專利名稱：寬板狀鍺酸鉍閃爍晶體及其在輻射探測領域中的應用的制作方法
技術領域：
本發明屬于輻射探測材料領域，具體涉及一種寬板狀(截面面積不小于24，OOOmm2)鍺酸鉍閃爍晶體材料及其在輻射探測領域內的應用。
背景技術：
無機閃爍晶體是能夠探測核物理和粒子物理領域各種微觀粒子或射線的一類光功能晶體材料。它是核物理、高能物理、空間物理、核醫學成像、工業無損檢測、國土安全、環境檢測等應用領域的高技術裝置、設備的核心材料，屬于高技術材料。材料是高技術的基礎和突破口，一代材料一代技術，這在無機閃爍晶體材料方面體現的最為突出。鍺酸鉍(BGO)晶體是綜合性能優異的閃爍探測材料。它密度大、具優異的e/能量 分辨率、折射率高、無吸濕性、物理化學性質穩定、加工特性好等一系列優點，廣泛應用于眾多領域高能物理、核物理、空間物理、核醫學、安全檢查、環境監測、食品檢測和石油測井等
坐寸οBGO是高密度閃爍探測材料。高密度、大尺寸、高質量閃爍晶體一直是制備技術的難點，長時間沒有取得實質性的突破導致了相關設備研發和應用的進展遲緩。在包括但不限于伽馬相機、X射線成像、閃爍計數儀、閃爍能譜儀和單光子發射斷層掃描儀等的核輻射探測領域中，為了提高系統對射線或粒子的探測效率，包容生物體大器官和單能道的整體掃描，需要采用超大面積的板狀閃爍體屏以增大對射線或粒子源的幾何張角；同時從提高成像的空間分辨率的角度，需要采用厚度較小的閃爍體屏。盡管低密度閃爍晶體(如NaI:Tl和CsI:Tl晶體)可以制成大尺寸，質量上也能滿足低能射線探測領域的要求，但NaI:Tl和CsIiTl的有效原子序數小、光電效應比例低、衰減時間較長、有余輝、閃爍性能不均勻，并具有輕微的潮解性，表現對X、伽馬射線或等粒子的衰減系數小，需要較厚的閃爍屏以提高系統的探測效率，用于成像時則導致探測系統的空間分辨性能差，系統的死時間長，且在實際使用時需要對閃爍屏進行復雜的封裝工藝，閃爍性能的不均勻性和余輝的存在對成像的對比度有很大影響。BGO晶體的有效原子序數大、對射線和粒子的衰減系數大、光電效應比例大、衰減時間較短、無潮解和余輝，如果鍺酸鉍能以大截面的寬板狀晶體形式替代NaI:Tl或CsI:Tl在輻射探測領域的應用，將大大提高系統對射線或粒子的探測效率，明顯增強系統的探測靈敏度和對比度，降低系統的死時間比例，大大提高成像的空間分辨性能和固有均勻性，并簡化對探測晶體的封裝。但制備具有超大截面的寬板狀BGO晶體面臨很大的挑戰，長期以來國際上大尺寸BGO晶體(如俄羅斯長度達400_，截面達130_的BGO晶體)都是采用提拉法生長的。我國主要采用下降法生長BGO晶體，盡管在批量生產方面有獨特優勢，但是尺寸方面一直處于劣勢。至今世界上尚未有長度大于400mm的寬板狀鍺酸鉍晶體的公開報道。
發明內容
本發明是旨在突破現有生長設備和生長工藝等存在的技術瓶頸，制備出超寬板狀(截面面積不小于24，OOOmm2)的鍺酸鉍閃爍晶體材料，并應用于包含但不限于伽瑪相機、X射線成像、閃爍計數儀、閃爍能譜儀和單光子發射斷層掃描儀等輻射探測領域。一方面，本發明提供一種寬板狀鍺酸鉍閃爍晶體材料，所述晶體材料的化學式為Bi4Ge3O12，晶體的長、寬、厚度分別為X，y，z，且X > y > z，其中，X的范圍為400_800臟。在本發明一個實施方式中，X的范圍為500_800mm。在本發明一個實施方式中，y的范圍為60-600_。在本發明一個實施方式中，z的范圍為l-100mm。另一方面，本發明提供所述寬板狀鍺酸鉍閃爍晶體材料在輻射探測領域的應用。在本發明中，所述輻射探測領域包括但不限于伽瑪相機、X射線成像、閃爍計數儀、閃爍能譜儀和單光子發射斷層掃描儀。具體的說，本發明制備出一種寬板狀鍺酸鉍閃爍晶體材料，化學式為Bi4Ge3O12,晶體的長、寬、厚度分別為X，y，z，且X彡y彡Z，其長度X的范圍為400-800mm，寬度y的范圍為 60-600mm,厚度 z 在 l-100mm。本發明中的制備大尺寸、高質量的鍺酸鉍閃爍晶體材料過程包括1)原料處理將鍺酸鉍前體原料按照化學計量比稱重混合后熔融成多晶料錠或選擇現成的晶體塊作為生長原料；2)籽晶準備選擇長尺寸的鍺酸鉍晶體作籽晶；3)晶體生長將籽晶和準備好的原料裝入大尺寸的、頂底兩端開口的或底部封口的金屬坩堝中，封口后置于大尺寸的氧化鋁引下坩堝中，在金屬坩堝的四周至氧化鋁引下坩堝之間填滿保溫材料后移入生長裝置中，升溫并保溫后接種，控制坩堝的垂直下降速率和晶體生長界面的溫度梯度；4)晶體生長完成后，停止下降并降溫至室溫，制得所述寬板狀鍺酸鉍晶體；其中，所述籽晶是采用長晶體橫向放置后接種，以籽晶的最長邊所在的截面為接種面，籽晶的最長邊與所制的晶體的寬度一致。本發明制備的寬板狀鍺酸鉍閃爍晶體材料可以用于包括但不限于伽瑪相機、X射線成像、閃爍計數儀、閃爍能譜儀和單光子發射斷層掃描儀等輻射探測應用中，寬板狀BGO閃爍晶體屏是與射線或粒子發生直接作用的介質，是最核心的探測單元，是完成對射線、粒子類型甄別、劑量確定、射線發射的精確位置和空間分布測定的最根本物質基礎和影響探測系統性能的最關鍵因素。其應用原理過程如下I)根據實際應用不同需要，將板狀的晶體經過切割、研磨、拋光或磨砂成具有一定截面面積和特定表面處理(拋光、磨砂)的板狀BGO閃爍晶體；2)在加工好的寬板狀BGO閃爍晶體包覆、蒸鍍、粘附或固化上具有一定厚度的二氧化鈦、特氟龍膠帶、ESR等光反射材料，獲取具有最優化光收集性能的BGO閃爍晶體屏；3)將經光收集優化后的BGO閃爍晶體屏用硅油等耦合劑與光探測器如光電倍增管進行耦合，以使得閃爍屏發出的閃爍光盡可能多地進入光探測器；4)射線或粒子入射到閃爍晶體屏，經過與閃爍屏的相互作用，將沉積的全部或部分能量轉換為光脈沖信號；5)光脈沖信號被光電探測器如光電倍增管探測到轉換為電脈沖信號，電脈沖信號經過電子學線路和器件的處理，形成圖像、圖譜或計數信息輸出，最終完成射線或粒子等的輻射探測過程。
本發明的寬板狀鍺酸鉍晶體應用于包括但不限于伽馬相機、X射線成像、閃爍計數儀、閃爍能譜儀和單光子發射斷層掃描儀等的輻射探測領域中。與低密度閃爍晶體(如NaI:Tl和Cs I:T1晶體)相比，本發明的寬板狀鍺酸鉍晶體可以提高系統對射線或粒子的探測效率，包容生物體大器官和單能道的整體掃描，明顯增強系統的探測靈敏度和對比度，降低系統的死時間比例，大大提高成像的空間分辨性能和固有均勻性。
圖I是本發明實施例I中制備出的600X350X30mm3寬板狀鍺酸鉍晶體。圖2是本發明實施例2中制備出的600X72X30mm3寬板狀鍺酸鉍晶體。圖3是本發明實施例7中伽瑪相機應用原理圖。I-生物體；2_99Tc標記的藥物；3_鎢準直器；4_寬板狀鍺酸鉍晶體；5_光電倍 增管陣列；6_圖像輸出圖4是本發明實施例8中X射線成像應用原理圖。1-X、Y射線源；2_生物體；3_鎢準直器；4_寬板狀鍺酸鉍晶體；5_光電倍增管陣列；6_圖像輸出
具體實施例方式下面通過實施例對本發明制備的寬板狀鍺酸鉍晶體及其在輻射領域(以伽瑪相機和X射線成像為例)的應用進一步進行闡述，但本發明涵蓋并不僅限于以下實施例。在不背離本發明背景和精神的前提下，本領域技術人員在閱讀本發明的內容的基礎上可以進行等價替換和修改，其內容也包括在本發明要求保護的范圍內。實施例I600X350X30mm3寬板狀鍺酸鉍閃爍晶體的制備，具體制備方法如下將純度為4N以上的三氧化二鉍和二氧化鍺按照化學計量比2:3稱重混合后置于鉬金坩堝中升溫至熔點溫度以上并保溫10-60分鐘左右使原料完全熔化，快速注入模具中，降溫得到多晶料錠。將厚度為O. 16mm的3層鉬金片制成截面為600 X 30mm2,長為400mm的長方體 甘禍。選擇尺寸為600Χ30Χ (10_60) mm3的鍺酸鉍晶體經切割、研磨并清洗后用作籽晶；所述籽晶的截面的長度和寬度均應該小于或等于所述鍺酸鉍多晶錠和晶塊原料對應截面的尺寸。將籽晶和準備好的原料裝入大尺寸的、頂底兩端開口的鉬金或底部封口的鉬金坩堝中，封口后將鉬金坩堝置于超大尺寸的氧化鋁引下管中，引下管的截面尺寸要大于坩堝的截面尺寸，在坩堝的四周至引下管之間填滿粉狀保溫材料，然后將引下管移入特殊定制的下降法生長爐中，調整坩堝在爐膛中的垂直位置，升溫至1050°C以上保溫至多晶料錠全部熔化，采取籽晶接種工藝進行接種，開啟機械傳動系統的下降裝置，控制坩堝的垂直下降速率為O. 8毫米/小時，晶體生長界面的溫度梯度為50開爾文/厘米(K/cm)。待晶體生長完成后，停止下降，按照一定的溫度制度緩慢降溫至室溫，制備出所述的寬板狀鍺酸秘閃爍晶體(如圖I)。實施例2
600X350X30mm3寬板狀鍺酸鉍閃爍晶體的制備，具體制備方法如下選擇現成的鍺酸鉍晶體經切割、研磨成所需要的尺寸和形狀，清洗后作為生長原料的晶體塊。實施例2的其他步驟如實施例I所述 ，最終制得所述寬板狀鍺酸鉍晶體(如圖I)。實施例3600 X 72 X 30mm3寬板狀鍺酸鉍閃爍晶體的制備，具體制備方法如下將厚度為O. 16mm的3層鉬金片制成截面為600X30mm2,長為150mm的長方體 甘禍，其它均按實施例I或2所述的工藝條件，控制生長時間即可獲得600X72X30mm3寬板狀鍺酸鉍晶體(如圖2)。實施例4600X500X30mm3寬板狀鍺酸鉍閃爍晶體的制備，具體制備方法如下將厚度為O. 16mm的3層鉬金片制成截面為600X30mm2,長為600mm的長方體i甘堝，其它均按實施例I或2所述的工藝條件，延長生長時間即可獲得600X 500X 30mm3寬板狀鍺酸鉍晶體。實施例5600X350X50mm3寬板狀鍺酸鉍閃爍晶體的制備，具體制備方法如下選擇尺寸為600X50X (10-60) mm3的鍺酸鉍晶體經切割、研磨并清洗后用作籽晶;將厚度為O. 16mm的3層鉬金片制成截面為600 X 50mm2，長為420-480mm的長方體坩堝，其它均按實施例I或2所述的工藝條件，控制生長時間即可獲得600X 350X 50mm3寬板狀鍺酸秘晶體。實施例6800X350X30mm3寬板狀鍺酸鉍閃爍晶體的制備，具體制備方法如下選擇尺寸為800X30X (10-60) mm3的鍺酸鉍晶體經切割、研磨并清洗后用作籽晶;將厚度為O. 16mm的3層鉬金片制成截面為800X30mm2,長為450mm的長方體i甘堝，其它均按實施例I或2所述的工藝條件，控制生長時間即可獲得800X 350X 30mm3寬板狀鍺酸鉍閃爍晶體。實施例7I)如圖3中所示，將實施例6制備出的寬板狀晶體經過切害I]、研磨、拋光成800 X 350 X IOmm3 的 BGO 閃爍晶體；2)在加工好的800X 350X IOmm3寬板狀BGO閃爍晶體表面包覆2層厚為O. 075mm的電子極特氟龍膠帶，成為具有最優化光收集性能的BGO閃爍晶體屏，如圖3中4所示；3)用硅油將BGO閃爍晶體屏與光電倍增管進行耦合，使得閃爍屏發出的閃爍光盡可能多地進入光探測器；4)將用99Tc標記的藥物注射到人體內，藥物會隨著人體的代謝，在人體的某些器官和腫瘤位置會發生程度不同的富集，不同位置的99Tc的濃度不同，由于99Tc衰變發射出能量為140keV的Y射線的計數不同，Y射線經過由鎢制成的多孔準直器準直后入射到鍺酸鉍晶體閃爍屏上，經過與閃爍屏的相互作用后轉換為一定幅度的光脈沖信號；
5)光脈沖信號被多個光電倍增管組成的探測陣列探測到，并轉換為電脈沖信號，電脈沖信號經過電子學線路和器件的處理，構建成2維或3維圖像輸出6。實施例8I)如圖4中所示，將實施例I制備出的寬板狀晶體經過切割、研磨、拋光成600 X 350 X IOmm3 的 BGO 閃爍晶體；2)在加工好的600X 350X IOmm3板狀BGO閃爍晶體表面包覆2層厚為O. 075mm的電子極特氟龍膠帶，成為具有最優化光收集性能的BGO閃爍晶體屏，如圖4中4所示；3)用硅油將BGO閃爍晶體屏與光電倍增管陣列5進行耦合，使得閃爍屏發出的閃爍光盡可能多地進入光探測器；
4)當照射到生物體后的X、Y射線經過由鎢制成的多孔準直器準直后入射到鍺酸鉍晶體閃爍屏上，經過與閃爍屏的相互作用后轉換為一定幅度的光脈沖信號；5)光脈沖信號被多個光電倍增管組成的探測陣列探測到，并轉換為電脈沖信號，電脈沖信號經過電子學線路和器件的處理，構建成2維或3維圖像輸出6。任何熟悉本技術領域的技術人員在本發明揭露的技術范圍內，可輕易想到的變化或替換，都應涵蓋在本發明的保護范圍之內。
權利要求
1.一種寬板狀鍺酸鉍閃爍晶體材料，所述晶體材料的化學式為Bi4Ge3O12,晶體的長、寬、厚度分別為X，y，z,且X彡y彡z,其中，x的范圍為400_800mm。
2.如權利要求I所述的寬板狀鍺酸鉍閃爍晶體材料，其特征在于，X的范圍為500_800mm。
3.如權利要求I或2所述的寬板狀鍺酸鉍閃爍晶體材料，其特征在于，y的范圍為60_600mm。
4.如權利要求I或2所述的寬板狀鍺酸鉍閃爍晶體材料，其特征在于，z的范圍為l-100mm。
5.權利要求I至4中任一項所述寬板狀鍺酸鉍閃爍晶體材料在輻射探測領域的應用。
6.如權利要求5所述的應用，其特征在于，所述輻射探測領域包括伽瑪相機、X射線成像、閃爍計數儀、閃爍能譜儀和單光子發射斷層掃描儀。
全文摘要
本發明涉及一種寬板狀鍺酸鉍閃爍晶體材料及其在輻射探測領域中的應用。所述寬板狀鍺酸鉍閃爍晶體材料的截面面積不小于24,000mm2，其長度范圍為400-800mm，寬度范圍為60-500mm，厚度范圍為1-100mm。本發明的寬板狀鍺酸鉍閃爍晶體材料，以其高質量、超大寬板形式應用于伽瑪相機、X射線成像、閃爍計數儀、閃爍能譜儀和單光子發射斷層掃描儀等輻射探測領域。
文檔編號C30B11/14GK102864495SQ20121032223
公開日2013年1月9日 申請日期2012年9月3日 優先權日2012年9月3日
發明者陳俊鋒, 王紹華, 倪海洪, 袁蘭英, 趙鵬, 劉光煜, 周里華 申請人:上海硅酸鹽研究所中試基地, 中國科學院上海硅酸鹽研究所