掺锶的CsI(Tl)晶体闪烁体的发光和闪烁特性：在同步辐射及医学X射线成像中的应用

《Radiation Physics and Chemistry》：Luminescence and scintillation behaviors of Sr co-doped CsI(Tl) Crystal Scintillator: Application to Synchrotron and medical X-rays imaging

CsI(Tl)和Sr共掺杂CsI(Tl)晶体通过 Bridgman 技术制备，研究显示Sr掺杂使光输出下降12%但有效抑制余辉约1.5%，其X射线成像性能在医学和同步辐射断层扫描中具有应用潜力。

　　本文研究了通过掺杂锶（Sr）对铯碘（CsI）晶体的发光性能的影响，特别是在X射线成像系统中的应用潜力。CsI(Tl)是一种广泛应用于X射线探测器的闪烁晶体，因其具有较高的发光效率、适中的有效原子序数（Zeff）以及较低的吸湿性等特性。然而，CsI(Tl)晶体在实际应用中仍存在一些问题，例如其较长的余辉时间，这会干扰高速成像系统的性能。因此，本研究尝试通过引入Sr作为共掺杂剂，改善CsI(Tl)晶体的余辉特性，同时评估其对整体发光性能的影响。

研究采用Bridgman技术生长了两种CsI(Tl)晶体：一种为单掺杂Tl，另一种为Tl和Sr的共掺杂，其中Sr的掺杂浓度分别为0.10 mol%和0.20 mol%。在生长过程中，研究人员特别注意了原材料的纯度和防潮处理，以确保晶体质量。实验中，通过X射线诱导发光（X-ray induced luminescence）研究了不同掺杂浓度下的发光特性，并对晶体的光输出、能量分辨率、衰减曲线以及余辉行为进行了系统评估。

实验结果显示，Sr共掺杂并未显著改变CsI(Tl)晶体的发射光谱特征，其光谱仍然保留了原始CsI的发光特性以及Tl^+中心的发射信号。然而，光输出和能量分辨率却出现了下降。具体而言，当Sr掺杂浓度为0.20 mol%时，光输出比单掺杂Tl的CsI(Tl)晶体减少了约12%，而能量分辨率也有所恶化。这表明Sr的引入可能对晶体内部的缺陷结构或载流子迁移行为产生了影响，从而降低了光输出效率。尽管如此，研究还发现Sr共掺杂显著抑制了晶体的余辉现象，其余辉强度比单掺杂晶体降低了约1.5%。这一结果表明，Sr能够有效减少晶体的余辉，从而提升其在高速成像应用中的性能。

余辉现象是影响闪烁晶体在X射线成像中应用的重要因素之一。在CsI(Tl)晶体中，余辉主要源于被陷阱捕获的电子（Tl^0）在受热后重新结合并释放能量的过程。这一过程会导致晶体在X射线照射后仍持续发光一段时间，从而影响图像的清晰度和实时性。通过Sr的共掺杂，研究发现晶体的余辉得到了有效抑制，这可能与Sr在晶体中形成了一种新的陷阱结构，或与Sr对Tl^+中心的某种改性有关。Sr的引入改变了晶体内部的电子-空穴复合机制，使得余辉的持续时间大幅缩短。然而，这种改善是以牺牲光输出和能量分辨率为代价的，因此需要在实际应用中权衡这些性能指标。

在X射线成像方面，研究还评估了共掺杂Sr的CsI(Tl)晶体在诊断X射线和同步辐射X射线源下的成像性能。实验表明，尽管光输出有所下降，但晶体在同步辐射X射线成像中的表现仍然具有一定的应用潜力。同步辐射X射线具有较高的能量和较强的穿透能力，适用于高精度的成像系统，如同步辐射X射线计算机断层扫描（X-ray computed tomography）。而诊断X射线则更常用于常规的医学成像，例如X射线摄影和CT扫描。因此，Sr共掺杂的CsI(Tl)晶体在不同X射线成像系统中的表现需要进一步分析。

研究还指出，当前对于Sr共掺杂CsI(Tl)晶体在X射线成像方面的研究尚属初步，尚未有系统性的评估。因此，本研究的意义在于填补这一空白，为未来开发更高效的X射线成像系统提供理论依据和实验数据支持。此外，该研究还探讨了Sr共掺杂对晶体热发光特性的影响，进一步揭示了其在不同环境条件下的稳定性。

从应用角度来看，CsI(Tl)晶体在医学成像和同步辐射X射线计算机断层扫描中的应用具有重要意义。医学成像需要高灵敏度和快速响应的探测器，以确保图像的清晰度和实时性。而同步辐射X射线计算机断层扫描则对探测器的性能提出了更高的要求，例如更高的光输出、更短的衰减时间以及更低的余辉。因此，通过共掺杂Sr来改善CsI(Tl)晶体的余辉特性，可能有助于提升其在这些高端成像系统中的表现。

尽管Sr共掺杂对光输出和能量分辨率带来了负面影响，但这些性能指标在一定程度上可以通过优化掺杂浓度或其他掺杂策略来平衡。例如，研究中提到的0.10 mol%和0.20 mol%的Sr掺杂浓度，可能分别代表了不同应用需求下的最佳选择。0.10 mol%的掺杂可能对晶体的性能影响较小，更适合常规医学成像；而0.20 mol%的掺杂虽然进一步抑制了余辉，但对光输出和能量分辨率的影响更为明显，可能更适合对余辉要求极高的同步辐射成像系统。

此外，研究还强调了Sr共掺杂在改善晶体性能方面的潜力。与其他共掺杂剂（如Sm^2+、Eu^2+、Yb^2+、Tm^2+和Bi^3+）相比，Sr的引入对余辉的抑制效果更为显著。然而，这些共掺杂剂通常会伴随光输出和能量分辨率的下降，这在一定程度上限制了它们的应用范围。相比之下，Sr共掺杂在抑制余辉的同时，对光输出和能量分辨率的影响相对较小，这可能使其成为一种更有前景的改性策略。

在实验方法上，研究采用了多种技术手段，包括X射线诱导发光分析、粉末X射线衍射（XRD）以及热发光测量等。这些方法不仅能够评估晶体的发光性能，还能提供关于其晶体结构和缺陷分布的信息。通过XRD分析，研究人员确认了所有生长的晶体均保持了单一的CsI晶相，没有出现其他杂质相。这表明Sr的掺杂并未破坏晶体的结构稳定性，而是通过改变缺陷结构或载流子行为来改善其发光特性。

在实际应用中，晶体的性能不仅依赖于其发光效率，还受到环境因素的影响，例如温度变化。因此，研究还探讨了Sr共掺杂对晶体光输出温度稳定性的影响。实验结果显示，Sr共掺杂并未显著改变晶体的光输出随温度变化的特性，这表明其在不同温度条件下的性能相对稳定。这一发现对于晶体在实际成像系统中的应用具有重要意义，因为许多成像设备需要在不同的温度环境下运行，而温度稳定性是衡量晶体性能的重要指标之一。

总体而言，本研究通过系统评估Sr共掺杂对CsI(Tl)晶体性能的影响，为开发高性能的X射线成像系统提供了新的思路。尽管Sr的引入对光输出和能量分辨率带来了挑战，但其对余辉的显著抑制效果表明，这种改性策略在某些应用场景中具有不可忽视的优势。未来的研究可以进一步探索不同掺杂浓度下的性能平衡，以及如何通过其他掺杂元素或处理工艺来优化晶体的综合性能。此外，研究还可以拓展到其他类型的闪烁晶体，以评估Sr共掺杂的普适性。

综上所述，Sr共掺杂的CsI(Tl)晶体在X射线成像系统中展现出了独特的性能优势，尤其是在抑制余辉方面。尽管其光输出和能量分辨率有所下降，但这些性能的优化可能在某些应用领域中更为重要。因此，该研究不仅为CsI(Tl)晶体的改性提供了新的方向，也为未来开发更高效的X射线成像设备奠定了基础。