铝基硅基含氧酸盐闪烁晶体性能对比分析

doi:10.19894/j.issn.1000-0518.250434

摘要/Abstract

摘要：

闪烁晶体是一类能够在高能粒子或射线作用下产生可见光，并将辐射能量转化为光子的晶体材料。本研究以Ce∶Y₃Al₅O₁₂（Ce∶LYSO）和Ce∶LuYSiO₅（Ce∶YAG）闪烁晶体为研究对象，进行了系统的性能测试。在光产额方面，Ce∶YAG晶体的光产额为52300 ph/MeV，Ce∶LYSO晶体的光产额为27700 ph/MeV。在检测限方面，Ce∶LYSO晶体的最低可检测X射线剂量率为92 μGy/s，Ce∶YAG晶体为95 μGy/s，这一特性表明2种晶体对低剂量X射线均具有高灵敏度，适合低剂量辐射探测场景。上述数据为Ce∶LYSO和Ce∶YAG闪烁晶体在辐射成像领域的应用提供了重要依据。

关键词: 闪烁晶体, 生长方法, 光产额, 检测限, 辐照稳定性

Abstract:

Scintillation crystals are a class of crystalline materials that can generate visible light under the action of high-energy particles or high-energy radiation， and convert the kinetic energy of high-energy particles into light energy. This study takes two types of scintillation crystals， Ce∶LuYSiO₅ （Ce∶LYSO） and Ce∶Y₃Al₅O₁₂ （Ce∶YAG）， as the research objects and conducts systematic performance tests. For the light yield， the measurement was conducted using the ORTEC4518 scintillation detector system， and the results showed that the light yield of the Ce∶YAG crystal is 52300 ph/MeV， while that of Ce∶LYSO crystal is 27700 ph/MeV. In terms of detection limits， the measurement was performed using the Lanjing Technology LJ-WF300 low-background multi-channel γ-spectrometer. The results showed that the minimum detectable X-ray dose rate of the Ce∶LYSO crystal is 92 μGy/s， and that of the Ce∶YAG crystal is 95 μGy/s. This characteristic indicates that both crystals exhibit high sensitivity to low-dose X-rays， making them suitable for low-dose radiation detection scenarios. The above data provides an important basis for the application of Ce∶LYSO and Ce∶YAG scintillation crystals in the radiation imaging field.

Key words: Scintillation crystals, Growth methods, Light yield, Detection limit, Irradiation stability

中图分类号:

O616

王新宇, 高乐乐, 曹慧慧, 曾繁明, SHELEG Valery-Konstantinovich, KRAVCHUK Marina-Anatolyevna, 宋术岩, 冯婧, 张洪杰. 铝基硅基含氧酸盐闪烁晶体性能对比分析[J]. 应用化学, 2026, 43(2): 217-225.

Xin-Yu WANG, Le-Le GAO, Hui-Hui CAO, Fan-Ming ZENG, Valery-Konstantinovich SHELEG, Marina-Anatolyevna KRAVCHUK, Shu-Yan SONG, Jing FENG, Hong-Jie ZHANG. Comparative Analysis of Properties of Aluminum-Based and Silicon-Based Oxyanate Scintillation Crystals[J]. Chinese Journal of Applied Chemistry, 2026, 43(2): 217-225.

图/表 6

图1 （A） Ce∶YAG和（B） Ce∶LYSO闪烁晶体的图片

Fig.1 Image of （A） Ce∶YAG and （B） Ce∶LYSO scintillation crystal

图2 （A） Ce∶LYSO和（B） Ce∶YAG闪烁晶体的发射光谱图

Fig.2 Emission spectra of （A） Ce∶LYSO and （B） Ce∶YAG scintillation crystal

图3 Ce∶YAG、Ce∶LYSO和BGO的辐射发光光谱

Fig.3 Radioluminescence spectra of Ce∶YAG， Ce∶LYSO and BGO

图4 （A） Ce∶LYSO晶体和（B） Ce∶YAG晶体在不同X射线剂量率下的辐射发光光谱

Fig.4 The radiation luminescence spectra of （A） Ce∶LYSO crystal and （B） Ce∶YAG crystal under different X-ray dose rates

图5 Ce∶LYSO （A）和Ce∶YAG （B）晶体的辐射稳定性图谱

Fig.5 Radiation stability graphs of Ce∶LYSO （A） and Ce∶YAG （B） crystals

图6 Ce∶YAG （A，B）和Ce∶LYSO （C，D）闪烁晶体的成像图片

Fig.6 Imaging of two types of scintillation crystals， Ce∶YAG （A，B） and Ce∶LYSO （C，D）

参考文献 30

[1]	DIROLL B T， GUZELTURK B. Scintillation of colloidal nanocrystals［J］. Chem Phys， 2024， 161： 121001.
[2]	武蕊，范东海，康阳，等. 半导体辐射探测材料与器件研究进展［J］. 人工晶体学报， 2021， 50（10）： 1813-1829.
	WU R， FAN D H， KANG Y， et al. Research progress on semiconductor radiation detection materials and devices［J］. J Synth Cryst， 2021， 50（10）： 1813-1829.
[3]	王晴晴，任国浩. 中子探测用钾冰晶石型闪烁晶体研究进展［J］. 硅酸盐学报， 2016， 44（3）： 457-463.
	WANG Q Q， REN G H. Research progress on potassium cryolite-type scintillation crystals for neutron detection［J］. J Chin Ceram Soc， 2016， 44（3）： 457-463.
[4]	WANG S， JIANG H， QIAO Y， et al. The research progress of vision-based artificial intelligence in smart pig farming［J］. Sensors， 2022， 22（17）： 6541.
[5]	MILBRATH B D， PEURRUNG A J， BLISS M， et al. Radiation detector materials： an overview［J］. J Mater Res， 2008， 23（10）： 2561-2581.
[6]	吕海江，蔡康松，焦铮，等. NaI（Tl）晶体的性能研究［J］. 安徽师范大学学报（自然科学版）， 2006， 5： 432-434.
	LV H J， CAI K S， JIAO Z， et al. Study on the properties of NaI（Tl） crystals［J］. J Anhui Norm Univ （Nat Sci）， 2006， 5： 432-434.
[7]	LIN R， ZHU Y， CHEN L， et al. Ultrafast （600 ps） α-ray scintillators［J］. Photoni X， 2022， 3（1）： 9.
[8]	孙权权，花悦旻，郭凌曦，等. 用于高能射线探测的硅酸钇镥闪烁晶体超精密加工技术研究［C］. 2018年光学技术与应用研讨会暨交叉学科论坛论文集， 2018： 198-202.
	SUN Q Q， HUA Y M， GUO L X， et al. Study on ultra-precision machining technology of lutetium yttrium silicate scintillation crystals for high-energy ray detection［C］. Proceedings of the 2018 Symposium and Interdisciplinary Forum on Optical Technology and Applications， 2018： 198-202.
[9]	XUE Z， CHEN L， ZHAO S， et al. Enhancement of scintillation properties of LYSO∶Ce crystals by Al codoping［J］. Cryst Growth Des， 2023， 23（6）： 4562-4570.
[10]	WITKIEWICZ L S， GORBENKO V， ZORENKO T， et al. Three-layered composite scintillator based on the epitaxial structures of YAG and LuAG garnets doped with Ce³⁺ and Sc³⁺ impurities［J］. Materials， 2024， 17（16）： 4025.
[11]	顾浩，宋连仁，何静贞. 钙钛矿型铝酸钇（YAP）晶体在还原气氛中的稳定性［J］. 应用化学， 1989， 6（4）： 96-98.
	GU H， SONG L R， HE J Z. On the stability of yttrium-aluminate perofskite （YAP） crystal in reducing atmosphere［J］. Chin J Appl Chem， 1989， 6（4）： 96-98.
[12]	韩涛，曹仕秀，赵聪，等. 铈掺杂钇铝石榴石黄色荧光粉形貌和粒度的制备工艺调控研究进展［J］. 应用化学， 2012， 29（7）： 733-739.
	HAN T， CAO S X， ZHAO C， et al. Progress in morphological and size control of cerium-doped yttrium aluminium garnet yellow phosphors［J］. Chin J Appl Chem， 2012， 29（7）： 733-739.
[13]	YANG Z， YAO J， XU L， et al. Designer bright and fast CsPbBr₃ perovskite nanocrystal scintillators for high-speed X-ray imaging［J］. Nat Commun， 2024， 15（1）： 8870.
[14]	LIU J， JIANG J， WANG S， et al. Fast response organic tandem photodetector for visible and near-infrared digital optical communications［J］. Small， 2021， 17（43）： 2101316.
[15]	MI Z， BIAN H， YANG C， et al. Real-time single-proton counting with transmissive perovskite nanocrystal scintillators［J］. Nat Mater， 2024， 23（6）： 803-809.
[16]	华哲浩，隋泽萱，钱森，等. Ce³⁺掺杂闪烁玻璃的研究进展［J］. 光电工程， 2023， 50（5）： 85-100.
	HUA Z H， SUI Z X， QIAN S， et al. Research progress on Ce³⁺-doped scintillation glasses［J］. Open Electron Eng， 2023， 50（5）： 85-100.
[17]	刘力挽，周秦岭，邵冲云，等. Ce³⁺掺杂SiO₂-Al₂O₃-Gd₂O₃玻璃的闪烁性能［J］. 物理学报. 2015， 64（16）： 419-425.
	LIU L W， ZHOU Q L， SHAO C Y， et al. Scintillation properties of Ce³⁺-doped SiO₂-Al₂O₃-Gd₂O₃ glasses［J］. Acta Phys Sin， 2015， 64（16）： 419-425.
[18]	SIDLETSKIY O， ARHIPOV P， TKACHENKO S， et al. Drastic scintillation yield enhancement of YAG∶Ce with carbon doping［J］. Phys Status Solidi A， 2018， 215（14）： 1800122.
[19]	LOPEZ L， PICHON P， LOISEAU P， et al. Ce∶LYSO， from scintillator to solid-state lighting as a blue luminescent concentrator［J］. Sci Rep， 2023， 13（1）： 7199.
[20]	LI J， MA Z， WANG F， et al. Synthesis and mechanoluminescent properties of submicro-sized Y₃Al₅O₁₂∶Ce³⁺ particles［J］. Chem Phys Lett， 2021， 775： 138664.
[21]	MINISCALCO W J， PELLEGRINO J M， YEN W M. Measurements of excited-state absorption in Ce³⁺∶YAG［J］. J Appl Phys， 1978， 49（12）： 6109-6111.
[22]	ADDESA F， ANDERSON T， BARRIA P， et al. Optimization of LYSO crystals and SiPM parameters for the CMS MIP timing detector［J］. J Instrum， 2024， 19（12）： P12020.
[23]	QU M， ZHANG X， MI X， et al. Luminescence color tuning of Ce³⁺ and Tb³⁺ co-doped Ca₂YZr₂Al₃O₁₂ phosphors with high color rendering index via energy transfer［J］. J Lumin， 2020， 228： 117557.
[24]	张誉戈，马舸，万鹏颖，等. X射线成像闪烁体光产额测量技术与优化方法［J］. 发光学报. 2025， 46（4）： 630-641.
	ZHANG Y G， MA K， WAN P Y， et al. Measurement technology and optimization methods of light yield for X-ray imaging scintillators［J］. Chin J Lumin， 2025， 46（4）： 630-641.
[25]	BODEK A， AUCHINCLOSS P. Simple formulae for light-yield considerations in the design of scintillator-Fe and scintillator-Pb sampling calorimeters［J］. Nucl Instrum Meth A， 1995， 357（2/3）： 292-295.
[26]	ROONEY B D， VALENTINE J D. Scintillator light yield nonproportionality： calculating photon response using measured electron response［J］. IEEE T Nucl Sci， 1997， 44（3）： 509-516.
[27]	ZHANG F， ZHOU Y， CHEN Z， et al. Large-area X-ray scintillator screen based on cesium hafnium chloride microcrystals films with high sensitivity and stability［J］. Laser Photonics Rev， 2023， 17（5）： 2200848.
[28]	PRADHAN A S， LEE J I， KIM J L. Recent developments of optically stimulated luminescence materials and techniques for radiation dosimetry and clinical applications［J］. J Med Phys， 2008， 33（3）： 85-99.
[29]	BONISCH J， KIRK A G， REHMAN S， et al. The fabrication of high resolution diffractive elements by electron beam microlithography［C］. 3rd Int Conf on Holographic Syst Components Appl， 1991， 16： 200-204.
[30]	ESPANA S， MARCINKOWSKI R， KEEREMAN V， et al. DigiPET： sub-millimeter spatial resolution small-animal PET imaging using thin monolithic scintillators［J］. Phys Med Biol， 2014， 59（13）： 3405.