智能制造之閃爍晶體產(chǎn)業(yè)發(fā)展概況

王莎莎 李楠 張歡 何濤

摘 要：閃爍晶體是一種人工合成的、內(nèi)部陣列有序的物質(zhì)，在高能射線通過時可以激發(fā)出熒光脈沖。閃爍晶體能探測各種射線，具有密度高、性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于高能物理、核物理、放射醫(yī)學(xué)、地質(zhì)勘探、防爆檢測、安全檢查、國防裝備、無損檢測等領(lǐng)域，是精準(zhǔn)診療、智能制造和安檢領(lǐng)域的關(guān)鍵材料之一，其產(chǎn)業(yè)規(guī)模目前僅次于半導(dǎo)體晶體，成為國際先進(jìn)無機(jī)非金屬材料產(chǎn)業(yè)競爭的前沿。

關(guān)鍵詞：閃爍晶體；智能制造；發(fā)展概況

中圖分類號：TL812.1 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-2064（2018）15-0222-02

1 前言

閃爍晶體在高端醫(yī)療行業(yè)的快速健康發(fā)展可促進(jìn)全民健康夢更早更好地實(shí)現(xiàn)，此外在安檢探測和工業(yè)CT等方面的應(yīng)用也是智能制造不可或缺的關(guān)鍵領(lǐng)域，對制造業(yè)強(qiáng)國建設(shè)具有重要的支撐作用。在制造業(yè)領(lǐng)域，中國制造正向智能制造轉(zhuǎn)變。本文將綜述國內(nèi)外閃爍晶體產(chǎn)業(yè)發(fā)展歷程、應(yīng)用領(lǐng)域等情況，針對目前我國存在的挑戰(zhàn)和面臨的問題，提出促進(jìn)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的建議與措施。

2 閃爍晶體的發(fā)展歷程

2.1 鹵化物閃爍晶體的發(fā)展速度超出氧化物閃爍晶體的發(fā)展

幾年前，像BGO、PbWO4和LYSO這樣的氧化物閃爍晶體一直是人們的關(guān)注重點(diǎn)，自從上世紀(jì)末荷蘭Delft理工大學(xué)發(fā)現(xiàn)氯化鑭和溴化鑭等新興稀土鹵化物晶體的閃爍效應(yīng)以來，世界上掀起了鹵化物研究熱潮。美國勞倫斯伯克利國家實(shí)驗(yàn)室又在BaI2的基礎(chǔ)上發(fā)明了兩種新的閃爍晶體Ba2CsI5∶Eu和BaBrI∶Eu，這些新型鹵化物晶體盡管性能優(yōu)良，但都存在一個致命的弱點(diǎn)—易潮解，從而給原料合成、晶體的加工和應(yīng)用等造成許多障礙。

2.2 從單晶塊體材料向多晶、薄膜、陣列和纖維材料的發(fā)展

閃爍單晶固然性能優(yōu)良，但存在成本高、各向異性和大尺寸晶體生長比較困難的問題，與之相比，陶瓷和玻璃因具有各向同性、易加工和易于獲得大尺寸等優(yōu)點(diǎn)而成為近幾年大家關(guān)注的熱點(diǎn)。針對氧化物材料熔點(diǎn)高的缺點(diǎn)，美國、日本、德國等國家相繼開展了閃爍陶瓷的研究，已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)部分體系的工業(yè)化生產(chǎn)。最近幾年，鹵化物閃爍陶瓷、半導(dǎo)體透明陶瓷和具有非立方對稱的LSO透明陶瓷異軍突起，如法國圣戈班公司開發(fā)的NaI∶Tl閃爍陶瓷、美國RMD公司開發(fā)的ZnSe透明陶瓷。

2.3 從伽馬射線探測向中子探測材料的發(fā)展

熱中子探測在基礎(chǔ)研究、防止核擴(kuò)散、油井探測、防毒品走私及核影像醫(yī)療上逐漸發(fā)揮著重要的作用。傳統(tǒng)的中子探測器有長硼計數(shù)管、He-3管、液閃、6Li-玻璃、LiI（Eu）閃爍體等一系列中子探測器。但是6Li-玻璃發(fā)光效率較低，LiI（Eu）晶體的衰減時間太長（1400ns）且極易潮解，性價比不高。只有3He氣體正比計數(shù)器以其對熱中子很高的捕獲截面和對γ射線幾乎不敏感、結(jié)構(gòu)設(shè)計簡單及在各種環(huán)境中能穩(wěn)定使用的優(yōu)點(diǎn)，在熱中子探測器中占據(jù)了統(tǒng)治地位[1]。

2.4 從單一的材料制備到器件設(shè)計、加工、集成一體化方向發(fā)展

目前使用最多的閃爍材料是CsI（Tl）、CdWO4閃爍晶體和GdOS閃爍陶瓷。但CsI（Tl）密度較小且余輝時間較長，CdWO4開裂嚴(yán)重而導(dǎo)致成本較高。核物理實(shí)驗(yàn)也迫切需要衰減時間快和發(fā)光強(qiáng)度高的閃爍材料，但目前衰減時間低于5ns的材料不僅數(shù)量少，而且光輸出低或不同程度地含有慢分量。Yb∶YAP和ZnO是公認(rèn)的快閃爍體，但實(shí)測值卻比理論值相差很大。因此，改進(jìn)材料制備技術(shù)或?qū)ΜF(xiàn)有材料進(jìn)行性能改進(jìn)或開發(fā)新型閃爍材料就成為當(dāng)前和今后的緊迫任務(wù)。

3 典型晶型

3.1 三種常見閃爍晶體的介紹

NaI：Tl晶體具有光產(chǎn)額高，光電轉(zhuǎn)換效率高，化學(xué)性能穩(wěn)定和易生長等優(yōu)點(diǎn)，是綜合性能優(yōu)良的閃爍體，已廣泛應(yīng)用于石油勘測、環(huán)境監(jiān)測、核醫(yī)學(xué)、高能物理和工業(yè)CT等領(lǐng)域，但由于其易潮解、輻照長度較短、阻止射線能力稍差等缺點(diǎn)，在高能物理領(lǐng)域逐漸被鍺酸鉍（Bi4Ge3O12）晶體取代。CsI：Tl晶體雖然衰減時間較長（約1000ns），但具有非常高的光輸出，且發(fā)射波長為560nm左右，與半導(dǎo)體光電二極管匹配很好，可以應(yīng)用于安全檢查、中微子探測、元素分析、核技術(shù)和高能物理領(lǐng)域。

鍺酸鉍晶體（Bi4Ge3O12，BGO）密度為7.13g/cm3，發(fā)射波長在480nm，易于與光電倍增管匹配，γ射線吸收系數(shù)高，抗輻照能力強(qiáng)，不潮解，是重要的閃爍晶體。目前，BGO晶體主要應(yīng)用于高能物理和核醫(yī)學(xué)成像（PET）裝置，在醫(yī)學(xué)成像方面，BGO晶體已經(jīng)占領(lǐng)了整個PET市場份額的50%以上[2]。

3.2 NaI（Tl）和一些常見閃爍晶體的性能比較

NaI晶體的應(yīng)用領(lǐng)域比較廣泛，基本包括了閃爍晶體的常見應(yīng)用范圍，也是國內(nèi)最早規(guī)?；瘧?yīng)用的晶體。我國的清華同方威視在大塊透視應(yīng)用領(lǐng)域就是采用的NaI晶體。相對于CsI和BGO晶體，NaI（Tl）在高溫時具有更高的發(fā)光強(qiáng)度，這使其在環(huán)境溫度較高的場合有更強(qiáng)的適應(yīng)性，例如油井或空間探測。NaI（Tl）晶體較易受輻射損傷，若長時間暴露在高強(qiáng)度的輻照下則會降低其閃爍性能。

3.3 NaI（Tl）國內(nèi)外技術(shù)現(xiàn)狀

目前法國圣戈班公司的產(chǎn)品和技術(shù)居領(lǐng)先地位，該公司研制的大尺寸NaI（Tl）晶體幾乎壟斷了國際市場。該公司主要采用提拉法生長直徑Ф300mm以上的大晶體，該方法易于獲得高質(zhì)量的大尺寸單晶體，但對生長設(shè)備要求高，因此生產(chǎn)成本較高。中材人工晶體研究院于“六五”期間在國家科技攻關(guān)項(xiàng)目的支持下，在國內(nèi)首次進(jìn)行NaI（Tl）等離子晶體材料的熱鍛工藝研究，以NaI單晶作為毛坯，采用熱鍛壓技術(shù)得到所需要的晶體形狀和尺寸，項(xiàng)目成功通過國家鑒定。

4 閃爍晶體的應(yīng)用領(lǐng)域和產(chǎn)業(yè)規(guī)模

4.1 核醫(yī)學(xué)用晶體

這個領(lǐng)域使用的晶體分為兩種：（1）同位素治療儀用晶體：這種晶體尺寸較小，加工復(fù)雜（圓柱縱、橫向需要打孔），加工時廢品較多，對加工設(shè)備有較高的要求。迄今中材晶體研究院已為多家核醫(yī)療儀器公司提供了多種井型晶體產(chǎn)品，規(guī)格在φ50mm×60mm左右。（2）γ相機(jī)用晶體：此種晶體為薄圓片形，由于其尺寸大，難加工，成品率極低，目前國內(nèi)無一家公司生產(chǎn)?，F(xiàn)中材人工晶體研究院生產(chǎn)的核醫(yī)學(xué)用晶體常用規(guī)格為φ1mm×3mm～Φ160mm×90mm之間。

4.2 工業(yè)CT用晶體

繼計算機(jī)斷層掃描（CT）技術(shù)在醫(yī)療診斷上獲得應(yīng)用后，CT技術(shù)工業(yè)應(yīng)用的發(fā)展引人注目。與超聲、射線照相等傳統(tǒng)方法相比，工業(yè)CT的檢測速率快、分辨率高、測量工件不接觸被測部位，其工作不受被測物的溫度、內(nèi)部壓力或表面狀況的影響，可實(shí)現(xiàn)對被測物體的無損傷檢測。

4.3 石油勘探領(lǐng)域

多年來，NaI（Tl）、LaBr3等晶體一直在石油勘探領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，這主要取決于其出色的發(fā)光性能和較小的溫度效應(yīng)。在核測井中，晶體探測器工作在地下4000米左右深處，要承受地下150℃～200℃的高溫和一定的沖擊震動，因此要求閃爍晶體要有較高的發(fā)光效率，及較小的溫度效應(yīng)。在近幾年的研發(fā)中，中材人工晶體研究院先后為大港油田、大慶油田、新疆油田、華北油田等單位提供了產(chǎn)品，并得到了用戶的好評[3]。

4.4 環(huán)境監(jiān)測用晶體

這個領(lǐng)域主要是行業(yè)界對生產(chǎn)、生活、工作環(huán)境、野外核輻射的監(jiān)測。所用晶體尺寸小，無高溫要求，但對晶體的閃爍性能及密封性要求較高。目前應(yīng)用在該領(lǐng)域的晶體主要為NaI，規(guī)格為φ5mm×5mm～Φ80mm×80mm之間。

4.5 核物理研究

核物理長期以來，核物理研究中需要的探測器，主要使用NaI（Tl）。開始時每個探測器只有一支NaI（Tl）晶體，最后達(dá)到Φ500mm×500mm，另一個改進(jìn)是采用許多NaI（Tl）晶體做成的列陣。

4.6 高能物理

早期，美國斯坦福大學(xué)直線加速器采用的“晶體球”是大型NaI（Tl）探測器的典型代表之一，它是由672個NaI（Tl）晶體單元做成的一個內(nèi)徑為25cm的球。后來，隨著CsI（Tl）和 BGO晶體生長技術(shù)的成熟，其逐漸取代NaI（Tl）晶體在高能物理領(lǐng)域得到應(yīng)用。

5 存在的主要問題

我國的閃爍晶體產(chǎn)業(yè)與國際水平仍有很大的距離，突出表現(xiàn)為以下幾個方面：一是研究機(jī)構(gòu)分散，合作交流較少。國內(nèi)相關(guān)機(jī)構(gòu)進(jìn)行了大量的重復(fù)性研究工作，浪費(fèi)了大量的資源和時間。二是我國閃爍晶體材料制備的技術(shù)手段與裝備明顯落后，自動化程度低，主要是依靠經(jīng)驗(yàn)，造成研制周期長、新產(chǎn)品開發(fā)困難，預(yù)研成果不能及時進(jìn)入工程化、產(chǎn)業(yè)化。三是新材料的研制方面無原創(chuàng)性。目前發(fā)現(xiàn)的性能最好的閃爍晶體LaBr3的專利就是由荷蘭研發(fā)的，現(xiàn)已被圣戈班買斷。四是發(fā)達(dá)國家通過禁運(yùn)禁售的政策對我國設(shè)置專利壁壘。五是配套的工業(yè)體系落后，國外的晶體研究機(jī)構(gòu)都有下屬公司。六是重視程度不夠。對于高精尖技術(shù)研發(fā)不到位，沒有掌握核心技術(shù)。

6 解決方法

（1）閃爍晶體產(chǎn)業(yè)基地健全工程。建立產(chǎn)業(yè)基地，發(fā)揮區(qū)域聚集與輻射作用，優(yōu)化資源配置，挖掘市場潛能，到2020年，形成有自身特色、有國際競爭力、有產(chǎn)業(yè)規(guī)模的閃爍晶體產(chǎn)業(yè)基地。（2）閃爍晶體重點(diǎn)產(chǎn)品、技術(shù)及裝備提升工程。實(shí)現(xiàn)閃爍晶體重點(diǎn)產(chǎn)品、關(guān)鍵技術(shù)及裝備的實(shí)質(zhì)性進(jìn)展。對國民經(jīng)濟(jì)和國防建設(shè)有重大意義如新型稀土閃爍晶體，實(shí)現(xiàn)閃爍晶體重點(diǎn)產(chǎn)品的突破，完善“晶體研發(fā)-晶體生長-光學(xué)加工-元器件-器件-應(yīng)用”產(chǎn)業(yè)鏈，形成較強(qiáng)的競爭力。要使閃爍晶體裝備向自動化、智能化、標(biāo)準(zhǔn)化發(fā)展。（3）閃爍晶體行業(yè)的發(fā)展必然以大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用為最終目的，大力發(fā)展新材料和新技術(shù)，以精準(zhǔn)醫(yī)療和快速安全檢測作為產(chǎn)品發(fā)展和應(yīng)用方向重點(diǎn)；以新材料探索為突破口，打破技術(shù)封鎖和經(jīng)濟(jì)壟斷作為發(fā)展目標(biāo)，以發(fā)明出具有我國自主專利的可以滿足商業(yè)化規(guī)?；枨蟮男滦烷W爍晶體作為下一階段的任務(wù)，提升國際話語權(quán)，打破發(fā)達(dá)國家高端技術(shù)制造業(yè)的壟斷格局。（4）建立并完善閃爍晶體公共技術(shù)研發(fā)平臺，促進(jìn)閃爍晶體產(chǎn)學(xué)研用各方實(shí)質(zhì)合作。鼓勵國家創(chuàng)新重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、國家工程技術(shù)研究中心等國家公共技術(shù)研發(fā)機(jī)構(gòu)與行業(yè)內(nèi)領(lǐng)軍企業(yè)、當(dāng)?shù)卣畽C(jī)關(guān)互相聯(lián)合，形成閃爍晶體公共技術(shù)研發(fā)平臺。

參考文獻(xiàn)

[1]任國浩.無機(jī)閃爍晶體的發(fā)展趨勢[J].人工晶體學(xué)報，2012，（s1）：184-188.

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[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.