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。
| Isotope | Reaction | Cross-section of thermal neutron adsorption/m2 | Natural abundance/% | Ref. | | 6Li | 3H, 4He | 9.1×10-26 | 7.5 | [96-97] | | 10B | α, γ, 7Li | 3.83×10-25 | 19.9 | [97] | | 113Cd | γ, e- | 2.1×10-24 | 12.2 | [98] | | 155Gd | γ, e- | 6.09×10-24 | 14.7 | [96-97] | | 157Gd | γ, e- | 2.55×10-23 | 15.7 | [96-97] |
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表4
常用中子成像闪烁屏核素的性质对比
正文中引用本图/表的段落
随后, 日本国立材料研究所李继光及合作者[63,64,65] 报道了水热法合成该化合物。稀土离子化学性质较活泼, 在水热条件下, Ln3+会发生水化与水解, 而SO42-络合能力较强, 它们之间会形成一种络合离子[Ln(OH)x(H2O)y(SO4)z]3-x-2z[66]。研究发现, 水热温度可促进晶粒尺寸的生长, 而溶液的pH会影响粉体的形貌。稀土离子水解后产物的表面在中性或酸性溶液中会发生质子化, 通过静电相互作用和氢键吸引负电荷的SO42-, 因此水解产物会和SO42-基团粘合在一起形成聚集体。而在碱性溶液中, 水解产物表面几乎不含H+, 粉体的分散性较好。将前驱体在N2/H2气氛中煅烧后得到的GOS:Tb粉体, 在室温下具有较高的量子产率, 在25~200 ℃温度范围内的光致发光保持良好的热稳定性。
最近, 李继光团队[70]通过优化共沉淀法的工艺条件, 即在低温(4 ℃)条件下合成GOS前驱体, 经1200 ℃煅烧后得到的GOS:Tb粉体具有非常高的相纯度和良好的分散性。该GOS:Tb粉体的平均晶粒尺寸为55 nm, 平均粒度为420 nm, 比表面积为4.53 m2/g, 绝对量子产率为24.8%, 且具有良好的热稳定性(图7), 满足高质量陶瓷闪烁体的制备条件。
目前, 常用的热中子成像闪烁体主要为含有高中子吸收截面或高光输出的闪烁材料, 表4是具有热中子吸收截面核素的性质对比。Gd元素的热中子吸收截面最大, 是较为理想的中子成像闪烁屏材料核素, 并且157Gd的热中子吸收截面为2.55×10-23m2, 是155Gd热中子吸收截面的4.18倍。
随后, 日本国立材料研究所李继光及合作者[ 63, 64, 65] 报道了水热法合成该化合物.稀土离子化学性质较活泼, 在水热条件下, Ln3+会发生水化与水解, 而SO 42-络合能力较强, 它们之间会形成一种络合离子[Ln(OH) x(H 2O) y(SO 4) z]3- x-2 z[ 66].研究发现, 水热温度可促进晶粒尺寸的生长, 而溶液的pH会影响粉体的形貌.稀土离子水解后产物的表面在中性或酸性溶液中会发生质子化, 通过静电相互作用和氢键吸引负电荷的SO 42-, 因此水解产物会和SO 42-基团粘合在一起形成聚集体.而在碱性溶液中, 水解产物表面几乎不含H+, 粉体的分散性较好.将前驱体在N 2/H 2气氛中煅烧后得到的GOS:Tb粉体, 在室温下具有较高的量子产率, 在25~200 ℃温度范围内的光致发光保持良好的热稳定性....
随后, 日本国立材料研究所李继光及合作者[ 63, 64, 65] 报道了水热法合成该化合物.稀土离子化学性质较活泼, 在水热条件下, Ln3+会发生水化与水解, 而SO 42-络合能力较强, 它们之间会形成一种络合离子[Ln(OH) x(H 2O) y(SO 4) z]3- x-2 z[ 66].研究发现, 水热温度可促进晶粒尺寸的生长, 而溶液的pH会影响粉体的形貌.稀土离子水解后产物的表面在中性或酸性溶液中会发生质子化, 通过静电相互作用和氢键吸引负电荷的SO 42-, 因此水解产物会和SO 42-基团粘合在一起形成聚集体.而在碱性溶液中, 水解产物表面几乎不含H+, 粉体的分散性较好.将前驱体在N 2/H 2气氛中煅烧后得到的GOS:Tb粉体, 在室温下具有较高的量子产率, 在25~200 ℃温度范围内的光致发光保持良好的热稳定性....
目前, 常用的热中子成像闪烁体主要为含有高中子吸收截面或高光输出的闪烁材料, 表4是具有热中子吸收截面核素的性质对比.Gd元素的热中子吸收截面最大, 是较为理想的中子成像闪烁屏材料核素, 并且157Gd的热中子吸收截面为2.55×10-23m2, 是155Gd热中子吸收截面的4.18倍....
目前, 常用的热中子成像闪烁体主要为含有高中子吸收截面或高光输出的闪烁材料, 表4是具有热中子吸收截面核素的性质对比.Gd元素的热中子吸收截面最大, 是较为理想的中子成像闪烁屏材料核素, 并且157Gd的热中子吸收截面为2.55×10-23m2, 是155Gd热中子吸收截面的4.18倍.... Neutron imaging and applications 3 2009 ... Property of commonly used neutron imaging scintillation screen nuclides
本文的其它图/表
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