闪烁探测器材料，因此也是用于安全检查和医学成像上的首选材料。但由于CDO与WO3易挥发导致组分偏离和晶体易沿010解理面开裂，CWO晶体较难生长。硼酸盐晶体主要应用于非线性光学材料和激光材料，具有巨大实用价值，如用于紫外倍频的BBOBAB2O4，低温相偏硼酸钡，LBOLIB3O5，CLBOCSLIB6O10等晶体。而对于CE3激活的硼酸盐晶体，由于10B，6LI，157GD对热中子的俘获截面大，因此，低密度的含有6LI或157GD的硼酸盐是较好的中子探测材料，如LNBO3CELNY，GD，LU，LI6LNBO33CELNY，GD，LU等。其中，高密度的LUBO3CE光输出很高而衰减时间很短，是1种极具应用潜力的射线探测材料。但由于LNBO3类晶体生长较困难，其高质量、大尺寸的晶体未见报道，在闪烁晶体材料中的应用还有待进一步研究发展。LI6GDBO33CELGBOCE含有3种对中子有较大俘获截面的原子LI，GD，B，探测效率是6LI玻璃的6倍；其密度35G/CM3较小，探测中子时可以有效地抑制射线背景，其发射波长为360500NM，可与价格相对低廉的光电倍增管匹配，是1种性能优异的中子探测用新型闪烁晶体。此外，由于LI6GDBO33EU晶体的有效原子序数比LI6YBO33晶体的高出很多，能有效降低背景，该晶体在固体放射量测定上具有潜在应用。磷酸盐也是一类在光学材料方面得到非常广泛应用的化合物，如作为荧光材料的Y，GDPO4EU红，LAPO4TM蓝等及作为非线性光学材料的KDP，KTP等。但目前作为闪烁晶体应用的只有RB3LUPO42CE3和K3LUPO42CE等晶体。DWISNIEWSKI等研究了CE掺杂A3REPO42A为碱金属，如LI，K，RB或CS晶体的闪烁性能，发现这类磷酸盐晶体具有适当的密度，较高光输出和快的衰减时间，可作为X射线、低能光子和含6LI材料的探测器，并在集成中子探测器方面有较大发展前景。闪烁晶体的研究和发展日新月异，随着人们对闪烁晶体的更加深入的认识以及晶体生长技术的发展，许多已开发的闪烁晶体的性能得到优化和提高，应用范围也随之扩大。然而随着核医学、核物理、安全检查、极端条件应用以及工业无损探伤发展的更高要求，对闪烁晶体的综合性能要求越来越高，进一步设计、发现、开发和生长具有高密度、优良光学均匀性、高带电粒子阻止本领、高光产额、快衰减、高稳定性、低成本等综合优良性能的闪烁晶体仍然是闪烁材料研究的重点。第三章闪烁体31闪烁体的组成及性能311结构组成闪烁体是指能吸收高能粒子或射线发出可见光子的材料。无机闪烁体如NALTL、ZNSAG几乎是100透明的，有机闪烁体如蒽，塑料闪烁体，液体闪烁体一般来说透明性较差。闪烁体在受到高能粒子激发后发射的光谱应在可见光区，在实际应用上接受光子主要有两种方式一种是光电倍增管，另一种是光电二极管。光电倍增管的光谱响应灵敏度在430470NM，光电二极管的光谱响应灵敏度在500530NM，闪烁体的发射光谱应尽可能与之相匹配，才能获得高的灵敏度和高效率。NAIT1晶体自1948年问世以来至今仍是探测X射线、C射线和A射线最重要的闪烁体，其特点为1密度大367G/CM3，平均原子序数53，对C射线和X射线有较大的阻止本领；2能量转换效率高，是已知无机闪烁体中发光强度最高的材料，其分辨率在10以下，分辨率强；3发射峰值波长为415NM，晶体在发光范围是透明的，与光电倍增管的匹配较好，对C射线能量大于150KEV时，效应是线性的；（4）发光衰减时间短。室温下，对CS137C射线激发，S2000LUAPCE834196003652050018YAPCE5371875365201002432闪烁体在探测器上的应用原理闪烁晶体自在20世纪50年代发现并使用以来，核物理、核医学和高能物理是闪烁晶体研究和开发的主要推动力。从最早应用的NAI晶体到现在掺CE3的稀土硅铝酸盐晶体，各种闪烁体在不同的探测领域里迄今仍在发挥着作用。闪烁晶体是现代核探测器的主要元件之一，它的不断研究成功，拓宽了许多新的发展领域，其中NAITL，CSITL等单晶我国都已进行规模生产。核辐射与某些透明物质相互作用，会使其电离、激发而发射荧光，闪烁探测器就是利用这一特性来工作的。闪烁探测器由闪烁体、光电倍增管和相应的电子仪器三个主要部分组成。闪烁探测器由闪烁体，光电倍增管，电源和放大器分析器定标器系统组成，现代闪烁探测器往往配备有计算机系统来处理测量结果。当射线通过闪烁体时，闪烁体被射线电离、激发，并发出一定波长的光，这些光子射到光电倍增管的光阴极上发生光电效应而释放出电子，电子流经电倍增管多级阴极线路逐级放大后或为电脉冲，输入电子线路部分，而后由定标器记录下来。光阴极产生的电子数量与照射到它上面的光子数量成正比例，即放射性同位素的量越多，在闪烁体上引起闪光次数就越多，从而仪器记录的脉冲次数就越多。测量的结果可用计数率，即射线每分钟的计数次数简写为CPM表示，现代计数装置通常可以同时给出衰变率，即射线每分钟的衰变次数简写DPM、计数效率E、测量误差等数据。其结构原理如图1所示目前常用于X射线探测器上的闪烁体材料主要有碘化铯和硫氧化钆两种。它们具有发光强度高，抗辐照能力强，阻止本领大，不潮解等优点。两种成像过程区别不大，都是通过闪烁体将X线转换为可见光，再通过经反光镜反射由组合镜头或由组合镜头直接耦合到探测器芯片上，由探测器芯片将可见光信号转换成电信号，再由计算机把电信号变为数字图1闪烁体结构原理信号将可见光转换为电信号。两者的区别在于闪烁体的材质，碘化铯是针状晶体，硫氧化钆是层状晶体。1从X线转换效能来看，硫氧化钆的单纯的转换效率要高于碘化铯，而且，硫氧化钆价格比较低廉，采用普通的工艺涂布在基板上，但是，硫氧化钆有一个非常重要的缺点，就是无法控制散射效应在硫氧化钆层中的发生。而碘化铯虽然转换效率略逊于硫氧化钆，但是由于碘化铯是针状晶体，单个针状晶体的直径只有67微米，X线和可见光在晶体内发生全反射，有效控制散射。2散热技术碘化铯闪烁体由于是针状晶体，能够将较高的热量积蓄并迅速散发出去，延长闪烁体的寿命，并提高了出品成品率和可维修率。3从X射线探测器的制造厂商来看，由于各大品牌都不再涉及这类产品，但是我们可以从各大生产厂商的平板选择来观察，平板同CCD一样也是采用闪烁体的，从平板市场可以看出，欧美主流厂商西门子、飞利浦、GMM、柯达等公司均选择法国TRIXELL公司生产的碘化铯平板探测器，其他如国内制造商也大都采用碘化铯闪烁体，日本厂商东芝、岛津，日立选择东芝佳能公司生产的硫氧化钆平板探测器。4但是由于相对低廉的价格，目前使用硫氧化钆闪烁体的X射线探测器在中低端市场上仍然占有一定的市场。这是牺牲图像质量换来的低成本选择。闪烁体在X射线探测器上的应用主要有非晶硅平板探测器和非晶硒平板探测器两种。非晶硅平板探测器和非晶硒平板探测器，从能量转换方式来看，前者属于间接转换平板探测器，后者属于直接转换平板探测器。非晶硅平板探测器由碘化铯等闪烁晶体涂层与薄膜晶体管或电荷耦合器件或互补型金属氧化物半导体，构成它的工作过程一般分为两步，首先闪烁晶体涂层将X线的能量转换成可见光；其次TFT或者CCD，或CMOS将可见光转换成电信号。由于在这过程中可见光会发生散射，对空间分辨率产生一定的影响。虽然新工艺中将闪烁体加工成柱状以提高对X线的利用及降低散射，但散射光对空间分辨率的影响不能完全消除。非晶硒平板探测器主要由非晶硒层TFT构成。入射的X射线使硒层产生电子空穴对，在外加偏压电场作用下，电子和空穴对向相反的方向移动形成电流，电流在薄膜晶体管中形成储存电荷。每一个晶体管的储存电荷量对应于入射X射线的剂量，通过读出电路可以知道每一点的电荷量，进而知道每点的X线剂量。由于非晶硒不产生可见光，没有散射线的影响，因此可以获得比较高的空间分辨率。由于非晶硅平板探测器是由碘化铯等闪烁晶体涂层与薄膜晶体管或电荷耦合器件或互补型金属氧化物半导体，下面将具体介绍非晶硅平板探测器及工作原理。非晶硅平板探测器由碘化铯构成的闪烁体层、非晶硅阵列层、信号读出电路和石英玻璃衬体等部分组成。是一种三层结构表面一层为碘化艳闪烁体材料，其中碘化艳光柱达20UM；第二层是以非晶硅为材料的光电二极管电路；最底层TFT大面积薄膜晶体管阵列电荷信号读出电路即电荷收集阵列电路，当然还有起支持作用的玻璃层。其工作原理是X射线光子激发碘化铯闪烁体层产生荧光，荧光的光谱频段位于550NM，这正是非晶硅的灵敏度峰值。工作时，荧光通过针状晶体传输至非晶硅二极管阵列，后者接受荧光信号并将其转换为电信号，信号送到对应的非晶硅薄膜晶体管并在其电容器上形成存储电荷，由信号读出电路读出并将其数字化后送计算机重建图像。同样，转换后数字信号的数值大小也和电信号的强度电压的高低呈正比。X射线的转换过程为X射线碘化铯可见光非晶硅光敏二极管TFD阵列非晶硅薄膜晶体管TFT阵列数字信号。目前产品可以做到4343CM，30083008个像素，每个像素尺寸约为143UM143UM，理论空间分辨率为35LP/MM，与DDR有近似成像质量。非晶硅探测器所采用的闪烁体材料由连续排列的针状碘化铯晶体构成，针柱的直径约6微米，外表面由重元素铊包裹以形成可见光波导减少漫射。出于防潮的需要闪烁体层生长在薄铝板上，应用时铝板位于X射线的入射方向同时还可起到光波导反射端面的作用。闪烁体层的厚度为500至600微米，通常将碘化铯晶体的这种针状结构称作SCIT1闪烁体，如图2所示。图2碘化铯晶体结构（针柱直径6M）非晶硅平板探测器技术与应用国际上医疗器械行业的科研机构和企业非常重视DR探测器技术的研究，如美国GE公司自八十年代开始，累计投入2亿美元开展平板探测器技术和采用平板探测器的DR产品研究，固有像素为02MM，目前系统性能稳定、技术不断成熟。法国TRIXELL公司集中了法国泰雷兹、德国西门子、荷兰菲利浦、日本东芝四家公司的力量，90年代投资15亿欧元研制出固有像素0143MM的非晶硅平板探测器，据说目前成品率已接近10，平板探测器提供给西门子、菲利普、东芝等公司使用，也卖给其他合作伙伴。由于平板型探测器技术上的先进性，受到实力雄厚的企业的高度重视，近二年技术上有了显著的进步，可靠性得到提高的同时，辐射剂量在不断降低，已接近普通胶片的水平。33现有闪烁体材料存在的不足及改进不足闪烁体材料是一种在X射线或者高能粒子如A，B射线的照射下发出紫外或可见光的一种功能材料，在核医学以及地质探测等领域有广泛的应用。作为一种好的闪烁体，应该具有高光输出、快衰减速度、高密度和好的抗辐照特性。早期用于CT的闪烁体主要是闪烁单晶，如NAIT1掺T1的NAI单晶，但其存在严重的余辉问题，而且密度小，易潮解。后来改用ZNWO4和BGOBI4GE3O12，它们虽然吸收系数大、余辉弱，但光输出小。目前在CT中采用的主要是光输出较大的CSIT1和CDWO4，但CSIT1余辉较长；CD是剧毒元素，且钨酸盐晶体脆性很大，加工时易劈裂。随着X射线层面扫描XCT及正电子发射断层扫描PET技术的发展，对闪烁体的性能要求更进一步提高。改进近10年来，人们把更多的目光转向了陶瓷闪烁体。与闪烁单晶相比，陶瓷闪烁体性能稳定，易于多组分均匀掺杂，加工性能好，且制备工艺简单，成本低廉。目前较常见的陶瓷闪烁体主要有稀土掺杂的氧化物LU2O3EU，YGO，硫氧化物GOS（GD2O2SPR，CE，F和铪酸盐系列MHFO3MCA，SR，BA等。其中YGO性能优良，有广泛的应用前景。下面简单介绍YGO闪烁体材料的性能以及制备工艺。YGO的性能及特点GD，Y2O3EUYGO主要应用于CT探测器上，最早是由美国GE公司为高性能医学XCT特制的，名为HILIGHITTM，它是EU掺杂的Y2O3和GD2O3固溶体的透明陶瓷，HILIGHITTM的化学计量比为Y134GD06EU006O3。Y2O3EU中添加GD2O3用来提高密度并增加对X射线阻止本领。由于Y3，GD3和EU3的离子半径相似Y30089NM、GD300938NM、EU30095NM、GD3和EU3可以很好的固溶到Y2O3晶格中得到立方相的Y，GD2O3EU3晶体。GD2O3、和EU2O3在低温下是立方相结构，但分别在1570K和1670K温度下处理后会变成单斜相的结构，而Y2O3则是稳定的立方相结构。一些学者对不同化学剂量比的YGO的粉体和陶瓷的晶体结构进行了研究。ROH等以喷雾热解法制备了GDXY1X2O3EU粉体，得到了不同GD含量下的XRD图谱显示所得粉体均为立方相结构，其结晶度随着GD含量的增加而降低。SUN等则采用燃烧法制备了GD2XYXO3EU纳米粉体，燃烧法制备的GD2O3和EU2O3为纯的单斜相结构，当Y含量增加时，Y离子会取代GD离子使晶体结构向立方相转变。KIM等也采用燃烧法制备了YGO粉体和透明陶瓷，粉体及陶瓷烧结体的相结构都随Y2O3的含量而变化，当Y2O3的含量小于20MOL时得到单斜相的结构，大于20MOL时则为立方相的结构。由于反应过程中温度的不同，不同方法得到的结构存在一定的差异，燃烧法制备时会在瞬间达到很高的温度，超过了GD2O3和EU2O3的相转变温度，在低Y2O3含量时得到了单斜相的YGO，而喷雾法制备处理温度达不到该相变温度，所制备的粉体晶体结构则为立方相结构。在X射线或紫外光激发下，YGO的发射光谱的特征峰位于610NM附近，对应EU3的4F4F5D0Y7F2的跃迁。室温下的特征衰减时间约为1MS，通常纯的YGO余辉通常太高，可能导致重建CT图像的扭曲和失真。而快速发展的医疗诊断技术要求不断降低探测时间，从而减少人体对X射线的吸收。一般可以通过共掺杂其他离子来减少余辉。共掺杂通过减少导致余辉的浅陷阱的有效性来大幅度降低余辉。EU3作为激活剂具有向EU2的价态转变趋势，因此是一种很强的电子陷阱；而PR3却有俘获空穴变成PR4的趋势，PR4EU2对通过无辐射过程衰减，因此不会发生新陷阱的热化，从而降低余辉，通过共掺杂PR3可以降低余辉近两个数量级，TB共掺杂也有类似的效应，因为TB也有从3Y4转变的趋势。不同化学剂量比下得出的YGO粉体和陶瓷体的发光强度有明显的差别，YAN等研究了X值对YXGD2XO3EU3粉体发光性能的影响，当X04时发光对应的5D0Y7F2跃迁的强度最强，而在X12时，发光强度最弱。研究表明在Y2O3EU中加入GD后可以提高粉体的发光强度，对于Y1XGDX2O3EU，当X075时粉体的发光强度达到最大值，而X2时发光强度有所降低。KIM等也得出组成为Y04GD154EU006时，YGO粉体及陶瓷的发光强度均最强。所以当Y2O3的含量在2025MOL时YGO的发光性能最佳。ROSSNER等研究了异价杂质离子MG2和TI4对YGO陶瓷在X射线激发下发光性能的影响。其中MG2对YGO陶瓷的发光性能影响不大，而TI4的加入虽然降低了余辉，但是同时也降低了光产出。YGO陶瓷闪烁体的制备陶瓷闪烁体的性能严格地受原料及其制备工艺的制约。其制备工艺过程主要包括闪烁陶瓷粉体的合成、粉体的成型和烧结以及抛光、切割等后处理工艺。其中，闪烁陶瓷粉体的合成以及烧结是关键步骤。闪烁陶瓷是透明陶瓷的一种，克服陶瓷中的气孔、杂质、晶界等缺陷造成的光散射，获得良好透光性是闪烁陶瓷制备技术中的主要问题。总的来说应具备以下的条件1致密度要高为理论密度的995以上；2晶界上不存在空隙，如有空隙，其大小比波长应小得多；3晶界上没有杂质和玻璃相，或晶界的光学性质与晶体之间差别很小；4晶粒较小而且均匀，气孔率很低；5晶体对入射光线的选择吸收很小；6无光学各相异性，晶体结构最好是立方晶系；7表面光洁度高。为此，必须使用高纯、超细、高分散的原料，在制备过程中避免引入杂质，使用适当的添加剂抑制晶粒的生长，保证晶粒尺寸小于入射光的波长，要选择无光学各向异性的材料，合理制定烧结参数，以获得致密度高、晶粒均匀细小、晶界处无空隙和玻璃相的陶瓷体，采用合适的研磨和抛光等加工方法来提高表面光洁度，可降低漫反射，提高透明性。只有选择合适的工艺，严格控制工艺参数，才能获得密度高、透光性能良好的陶瓷闪烁体。第四章总结与展望41总结本论文通过对闪烁体性能及应用的研究叙述了现有闪烁体的发展以及存在的不足和做出必要的改进。随着闪烁体功能的不断完善，使闪烁体的应用越来越普及，成为X射线探测器的主流。数字化探测器也是决定数字X线摄影信息捕获方式以及影响图像质量的关键环节，再加上闪烁体性能的不断提高，使闪烁体更加的闪耀于影像界。通过实习，我已经基本掌握了闪烁体的性能与应用原理，了解了闪烁体存在的不足以及改进方法，并且触类旁通，对公司其他的产品和其他公司的闪烁体产品有了一定的认识。42展望闪烁晶体的研究和发展日新月异，随着人们对闪烁晶体的更加深入的认识以及晶体生长技术的发展，许多已开发的闪烁晶体的性能得到优化和提高，应用范围也随之扩大。然而随着核医学、核物理、安全检查、极端条件应用以及工业无损探伤发展的更高要求，对闪烁晶体的综合性能要求越来越高，进一步设计、发现、开发和生长具有高密度、优良光学均匀性、高带电粒子阻止本领、高光产额、快衰减、高稳定性、低成本等综合优良性能的闪烁晶体仍然是闪烁材料研究的重点。从上文的介绍可以知道，尽管已有的闪烁体材料都有各自的特点，并已取得了实际的应用，但是它们都不能算是理想的闪烁材料。近年来随着大型高能物理实验装置和辐射医疗仪器的发展，在世界范围内掀起了新型闪烁体探索、研究、开发的热潮。对于一些潜在的无机闪烁体，传统的晶体生长技术难以制备，陶瓷制备技术迎来发展的空间。但是以YGO陶瓷闪烁体为代表的陶瓷闪烁体材料在国内的研究才刚刚起步，从粉体的制备到透明陶瓷的烧结，还有很多研究难点尚未解决，这些必将是今后该领域的研究重点1粉体制备工艺的优化，共沉淀，喷雾热解法等工艺中对粉体形貌及尺寸的可控性研究，并向产业化方向发展；2采用更先进的烧结工艺，以及添加烧结助剂来降低烧结温度提高烧结致密度；3对掺杂离子进行研究，寻找更适合降低余辉提高发光强度的一种或多种掺杂离子。相信在广大研究者的共同努力下，YGO的应用前景将更加广阔。随着闪烁体的应用范围日益扩大，探索新型的闪烁体势在必行。目前全球仅医用的闪烁体年需求量约175吨。由于应用目的不同，需要闪烁体的性能也就不同，这就要求综合考虑闪烁体的各种性能。闪烁体的研究涉及晶体生长，缺陷化学，固态物理，材料科学，光谱学和辐射损伤学，闪烁体的研究将逐渐成为一个新兴的学科闪烁材料学，这需要我们不断地探索。43对未来发展的几点看法1从发展趋势来看，展望21世纪初期，无机闪烁体中，碘化钠闪烁体仍将在应用方面列居首位。2核技术正广泛深入能源、核医学、高能物理、交通和农业各个领域，核能谱技术在许多方面正取代核计数技术，可以预言，将来可能出现一种只对某段能区极其灵敏以监测某种核素的闪烁体就目前我们已经掌握的闪