稀土离子掺杂Gd2O2S闪烁陶瓷的研究进展
李江, 丁继扬, 黄新友
无机材料学报
2021, 36 ( 8):
789-806.
DOI:10.15541/jim20200544
稀土离子掺杂Gd2O2S闪烁陶瓷是20世纪80年代以后发展的硫氧化物闪烁体。高密度和高热中子吸收截面的Gd2O2S基质具有高的X射线和热中子阻止能力, 稀土离子(Pr3+、Tb3+等)的掺杂使其表现出快衰减或高光产额等特性, 在闪烁领域的应用中占据着重要地位。硫氧化合物的组分控制一直是其合成过程中需要解决的关键问题, Gd2O2S材料的高熔点和S元素挥发严重的问题, 限制了高光学质量和优良闪烁性能单晶的制备, 因此陶瓷是Gd2O2S闪烁体的主要应用形式。颗粒小、粒径分布窄且低团聚的纯相Gd2O2S粉体是高质量闪烁陶瓷烧结的关键, 单纯提高烧结温度制备的Gd2O2S闪烁陶瓷会产生大量的硫空位和氧空位, 降低材料的闪烁性能。制备Gd2O2S闪烁陶瓷通常需要压力辅助烧结, 这种苛刻的制备条件提高了生产成本。本文介绍了闪烁体的闪烁机理及研究概况, 着重综述了Gd2O2S闪烁陶瓷的制备工艺、缺陷的解决方法以及在中子成像和医学X-CT上的研究现状及应用情况, 最后对全文进行总结并对Gd2O2S闪烁陶瓷发展前景进行了展望。
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图1
稀土掺杂无机闪烁体中闪烁物理过程示意图[14]
正文中引用本图/表的段落
对于闪烁机理的理论研究开始于50年前, 研究人员主要是在现有理论的基础上来模拟闪烁的发生, 从而推测出闪烁的发光机理[9,10,11,12,13]。对于稀土离子掺杂无机闪烁体, 其闪烁的物理过程可简化为三个阶段[14]: 高能射线或粒子和闪烁材料相互作用, 发生能量转化; 载流子在闪烁材料中输运; 电子空穴对辐射结合, 产生光子(图1)。
3.1.1 热中子成像对闪烁体的要求 ... A ceramic version of the LSO scintillator 1 2008 ... 闪烁体按化学组成可分为有机闪烁体和无机闪烁体, 有机闪烁体是一种苯环结构的芳香族碳氢化合物, 生产成本低, 吸收和发射光谱可以很容易地通过化学取代侧基来调控, 但光产额、能量分辨率和吸收效率等特性通常较差.无机闪烁体包括陶瓷闪烁体、玻璃闪烁体和单晶闪烁体三种类型.由于玻璃的无规则网络结构使其内部有很多深陷阱, 存在着许多非辐射复合通道, 会大幅度降低辐射跃迁几率, 所以提高闪烁性能是公认的难题[6]; 闪烁单晶仍然是闪烁体的主要应用形式, 但是单晶材料的生产成本高、生长难度大以及难以大规模生产等问题, 限制了闪烁单晶的应用发展[7]; 而陶瓷闪烁材料具有良好的性能稳定性, 生产耗时短、成本较低, 能够实现不同离子的均匀掺杂, 使应用与发展少了很多束缚, 但目前所制备的闪烁陶瓷仍然存在些许影响闪烁性能的缺陷, 因此, 闪烁陶瓷有很大的提升空间[8].... 1 2013 ... 闪烁体按化学组成可分为有机闪烁体和无机闪烁体, 有机闪烁体是一种苯环结构的芳香族碳氢化合物, 生产成本低, 吸收和发射光谱可以很容易地通过化学取代侧基来调控, 但光产额、能量分辨率和吸收效率等特性通常较差.无机闪烁体包括陶瓷闪烁体、玻璃闪烁体和单晶闪烁体三种类型.由于玻璃的无规则网络结构使其内部有很多深陷阱, 存在着许多非辐射复合通道, 会大幅度降低辐射跃迁几率, 所以提高闪烁性能是公认的难题[6]; 闪烁单晶仍然是闪烁体的主要应用形式, 但是单晶材料的生产成本高、生长难度大以及难以大规模生产等问题, 限制了闪烁单晶的应用发展[7]; 而陶瓷闪烁材料具有良好的性能稳定性, 生产耗时短、成本较低, 能够实现不同离子的均匀掺杂, 使应用与发展少了很多束缚, 但目前所制备的闪烁陶瓷仍然存在些许影响闪烁性能的缺陷, 因此, 闪烁陶瓷有很大的提升空间[8].... Scintillation response of activated inorganic crystals to various charged particles 1 1961 ... 对于闪烁机理的理论研究开始于50年前, 研究人员主要是在现有理论的基础上来模拟闪烁的发生, 从而推测出闪烁的发光机理[9,10,11,12,13].对于稀土离子掺杂无机闪烁体, 其闪烁的物理过程可简化为三个阶段[14]: 高能射线或粒子和闪烁材料相互作用, 发生能量转化; 载流子在闪烁材料中输运; 电子空穴对辐射结合, 产生光子(图1).... Nonproportionality of scintillator detectors: theory and experiment 1 2009 ... 对于闪烁机理的理论研究开始于50年前, 研究人员主要是在现有理论的基础上来模拟闪烁的发生, 从而推测出闪烁的发光机理[9,10,11,12,13].对于稀土离子掺杂无机闪烁体, 其闪烁的物理过程可简化为三个阶段[14]: 高能射线或粒子和闪烁材料相互作用, 发生能量转化; 载流子在闪烁材料中输运; 电子空穴对辐射结合, 产生光子(图1).... Recombination of correlated electron-hole pairs with account of hot capture with emission of optical phonons 1 2012 ... 对于闪烁机理的理论研究开始于50年前, 研究人员主要是在现有理论的基础上来模拟闪烁的发生, 从而推测出闪烁的发光机理[9,10,11,12,13].对于稀土离子掺杂无机闪烁体, 其闪烁的物理过程可简化为三个阶段[14]: 高能射线或粒子和闪烁材料相互作用, 发生能量转化; 载流子在闪烁材料中输运; 电子空穴对辐射结合, 产生光子(图1).... Multiscale approach to estimation of scintillation characteristics 1 2013 ... 对于闪烁机理的理论研究开始于50年前, 研究人员主要是在现有理论的基础上来模拟闪烁的发生, 从而推测出闪烁的发光机理[9,10,11,12,13].对于稀土离子掺杂无机闪烁体, 其闪烁的物理过程可简化为三个阶段[14]: 高能射线或粒子和闪烁材料相互作用, 发生能量转化; 载流子在闪烁材料中输运; 电子空穴对辐射结合, 产生光子(图1).... Complex oxide scintillators: material defects and scintillation performance 1 2008 ... 对于闪烁机理的理论研究开始于50年前, 研究人员主要是在现有理论的基础上来模拟闪烁的发生, 从而推测出闪烁的发光机理[9,10,11,12,13].对于稀土离子掺杂无机闪烁体, 其闪烁的物理过程可简化为三个阶段[14]: 高能射线或粒子和闪烁材料相互作用, 发生能量转化; 载流子在闪烁材料中输运; 电子空穴对辐射结合, 产生光子(图1).... Scintillation Mechanisms in Inorganic Scintillators 4 2017 ... 对于闪烁机理的理论研究开始于50年前, 研究人员主要是在现有理论的基础上来模拟闪烁的发生, 从而推测出闪烁的发光机理[9,10,11,12,13].对于稀土离子掺杂无机闪烁体, 其闪烁的物理过程可简化为三个阶段[14]: 高能射线或粒子和闪烁材料相互作用, 发生能量转化; 载流子在闪烁材料中输运; 电子空穴对辐射结合, 产生光子(图1)....
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