中国高品质闪烁晶体获突破

2013-12-05 admin1 119

  近期,上海光机所中科院强激光材料重点实验室采用提拉法成功生长出直径98mm、总长度360mm的高品质Ce:YAG闪烁晶体,Ce离子掺杂浓度0.05at%,晶体重量达6945克,生长周期25天,是目前国内报道的尺寸最大的Ce:YAG闪烁晶体。

  根据国内外晶体发展趋势及国家重大项目需要,依托中科院修缮购置专项资金的支持,2012年6月,“上海材料与制造大型仪器区域中心” 启动了上海光机所大尺寸全自动光学晶体生长系统平台项目的建设。逐步解决了晶体生长需要的贵金属材料、稳压及不间断电源(辅助系统)等关键技术问题,为大尺寸高品质YAG晶体的成功研发提供了重要的基础配套设备支撑。

  Ce:YAG是一种重要的具有优良闪烁性能(光产额:9000Ph/MeV,衰减时间:70ns)的闪烁晶体,主要应用于高能射线探测成像(如 SEM)、高能物理与核物理实验、安检、医疗和军事等领域。由于Ce离子在YAG基质中的分凝系数小(约为0.1),使Ce离子很难掺入YAG晶体中,而且随着晶体直径的增大,晶体生长难度急剧增加。上海光机所直径98mmCe:YAG晶体的生长成功,标志着上海光机所YAG晶体生长技术已处于国内领先水平。

  中国BGO闪烁晶体

  晶体是原子、离子或分子按照一定的周期性,在结晶过程中,在空间排列形成具有一定规则的几何外形的固体。所有晶体具有如下的通性:均匀性、各向异性、自范性、固定熔点性、对称性、X射线衍射。由于晶体所具有的各种各样的特性,它们在工业技术、高科技产业、国民生活等领域都具有非常重要的作用。通过长期的地质演变和迁移,自然界中存在许多千姿百态的天然晶体,它们或玲珑小巧,或光彩艳丽,令人叹为观止,比如珍贵稀有、璀璨夺目的天然金刚石和五颜六色的天然宝石。尽管地球上蕴藏着丰富多彩的天然晶体,但是它们无论在数量、品种和质量上都无法满足现代工业生产和科技进步的需求,因此人工模拟自然界的成矿条件,采用人工培育的方法生长晶体,就成为了一种研究、利用晶体的重要手段。在实验室中,采用精巧的设备,严格设定晶体生长所需的温度、气氛和组分等条件,生长出符合要求的高质量晶体,这种晶体就叫人工晶体。

  随着研究技术的进步,科学家开发生长出了越来越多的人工晶体,从极其难生长的金刚石晶体到很常见的氯化钠晶体,都可以在实验室进行人工制备。人工晶体的应用也是涉及到方方面面,比如用于集成电路、太阳能电池的单晶硅和高功率激光的非线性光学晶体。在种类繁多的人工晶体中,有一类晶体尤其受到科研人员的关注,那就是闪烁晶体(BGO晶体)。

  提到闪烁晶体,我们似乎感到很陌生,但是,我们中国人曾在这个领域取得了辉煌的成就。通常应用的闪烁晶体材料都是人工培育生长出来的,种类也很多,从化学成分来讲有氧化物、卤化物等。

  宇宙的形成、基本结构等奥秘一直是人类未解之谜,目前的一种共识是宇宙是通过大爆炸形成的,开始时,温度非常高,有电子、重电子、“层子”等高能量的小粒子。在随后的冷却过程中,这些小粒子逐渐变成质子、原子核、原子。为了探索宇宙形成、演变的奥秘,需要模拟宇宙形成时的条件,追踪小粒子的状况,从而获得宇宙形成时的信息。利用正负电子对撞机可以人工模拟宇宙刚爆炸时的温度,但是那些小粒子却不能通过常规的科学手段进行观察,因此,需要一双特别的“眼睛”来探测这些高能小粒子。闪烁晶体能在高能粒子(X射线或γ射线等)的辐射下发出可见光,与其他荧光材料(如荧光粉)不同,闪烁晶体是巨大的单晶体,它所发出的荧光能透过材料本身,而其他荧光材料只是粉末状的微晶,不透光。因此,闪烁晶体可测量入射粒子的能量和位置,可作为探测高能粒子的“眼睛”。

  BGO晶体由于具有密度大、化学稳定性好、不溶于水或有机溶剂、机械强度高等优良性能,是一种理想的闪烁晶体材料。生长高质量BGO晶体必须具备以下条件:高纯原料,严格配比,苛刻的生长环境,氧化气氛。目前BGO单晶体主要通过提拉法和坩埚下降法生长。自1965年第一根GBO单晶成功生长以来,BGO晶体经历了跨越式发展,不仅在高能物理、核医学成像领域有广泛应用,在核燃料扫描、地质勘探等方面也有重要作用。

  二十世纪八十年代,欧洲核子研究中心开始建造当时世界上能量最高的正负电子对撞机(Large Electron-Positron collider,简称LEP)。LEP位于瑞士和法国边界,周长27公里,包括ALEPH、DELPHI、L3和OPAL四个大型实验设施。其中,L3 是进行宇宙线缪子和推断大气中微子能谱的精确测量装置,由著名美籍华裔科学家丁肇中教授负责。L3的核心部件是电磁量能器,用以探测高能粒子和探索宇宙形成时的奥秘。要求闪烁晶体不仅具有高密度、快衰减和高抗辐照性,还需要价格低廉、批量生产、尺寸巨大。因此,只有性能优良的高质量、大尺寸BGO晶体满足其要求。通过克服坩埚漏料、成分不均匀等技术难题,在改进的坩埚下降工艺技术的基础上,中国科学院上海硅酸盐研究所成功实现了高质量、大尺寸BGO晶体的批量化生产,为欧洲核子中心和GE公司等科研生产机构提供了大量的高质量BGO晶体,在国际上赢得了相当高的荣誉。

  信息、能源和材料构筑了我们的现代化生活和优越的社会环境,而材料尤为重要,可以这么说,人类的发展历史就是一部材料的使用和开发史。现代科技的发展必定离不开新材料,人工晶体作为一种高技术的新型功能材料,能够极大地促进科技发展和社会进步。BGO晶体的发现和应用就是一个很好的例子。随着BGO单晶生长工艺的成熟,通过进一步改善性能和提高质量,BGO晶体将在上转换发光、激光等新领域具有潜在应用。

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