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BGO闪烁晶体:中国获得辉煌成就的领域

2013-05-24 09:21
seele_jin
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  晶体是原子、离子或分子按照一定的周期性,在结晶过程中,在空间排列形成具有一定规则的几何外形的固体。所有晶体具有如下的通性:均匀性、各向异性、自范性、固定熔点性、对称性、X射线衍射。由于晶体所具有的各种各样的特性,它们在工业技术、高科技产业、国民生活等领域都具有非常重要的作用。通过长期的地质演变和迁移,自然界中存在许多千姿百态的天然晶体,它们或玲珑小巧,或光彩艳丽,令人叹为观止,比如珍贵稀有、璀璨夺目的天然金刚石和五颜六色的天然宝石。尽管地球上蕴藏着丰富多彩的天然晶体,但是它们无论在数量、品种和质量上都无法满足现代工业生产和科技进步的需求,因此人工模拟自然界的成矿条件,采用人工培育的方法生长晶体,就成为了一种研究、利用晶体的重要手段。在实验室中,采用精巧的设备,严格设定晶体生长所需的温度、气氛和组分等条件,生长出符合要求的高质量晶体,这种晶体就叫人工晶体。

  随着研究技术的进步,科学家开发生长出了越来越多的人工晶体,从极其难生长的金刚石晶体到很常见的氯化钠晶体,都可以在实验室进行人工制备。人工晶体的应用也是涉及到方方面面,比如用于集成电路、太阳能电池的单晶硅和高功率激光的非线性光学晶体。在种类繁多的人工晶体中,有一类晶体尤其受到科研人员的关注,那就是闪烁晶体(BGO晶体)。

  提到闪烁晶体,我们似乎感到很陌生,但是,我们中国人曾在这个领域取得了辉煌的成就。通常应用的闪烁晶体材料都是人工培育生长出来的,种类也很多,从化学成分来讲有氧化物、卤化物等。

  宇宙的形成、基本结构等奥秘一直是人类未解之谜,目前的一种共识是宇宙是通过大爆炸形成的,开始时,温度非常高,有电子、重电子、“层子”等高能量的小粒子。在随后的冷却过程中,这些小粒子逐渐变成质子、原子核、原子。为了探索宇宙形成、演变的奥秘,需要模拟宇宙形成时的条件,追踪小粒子的状况,从而获得宇宙形成时的信息。利用正负电子对撞机可以人工模拟宇宙刚爆炸时的温度,但是那些小粒子却不能通过常规的科学手段进行观察,因此,需要一双特别的“眼睛”来探测这些高能小粒子。闪烁晶体能在高能粒子(X射线或γ射线等)的辐射下发出可见光,与其他荧光材料(如荧光粉)不同,闪烁晶体是巨大的单晶体,它所发出的荧光能透过材料本身,而其他荧光材料只是粉末状的微晶,不透光。因此,闪烁晶体可测量入射粒子的能量和位置,可作为探测高能粒子的“眼睛”。

  BGO晶体由于具有密度大、化学稳定性好、不溶于水或有机溶剂、机械强度高等优良性能,是一种理想的闪烁晶体材料。生长高质量BGO晶体必须具备以下条件:高纯原料,严格配比,苛刻的生长环境,氧化气氛。目前BGO单晶体主要通过提拉法和坩埚下降法生长。自1965年第一根GBO单晶成功生长以来,BGO晶体经历了跨越式发展,不仅在高能物理、核医学成像领域有广泛应用,在核燃料扫描、地质勘探等方面也有重要作用。

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