上海硅酸盐研究所研究员 李培俊
玲珑剔透、光彩夺目的金刚石以及五颜六色的天然宝石都是自然界出产的晶体。在人类文明的漫长进程中，由于宝石的瑰丽、罕见、珍贵，古代人们曾把它佩带在身上，作为克邪护身的法宝，后来则被用来制作戒指、耳环、项琏等装饰品，美化人们的生活。
晶体物质由于具有各种各样的特性，所以还是各种技术用的重要材料，特别是在近代由于新技术的飞速发展，要求具有各种性能的晶体材料，而自然界蕴藏的晶体不论在质量上、数量和品种上都满足不了需要，因此科学家就模拟自然界的成矿条件，采用人工方法来培育晶体，这就叫做人工晶体。
人工晶体种类繁多，真是五花八门，这里要介绍的是近年来日益受到人们青睐的一大类晶体--闪烁晶体。
说到闪烁晶体，人们会感到陌生。我们知道，当高速度运动的电子流轰击某些固体物质时，被轰物体能发生一种看不见的电磁波，叫做X光，X光的穿透本领是很大的，无论是人体的组织，还是几厘米厚的钢板，它们都能畅通无阻，因此可用来进行医疗诊断、工业探伤和物质分析等，但从X光管发出的X光，人们是看不见的，可是当它照射到一个荧光屏上就会发出荧光来，这样医生就看到了X光透视人体的情况，同样质量检验员就可了解到被检物体内部质量有没有问题，这个荧光屏就起到了把人眼看不见的X光转变成看得见的光线的作用。这些能在X光照射下激发出荧光来的材料叫做闪烁材料，当然闪烁材料除了在X光照射下会发出荧光外，其他像放射性同位素蜕变产生的高能射线如α射线、β射线照射它时也会发出荧光来，人们利用闪烁材料的这种特性做成了测量各种射线的探测器，即当高能射线照射到探测器上后，闪烁材料便发出荧光，射线愈强，发出的荧光愈强，这荧光被光电转换系统接收并转变成电信号，经过电子线路处理后，便能在指示器上指示出来，因此人们将这种探测器比喻为看得见X光和其他高能射线的"眼睛"。
通常应用的闪烁晶体材料都是用人工方法培育出来的，种类也很多，从化学成分来讲有氧化物、卤化物(包括碘化物、氟化物)等，图1为澳门赌场上海硅酸盐所生产的各种闪烁晶体。
图1 琳琅满目的闪烁晶体
用来生长闪烁晶体的方法主要有两种，一种叫引上法，它是将粉末状原料称量混匀后放入坩埚中，在电炉中加热至高温，使原料熔融，再在熔体中引入一个籽晶，然后将籽晶缓慢地往上提拉，就会在籽晶上逐渐地长出晶体来(图2)，另一种生长方法，将坩埚的上部装入原料，坩埚底部放入一个籽晶，将坩埚置于电炉的高温区，让原料以及籽晶的顶部熔化，然后开始徐徐下降坩埚，由于炉子下部的温度较低，这时晶体就会从籽晶顶部逐渐向上生长(图3)。对于卤化物晶体的生长，由于空气中的氧气和水分会对晶体的性能产生严重的影响，所以晶体生长还要在真空条件下进行。当然生长出来的晶体还要经过切割、研磨、抛光等加工以后才能使用。
图 2 引上法生长晶体
图 3 坩埚下降法生长晶体
闪烁晶体由于具有能探测射线的本领，而广泛应用于高能物理、核物理、放射医学、地质勘探、防爆检测等领域，成为人工晶体家族中的新宠儿。
以研究基本粒子为对象的高能物理家为了探求物质质量的源渊，正在耗巨资建造大型加速器，例如瑞士日内瓦欧洲核子研究中心正在建造的大型强子对撞机(图4)，其中央部位(绿色部分)叫电磁量能器，是对撞机的"心脏"，它就是采用钨酸铅闪烁晶体做成的射线探测器，共需七万多根大尺寸钨酸铅晶体。钨酸铅晶体受射线轰击后发生的脉冲光寿命非常短，只有几亿到几十亿分之一秒，抗射线辐照的能力强等，所以特别适宜于制造超高速核探测器。
图4 大型强子对撞机
图5 正电子发射断层扫描( PET )机
电子计算机断层扫描(CT)技术从上世纪70年代初问世后，使放射医学产生了革命性的变化，用于临床诊断的X射线CT扫描机(XCT)已是大家比较熟悉的医疗设备，它特别适用于肿瘤检查和诊断，XCT中的X射线探测器就是采用闪烁晶体如锗酸铋做成的，此外，正在迅速发展的正电子发射断层扫描(PET)是一种无创伤和无害的测量病人体内放射性标记物质三维密度分布的技术，它是将带有放射性同位素的标记药物注入人体，人体就成了正电子放射源，它必然俘获负电子，发出γ-射线，由于人体的各种不同组织对γ射线吸收能力不同，这样通过装在扫描机中的闪烁晶体例如锗酸铋就能将γ射线在人体内遇到的信息传递出来，再通过电脑处理后，就能将万千信息重新组成图像显示在荧光屏上，从而在分子水平上反映人体是否存在生理或病理变化，这种PET技术对冠心病、肿瘤、癫痫等疾病的检查具有独特的优势。图5为PET机正在检查病人，上部为病人脑部的图像。
CT技术在工业中的应用愈来愈受到人们的重视，工业用计算机断层扫描技术(工业CT)不仅成为工业设备或部件无损检测的新手段，而且正在迈入工业生产过程的在线实时质量监控和工业设备在不停产情况下的安全检查等领域，例如热轧无缝钢管的在线质量监测、发电机组的汽轮机在高温高压运行状态下的安全检查等。工业CT和医用CT的基本结构和原理是相似的，也包括放射源、探测器、电子学系统和计算机系统等，其中射线探测器就是采用闪烁晶体做成的。
在交通运输中，因旅客携带易爆物品酿成惨祸的事屡有所闻，国际恐怖分子用隐蔽爆炸物进行讹诈恐吓、劫持飞机的事件也时有发生，还有不法分子利用集装箱走私武器、爆炸物、毒品、贵金属等活动也日益猖獗，怎样能及时、准确地加以识别是长期来困扰人们的一个难题。就拿爆炸物来说，只要很少量的爆炸物就能造成严重的后果，更何况像塑料炸弹之类的甚至可做成薄片，伪装成行李箱的衬板，所以是很难发现的，爆炸物的成分与通常的衣服、塑料一样都是碳、氮、氧和氢，采用常规的分析探测手段是很难加以区别的，现在人们正在借助核探测技术来解决这个问题。采用的方法是将行李放在中子场中，如果行李中有隐藏的爆炸物，则中子与爆炸物发生作用产生特征的γ辐射，这时由闪烁晶体如氟化钡、锗酸铋做成的探测器便会输出信号，此外也有采用高能γ射线来辐照行李的方法，然后测量透过的γ射线，如果行李中隐藏有爆炸物，则透过的γ射线强度大为减弱，通过闪烁晶体做成的γ探测器的探测就能明察秋亳。图6为集装箱正在通过安装有闪烁晶体探测器的检查系统，这样集装箱就不用停车开箱检查，不仅提高了检查的准确性，而且大大提高了通关效率，加快了物流速度，其社会和经济效益都是很大的。
采用闪烁晶体制成的γ射线探测器还可用于石油勘探，当钻井找油时，人们根据探测器接收到的来自岩层的地质信息就可判断有无石油，它的储量以及能否从岩层中开采出来。
从上面谈到的各种核探测技术的应用，人们可以看到它就是凭借探测器中的闪烁晶体来感受射线的，因此闪烁晶体在核探测技术的推广应用中起着举足轻重的作用，越来越受到人们的重视。
图6 大型集装箱正在接受核探测检查 |
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