李江, 丁继扬, 黄新友

无机材料学报 2021, 36 (8): 789-806. DOI:10.15541/jim20200544

摘要（1248）

HTML （47）

PDF（pc）（6782KB）（6739）

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。

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Y_1.34Gd_0.60Eu_0.06O₃。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Y_1.34Gd_0.60Eu_0.06O₃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。