Lu2O3-SiO2體系閃爍體材料分析

李中波 唐華純

上海御光新材料科技股份有限公司 上海 201803

引言

功能材料的研究發展是滿足社會對各種材料需求的有效途徑。現階段，在新能源、醫學、先進物理技術以及人工智能等方面已大量應用功能材料。而在各式各樣的功能材料中，人們對閃爍體材料的關注度更高，比如，稀土摻雜含镥氧化物、硅鹽酸閃爍體具有良好發光性能，應用前景十分廣闊。

1 閃爍體材料應用領域

基于閃爍體材料的探測與成像技術已被廣泛應用于醫學影像、高能物理、礦產資源勘探以及安全監測等多方面。在醫療領域中，閃爍體探測器主要應用于醫學成像設備上，比如正電子發射斷層掃描、χ射線斷層掃描等。在礦產資源勘探領域中，利用閃爍體材料制備的γ射線探測器能實現對地層特征的遙測，利于全面掌握礦床情況。在工業生產領域中，閃爍體材料被用于無損傷探測。在高能物理領域中，閃爍體材料在電磁能量器-對撞機上有著至關重要的作用[1]。

2 閃爍體材料性能要求

對于閃爍體材料性能的表征，要引入可測參數，其中包括發光效率、發光時間、衰減時間、能量分辨率以及發射光譜等，雖然在不同場合中應用閃爍體材料，對其性能要求也不同，但通常情況下，閃爍體材料性能需要滿足一定共同要求，比如，高發光效率、高分辨率、高阻擋射線能力以及高響應速度。

2.1 能量分辨率

能量分辨率主要用于表征閃爍體材料能區別探測粒子能量的能量值，具體表示為某單色γ能譜中全能峰半高寬與峰值能之比，能量分辨率與這一比值大小呈現反比關系，其會隨著比值的升高而減小。

2.2 發光效率

發光效率具體表示為閃爍體材料發出光子能量與吸收能量之比，主要用于表征閃爍體材料的能量轉換能力與光輸出高低。在閃爍過程中，所發出的平均光子數與粒子損失能量之比，即為光輸出大小。光輸出越大，則閃爍體材料發光效率越高，此時閃爍探測器能量分辨率會進一步加大。

2.3 發光性能

閃爍體材料的發光性能主要利用相對發光效率來表示。而相對發光效率是指在定位NaI:T1發光強度達到100%的基礎上，其他閃爍體在同等情況下的發光強度與NaI:T1的比值。

2.4 發射光譜

發射光譜是閃爍體材料發射光子數隨波長或能量分布的關系曲線。在接受高能粒子激發后，閃爍體材料發射的光譜處于可見光區域內。在實際應用中主要有3種接受光子的方式，一為光電二極管，二為光電倍增管，三為CCD探測器，不同方式擁有不同的光譜響應靈敏范圍，其光譜響應靈敏范圍分別為500～530nm、430～470nm、390～770nm；要盡可能保持閃爍體發射光譜與之的匹配度，從而確保靈敏度與效率符合要求。

2.5 發光時間與衰減時間

發光時間是閃爍體材料的閃爍脈沖上升與衰減所需要的時間，由于上升所用時間較短，因此忽略不計。而衰減時間主要用于表征閃爍體發出光的衰減速度快慢，其中，發光衰減時間是發光強度降低到最大值1/e所需要的時間，有時也是光子數衰減或達到最大值1/10所需要的時間。閃爍體探測器的時間分辨率與快速計數極限受衰減時間所影響，衰減時間越長，則閃爍體中由于能量堆積所引起的信號障礙情況越多，越難以維持良好的信噪比[2]。

3 Lu2O3-SiO2體系閃爍體材料研究

3.1 閃爍晶體

閃爍體材料具有諸多優良閃爍特性，包括光輸出率高、無余輝、衰減速度快等，被地質勘探、核醫學以及高能物理等領域廣泛關注。在Lu2O3-SiO2體系中，Lu2SiO5:Ce與Lu2Si2O7:Ce最為穩定，是優秀的閃爍體材料。

Lu2SiO5:Ce適合用于快速探測高能γ-射線，晶體密度為7.4g/cm3，具有較高光輸出，發光波長為420nm，衰減時間為40nm。這一晶體可利用提拉法進行制備。Lu2Si2O7:Ce在PET與石油測井中受到較高關注，其相較于Lu2SiO5:Ce，光輸出更高，衰減時間更短，且成本較低。Lu2Si2O7:Ce晶體密度為6.23g/cm3，衰減時間為30nm，具有高光輸出與無余輝等優勢。這一晶體可利用提拉法與浮區法進行制備，不過后者所制備的晶體發光效率更高、更穩定。

對比經過同等時間熱處理得到的Lu2SiO5:Ce粉晶與Lu2Si2O7:Ce粉晶SEM圖像，前者晶粒形狀接近塊狀，粒徑較為均勻，大小在100～300nm范圍內，但存在一定團聚現象；而后者晶粒形狀接近球形，粒徑也比較均勻，大小在50～60nm范圍內，但分散性比前者更好。這代表晶粒越小，則分布效果越好，能在陶瓷制備過程中獲得具有較高密度且能在燒結時充分致密化的素坯，利于制備透明陶瓷[3]。

Lu2SiO5:Ce晶體雖得到應用，但還存在諸多問題，比如晶體閃爍性能不穩定、晶體容易開裂、制備原料成本較高且工藝相對復雜、需要高溫環境等。而Lu2Si2O7:Ce晶體應用前景雖廣闊，但也在很多方面需要得到進一步研究，比如優化晶體生長條件、晶體結構以及閃爍性能影響因素等。

3.2 閃爍陶瓷

閃爍陶瓷具有諸多優點，包括制備簡單、性能穩定、多組分均勻摻雜等。現階段，摻雜稀土氧化物Lu2O3:Eu、YGO、硫氧化物等的閃爍陶瓷較為常見。

Lu2O3:Eu閃爍陶瓷屬于立方晶系結構，其密度為9.4g/cm3，有效原子序數為71，晶格常數為10.39A，且折射率獨立于方向性，具有制備透明陶瓷的優良性能。針對Lu2O3:5%Eu熒光粉的CCD響應曲線及χ-射線激發發射展開分析可知，相較于其他閃爍體，成像質量更好[2]。

早些年，有研究人員在8GPa、450℃條件下燒結制備透明陶瓷，透過率大約為70%，但這對制備設備要求很高，且燒結體在超高壓狀態下很容易開裂。而采用兩步燒結法可在低溫燒結條件下實現陶瓷致密化，從而獲得透明陶瓷[4]。此外，通過濕化學共沉淀法合成Lu2O3:Nd納米粉體，在優化粉體工藝參數的基礎上，進一步獲得具有高度分散特性的Lu2O3:Nd陶瓷粉體，經過壓片即可得到半透明Lu2O3:Nd陶瓷。不過，在閃爍陶瓷領域中，還有諸多問題需要深入研究，比如探尋先進粉體合成工藝與燒結工藝，探究發光機理以及優化陶瓷粉體閃爍性能等。

3.3 閃爍粉體

納米粉體是一種顆粒，其粒度通常小于100nm，相較于常規材料，納米粉體在光學性質、化學活性、導熱以及磁性等方面具有奇異功能與特性。其中，稀土氧化物被廣泛使用于傳統及高新技術科技領域中，包括熒光材料、激光材料、光導纖維、車輛尾氣凈化以及石油裂化催化等。

為合成以Lu2O3為基質的高質量透明陶瓷，首先要制備Lu2O3:Eu納米粉體，并確保其性能優良。對于這一納米粉體的制備方法有很多，比如溶膠-凝膠法、燃燒法、共沉淀法等。而為縮小陶瓷材料尺寸、強化燒結活性，可使用濕化學法。在制備過程中，采用溶劑熱法與共沉淀法，所得到的Lu2O3:Eu納米粉體具有良好發光度與分散性；采用熱溶劑法，以乙二醇、乙醇、丙酮以及水為溶劑，可獲得Lu2O3:Eu納米粉體前驅體，進而將其煅燒成各種形貌的Lu2O3:Eu粉體，且由于溶劑具備的物理性質能影響樣品形貌，所以還能形成特定形貌，比如線狀、球狀等。為制備出顆粒分布更為均勻的閃爍粉體，要不斷優化制備方法及制備條件[5]。

3.4 閃爍薄膜

相較于熒光粉，使用閃爍薄膜制成的熒光屏性能更好，其致密均勻性、熱穩定性以及襯底附著性較好，且成像分辨率較高，不會造成光散射。而相比于閃爍陶瓷，制備閃爍薄膜的設備更簡單，且能實現大規模生產。高分辨率、同步輻射熒光屏用閃爍薄膜，可通過以下幾方面入手制備。

首先，選擇材料時重點關注材料性能，選用密度高、有效原子序數大且光輸出高、余輝短的材料。所使用的材料與較重的閃爍材料性能對比如下表1所示，從中可以看出，雖BGO與PbSO4的有效原子序數較大，但難于制備高質量薄膜；CdWO4與ZnWO4衰減速度較慢；LSO:Ce（Lu2SiO5:Ce）與LuAP:Ce不僅有效原子序數較大，密度較高，而且光輸出度較大，衰減時間較短，因此適用于制成熒光屏[6]。

表1 所使用的材料與較重的閃爍材料性能對比

其次，為顯著提高成像系統CCD的量子效率，要注重加大對可見光較為敏感的CCD光譜響應效率，同時為確保成像質量達到良好效果，要保證CCD響應效率處于正常范圍內。當發光波長處于600～800nm范圍內時，CCD響應效率較高，但大部分閃爍材料波長并不在此范圍，因此為顯著提升CCD響應效率，就要盡量將發射光紅向600～800nm范圍附近移動[7-8]。

4 結束語

本文重點分析閃爍體的四種形態材料，即閃爍晶體、閃爍陶瓷、閃爍粉體以及閃爍薄膜，并總結Lu2O3-SiO2體系閃爍體材料的整體應用。在閃爍體材料研究中，與很多學科領域都有重大關聯，比如材料科學、輻射損傷學、光譜學、固態物理等。而隨著閃爍體材料的廣泛應用，有必要進一步探究新型閃爍體材料，以獲得更多社會效益與經濟收益。