镥基閃爍晶體研制分析

李中波 唐華純

（上海御光新材料科技股份有限公司，上海 201803）

0.引言

以硅酸镥（LSO）、鋁酸镥（LuAG）等為代表的镥基閃爍晶體以其在閃爍特性、生長工藝等方面的優勢發揮著關鍵性作用。材料技術人員應當針對镥基閃爍晶體的特性與制備方式進行全方位梳理和優化，進一步降低晶體制備成本，提升晶體閃爍性能，為推進镥基閃爍晶體研發與應用的不斷發展提供更加充分的支持和動力。

1.閃爍晶體的概述與應用場景

一般來說，所謂閃爍晶體主要指的是在各類高能粒子的撞擊下能夠將粒子動能轉化為光能，從而發出閃爍光芒的一種晶體類型，在高能物理、核醫學成像、工業CT 等場景當中具有極為廣泛的應用價值。在早期的商業化應用當中，常用的閃爍晶體類型主要包括摻鉈碘化鈉閃爍晶體（Nal（Tl））、鍺酸鉍晶體（BGO）、鎢酸鎘晶體（CdWO4）等幾種類型，但由于這些閃爍晶體的生產成本較高，閃爍性能不佳，一些晶體甚至存在較強的毒性，因此亟待針對晶體生長工藝進行優化與改良。

2.镥基閃爍晶體的主要類型與特點

2.1 硅酸镥系列閃爍晶體

2.1.1 Lu2SiO5 晶體

作為硅酸镥（LSO）晶體系列當中最常見的一種類型，Lu2SiO5晶體對于高能粒子撞擊的反應時間較為短暫，發光效果較好，受外界環境影響較小，因此適宜應用在高能物理領域的粒子探測以及核醫學成像等領域當中[1]。20 世紀末期，國外學者就針對Lu2SiO5晶體的閃爍性能進行了全面研究，并提出了相應的應用策略。

但與此同時，Lu2SiO5晶體同樣也存在著一定的短板和問題。相較于傳統的BGO 閃爍晶體來說，Lu2SiO5晶體的熔點較高，生長與制備難度較大，大規模生產存在著一定的困難。另外，由于其內部成分因素的影響，Lu2SiO5晶體還存在著閃爍余輝的現象，可能會對其正常應用產生制約，因此，一些研究者開發出了硅酸釔镥（LYSO）閃爍晶體，加入釔元素之后，相較于Lu2SiO5晶體來說，LYSO 晶體的熔點實現了一定程度的下降，有效提升了閃爍晶體的生產效益，但在大規模生產的背景下，LYSO 晶體仍存在著均勻性控制難度大等問題亟待解決。

2.1.2 Lu2Si2O7:Ce 晶體

Lu2Si2O7:Ce 晶體又稱為焦硅酸镥晶體，與Lu2SiO5晶體比較而言，Lu2Si2O7:Ce 晶體的光輸出屬性、生產成本、發光效率等指標均具備一定的優勢，我國與法國在Lu2Si2O7:Ce 晶體的生產與制備方面均已形成了一定的成果，最大生長尺寸已能夠達到Φ30mm×66mm，但由于其生產過程當中容易出現開裂現象，因此距離商業化與工業化的應用尚存一定的距離[2]。

2.2 鋁酸镥系列閃爍晶體

2.2.1 Lu3Al5O12 晶體

Lu3Al5O12晶體，又稱為镥鋁石榴石晶體，這一閃爍晶體的生產環境要求較低，生產成本較為有限，光閃爍性能較為良好，光產額度較高，衰減時間較快，在PET 探測場景當中將會發揮出至關重要的作用。但在Lu3Al5O12晶體的研究和制備過程當中，其原子位格之間可能會發生一定的沖突現象，從而導致反位缺陷的產生，給閃爍晶體的質量控制工作造成了一定的挑戰和難度。為進一步減少Lu3Al5O12晶體生產和制備過程當中可能出現的反位缺陷現象，晶體材料學者紛紛進行了針對性的研究和考量，一些學者認為，在Lu3Al5O12晶體當中摻雜鎵（Ga）離子可能會減少Lu3Al5O12晶體反位缺陷產生的可能性，從而進一步提升晶體制備與生產質量，但這一技術策略仍處于驗證和研究階段，距離實際投入工業化生產仍有一定的距離。

2.2.2 LuAlO3:Ce 晶體

LuAlO3:Ce 晶體又稱為摻鈰鋁酸镥晶體，其耐高溫性能較為顯著，光閃爍性能極為良好，受到了一些閃爍晶體材料專家的關注。但在LuAlO3:Ce 晶體的生長和制備過程當中，對于Ce 離子的分配與變化尚未形成較為一致的觀點和看法，對其最優制備與生長技術的研究仍處于初級階段，LuAlO3:Ce 晶體的生長和制備成功率較為低下，優質晶體個體的生長成功率甚至低于25%，給進一步控制大規模晶體生產與制備成本帶來了一定的難度和挑戰。另外，受到Ce 離子摻雜量、閃爍晶體生長工藝等因素的影響，晶體個體還可能會在生長過程當中出現開裂或透明度低下等現象，給晶體的光學性能以及閃爍性能造成了一定的負面影響。

3.镥基閃爍晶體的制備與生長方式

3.1 提拉法

提拉法是閃爍晶體生長與制備過程當中應用最為廣泛的技術手段之一。通過提拉法針對镥基閃爍晶體進行制備和生長的技術發展已較為成熟，目前已能夠生產出尺寸為Φ60mm×160mm 的LSO 閃爍晶體[3]。其具體生長與制備流程如下。

首先，由技術人員針對晶體生長設備進行準備，其設備應當包括原料加熱模塊、坩堝、籽晶夾、傳動功能模塊、氣氛控制模塊以及溫度控制模塊等幾個部分（見圖1），從而有效提升镥基閃爍晶體制備與生長質量，進一步減少晶體生長過程當中出現的問題和風險。

圖1 提拉法制備镥基閃爍晶體的設備結構

其次，在坩堝內部針對閃爍晶體生長原料進行加熱和融化，并采用溫度控制模塊針對晶體制備原料的溫度場進行調控，確保其生長溫度適宜。

最后，利用提拉設備在坩堝內部進行提拉和旋轉，使生長原料能夠在適宜的溫度以及設備的提拉下形成特定形態的晶體，從而進一步滿足商業乃至工業生產領域的相關需求。

在運用提拉法針對镥基閃爍晶體進行制備和生產的過程當中，應當注意以下幾方面內容。第一，應做好溫度的控制工作。相較于早期商業工業領域當中的閃爍晶體制備工藝而言，采用提拉法針對镥基閃爍晶體進行制備和生產對于其生產環境與生長溫度具有更高的要求，技術人員應當針對溫控模塊進行合理控制，避免溫度過高或過低給閃爍晶體的正常制備帶來相應的流程或質量問題。其次，應當做好原料的預處理工作。镥基閃爍晶體的制備和生長與原料質量呈正相關，因此，技術人員應當在正式開始制備之前，采用干燥機與壓片機對其原料進行預制，從而為后續流程提供相應的支持和鋪墊。最后，在晶體的生長制備過程當中，技術人員還應當進行全方位跟蹤監控，結合坩堝內部晶體生長速率以及生長形態對提拉設備的轉速進行控制，盡可能避免晶體生長過程當中出現的開裂或透明度下降等現象，確保提拉法晶體生產質量與預期要求相一致[4]。

3.2 穆薩托夫方法

俄羅斯一些晶體材料研究學者在提拉法的基礎之上研究出了穆薩托夫方法，其主要特點包括對設備要求較低，生產過程當中不需要進行旋轉、閃爍晶體生長較為均衡，質量問題較少等，但在實際生產和使用過程當中，穆薩托夫方法僅限于在摻鈰的硅酸镥閃爍晶體（LSO:Ce）的制備當中，尚未出現采用穆薩托夫方法進行的其他镥基閃爍晶體的制備和生長研究。

3.3 溶膠-凝膠法

采用溶膠-凝膠技術同樣也能夠按照相關目標需求制備出相應的镥基閃爍晶體，并確保晶體生長質量及其光透均勻性，但在工業化生產過程當中，一些場景和領域對于镥基閃爍晶體的生長體積要求較高，利用溶膠-凝膠法往往很難確保镥基閃爍晶體的生長與制備尺寸符合工業場景需要，因此仍需技術人員和研究者進行進一步的探究和分析。

4.未來镥基閃爍晶體生長工藝的發展方向

4.1 降低生長成本

為進一步適應高能物理領域、核醫學成像領域以及工業CT 領域等應用場景對于镥基閃爍晶體的相關生產需求，晶體材料研究者與相關技術人員仍然需要針對晶體生產與制備技術進行優化和改進。首先，需要針對性降低镥基閃爍晶體的生長成本。作為一種在工業領域當中具有廣泛應用前景的閃爍晶體類型，镥基閃爍晶體以其在閃爍性能、發光性能等方面相較于傳統工業閃爍晶體具有較為顯著的優勢，但受到其熔點、生產原料、生產工藝等因素的影響，現階段镥基閃爍晶體的制備成本仍普遍較高，無論是提拉法、穆薩托夫方法還是溶膠-凝膠法，其生長過程當中的消耗與支出均較為顯著，給工業化大規模的應用造成了一定的困難和影響。因此，相關技術人員與晶體材料研究者應當從工藝優化以及原料配比剖析等方面入手，針對性降低镥基閃爍晶體生產與制備成本，確保其工藝得到進一步優化和提升[5]。例如在針對Lu3Al5O12晶體進行生產和制備的過程當中，傳統的生長與制備工藝可能會使晶體內部出現原子位格沖突，進而發生嚴重的反位缺陷，因此一些研究者開始嘗試在Lu3Al5O12晶體的制備工藝當中添加相應的鎵（Ga）離子，從而有效減少了原子位格沖突導致的反位缺陷發生，使Lu3Al5O12晶體制備成品率得到了更加顯著的飛躍，為有效控制镥基閃爍晶體生產與制備成本提供了相應的保障與支持。另外，相關研究人員以及技術人員還可以采用針對性措施和手段做好镥基閃爍晶體制備與生產廢物的回收與還原工作，一方面能夠降低閃爍晶體生長對于環境產生的污染和影響；另一方面還能使晶體生長原料的來源得到進一步拓展，為實現成本支出控制的預期目標提供了更加有效的支持和幫助[6]。

4.2 提高生長速度

除了成本管控外，進一步提升生長速度同樣也是镥基閃爍晶體生長與制備工藝優化與改良的關鍵所在。在現階段的镥基閃爍晶體生長與制備工藝的研究過程當中，一些镥基閃爍晶體在閃爍性能、發光性能以及環境適應性能等方面均具有較為顯著的地位，但受到工藝、原料等限制因素的影響，導致晶體生長速度較慢，難以充分有效地滿足現代社會工業領域以及商業領域對于镥基閃爍晶體的相關需要，對相關領域的長效化發展形成了一定的限制和制約[7]。因此，為了更加有效地提升镥基閃爍晶體生長工藝與高能物理研究領域、工業CT 領域以及核醫學成像領域的適應性，技術人員應針對其生產工藝的效率與速度進行全面優化，盡可能采取措施在保障閃爍晶體生長質量的前提下提升晶體生長速度，使相關應用場景以及應用領域能夠具備更加完備的物質基礎以及物質保障，推動物理研究領域乃至工業醫學領域的持續化發展。

4.3 強化晶體質量

在現階段的镥基閃爍晶體生長與制備工藝當中，一些晶體類別受工藝流程、生長環境、生產原料等因素的影響，容易出現開裂、透明度下降等質量問題，導致最終生產成品質量不符合相關工業領域應用標準，影響了镥基閃爍晶體生產工藝的不斷進步。技術人員應當從原料預處理以及生長流程管控等層面入手，盡可能降低外界因素對于閃爍晶體生長質量產生的影響和沖擊，確保其最終光透程度以及發光性能能夠符合應用領域的需要。

5.結論

作為一種在物理研究領域乃至工業醫學領域發揮著關鍵性作用的晶體材料類別，技術人員應當結合镥基閃爍晶體的基本特性針對其主要類別進行梳理和分析，并按需針對其生長工藝進行優化和改進，為降低晶體生產成本，提升晶體生產效率作出更具針對性的貢獻。