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16
日本东芝公司制备的GOS:Pr,Ce,F闪烁陶瓷实物图[116]
正文中引用本图/表的段落
日立、东芝、飞利浦、西门子等公司所使用的陶瓷闪烁体是一种稀土硫氧化物(GOS)。GOS 中掺杂Pr3+作为发光中心, Pr3+的3P0→3HJ跃迁引起的峰值发射位于510 nm附近, 与探测器匹配。同时引入Ce和F可以降低余辉, 提高GOS陶瓷的光学质量, 使特征衰减时间变短。结合GOS基质的高密度和高化学稳定性, GOS:Pr,Ce,F陶瓷在X-CT闪烁体中占据着非常重要的地位。图16是日本东芝公司制备的GOS:Pr,Ce,F闪烁陶瓷的实物图。德国西门子公司UFC品牌的GOS闪烁陶瓷的性能如图17所示。从图中可以看出, 该GOS闪烁陶瓷具有良好的余辉特性和X射线吸收效率。国外公司很早就开始GOS陶瓷闪烁体的研究, 利用先进的制备工艺研发出了高性能的陶瓷闪烁体, 在医用CT探测器中获得广泛应用。而国内上海奕瑞等公司制备的GOS闪烁陶瓷与国外大公司相比仍有较大的差距, 还满足不了医学X-CT上的高性能要求。表7是国内外各大公司制备的GOS:Pr,Ce(F)闪烁陶瓷的性能, 其中部分闪烁陶瓷的光产额以CWO单晶的光产额20000 ph/MeV计算得到。国外各大公司GOS闪烁陶瓷的核心制备技术仍是个未解之谜, 对于国内而言, 高端GOS闪烁陶瓷技术是一个重要的“卡脖子”问题。
日立、东芝、飞利浦、西门子等公司所使用的陶瓷闪烁体是一种稀土硫氧化物(GOS).GOS 中掺杂Pr3+作为发光中心, Pr3+的3P 0→3H J跃迁引起的峰值发射位于510 nm附近, 与探测器匹配.同时引入Ce和F可以降低余辉, 提高GOS陶瓷的光学质量, 使特征衰减时间变短.结合GOS基质的高密度和高化学稳定性, GOS:Pr,Ce,F陶瓷在X-CT闪烁体中占据着非常重要的地位. 图16是日本东芝公司制备的GOS:Pr,Ce,F闪烁陶瓷的实物图.德国西门子公司UFC品牌的GOS闪烁陶瓷的性能如 图17所示.从图中可以看出, 该GOS闪烁陶瓷具有良好的余辉特性和X射线吸收效率.国外公司很早就开始GOS陶瓷闪烁体的研究, 利用先进的制备工艺研发出了高性能的陶瓷闪烁体, 在医用CT探测器中获得广泛应用.而国内上海奕瑞等公司制备的GOS闪烁陶瓷与国外大公司相比仍有较大的差距, 还满足不了医学X-CT上的高性能要求. 表7是国内外各大公司制备的GOS:Pr,Ce(F)闪烁陶瓷的性能, 其中部分闪烁陶瓷的光产额以CWO单晶的光产额20000 ph/MeV计算得到.国外各大公司GOS闪烁陶瓷的核心制备技术仍是个未解之谜, 对于国内而言, 高端GOS闪烁陶瓷技术是一个重要的“卡脖子”问题....
日立、东芝、飞利浦、西门子等公司所使用的陶瓷闪烁体是一种稀土硫氧化物(GOS).GOS 中掺杂Pr3+作为发光中心, Pr3+的3P 0→3H J跃迁引起的峰值发射位于510 nm附近, 与探测器匹配.同时引入Ce和F可以降低余辉, 提高GOS陶瓷的光学质量, 使特征衰减时间变短.结合GOS基质的高密度和高化学稳定性, GOS:Pr,Ce,F陶瓷在X-CT闪烁体中占据着非常重要的地位. 图16是日本东芝公司制备的GOS:Pr,Ce,F闪烁陶瓷的实物图.德国西门子公司UFC品牌的GOS闪烁陶瓷的性能如 图17所示.从图中可以看出, 该GOS闪烁陶瓷具有良好的余辉特性和X射线吸收效率.国外公司很早就开始GOS陶瓷闪烁体的研究, 利用先进的制备工艺研发出了高性能的陶瓷闪烁体, 在医用CT探测器中获得广泛应用.而国内上海奕瑞等公司制备的GOS闪烁陶瓷与国外大公司相比仍有较大的差距, 还满足不了医学X-CT上的高性能要求. 表7是国内外各大公司制备的GOS:Pr,Ce(F)闪烁陶瓷的性能, 其中部分闪烁陶瓷的光产额以CWO单晶的光产额20000 ph/MeV计算得到.国外各大公司GOS闪烁陶瓷的核心制备技术仍是个未解之谜, 对于国内而言, 高端GOS闪烁陶瓷技术是一个重要的“卡脖子”问题.... Improvements in the X-ray characteristics of Gd2O2S:Pr ceramic scintillators 1 1999 ... Inorganic scintillators for medical imaging and their properties
*99% absorption for 120 keV ... 3 ... 日立、东芝、飞利浦、西门子等公司所使用的陶瓷闪烁体是一种稀土硫氧化物(GOS).GOS 中掺杂Pr3+作为发光中心, Pr3+的3P0→3HJ跃迁引起的峰值发射位于510 nm附近, 与探测器匹配.同时引入Ce和F可以降低余辉, 提高GOS陶瓷的光学质量, 使特征衰减时间变短.结合GOS基质的高密度和高化学稳定性, GOS:Pr,Ce,F陶瓷在X-CT闪烁体中占据着非常重要的地位.图16是日本东芝公司制备的GOS:Pr,Ce,F闪烁陶瓷的实物图.德国西门子公司UFC品牌的GOS闪烁陶瓷的性能如图17所示.从图中可以看出, 该GOS闪烁陶瓷具有良好的余辉特性和X射线吸收效率.国外公司很早就开始GOS陶瓷闪烁体的研究, 利用先进的制备工艺研发出了高性能的陶瓷闪烁体, 在医用CT探测器中获得广泛应用.而国内上海奕瑞等公司制备的GOS闪烁陶瓷与国外大公司相比仍有较大的差距, 还满足不了医学X-CT上的高性能要求.表7是国内外各大公司制备的GOS:Pr,Ce(F)闪烁陶瓷的性能, 其中部分闪烁陶瓷的光产额以CWO单晶的光产额20000 ph/MeV计算得到.国外各大公司GOS闪烁陶瓷的核心制备技术仍是个未解之谜, 对于国内而言, 高端GOS闪烁陶瓷技术是一个重要的“卡脖子”问题.
辐射探测被广泛应用于工业无损探伤、安全检查、医学影像设备等, 具有重要的市场应用价值.随着各类闪烁探测器的发展, 市场上需要衰减更快、余辉更低的闪烁体, 作为辐射探测的核心元件.相对于传统的CsI、CdWO 4等闪烁晶体, 稀土离子掺杂GOS闪烁陶瓷兼具密度高、光产额高、化学性质稳定、制备工艺相对简单、加工时无解理等优点, 成为了X-CT、高速X射线扫描仪物品安检仪等辐射检查仪器或探测器理想的、综合性能优异的闪烁体材料.GOS粉体是陶瓷烧结的基础和关键, 助熔剂法是商用GOS粉体的主流制备路径, 但合成的粉体粒径在微米级, 烧结活性较差, 烧结陶瓷时需要压力辅助, 对设备的依赖性较强, 单轴热压烧结和热等静压烧结技术成为目前高性能GOS闪烁陶瓷的主要烧结方法.针对GOS陶瓷烧结中组分偏离问题, 将烧结后的陶瓷在不同气氛下退火, 可以在不同程度上提高GOS陶瓷的光学和闪烁性能.GOS陶瓷在医学X-CT领域具有重要的商用价值, 国外对GOS闪烁陶瓷的研究已趋于成熟, 德国西门子、日本日立和东芝以及荷兰飞利浦等公司制备的GOS闪烁陶瓷在辐射探测领域的优势显著.其中西门子公司UFC品牌的GOS闪烁陶瓷具有很好的光输出均匀性, 在超过30 mm光径上的光输出变化小于1%; 在X射线高能脉冲辐射后, 1 ms后的余辉为10-4.GOS闪烁陶瓷性能不断优化, 在很长一段时间内仍会是辐射探测领域的主角.近年来多组分石榴石陶瓷闪烁体发展迅猛, 竞争力不容忽略.美国GE公司采用石榴石结构宝石闪烁体在X-CT上显示了良好的性能, 衰减时间仅为0.03 μs, 40 ms后的余辉为10 -5, 具有很强的抗辐照能力.... 3 ... 日立、东芝、飞利浦、西门子等公司所使用的陶瓷闪烁体是一种稀土硫氧化物(GOS).GOS 中掺杂Pr3+作为发光中心, Pr3+的3P0→3HJ跃迁引起的峰值发射位于510 nm附近, 与探测器匹配.同时引入Ce和F可以降低余辉, 提高GOS陶瓷的光学质量, 使特征衰减时间变短.结合GOS基质的高密度和高化学稳定性, GOS:Pr,Ce,F陶瓷在X-CT闪烁体中占据着非常重要的地位.图16是日本东芝公司制备的GOS:Pr,Ce,F闪烁陶瓷的实物图.德国西门子公司UFC品牌的GOS闪烁陶瓷的性能如图17所示.从图中可以看出, 该GOS闪烁陶瓷具有良好的余辉特性和X射线吸收效率.国外公司很早就开始GOS陶瓷闪烁体的研究, 利用先进的制备工艺研发出了高性能的陶瓷闪烁体, 在医用CT探测器中获得广泛应用.而国内上海奕瑞等公司制备的GOS闪烁陶瓷与国外大公司相比仍有较大的差距, 还满足不了医学X-CT上的高性能要求.表7是国内外各大公司制备的GOS:Pr,Ce(F)闪烁陶瓷的性能, 其中部分闪烁陶瓷的光产额以CWO单晶的光产额20000 ph/MeV计算得到.国外各大公司GOS闪烁陶瓷的核心制备技术仍是个未解之谜, 对于国内而言, 高端GOS闪烁陶瓷技术是一个重要的“卡脖子”问题.
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