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摘要：掺铈硅酸钇镥单晶体因具有高密度、高光输出、快衰减等优势在高能物理、核物理和核医学等领域具有潜在的应用价值。本文综合分析了掺铈硅酸钇镥的几个关键物理特性，并提出规模化生产该晶体的建议。
关键词：掺铈硅酸钇镥；光输出；衰减时间
闪烁晶体被用来探测g射线或X射线，在高能物理、核物理、核医学等领域有着重要的应用[1]。迄今为止，人们研制出了大量的闪烁晶体，经历了由70年代的NaI（Tl）到鍺酸铋（BGO），八十年代的硅酸钆再到90年代以后陆续被发现的铈掺杂正硅酸镥（LSO：Ce）、硅酸钇镥（LYSO：Ce）等。这些晶体都有各自的优势和特点，被人们不断优化推新，获得更好应用。
1. 硅酸钇镥晶体与其它晶体比较
碘化钠（NaI：Tl）是开发较早和应用较普遍的一种闪烁晶体，具有迄今最高的光输出，为38000光子/MeV。但遗憾的是，NaI（Tl）衰减时间长，增加了系统死时间和随机符合率，而且具有吸湿性，密度低，阻止能力较差的弱点[，1-2]。
PET所用的另一种重要晶体是锗酸铋（BGO），其通式为Bi4Ge3O12。BGO无吸湿性并且密度大、阻止本领强、灵敏度高。但BGO晶体光输出较低，为6000光子/MeV，即为NaI（Tl）光输出的15%，这会导致PET探测能量分辨率差；另外，BGO晶体的衰变时间长，为300纳秒（ns），这对于PET系统中所用的符合检测（coincident detection）仍显得过慢[3-4]。
80年代早期开发出适于PET应用的铈掺杂正硅酸钆（GSO）晶体，它的通式为Ce：Gd2SiO5。GSO具有60ns的短得多的衰变时间，和约10000光子/MeV的光输出，即为NaI（Tl）光输出的25%[5]，这样的光输出也稍显不足。
90年代早期，发现了通式为Ce：Lu2SiO5的铈掺杂正硅酸镥（LSO）晶体，到目前为止，LSO仍具有最好的综合性能。LSO的衰变时间仅为47ns，并且光输出为29000光子/MeV，即为NaI（Tl）的大约76%。尽管LSO具有优异的性能，但是它仍存在问题。例如，原料价格昂贵、熔点高等，LSO一个最严重的问题是晶块（boule）与晶块之间甚至同一晶块内顶部与底部之间的光输出不均匀，相差较大[6-11]。
近年来，铈掺杂硅酸钇镥（LYSO：Ce）晶体被认为是PET应用中综合性能最好的材料[12-15]。LYSO：Ce也具有极高的光输出，最高达NaI（Tl）光输出的96%，并具有相似的快的衰变时间38ns。同时，由于钇的加入不仅大大降低生产成本，同时还降低了熔体熔点近100℃。
2. 掺铈硅酸钇镥晶体物理特性
（1）有效原子序数高
闪烁晶体有效原子序数（Zeff）大小直接或间接决定了射线与物质相互作用的机理以及射线的截止能量（stopping power）。其中，在X射线或低能的g射线探测领域，为了增大射线的光电效应截面，常常需要闪烁晶体具有较大的有效原子序数。物质的有效原子序数表达为：
其中，Wi为组成晶体的原子i的重量百分质量，Zi为组成晶体原子i的有效原子序数。
对于LYSO：Ce（），Lu、Y、Si、O、Ce原子的原子序数分别为71，39，14，16，和58，它们各自占的重量百分比分别为94.65%，5.35%，39.11%，8.42%，48.13%和0.093%，带入式中计算得到LYSO：Ce有效原子序数约为70.1。其与其它晶体原子序数比较列于表1中。
（2）Ce掺杂，提高硅酸钇镥光输出和衰减时间
在几乎所有闪烁计数领域都要求无机闪烁晶体具有大的光输出和较快的时间衰减常数。在不同基质铈离子的荧光性质有很大的不同。在铈离子掺杂的硅酸钇镥晶体中不仅具有较快的衰减时间，而且晶体的光输出也很大。
三价铈离子Ce3+是稀土离子中荧光效率高，发射峰能与光敏器件很好地耦合的激活离子，可以掺入很多晶体基质中实现闪烁发光。Ce3+具有4f1电子组态，其基态是由2F5/2和2F7/2的双重态组成。其发光起源于5d-4f能级的电偶极允许跃迁。电偶极允许跃迁5d-4f产生紫外或可见荧光，光衰减特别快，一般为十几到几十纳秒。闪烁荧光的产生机制主要是由于电子空穴对的复合。可以表现为如下表达形式：
，获得的硅酸钇镥光输出可达NaI（Tl）的81%，约为27000光子/MeV.衰减时间在38ns.如表2所示。
（3）钇（Y）的加入，有利于Ce3+离子进入格位，提高晶体发光均匀性，提高晶体质量
Ce：LYSO的晶体生长采用纯度99.99%以上的高纯Lu2O3、Y2O3、SiO2和CeO2。在晶体生长中，会形成Y2SiO5（YSO）晶相和Lu2SiO5（LSO）晶相。但由于LSO与YSO晶体同属于单斜晶系C2/c空间群结构[17]，因此LSO与YSO组分以任意比率互掺，不会改变晶体结构，只是Y3+和Lu3+的相互替代。在Ce：LYSO晶体中，Ce替代Lu和Y的格位。由于尺寸因素，Ce更多地进入Y的格位。
Y2SiO5晶相属单斜二轴晶系，其晶格常数a=1.250 nm，b=0. 672 nm，c=1. 042 nm，晶面角度B=102°68″。它有低温相（X1，P21/c空间群）和高温相（X2，I/a空间群）两种不同的单斜结构。在这两种构型中，Y3+占据两个不同的位置，在X1构型中，Y3+的配位数为7和9，在X2型中为6和7。Y2SiO5结构含有二个畸变的八面体Y格位和一个畸变的四面体Si格位，故又称一定程度无序结构的晶格。这二个Y的格位都可以为掺杂的稀土离子Ce3+所取代，所以会有二个发光中心，一般称为C1和C2。这样使发光中心能够均匀分布于晶体中，大大提高了晶体发光的均匀性。Ce3+分凝系数在Ce：LYSO的晶体中要高于在LSO：Ce中的值，也充分说明了Ce3+取代Y进入格位的事实[17]。Ce3+在晶体中分布的均匀性，在很大程度上提高了晶体的质量，有利于其在高能物理和核医学等领域应用中探测器分辨率提升。 （4）钇的加入，降低了晶体熔点，有利于晶体生长
由于Y取代Lu的格位，改变晶体结构，使晶体的整体熔点降低约100°C，见表2，这样无论对于提拉法和焰熔法生长晶体都是极为有利的。
3结论
Ce：LYSO，相比其它同类晶体，有效原子序数高，掺铈发光均匀性好，Y的掺入，降低了熔点，特别是提高了Ce的分凝系数，使其具备了明显的生长优势，同时也降低了晶体生长的价格。Ce：LYSO是具有明显综合优势的，优良的闪烁晶体，可规模化生产。
参考文献：
[1]C.L.Melcher. Scintillation Crystals for PET[J].The Journal of Nuclear Medicine，2000，41（6）：1051-1055.
[2] M.Korzhik，A.Fedorov，A.Annenkova （下转第页）
（上接第页）et al. Development of scintillation materials for PET scanners[J].
Nucl Instr and Meth A，2007，571（1-2）：122-125.
[3]M.J.Weber，R. R. Monchamp. Luminescence of Bi4Ge3O12：spectral and decay properties[J]. Journal of Applied Physics，1973，44：5495-5499
[4]Egidio Longo et al. 25years of scintillation crystals in high energy physics[J].Nucl.Ins. Meth. In phys.Res.A.，2002，486：7-12
[5]C.L.MELCHER，J.S.SCHWEITZER，T.UTSU et al. Scintillation properties of GSO[J] . IEEE Trans Nucl Sci，1990，37（2）：161 -164.
[6]崔素贤，郑燕青，施尔畏等，高温闪烁晶体Ce：LSO的生长研究[J].人工晶体学报，2002，31（6）：521-524.
[7]吴光照，张新民，朱汝德等.Ce：LuSiO5闪烁晶体生长[J].人工晶体学报，1996，25（2）：175-176.
[8]秦來顺，任国浩.硅酸镥闪烁晶体的研究进展与发展方向[J].人工晶体学报，2003，32（4）：286- 292.
[9]秦来顺，任国浩，李焕英等. Lu2SiO5BCe晶体生长中存在的主要问题[J]. 硅酸盐学报，2004，32（11），：1361-1366
[10] 秦来顺，陆 晟，李焕英等.硅酸镥闪烁晶体的生长与缺陷研究[J]. 人工晶体学报，2004，33（6）：999-1003.
[11]周娟，华王祥，徐家跃.新型闪烁晶体Ln2SiO5的研究进展[J].无机材料学报，2002，17（6）：1105-1111.
[12]T. Kimble，M. Chou，and B. H. T. Chai et al. Scintillation properties of Ce：LYSO crystals[J].IEEE Nuclear Science Symp. Conf，2002，3：1434–1437.
[13]W.Chewpraditkul，L.Swiderski，M.Moszynski，et al. Scintillation properties of LuAG：Ce，YAG：Ce for gamma-ray detection. IEEE Trans. Nucl. Sci. 2009，56，3800-3805.
[14]Cooke D W，McClellan K J，B. L. Bennett et al. Crystal growth and optical characterization of cerium- doped Lu1.8Y0.2SiO5.J. Appl. Phys，2000，88（12）：7360-7362.
[15]C.L. Melcher，J.S. Schweitzer. Cerium-doped lutetium oxyorthosilicate：a fast，efficient new scintillator，IEEE Transactions on Nuclear Science，1992，39（4）：502-505.
[16]He Feng，Dongzhou Ding，Huanying Li et al. Annealing effects on Czochralski grown Lu2Si2O7：Ce3+ crystals under different atmospheres[J].JOURNAL OF APPLIED PHYSICS 2008，103：083109
[17]严成锋，赵广军，张连翰等.大尺寸Ce：Lu1.6Y0.4SiO5闪烁晶体的生长和光谱特性[J].无机材料 学报，2005，20（6）：1301-1305.
[18]Laishun Qin，Huanying Li，Sheng Lu，et al.Growth and characteristics of LYSO scintillation crystals[J]. Journal of Crystal Growth 2005，28（1）：518–524.
关键词：掺铈硅酸钇镥；光输出；衰减时间
闪烁晶体被用来探测g射线或X射线，在高能物理、核物理、核医学等领域有着重要的应用[1]。迄今为止，人们研制出了大量的闪烁晶体，经历了由70年代的NaI（Tl）到鍺酸铋（BGO），八十年代的硅酸钆再到90年代以后陆续被发现的铈掺杂正硅酸镥（LSO：Ce）、硅酸钇镥（LYSO：Ce）等。这些晶体都有各自的优势和特点，被人们不断优化推新，获得更好应用。
1. 硅酸钇镥晶体与其它晶体比较
碘化钠（NaI：Tl）是开发较早和应用较普遍的一种闪烁晶体，具有迄今最高的光输出，为38000光子/MeV。但遗憾的是，NaI（Tl）衰减时间长，增加了系统死时间和随机符合率，而且具有吸湿性，密度低，阻止能力较差的弱点[，1-2]。
PET所用的另一种重要晶体是锗酸铋（BGO），其通式为Bi4Ge3O12。BGO无吸湿性并且密度大、阻止本领强、灵敏度高。但BGO晶体光输出较低，为6000光子/MeV，即为NaI（Tl）光输出的15%，这会导致PET探测能量分辨率差；另外，BGO晶体的衰变时间长，为300纳秒（ns），这对于PET系统中所用的符合检测（coincident detection）仍显得过慢[3-4]。
80年代早期开发出适于PET应用的铈掺杂正硅酸钆（GSO）晶体，它的通式为Ce：Gd2SiO5。GSO具有60ns的短得多的衰变时间，和约10000光子/MeV的光输出，即为NaI（Tl）光输出的25%[5]，这样的光输出也稍显不足。
90年代早期，发现了通式为Ce：Lu2SiO5的铈掺杂正硅酸镥（LSO）晶体，到目前为止，LSO仍具有最好的综合性能。LSO的衰变时间仅为47ns，并且光输出为29000光子/MeV，即为NaI（Tl）的大约76%。尽管LSO具有优异的性能，但是它仍存在问题。例如，原料价格昂贵、熔点高等，LSO一个最严重的问题是晶块（boule）与晶块之间甚至同一晶块内顶部与底部之间的光输出不均匀，相差较大[6-11]。
近年来，铈掺杂硅酸钇镥（LYSO：Ce）晶体被认为是PET应用中综合性能最好的材料[12-15]。LYSO：Ce也具有极高的光输出，最高达NaI（Tl）光输出的96%，并具有相似的快的衰变时间38ns。同时，由于钇的加入不仅大大降低生产成本，同时还降低了熔体熔点近100℃。
2. 掺铈硅酸钇镥晶体物理特性
（1）有效原子序数高
闪烁晶体有效原子序数（Zeff）大小直接或间接决定了射线与物质相互作用的机理以及射线的截止能量（stopping power）。其中，在X射线或低能的g射线探测领域，为了增大射线的光电效应截面，常常需要闪烁晶体具有较大的有效原子序数。物质的有效原子序数表达为：
其中，Wi为组成晶体的原子i的重量百分质量，Zi为组成晶体原子i的有效原子序数。
对于LYSO：Ce（），Lu、Y、Si、O、Ce原子的原子序数分别为71，39，14，16，和58，它们各自占的重量百分比分别为94.65%，5.35%，39.11%，8.42%，48.13%和0.093%，带入式中计算得到LYSO：Ce有效原子序数约为70.1。其与其它晶体原子序数比较列于表1中。
（2）Ce掺杂，提高硅酸钇镥光输出和衰减时间
在几乎所有闪烁计数领域都要求无机闪烁晶体具有大的光输出和较快的时间衰减常数。在不同基质铈离子的荧光性质有很大的不同。在铈离子掺杂的硅酸钇镥晶体中不仅具有较快的衰减时间，而且晶体的光输出也很大。
三价铈离子Ce3+是稀土离子中荧光效率高，发射峰能与光敏器件很好地耦合的激活离子，可以掺入很多晶体基质中实现闪烁发光。Ce3+具有4f1电子组态，其基态是由2F5/2和2F7/2的双重态组成。其发光起源于5d-4f能级的电偶极允许跃迁。电偶极允许跃迁5d-4f产生紫外或可见荧光，光衰减特别快，一般为十几到几十纳秒。闪烁荧光的产生机制主要是由于电子空穴对的复合。可以表现为如下表达形式：
，获得的硅酸钇镥光输出可达NaI（Tl）的81%，约为27000光子/MeV.衰减时间在38ns.如表2所示。
（3）钇（Y）的加入，有利于Ce3+离子进入格位，提高晶体发光均匀性，提高晶体质量
Ce：LYSO的晶体生长采用纯度99.99%以上的高纯Lu2O3、Y2O3、SiO2和CeO2。在晶体生长中，会形成Y2SiO5（YSO）晶相和Lu2SiO5（LSO）晶相。但由于LSO与YSO晶体同属于单斜晶系C2/c空间群结构[17]，因此LSO与YSO组分以任意比率互掺，不会改变晶体结构，只是Y3+和Lu3+的相互替代。在Ce：LYSO晶体中，Ce替代Lu和Y的格位。由于尺寸因素，Ce更多地进入Y的格位。
Y2SiO5晶相属单斜二轴晶系，其晶格常数a=1.250 nm，b=0. 672 nm，c=1. 042 nm，晶面角度B=102°68″。它有低温相（X1，P21/c空间群）和高温相（X2，I/a空间群）两种不同的单斜结构。在这两种构型中，Y3+占据两个不同的位置，在X1构型中，Y3+的配位数为7和9，在X2型中为6和7。Y2SiO5结构含有二个畸变的八面体Y格位和一个畸变的四面体Si格位，故又称一定程度无序结构的晶格。这二个Y的格位都可以为掺杂的稀土离子Ce3+所取代，所以会有二个发光中心，一般称为C1和C2。这样使发光中心能够均匀分布于晶体中，大大提高了晶体发光的均匀性。Ce3+分凝系数在Ce：LYSO的晶体中要高于在LSO：Ce中的值，也充分说明了Ce3+取代Y进入格位的事实[17]。Ce3+在晶体中分布的均匀性，在很大程度上提高了晶体的质量，有利于其在高能物理和核医学等领域应用中探测器分辨率提升。 （4）钇的加入，降低了晶体熔点，有利于晶体生长
由于Y取代Lu的格位，改变晶体结构，使晶体的整体熔点降低约100°C，见表2，这样无论对于提拉法和焰熔法生长晶体都是极为有利的。
3结论
Ce：LYSO，相比其它同类晶体，有效原子序数高，掺铈发光均匀性好，Y的掺入，降低了熔点，特别是提高了Ce的分凝系数，使其具备了明显的生长优势，同时也降低了晶体生长的价格。Ce：LYSO是具有明显综合优势的，优良的闪烁晶体，可规模化生产。
参考文献：
[1]C.L.Melcher. Scintillation Crystals for PET[J].The Journal of Nuclear Medicine，2000，41（6）：1051-1055.
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[5]C.L.MELCHER，J.S.SCHWEITZER，T.UTSU et al. Scintillation properties of GSO[J] . IEEE Trans Nucl Sci，1990，37（2）：161 -164.
[6]崔素贤，郑燕青，施尔畏等，高温闪烁晶体Ce：LSO的生长研究[J].人工晶体学报，2002，31（6）：521-524.
[7]吴光照，张新民，朱汝德等.Ce：LuSiO5闪烁晶体生长[J].人工晶体学报，1996，25（2）：175-176.
[8]秦來顺，任国浩.硅酸镥闪烁晶体的研究进展与发展方向[J].人工晶体学报，2003，32（4）：286- 292.
[9]秦来顺，任国浩，李焕英等. Lu2SiO5BCe晶体生长中存在的主要问题[J]. 硅酸盐学报，2004，32（11），：1361-1366
[10] 秦来顺，陆 晟，李焕英等.硅酸镥闪烁晶体的生长与缺陷研究[J]. 人工晶体学报，2004，33（6）：999-1003.
[11]周娟，华王祥，徐家跃.新型闪烁晶体Ln2SiO5的研究进展[J].无机材料学报，2002，17（6）：1105-1111.
[12]T. Kimble，M. Chou，and B. H. T. Chai et al. Scintillation properties of Ce：LYSO crystals[J].IEEE Nuclear Science Symp. Conf，2002，3：1434–1437.
[13]W.Chewpraditkul，L.Swiderski，M.Moszynski，et al. Scintillation properties of LuAG：Ce，YAG：Ce for gamma-ray detection. IEEE Trans. Nucl. Sci. 2009，56，3800-3805.
[14]Cooke D W，McClellan K J，B. L. Bennett et al. Crystal growth and optical characterization of cerium- doped Lu1.8Y0.2SiO5.J. Appl. Phys，2000，88（12）：7360-7362.
[15]C.L. Melcher，J.S. Schweitzer. Cerium-doped lutetium oxyorthosilicate：a fast，efficient new scintillator，IEEE Transactions on Nuclear Science，1992，39（4）：502-505.
[16]He Feng，Dongzhou Ding，Huanying Li et al. Annealing effects on Czochralski grown Lu2Si2O7：Ce3+ crystals under different atmospheres[J].JOURNAL OF APPLIED PHYSICS 2008，103：083109
[17]严成锋，赵广军，张连翰等.大尺寸Ce：Lu1.6Y0.4SiO5闪烁晶体的生长和光谱特性[J].无机材料 学报，2005，20（6）：1301-1305.
[18]Laishun Qin，Huanying Li，Sheng Lu，et al.Growth and characteristics of LYSO scintillation crystals[J]. Journal of Crystal Growth 2005，28（1）：518–524.