镥基闪烁晶体研制分析

李中波 唐华纯

（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）、铝酸镥（LuAG）等为代表的镥基闪烁晶体以其在闪烁特性、生长工艺等方面的优势发挥着关键性作用。材料技术人员应当针对镥基闪烁晶体的特性与制备方式进行全方位梳理和优化，进一步降低晶体制备成本，提升晶体闪烁性能，为推进镥基闪烁晶体研发与应用的不断发展提供更加充分的支持和动力。

1.闪烁晶体的概述与应用场景

一般来说，所谓闪烁晶体主要指的是在各类高能粒子的撞击下能够将粒子动能转化为光能，从而发出闪烁光芒的一种晶体类型，在高能物理、核医学成像、工业CT 等场景当中具有极为广泛的应用价值。在早期的商业化应用当中，常用的闪烁晶体类型主要包括掺铊碘化钠闪烁晶体（Nal（Tl））、锗酸铋晶体（BGO）、钨酸镉晶体（CdWO4）等几种类型，但由于这些闪烁晶体的生产成本较高，闪烁性能不佳，一些晶体甚至存在较强的毒性，因此亟待针对晶体生长工艺进行优化与改良。

2.镥基闪烁晶体的主要类型与特点

2.1 硅酸镥系列闪烁晶体

2.1.1 Lu2SiO5 晶体

作为硅酸镥（LSO）晶体系列当中最常见的一种类型，Lu2SiO5晶体对于高能粒子撞击的反应时间较为短暂，发光效果较好，受外界环境影响较小，因此适宜应用在高能物理领域的粒子探测以及核医学成像等领域当中[1]。20 世纪末期，国外学者就针对Lu2SiO5晶体的闪烁性能进行了全面研究，并提出了相应的应用策略。

但与此同时，Lu2SiO5晶体同样也存在着一定的短板和问题。相较于传统的BGO 闪烁晶体来说，Lu2SiO5晶体的熔点较高，生长与制备难度较大，大规模生产存在着一定的困难。另外，由于其内部成分因素的影响，Lu2SiO5晶体还存在着闪烁余辉的现象，可能会对其正常应用产生制约，因此，一些研究者开发出了硅酸钇镥（LYSO）闪烁晶体，加入钇元素之后，相较于Lu2SiO5晶体来说，LYSO 晶体的熔点实现了一定程度的下降，有效提升了闪烁晶体的生产效益，但在大规模生产的背景下，LYSO 晶体仍存在着均匀性控制难度大等问题亟待解决。

2.1.2 Lu2Si2O7:Ce 晶体

Lu2Si2O7:Ce 晶体又称为焦硅酸镥晶体，与Lu2SiO5晶体比较而言，Lu2Si2O7:Ce 晶体的光输出属性、生产成本、发光效率等指标均具备一定的优势，我国与法国在Lu2Si2O7:Ce 晶体的生产与制备方面均已形成了一定的成果，最大生长尺寸已能够达到Φ30mm×66mm，但由于其生产过程当中容易出现开裂现象，因此距离商业化与工业化的应用尚存一定的距离[2]。

2.2 铝酸镥系列闪烁晶体

2.2.1 Lu3Al5O12 晶体

Lu3Al5O12晶体，又称为镥铝石榴石晶体，这一闪烁晶体的生产环境要求较低，生产成本较为有限，光闪烁性能较为良好，光产额度较高，衰减时间较快，在PET 探测场景当中将会发挥出至关重要的作用。但在Lu3Al5O12晶体的研究和制备过程当中，其原子位格之间可能会发生一定的冲突现象，从而导致反位缺陷的产生，给闪烁晶体的质量控制工作造成了一定的挑战和难度。为进一步减少Lu3Al5O12晶体生产和制备过程当中可能出现的反位缺陷现象，晶体材料学者纷纷进行了针对性的研究和考量，一些学者认为，在Lu3Al5O12晶体当中掺杂镓（Ga）离子可能会减少Lu3Al5O12晶体反位缺陷产生的可能性，从而进一步提升晶体制备与生产质量，但这一技术策略仍处于验证和研究阶段，距离实际投入工业化生产仍有一定的距离。

2.2.2 LuAlO3:Ce 晶体

LuAlO3:Ce 晶体又称为掺铈铝酸镥晶体，其耐高温性能较为显著，光闪烁性能极为良好，受到了一些闪烁晶体材料专家的关注。但在LuAlO3:Ce 晶体的生长和制备过程当中，对于Ce 离子的分配与变化尚未形成较为一致的观点和看法，对其最优制备与生长技术的研究仍处于初级阶段，LuAlO3:Ce 晶体的生长和制备成功率较为低下，优质晶体个体的生长成功率甚至低于25%，给进一步控制大规模晶体生产与制备成本带来了一定的难度和挑战。另外，受到Ce 离子掺杂量、闪烁晶体生长工艺等因素的影响，晶体个体还可能会在生长过程当中出现开裂或透明度低下等现象，给晶体的光学性能以及闪烁性能造成了一定的负面影响。

3.镥基闪烁晶体的制备与生长方式

3.1 提拉法

提拉法是闪烁晶体生长与制备过程当中应用最为广泛的技术手段之一。通过提拉法针对镥基闪烁晶体进行制备和生长的技术发展已较为成熟，目前已能够生产出尺寸为Φ60mm×160mm 的LSO 闪烁晶体[3]。其具体生长与制备流程如下。

首先，由技术人员针对晶体生长设备进行准备，其设备应当包括原料加热模块、坩埚、籽晶夹、传动功能模块、气氛控制模块以及温度控制模块等几个部分（见图1），从而有效提升镥基闪烁晶体制备与生长质量，进一步减少晶体生长过程当中出现的问题和风险。

图1 提拉法制备镥基闪烁晶体的设备结构

其次，在坩埚内部针对闪烁晶体生长原料进行加热和融化，并采用温度控制模块针对晶体制备原料的温度场进行调控，确保其生长温度适宜。

最后，利用提拉设备在坩埚内部进行提拉和旋转，使生长原料能够在适宜的温度以及设备的提拉下形成特定形态的晶体，从而进一步满足商业乃至工业生产领域的相关需求。

在运用提拉法针对镥基闪烁晶体进行制备和生产的过程当中，应当注意以下几方面内容。第一，应做好温度的控制工作。相较于早期商业工业领域当中的闪烁晶体制备工艺而言，采用提拉法针对镥基闪烁晶体进行制备和生产对于其生产环境与生长温度具有更高的要求，技术人员应当针对温控模块进行合理控制，避免温度过高或过低给闪烁晶体的正常制备带来相应的流程或质量问题。其次，应当做好原料的预处理工作。镥基闪烁晶体的制备和生长与原料质量呈正相关，因此，技术人员应当在正式开始制备之前，采用干燥机与压片机对其原料进行预制，从而为后续流程提供相应的支持和铺垫。最后，在晶体的生长制备过程当中，技术人员还应当进行全方位跟踪监控，结合坩埚内部晶体生长速率以及生长形态对提拉设备的转速进行控制，尽可能避免晶体生长过程当中出现的开裂或透明度下降等现象，确保提拉法晶体生产质量与预期要求相一致[4]。

3.2 穆萨托夫方法

俄罗斯一些晶体材料研究学者在提拉法的基础之上研究出了穆萨托夫方法，其主要特点包括对设备要求较低，生产过程当中不需要进行旋转、闪烁晶体生长较为均衡，质量问题较少等，但在实际生产和使用过程当中，穆萨托夫方法仅限于在掺铈的硅酸镥闪烁晶体（LSO:Ce）的制备当中，尚未出现采用穆萨托夫方法进行的其他镥基闪烁晶体的制备和生长研究。

3.3 溶胶-凝胶法

采用溶胶-凝胶技术同样也能够按照相关目标需求制备出相应的镥基闪烁晶体，并确保晶体生长质量及其光透均匀性，但在工业化生产过程当中，一些场景和领域对于镥基闪烁晶体的生长体积要求较高，利用溶胶-凝胶法往往很难确保镥基闪烁晶体的生长与制备尺寸符合工业场景需要，因此仍需技术人员和研究者进行进一步的探究和分析。

4.未来镥基闪烁晶体生长工艺的发展方向

4.1 降低生长成本

为进一步适应高能物理领域、核医学成像领域以及工业CT 领域等应用场景对于镥基闪烁晶体的相关生产需求，晶体材料研究者与相关技术人员仍然需要针对晶体生产与制备技术进行优化和改进。首先，需要针对性降低镥基闪烁晶体的生长成本。作为一种在工业领域当中具有广泛应用前景的闪烁晶体类型，镥基闪烁晶体以其在闪烁性能、发光性能等方面相较于传统工业闪烁晶体具有较为显著的优势，但受到其熔点、生产原料、生产工艺等因素的影响，现阶段镥基闪烁晶体的制备成本仍普遍较高，无论是提拉法、穆萨托夫方法还是溶胶-凝胶法，其生长过程当中的消耗与支出均较为显著，给工业化大规模的应用造成了一定的困难和影响。因此，相关技术人员与晶体材料研究者应当从工艺优化以及原料配比剖析等方面入手，针对性降低镥基闪烁晶体生产与制备成本，确保其工艺得到进一步优化和提升[5]。例如在针对Lu3Al5O12晶体进行生产和制备的过程当中，传统的生长与制备工艺可能会使晶体内部出现原子位格冲突，进而发生严重的反位缺陷，因此一些研究者开始尝试在Lu3Al5O12晶体的制备工艺当中添加相应的镓（Ga）离子，从而有效减少了原子位格冲突导致的反位缺陷发生，使Lu3Al5O12晶体制备成品率得到了更加显著的飞跃，为有效控制镥基闪烁晶体生产与制备成本提供了相应的保障与支持。另外，相关研究人员以及技术人员还可以采用针对性措施和手段做好镥基闪烁晶体制备与生产废物的回收与还原工作，一方面能够降低闪烁晶体生长对于环境产生的污染和影响；另一方面还能使晶体生长原料的来源得到进一步拓展，为实现成本支出控制的预期目标提供了更加有效的支持和帮助[6]。

4.2 提高生长速度

除了成本管控外，进一步提升生长速度同样也是镥基闪烁晶体生长与制备工艺优化与改良的关键所在。在现阶段的镥基闪烁晶体生长与制备工艺的研究过程当中，一些镥基闪烁晶体在闪烁性能、发光性能以及环境适应性能等方面均具有较为显著的地位，但受到工艺、原料等限制因素的影响，导致晶体生长速度较慢，难以充分有效地满足现代社会工业领域以及商业领域对于镥基闪烁晶体的相关需要，对相关领域的长效化发展形成了一定的限制和制约[7]。因此，为了更加有效地提升镥基闪烁晶体生长工艺与高能物理研究领域、工业CT 领域以及核医学成像领域的适应性，技术人员应针对其生产工艺的效率与速度进行全面优化，尽可能采取措施在保障闪烁晶体生长质量的前提下提升晶体生长速度，使相关应用场景以及应用领域能够具备更加完备的物质基础以及物质保障，推动物理研究领域乃至工业医学领域的持续化发展。

4.3 强化晶体质量

在现阶段的镥基闪烁晶体生长与制备工艺当中，一些晶体类别受工艺流程、生长环境、生产原料等因素的影响，容易出现开裂、透明度下降等质量问题，导致最终生产成品质量不符合相关工业领域应用标准，影响了镥基闪烁晶体生产工艺的不断进步。技术人员应当从原料预处理以及生长流程管控等层面入手，尽可能降低外界因素对于闪烁晶体生长质量产生的影响和冲击，确保其最终光透程度以及发光性能能够符合应用领域的需要。

5.结论

作为一种在物理研究领域乃至工业医学领域发挥着关键性作用的晶体材料类别，技术人员应当结合镥基闪烁晶体的基本特性针对其主要类别进行梳理和分析，并按需针对其生长工艺进行优化和改进，为降低晶体生产成本，提升晶体生产效率作出更具针对性的贡献。