智能制造之閃爍晶體產業發展概況

王莎莎 李楠 張歡 何濤

摘 要：閃爍晶體是一種人工合成的、內部陣列有序的物質，在高能射線通過時可以激發出熒光脈沖。閃爍晶體能探測各種射線，具有密度高、性能穩定等優點，被廣泛應用于高能物理、核物理、放射醫學、地質勘探、防爆檢測、安全檢查、國防裝備、無損檢測等領域，是精準診療、智能制造和安檢領域的關鍵材料之一，其產業規模目前僅次于半導體晶體，成為國際先進無機非金屬材料產業競爭的前沿。

關鍵詞：閃爍晶體；智能制造；發展概況

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

1 前言

閃爍晶體在高端醫療行業的快速健康發展可促進全民健康夢更早更好地實現，此外在安檢探測和工業CT等方面的應用也是智能制造不可或缺的關鍵領域，對制造業強國建設具有重要的支撐作用。在制造業領域，中國制造正向智能制造轉變。本文將綜述國內外閃爍晶體產業發展歷程、應用領域等情況，針對目前我國存在的挑戰和面臨的問題，提出促進產業發展的建議與措施。

2 閃爍晶體的發展歷程

2.1 鹵化物閃爍晶體的發展速度超出氧化物閃爍晶體的發展

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注重點，自從上世紀末荷蘭Delft理工大學發現氯化鑭和溴化鑭等新興稀土鹵化物晶體的閃爍效應以來，世界上掀起了鹵化物研究熱潮。美國勞倫斯伯克利國家實驗室又在BaI2的基礎上發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良，但都存在一個致命的弱點—易潮解，從而給原料合成、晶體的加工和應用等造成許多障礙。

2.2 從單晶塊體材料向多晶、薄膜、陣列和纖維材料的發展

閃爍單晶固然性能優良，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點而成為近幾年大家關注的熱點。針對氧化物材料熔點高的缺點，美國、日本、德國等國家相繼開展了閃爍陶瓷的研究，已經能夠實現部分體系的工業化生產。最近幾年，鹵化物閃爍陶瓷、半導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的NaI∶Tl閃爍陶瓷、美國RMD公司開發的ZnSe透明陶瓷。

2.3 從伽馬射線探測向中子探測材料的發展

熱中子探測在基礎研究、防止核擴散、油井探測、防毒品走私及核影像醫療上逐漸發揮著重要的作用。傳統的中子探測器有長硼計數管、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、結構設計簡單及在各種環境中能穩定使用的優點，在熱中子探測器中占據了統治地位[1]。

2.4 從單一的材料制備到器件設計、加工、集成一體化方向發展

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開裂嚴重而導致成本較高。核物理實驗也迫切需要衰減時間快和發光強度高的閃爍材料，但目前衰減時間低于5ns的材料不僅數量少，而且光輸出低或不同程度地含有慢分量。Yb∶YAP和ZnO是公認的快閃爍體，但實測值卻比理論值相差很大。因此，改進材料制備技術或對現有材料進行性能改進或開發新型閃爍材料就成為當前和今后的緊迫任務。

3 典型晶型

3.1 三種常見閃爍晶體的介紹

NaI：Tl晶體具有光產額高，光電轉換效率高，化學性能穩定和易生長等優點，是綜合性能優良的閃爍體，已廣泛應用于石油勘測、環境監測、核醫學、高能物理和工業CT等領域，但由于其易潮解、輻照長度較短、阻止射線能力稍差等缺點，在高能物理領域逐漸被鍺酸鉍（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，且發射波長為560nm左右，與半導體光電二極管匹配很好，可以應用于安全檢查、中微子探測、元素分析、核技術和高能物理領域。

鍺酸鉍晶體（Bi4Ge3O12，BGO）密度為7.13g/cm3，發射波長在480nm，易于與光電倍增管匹配，γ射線吸收系數高，抗輻照能力強，不潮解，是重要的閃爍晶體。目前，BGO晶體主要應用于高能物理和核醫學成像（PET）裝置，在醫學成像方面，BGO晶體已經占領了整個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晶體的應用領域比較廣泛，基本包括了閃爍晶體的常見應用范圍，也是國內最早規模化應用的晶體。我國的清華同方威視在大塊透視應用領域就是采用的NaI晶體。相對于CsI和BGO晶體，NaI（Tl）在高溫時具有更高的發光強度，這使其在環境溫度較高的場合有更強的適應性，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度的輻照下則會降低其閃爍性能。

3.3 NaI（Tl）國內外技術現狀

目前法國圣戈班公司的產品和技術居領先地位，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量的大尺寸單晶體，但對生長設備要求高，因此生產成本較高。中材人工晶體研究院于“六五”期間在國家科技攻關項目的支持下，在國內首次進行NaI（Tl）等離子晶體材料的熱鍛工藝研究，以NaI單晶作為毛坯，采用熱鍛壓技術得到所需要的晶體形狀和尺寸，項目成功通過國家鑒定。

4 閃爍晶體的應用領域和產業規模

4.1 核醫學用晶體

這個領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，加工復雜（圓柱縱、橫向需要打孔），加工時廢品較多，對加工設備有較高的要求。迄今中材晶體研究院已為多家核醫療儀器公司提供了多種井型晶體產品，規格在φ50mm×60mm左右。（2）γ相機用晶體：此種晶體為薄圓片形，由于其尺寸大，難加工，成品率極低，目前國內無一家公司生產。現中材人工晶體研究院生產的核醫學用晶體常用規格為φ1mm×3mm～Φ160mm×90mm之間。

4.2 工業CT用晶體

繼計算機斷層掃描（CT）技術在醫療診斷上獲得應用后，CT技術工業應用的發展引人注目。與超聲、射線照相等傳統方法相比，工業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、內部壓力或表面狀況的影響，可實現對被測物體的無損傷檢測。

4.3 石油勘探領域

多年來，NaI（Tl）、LaBr3等晶體一直在石油勘探領域得到廣泛應用，這主要取決于其出色的發光性能和較小的溫度效應。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光效率，及較小的溫度效應。在近幾年的研發中，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品，并得到了用戶的好評[3]。

4.4 環境監測用晶體

這個領域主要是行業界對生產、生活、工作環境、野外核輻射的監測。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。目前應用在該領域的晶體主要為NaI，規格為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，最后達到Φ500mm×500mm，另一個改進是采用許多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徑為25cm的球。后來，隨著CsI（Tl）和 BGO晶體生長技術的成熟，其逐漸取代NaI（Tl）晶體在高能物理領域得到應用。

5 存在的主要問題

我國的閃爍晶體產業與國際水平仍有很大的距離，突出表現為以下幾個方面：一是研究機構分散，合作交流較少。國內相關機構進行了大量的重復性研究工作，浪費了大量的資源和時間。二是我國閃爍晶體材料制備的技術手段與裝備明顯落后，自動化程度低，主要是依靠經驗，造成研制周期長、新產品開發困難，預研成果不能及時進入工程化、產業化。三是新材料的研制方面無原創性。目前發現的性能最好的閃爍晶體LaBr3的專利就是由荷蘭研發的，現已被圣戈班買斷。四是發達國家通過禁運禁售的政策對我國設置專利壁壘。五是配套的工業體系落后，國外的晶體研究機構都有下屬公司。六是重視程度不夠。對于高精尖技術研發不到位，沒有掌握核心技術。

6 解決方法

（1）閃爍晶體產業基地健全工程。建立產業基地，發揮區域聚集與輻射作用，優化資源配置，挖掘市場潛能，到2020年，形成有自身特色、有國際競爭力、有產業規模的閃爍晶體產業基地。（2）閃爍晶體重點產品、技術及裝備提升工程。實現閃爍晶體重點產品、關鍵技術及裝備的實質性進展。對國民經濟和國防建設有重大意義如新型稀土閃爍晶體，實現閃爍晶體重點產品的突破，完善“晶體研發-晶體生長-光學加工-元器件-器件-應用”產業鏈，形成較強的競爭力。要使閃爍晶體裝備向自動化、智能化、標準化發展。（3）閃爍晶體行業的發展必然以大規模商業化應用為最終目的，大力發展新材料和新技術，以精準醫療和快速安全檢測作為產品發展和應用方向重點；以新材料探索為突破口，打破技術封鎖和經濟壟斷作為發展目標，以發明出具有我國自主專利的可以滿足商業化規模化需求的新型閃爍晶體作為下一階段的任務，提升國際話語權，打破發達國家高端技術制造業的壟斷格局。（4）建立并完善閃爍晶體公共技術研發平臺，促進閃爍晶體產學研用各方實質合作。鼓勵國家創新重點實驗室、國家工程技術研究中心等國家公共技術研發機構與行業內領軍企業、當地政府機關互相聯合，形成閃爍晶體公共技術研發平臺。

參考文獻

[1]任國浩.無機閃爍晶體的發展趨勢[J].人工晶體學報，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.