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。
| Scintillator | Density/(g·cm-3) | Thickness to
stop 99%*/mm | λem/nm | Light yield/
(ph·MeV-1) | Decay time/μs | Afterglow/(% after
3 ms/100 ms) | Ref. | | CsI:Tl | 4.51 | 6.8 | 550 | 66000 | 1.22 | >2/0.3 | [16] | | Bi4Ge3O12 | 7.13 | - | 480 | 9000 | 0.30 | 0.005%@3 ms | [29] | | CdWO4 | 7.9 | 2.4 | 495 | 20000 | 5.00 | <0.1/0.02 | [16,29] | | (Y,Gd)2O3:Eu,Pr | 5.9 | 6.1 | 610 | 42000 | 1000 | 4.9/<0.01 | [114] | | Gd2O2S:Pr,Ce,F | 7.3 | 2.9 | 510 | 35000 | 4 | <0.1/<0.01 | [29,85,115] | | Gd3(Ga,Al)2O12:Ce | 6.2 | - | 540 | 58000 | 0.09-0.17 | <0.01%@20 ms | [40] |
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表6
医学成像用无机闪烁体及其性能
正文中引用本图/表的段落
中国科学院上海硅酸盐研究所李江团队[58,59]采用热水浴法制备了平均粒径为28.5 nm、比表面积为6.321 m2/g的GOS:Tb粉体, 经真空烧结结合热等静压烧结(Hot Isostatic Pressing, HIP)后处理获得相对密度达99.2%的GOS:Tb陶瓷。该方法制备Gd2O2S粉体时, 不会引入杂质离子且无污染物产生, 但是最终得到的粉体呈现层状结构, 且团聚比较严重。
X-CT机是一种重要的医疗诊断设备, 闪烁探测器是CT设备的核心装置, 主要由两部分组成: 闪烁体和光子探测器[111]。在闪烁体吸收高能射线(或粒子)发出光子后, 光电二极管将光信号转换成电信号, 最终被转换成数字信号。表6是医学成像用无机闪烁体及其性能。早期X-CT探测器采用的是闪烁晶体, 但是它们存在不同的缺点: 如NaI:Tl容易潮解, 而且辐射损伤严重; CsI:T1的余辉长, 有严重的迟滞现象; BGO单晶的光输出低, 衰减时间长, 不利于时间分辨率的提高; CdWO4单晶有严重解理现象, 光输出较低, 且制备过程中镉蒸汽的毒性不容忽视[112]。余辉短、衰减快的闪烁体可以加快扫描速度, 降低病人所承受的辐照剂量[113]。高性能陶瓷闪烁体已经成为高端X-CT医疗影像设备中的首选闪烁材料, 而新型高性价比闪烁陶瓷的研究也成为前沿热点。第一个获得商业应用的高性能闪烁陶瓷是美国通用电气(GE)公司的Y1.34Gd0.60Eu0.06O3。加入Y2O3可以起到稳定Gd2O3晶体结构的作用, 获得立方相固溶体。随后GE公司又开发出性能更加优异的宝石闪烁体(Gemstone)[114], 开始取代Y1.34Gd0.60Eu0.06O3陶瓷大规模应用在CT探测器上(见图15), 其光输出更高, 余辉更小。
(a) Green body; (b) Pre-sintered body; (c) After hot isotatic pressing; (d) EDS analysis of the selected area in (c) ... Fabrication of Gd2O2S:Pr scintillation ceramics from water-bath synthesized nanopowders 2 2020 ... 中国科学院上海硅酸盐研究所李江团队[58,59]采用热水浴法制备了平均粒径为28.5 nm、比表面积为6.321 m2/g的GOS:Tb粉体, 经真空烧结结合热等静压烧结(Hot Isostatic Pressing, HIP)后处理获得相对密度达99.2%的GOS:Tb陶瓷.该方法制备Gd2O2S粉体时, 不会引入杂质离子且无污染物产生, 但是最终得到的粉体呈现层状结构, 且团聚比较严重....
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