【云展览 微科普】9、中国牌系列单晶——闪烁晶体

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（九）中国牌系列单晶—— 闪烁晶体

系列专题已经为您介绍

中国牌系列单晶的

非线性光学晶体

激光晶体

本期“云展览 微科普”

继续为您解读

单晶家族的另一类晶体

闪烁晶体

大家知道，我们能看到周围的世界，是因为我们的眼睛能接收周围物体、人发出或反射的可见光，但我们的世界还存在一些肉眼不可见的高能射线或粒子，人们必须借助一类被称为闪烁体的特殊媒介，才能感知到这些不可见射线或粒子的存在。闪烁体将这些射线或粒子的能量吸收后发出脉冲光，而后通过光电转换器件，将闪烁体发出的光信号转变为电信号，从而实现这些不可见高能射线或粒子能量、动量、方向和时间等诸多物理参量的精准测量。

图1 大尺寸锗酸铋闪烁晶体应用于我国“悟空”号暗物质粒子探测卫星

闪烁晶体是单晶态的闪烁体材料，是应用最为广泛的一类闪烁体材料，在高能物理、核物理、天体物理、安全检查、医学成像、工业探伤、环境监控以及资源、能源勘探等诸多与国计民生息息相关领域，具有非常广泛的应用。例如，在地铁站和机场等场所广泛使用的行包安检机，就是利用闪烁晶体探测穿透行包的X射线，从而实现不开箱查验枪械、管制刀具等违禁物品；在工业探伤领域，人们利用闪烁晶体探测X射线，在工业CT上获取工件内部的缺陷结构和分布，避免工件失效和改善工件品质；在医院，人们采用闪烁晶体探测注入人体内的放射性示踪剂产生的高能伽马射线，在PET/CT上获取人体的功能、代谢和受体显像，诊断癌症和研发新药。
图2 “悟空”卫星中正交排布的600mm长BGO晶体及探测到5TeV的高能电子事件
1948年，掺铊碘化钠（NaI:Tl）晶体闪烁性能被发现，揭开了闪烁晶体广泛研究和大规模应用的序幕。1973年，锗酸铋（Bi₄Ge₃O₁₂，BGO）晶体闪烁性能被发现，并分别于1980-1990期间和1998年起大规模应用于大型正负电子对撞机（LEP）和正电子发射断层扫描技术（PET）为核心的高端医学影像装备，600mm长BGO晶体于2010-2014年间被研制成功，并于批量应用于2015年发射的“悟空”号暗物质粒子探测卫星。1992年和2003年，掺铈硅酸镥（LSO:Ce）和掺铈硅酸钇镥（ LYSO:Ce）作为闪烁晶体先后被发现，已被广泛应用于核医学成像领域。1990-1999年，高密度钨酸铅（PbWO₄）晶体重新受到人们的重视，并取得重要进展，大规模应用于大型强子对撞机（LHC）。2001年和2004年，掺铈溴化镧（LaBr₃:Ce）和溴化铈（CeBr₃）晶体分别被发现具有高能量分辨、高光输出和快衰减特性。近期，一系列具有实用价值的闪烁晶体，如掺铕碘化锶（SrI₂:Eu）、掺铕碘溴化钡（BaBrI:Eu）、掺铈钆铝镓石榴石（GAGG:Ce）、掺铈碘化钡铯（CsBa₂I₅:Ce）、锂铊共掺碘化钠（NaI:Li,Tl）、掺铈氯化钇锂铯（Cs₂LiYCl₆:Ce）和钇掺杂氟化钡（BaF₂:Y）等，被发现具有优异的闪烁特性，闪烁晶体材料家族成员数量迎来爆发性增长。尽管新型闪烁体晶体材料不断被发现，NaI:Tl、CsI:Tl、BGO、钨酸镉（CdWO₄）和LSO/LYSO:Ce等传统闪烁晶体的应用领域仍然在不断拓展，发挥着重要的作用。
我国闪烁晶体的研究与开发工作从上世纪50-60年代起步，经过60余年的发展，多种闪烁晶体材料得以成功研制并作为产品大批量走向国内外市场， BGO、纯碘化铯（CsI）、铊掺杂碘化铯（CsI:Tl）、氟化钡（BaF₂）、BaF₂:Y、氟化铈（CeF₃）、PbWO₄和CdWO₄等闪烁晶体研究、开发和应用处于国际先进或领先水平，为国内外前沿科学工程、高端医学影像以及安全检查等领域的发展做出了不可或缺的贡献。

特别感谢

陈俊锋副研究员

中国科学院上海硅酸盐研究所

提供以上内容

鸣谢

中国科学院科技促进发展局

中国科学院上海硅酸盐研究所

展区代表性

闪烁晶体

锗酸铋（BGO）晶体

中国科学院上海硅酸盐研究所国际独创了“四温区”坩埚下降法制备装置及方法，突破了原料、生长、加工以及性能表征等一系列关键制备技术，研制出650根600mm超长锗酸铋（BGO）闪烁晶体，批量应用于 “悟空”号暗物质粒子探测卫星。600mm长BGO晶体是卫星的结构中心、质量中心和功能实现的核心，是与暗物质粒子可能湮灭产物作用的直接媒介，占卫星有效载荷质量约58%。为我国抢占暗物质粒子空间探测世界科学前沿、卫星取得首批具国际影响力重大科学成果提供了关键性支撑。

（上海硅酸盐研究所）

上海硅酸盐研究所研制的600mm超长BGO闪烁晶体

上海硅酸盐研究所 供图

锗酸铋晶体（2015）

化学式：Bi₄Ge₃O₁₂（简称BGO）

一种综合性能优异的闪烁晶体，可以实现高能粒子和射线等电离辐射的高效率探测。中国科学院全球独家研制并量产600毫米超长锗酸铋闪烁晶体，作为最核心探测元件已批量应用于我国 “悟空”号暗物质粒子探测卫星

掺铈溴化镧（Ce:LaBr₃）晶体

新一代闪烁晶体—掺铈溴化镧晶体在核医学影像诊断、高能物理、安全检查、地质勘探、国防装备、无损检测等各种射线的探测领域有着广泛应用。已经向中电集团、中物院、中科院近代物理所、香港大学等单位提供晶体与器件，与国内外科研单位合作开发的用于高能物理、环境射线探测和国土矿产调查的新型伽马射线探测器，获得行业的高度认可。

（福建物质结构研究所）

掺铈溴化镧晶体

福建物质结构研究所 供图

掺铈溴化镧晶体（2017）

化学式：Ce:LaBr₃

新一代闪烁晶体，广泛应用在核医学影像诊断、高能物理、安全检查、地质勘探、国防装备、无损检测等射线探测领域

脉冲辐射探测用闪烁晶体

利用感应加热提拉法成功制备了大尺寸高质量Ce:YAG、Yb:YAG晶体，克服了生长过程中的开裂、均匀性等关键难题，解决了脉冲辐射探测用闪烁晶体国外禁运问题，为国内超快脉冲辐射探测技术发展奠定了坚实的基础。

（上海光学精密机械研究所）

掺铈钇铝石榴石晶体（2015）

化学式：Ce:YAG

具有高发光效率和宽光脉冲特性,主要应用在α粒子探测、γ射线探测、电子探测成像、高分辨率显微成像荧光屏等领域。中国科学院研制的直径98毫米、长度360毫米的高品质掺铈钇铝石榴石闪烁晶体，目前具有国内报道的最大尺寸

上海光学精密机械研究所 供图

掺镱钇铝石榴石晶体（2016）

化学式：Yb:YAG

具有纳秒级超快时间响应特性，在脉冲辐射探测领域有重要应用。是适合高平均功率和高光束质量发射的激光材料

上海光学精密机械研究所 供图

掺铊碘化铯（CsI：Tl）晶体

20世纪90年代初，硅酸盐研究所依靠独创的非真空坩埚下降技术研发出了具有高光输出和优异抗辐照性能的掺铊碘化铯晶体。实现了批量化生产，并且大幅度降低了掺铊碘化铯晶体的使用成本。先后被美国斯坦福直线加速器中心（SLAC）、日本KEK和北京高能所正负电子对撞机等国内外高能物理大工程所选用，经过多年的使用一直保持优异的性能，质量获得客户的一致好评。

（上海硅酸盐研究所）

北京高能所正负电子对撞机改造用大尺寸掺铊碘化铯晶体

上海硅酸盐研究所 供图

掺铊碘化铯晶体（2006）

化学式：CsI:Tl

高能探测器用闪烁晶体，具有高光输出和优异抗辐照性能，实现了批量化生产，大幅度降低了掺铊碘化铯晶体的使用成本

纯碘化铯晶体

 纯碘化铯是一种具有快衰减闪烁特性的闪烁晶体，在伽玛射线、中子和其它辐射探测技术中有重要的应用前景。但是长期以来，纯碘化铯晶体中存在的慢成分影响了它的应用。上海硅酸盐所采用多坩埚真空下降法成功抑制了纯碘化铯晶体中的慢发光成分，使纯碘化铯晶体成功应用于高能物理实验等领域。在美国费米实验室建造的Mu2e工程中使用。纯碘化铯晶体生长技术处于国际领先地位。

（上海硅酸盐研究所）

纯碘化铯晶体（2019）

化学式：CsI

具有快衰减时间特性，是高能物理实验、核物理和正电子断层扫描仪等技术所追求的辐射探测材料, 有利于高计数率和纳秒、亚纳秒量级的时间分辨，衰减时间小于10纳秒。其生长技术处于国际领先地位

上海硅酸盐研究所 供图

文章来源：“院史天地”公众号

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