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智能制造之闪烁晶体产业发展概况

中国科技纵横 / 2018年09月09日 02:48

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王莎莎 李楠 张欢 何涛

摘 要:闪烁晶体是一种人工合成的、内部阵列有序的物质,在高能射线通过时可以激发出荧光脉冲。闪烁晶体能探测各种射线,具有密度高、性能稳定等优点,被广泛应用于高能物理、核物理、放射医学、地质勘探、防爆检测、安全检查、国防装备、无损检测等领域,是精准诊疗、智能制造和安检领域的关键材料之一,其产业规模目前仅次于半导体晶体,成为国际先进无机非金属材料产业竞争的前沿。

关键词:闪烁晶体;智能制造;发展概况

中图分类号:TL812.1 文献标识码:A 文章编号:1671-2064(2018)15-0222-02

1 前言

闪烁晶体在高端医疗行业的快速健康发展可促进全民健康梦更早更好地实现,此外在安检探测和工业CT等方面的应用也是智能制造不可或缺的关键领域,对制造业强国建设具有重要的支撑作用。在制造业领域,中国制造正向智能制造转变。本文将综述国内外闪烁晶体产业发展历程、应用领域等情况,针对目前我国存在的挑战和面临的问题,提出促进产业发展的建议与措施。

2 闪烁晶体的发展历程

2.1 卤化物闪烁晶体的发展速度超出氧化物闪烁晶体的发展

几年前,像BGO、PbWO4和LYSO这样的氧化物闪烁晶体一直是人们的关注重点,自从上世纪末荷兰Delft理工大学发现氯化镧和溴化镧等新兴稀土卤化物晶体的闪烁效应以来,世界上掀起了卤化物研究热潮。美国劳伦斯伯克利国家实验室又在BaI2的基础上发明了两种新的闪烁晶体Ba2CsI5∶Eu和BaBrI∶Eu,这些新型卤化物晶体尽管性能优良,但都存在一个致命的弱点—易潮解,从而给原料合成、晶体的加工和应用等造成许多障碍。

2.2 从单晶块体材料向多晶、薄膜、阵列和纤维材料的发展

闪烁单晶固然性能优良,但存在成本高、各向异性和大尺寸晶体生长比较困难的问题,与之相比,陶瓷和玻璃因具有各向同性、易加工和易于获得大尺寸等优点而成为近几年大家关注的热点。针对氧化物材料熔点高的缺点,美国、日本、德国等国家相继开展了闪烁陶瓷的研究,已经能够实现部分体系的工业化生产。最近几年,卤化物闪烁陶瓷、半导体透明陶瓷和具有非立方对称的LSO透明陶瓷异军突起,如法国圣戈班公司开发的NaI∶Tl闪烁陶瓷、美国RMD公司开发的ZnSe透明陶瓷。

2.3 从伽马射线探测向中子探测材料的发展

热中子探测在基础研究、防止核扩散、油井探测、防毒品走私及核影像医疗上逐渐发挥着重要的作用。传统的中子探测器有长硼计数管、He-3管、液闪、6Li-玻璃、LiI(Eu)闪烁体等一系列中子探测器。但是6Li-玻璃发光效率较低,LiI(Eu)晶体的衰减时间太长(1400ns)且极易潮解,性价比不高。只有3He气体正比计数器以其对热中子很高的捕获截面和对γ射线几乎不敏感、结构设计简单及在各种环境中能稳定使用的优点,在热中子探测器中占据了统治地位[1]。

2.4 从单一的材料制备到器件设计、加工、集成一体化方向发展

目前使用最多的闪烁材料是CsI(Tl)、CdWO4闪烁晶体和GdOS闪烁陶瓷。但CsI(Tl)密度较小且余辉时间较长,CdWO4开裂严重而导致成本较高。核物理实验也迫切需要衰减时间快和发光强度高的闪烁材料,但目前衰减时间低于5ns的材料不仅数量少,而且光输出低或不同程度地含有慢分量。Yb∶YAP和ZnO是公认的快闪烁体,但实测值却比理论值相差很大。因此,改进材料制备技术或对现有材料进行性能改进或开发新型闪烁材料就成为当前和今后的紧迫任务。

3 典型晶型

3.1 三种常见闪烁晶体的介绍

NaI:Tl晶体具有光产额高,光电转换效率高,化学性能稳定和易生长等优点,是综合性能优良的闪烁体,已广泛应用于石油勘测、环境监测、核医学、高能物理和工业CT等领域,但由于其易潮解、辐照长度较短、阻止射线能力稍差等缺点,在高能物理领域逐渐被锗酸铋(Bi4Ge3O12)晶体取代。CsI:Tl晶体虽然衰减时间较长(约1000ns),但具有非常高的光输出,且发射波长为560nm左右,与半导体光电二极管匹配很好,可以应用于安全检查、中微子探测、元素分析、核技术和高能物理领域。

锗酸铋晶体(Bi4Ge3O12,BGO)密度为7.13g/cm3,发射波长在480nm,易于与光电倍增管匹配,γ射线吸收系数高,抗辐照能力强,不潮解,是重要的闪烁晶体。目前,BGO晶体主要应用于高能物理和核医学成像(PET)装置,在医学成像方面,BGO晶体已经占领了整个PET市场份额的50%以上[2]。

3.2 NaI(Tl)和一些常见闪烁晶体的性能比较

NaI晶体的应用领域比较广泛,基本包括了闪烁晶体的常见应用范围,也是国内最早规模化应用的晶体。我国的清华同方威视在大块透视应用领域就是采用的NaI晶体。相对于CsI和BGO晶体,NaI(Tl)在高温时具有更高的发光强度,这使其在环境温度较高的场合有更强的适应性,例如油井或空间探测。NaI(Tl)晶体较易受辐射损伤,若长时间暴露在高强度的辐照下则会降低其闪烁性能。

3.3 NaI(Tl)國内外技术现状

目前法国圣戈班公司的产品和技术居领先地位,该公司研制的大尺寸NaI(Tl)晶体几乎垄断了国际市场。该公司主要采用提拉法生长直径Ф300mm以上的大晶体,该方法易于获得高质量的大尺寸单晶体,但对生长设备要求高,因此生产成本较高。中材人工晶体研究院于“六五”期间在国家科技攻关项目的支持下,在国内首次进行NaI(Tl)等离子晶体材料的热锻工艺研究,以NaI单晶作为毛坯,采用热锻压技术得到所需要的晶体形状和尺寸,项目成功通过国家鉴定。

4 闪烁晶体的应用领域和产业规模

4.1 核医学用晶体

这个领域使用的晶体分为两种:(1)同位素治疗仪用晶体:这种晶体尺寸较小,加工复杂(圆柱纵、横向需要打孔),加工时废品较多,对加工设备有较高的要求。迄今中材晶体研究院已为多家核医疗仪器公司提供了多种井型晶体产品,规格在φ50mm×60mm左右。(2)γ相机用晶体:此种晶体为薄圆片形,由于其尺寸大,难加工,成品率极低,目前国内无一家公司生产。现中材人工晶体研究院生产的核医学用晶体常用规格为φ1mm×3mm~Φ160mm×90mm之间。

4.2 工业CT用晶体

继计算机断层扫描(CT)技术在医疗诊断上获得应用后,CT技术工业应用的发展引人注目。与超声、射线照相等传统方法相比,工业CT的检测速率快、分辨率高、测量工件不接触被测部位,其工作不受被测物的温度、内部压力或表面状况的影响,可实现对被测物体的无损伤检测。

4.3 石油勘探领域

多年来,NaI(Tl)、LaBr3等晶体一直在石油勘探领域得到广泛应用,这主要取决于其出色的发光性能和较小的温度效应。在核测井中,晶体探测器工作在地下4000米左右深处,要承受地下150℃~200℃的高温和一定的冲击震动,因此要求闪烁晶体要有较高的发光效率,及较小的温度效应。在近几年的研发中,中材人工晶体研究院先后为大港油田、大庆油田、新疆油田、华北油田等单位提供了产品,并得到了用户的好评[3]。

4.4 环境监测用晶体

这个领域主要是行业界对生产、生活、工作环境、野外核辐射的监测。所用晶体尺寸小,无高温要求,但对晶体的闪烁性能及密封性要求较高。目前应用在该领域的晶体主要为NaI,规格为φ5mm×5mm~Φ80mm×80mm之间。

4.5 核物理研究

核物理长期以来,核物理研究中需要的探测器,主要使用NaI(Tl)。开始时每个探测器只有一支NaI(Tl)晶体,最后达到Φ500mm×500mm,另一个改进是采用许多NaI(Tl)晶体做成的列阵。

4.6 高能物理

早期,美国斯坦福大学直线加速器采用的“晶体球”是大型NaI(Tl)探测器的典型代表之一,它是由672个NaI(Tl)晶体单元做成的一个内径为25cm的球。后来,随着CsI(Tl)和 BGO晶体生长技术的成熟,其逐渐取代NaI(Tl)晶体在高能物理领域得到应用。

5 存在的主要问题

我国的闪烁晶体产业与国际水平仍有很大的距离,突出表现为以下几个方面:一是研究机构分散,合作交流较少。国内相关机构进行了大量的重复性研究工作,浪费了大量的资源和时间。二是我国闪烁晶体材料制备的技术手段与装备明显落后,自动化程度低,主要是依靠经验,造成研制周期长、新产品开发困难,预研成果不能及時进入工程化、产业化。三是新材料的研制方面无原创性。目前发现的性能最好的闪烁晶体LaBr3的专利就是由荷兰研发的,现已被圣戈班买断。四是发达国家通过禁运禁售的政策对我国设置专利壁垒。五是配套的工业体系落后,国外的晶体研究机构都有下属公司。六是重视程度不够。对于高精尖技术研发不到位,没有掌握核心技术。

6 解决方法

(1)闪烁晶体产业基地健全工程。建立产业基地,发挥区域聚集与辐射作用,优化资源配置,挖掘市场潜能,到2020年,形成有自身特色、有国际竞争力、有产业规模的闪烁晶体产业基地。(2)闪烁晶体重点产品、技术及装备提升工程。实现闪烁晶体重点产品、关键技术及装备的实质性进展。对国民经济和国防建设有重大意义如新型稀土闪烁晶体,实现闪烁晶体重点产品的突破,完善“晶体研发-晶体生长-光学加工-元器件-器件-应用”产业链,形成较强的竞争力。要使闪烁晶体装备向自动化、智能化、标准化发展。(3)闪烁晶体行业的发展必然以大规模商业化应用为最终目的,大力发展新材料和新技术,以精准医疗和快速安全检测作为产品发展和应用方向重点;以新材料探索为突破口,打破技术封锁和经济垄断作为发展目标,以发明出具有我国自主专利的可以满足商业化规模化需求的新型闪烁晶体作为下一阶段的任务,提升国际话语权,打破发达国家高端技术制造业的垄断格局。(4)建立并完善闪烁晶体公共技术研发平台,促进闪烁晶体产学研用各方实质合作。鼓励国家创新重点实验室、国家工程技术研究中心等国家公共技术研发机构与行业内领军企业、当地政府机关互相联合,形成闪烁晶体公共技术研发平台。

参考文献

[1]任国浩.无机闪烁晶体的发展趋势[J].人工晶体学报,2012,(s1):184-188.

[2]IppolitovM, BeloglovskyS, BurachasS, et al.Lead Tungstate Crystals for the ALICE /CERN Experiment[J]. Nucl. Instr.& Meth. Phys. Res.2005,A537:353-356.

[3]Heismann B J, Batz L, Pham-Gia K, et al. Signal Transport in Computed Tomography Detectors[J].Nucl. Instr.& Meth. Phys. Res.,2008,A591:28-35.

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