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一种射线探测材料及其用途和器件制造技术

技术编号:22358567 阅读:28 留言:0更新日期:2019-10-23 02:53
本发明专利技术公开了一种射线探测材料及其用途和器件。这种射线探测材料,其结构通式为A3B2X9,其中A为Cs、Ag、Rb、NH4中的一种或多种,B为Bi、Sb或Te中的一种或多种,X为卤族元素Cl、Br、I中的一种或多种。该材料具备高射线吸收系数、高载流子寿命迁移率乘积、极高的探测灵敏度、极低的检测极限、非常好的稳定性,可以制成X射线探测与成像的重要元件。

A kind of ray detection material and its application and device

【技术实现步骤摘要】
一种射线探测材料及其用途和器件
本专利技术属于新材料领域,具体涉及一种X射线及γ射线的探测材料及其用途和器件。
技术介绍
X射线又称伦琴射线,是一种波长范围在0.01纳米到10纳米之间,对应频率范围30PHz到30EHz,能量范围100eV到100KeV的电磁辐射。波长略大于0.5nm的X射线称之为软X射线。波长短于0.1nm的叫做硬X射线。由于X射线是可见光光子能量的几十倍至几万倍。γ射线是比X射线能量更高的一种射线。这些性质使其在物理学、工业、和医学上得到广泛的应用。X射线以及γ射线的穿透作用很强,在与物质相互作用时,仅一部分可以被物质吸收,剩余经原子间隙而透过,因此具有很强的穿透能力。由于其的穿透力与物质密度紧密相关,所以利用不同物质的吸收差别可以对密度不同的物质进行区分。X射线行李检查仪正是基于这一原理,在安保领域被广泛应用。在医学上,基于X射线造影的CT等技术,对疾病诊断和治疗有巨大帮助,业已成为一门专门学科,在生物医学领域占有重要地位。在医学成像和工业探伤领域,γ射线同样发挥着巨大作用,比如PET(正电子发射型计算机断层显像)的成像核心元件就是γ射线探测器。在上述多种应用场合下,X射线和γ射线的探测都是其中的关键环节,因此X射线探测器无论在科学研究或是工业生产中都有着重要的价值。对高能射线的检测主要有直接和间接两类方法,间接法是通过闪烁体将射线转化为可见光信号后用光电探测器检测;直接法则是将射线直接转换成电流。基于闪烁体的探测器阵列由于闪烁光在转换层内的横向扩散,具有有限的空间分辨率。因此,研究直接型固态半导体探测器具有更加重要的意义,也将成为未来高分辨X光成像的核心元件。众所周知,高能射线具有独特的生物效应,其与生物体的相互作用可使生物细胞受到抑制、破坏乃至坏死,会使得机体发生不同程度的生理、病理和生化等方面的改变。这一特性虽然可以被应用在治疗人体疾病,特别是肿瘤的治疗之上,但另一方面X射线也会导致脱发、皮肤烧伤、视力障碍和白血病等射线伤害的问题。因此,在各类成像和探测的应用中降低射线的剂量也成为科学界和工业界长期追求的目标,本专利技术提出的这一类对高能射线具有高灵敏度探测性能的材料,正是为了解决这个科学技术问题。目前最广泛使用的X射线探测器是基于间接探测的方案,该方案需要闪烁的荧光粉,首先将X射线光子转换为可见光光子,然后由光电二极管检测。一个更好的方式是将X射线辐射直接转换为电信号,因为它将使系统配置更简单,具有更高的空间分辨率。目前直接型探测的X射线探测和成像系统很少,大多数的商用设备还是使用硅来做探测,硅探测器对X射线并不灵敏,通常需要很大的剂量才能成像,当被检测对象是人和动物等活体时,这是一个很大的健康隐患。本专利技术提出的这类可以用作X射线探测的材料和器件,可以集成成成像系统,大大提高X射线成像的灵敏度,降低成像所需要的辐射剂量。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种新型的具有高探测灵敏度、低检测剂量、高稳定性、无有毒元素的X射线以及γ射线探测材料。本专利技术提供的射线探测材料,其结构通式为A3B2X9,其中A为Cs、Ag、Rb、NH4中的一种或多种,B为Bi、Sb或Te中的一种或多种,X为卤族元素Cl、Br、I中的一种或多种。优选的,A3B2X9中一类效果较优的材料结构通式为(NH4)3Bi2I9。这类具有(A3B2X9)型结构通式的材料,通常具有2维或者0维的晶体结构,代表了一大类材料体系。我们发现具备这一结构通式A3B2X9的材料其对X射线和γ射线都具备良好的探测性能。X射线以及γ射线是不同能量的电磁波,两者具有类似的物理性质,都具有较强的穿透能力,因此对探测材料的性能要求也是类似的,一般好的X射线材料也是γ射线的探测材料。两者都要求构成材料的元素具有较大原子序数、大的晶体密度、对于直接型探测来说,还需要高的电流迁移率和寿命的乘积,使得产生的载流子在外加电场作用下尽快的输运到电流两端,从而实现探测功能。另外,构成这类材料的元素分子量大较大,同时材料密度也比较大,在α=Z4/E3的关系下,α为X射线衰减系数,E为X射线光子能,从保证了高X射线吸收系数。此外,这类材料制作工艺成本极低、容易制作成大面积的平板X射线检测装置。总的来说这类材料除了优异的X射线吸收和检测性能以外,还具备如下加工上的工艺特点:(1)可以采用低成本的溶液法可以很容易地获得大单晶,尺寸易于放大;(2)晶体具有二维层状结构的易解理的特性,易于机械切割,操作简单。考虑到上述所有特点,我们认为这类材料有望成为一种性能优良、成本低廉、绿色环保的X射线探测器。本专利技术的另一目的在于提供一种射线探测材料的制备方法,其制备过程如下:首先,将含有元素B的氧化物B2O3、元素A的卤化盐AX,溶解于含有元素X的酸溶液HX中,充分搅拌溶解后得到混合溶液;其中A为Cs、Ag、Rb、NH4中的一种或多种,B为Bi、Sb或Te中的一种或多种,X为卤族元素Cl、Br、I中的一种或多种;然后将混合溶液进行加热,通过蒸发浓缩得到浓缩溶液;最后,将浓缩溶液转移至恒温的加热炉中,实现晶体生长,获得射线探测材料A3B2X9。优选的,晶体生长的时间为2天以上,时间越长晶体越大。本专利技术的另一目的在于提供一种上述制备方法制备得到的射线探测材料。前述各实现方式中的射线探测材料,均可以作为X射线探测材料、γ射线探测材料,并基于这些材料进一步制备X射线探测器、γ射线探测器、X射线探测成像装置和γ射线探测成像装置。本专利技术相对于现有技术而言,具有以下有益效果:本专利技术提供的具有层状晶体结构的X射线以及γ射线探测材料,具备高射线吸收系数、高载流子寿命迁移率乘积、极高的探测灵敏度、极低的检测极限、非常好的稳定性,可以制成X射线探测与成像的重要元件。附图说明图1为具有A3B2X9结构的晶体的结构图;图2为一种典型的(NH4)3Bi2I9晶体示意图;图3为基于这类材料的X射线探测器件结构示意图;图4为基于这类材料的X射线探测器件的X射线吸收能力示意图;图5为X射线探测器的最低检测极限(信噪比为3时对应的X射线剂量);图6为X射线探测器的最低检测极限(信噪比为3时对应的X射线剂量);图7为X射线探测器的最低检测极限(信噪比为3时对应的X射线剂量);图8为X射线探测器的在X射线开启和关闭时的电流响应;图9为X射线探测器的在X射线开启和关闭时的电流响应;图10为X射线探测器的在X射线开启和关闭时的电流响应;图11为X射线探测器的在X射线开启和关闭时的电流响应。具体实施方式下面结合附图和具体实施方式对本专利技术做进一步阐述和说明。对于本专利技术中的射线探测材料,我们发现这类适用于高能射线探测的材料具有(A3B2X9)型的结构通式,其B位置是3价的金属或者类金属元素,可以是Bi、Sb或Te,或者三价阳离子的组合。其中以Bi铋元素是非常绿色且稳定的金属元素。A位置可以是Cs、Ag、Rb、NH4等一价阳离子,或者是其中任意2种或2种以上一价阳离子的组合;X位置可以是Cl、Br、I卤素元素中一种,或任意两种、三种卤素原子的组合。其中,本专利技术还提供了一种此类射线探测材料的制备方法,具体过程为:首先,将含有元素B的氧化物B2O3、元素A的卤化盐AX,溶解于含有元素X的酸溶液HX中,充分搅拌溶解后得到混合本文档来自技高网
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【技术保护点】
1.一种射线探测材料,其特征在于,结构通式为A3B2X9,其中A为Cs、Ag、Rb、NH4中的一种或多种,B为Bi、Sb或Te中的一种或多种,X为卤族元素Cl、Br、I中的一种或多种。

【技术特征摘要】
1.一种射线探测材料,其特征在于,结构通式为A3B2X9,其中A为Cs、Ag、Rb、NH4中的一种或多种,B为Bi、Sb或Te中的一种或多种,X为卤族元素Cl、Br、I中的一种或多种。2.如权利要求1所述的射线探测材料,其特征在于,结构通式为(NH4)3Bi2I9。3.一种射线探测材料的制备方法,其特征在于,首先,将含有元素B的氧化物B2O3、元素A的卤化盐AX,溶解于含有元素X的酸溶液HX中,充分搅拌溶解后得到混合溶液;其中A为Cs、Ag、Rb、NH4中的一种或多种,B为Bi、Sb或Te中的一种或多种,X为卤族元素Cl、Br、I中的一种或多种;然后将混合溶液进行加热,通过...

【专利技术属性】
技术研发人员:杨旸庄任重
申请(专利权)人:浙江大学
类型:发明
国别省市:浙江,33

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