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鍺酸鉍

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鍺酸鉍
英文名 Bismuth germanate
Bismuth germanium oxide
識別
CAS號 12233-56-6  ✓
性質
化學式 Bi4Ge3O12
摩爾質量 1245.83 g·mol−1
若非註明,所有數據均出自一般條件(25 ℃,100 kPa)下。

鍺酸鉍(Bismuth Germanate 或 Bismuth Germanium Oxide,簡稱BGO)是Bi
2
O
3
-GeO
2
化合物的總稱,最常見的兩種鍺酸鉍化合物的化學式Bi
4
Ge
3
O
12
CAS:12233-56-6)和Bi
12
GeO
20
CAS:12233-73-7)。由於應用最為廣泛、研究最為深入,「鍺酸鉍」或「BGO」通常被用來特指Bi
4
Ge
3
O
12
(本條目亦遵從此習慣),這是一種立方晶系的無色透明晶體,在高能粒子或高能射線(γ射線X射線)的作用下能發出峰值波長為480 nm的綠色熒光,利用其閃爍性能可探測高能粒子和高能射線。

鍺酸鉍的性質

鍺酸鉍晶體主要性質如下表所示(其中部分性能可能與製備工藝有關)[1][2]

密度(g/cm³) 7.13 相對介電常數(1KC, 25℃) 16
結構(空間群 Td6-I43d 晶胞常數(Å 10.52
莫氏硬度 ~5(軟玻璃) 維氏硬度(kg/mm) 630
有效原子序數 74 熔點(℃) 1050
潮解 抗輻照能力 良(自恢復)
結晶潛熱(kcal/mol) 44.6 電光係數(K41,cm/V) 1.03×10-10
聲速(100MHz,m/s) 3908 溶解度 不溶於水和有機溶劑,可溶於HCl
熱膨脹係數(℃/cm/cm) 7.15×10-6 臨界能量(MeV) 10.5
輻射長度(cm) 1.12 強子吸收長度(cm) 23
莫里哀半徑(cm) 2.24 相對中子截面(以NaI為100%) 25%
折射率(486.1 nm) 2.149 折射率(632.8 nm) 2.098
相對發光效率(以NaI(Tl)晶體為100%) 10% ~ 16% 3ms餘輝(%) 0.005
透光區(μm) 0.33 ~ 5.5 激發光譜(nm) 305
熒光光譜(nm) 480 ~ 510 熒光譜峰位(nm) 480
熒光上升時間(ns) 50 熒光退光時間(ns) 350
光子數量(MeV,20℃) 5000 ~ 10000 能量解像度(662keV) 9.3%

鍺酸鉍是一種沒有激活劑的純無機閃爍體,其發光機制與Bi3+
離子躍遷有關,發射譜與吸收譜有少量重疊,存在一定的自吸收;鍺酸鉍晶體有效原子序數高、密度大,因此對γ射線探測效率較高;發光效率較低(相對於NaI(Tl)晶體),且折射率較高不利於光子收集。總體而言,鍺酸鉍晶體在輻射探測領域適用於對γ射線探測效率要求高而對能量解像度要求比較寬鬆的場合。[3]

鍺酸鉍的發展與應用

鍺酸鉍是一種人工合成的晶體,1957年Durif首先通過固相反應合成鍺酸鉍多晶[1];1965年Nitsche首次生長出鍺酸鉍單晶[4];1969年Johnson和Ballman首次製備得到摻的鍺酸鉍激光晶體並報道其相干發射[5];1973年Weber等人首次報道了鍺酸鉍晶體的閃爍特性[6]。20世紀七八十年代,Cho、Farukhi等人將鍺酸鉍晶體應用於CTPET[7][8]。1981年歐洲核子研究中心丁肇中教授領導的國際合作實驗組LEP-3提出需要12000根大尺寸鍺酸鉍單晶建造電磁量能器[9],此需求極大地推動了鍺酸鉍晶體的工業化、規模化、大型化研發和生產。目前,鍺酸鉍晶體已經佔據PET市場50%以上份額[10],高能物理及空間物理實驗、核反應堆運行監測等領域也都大規模地使用鍺酸鉍晶體製作閃爍體探測器

鍺酸鉍的製備

鍺酸鉍晶體最早採用提拉法生長[4],而後又發展出熱交換法[11]坩堝下降法[12][13]。目前主流的鍺酸鉍單晶生長方法是提拉法和坩堝下降法[10]

提拉法的主要優點在於生長過程易於觀察,便於控制溫度梯度。能顯著減小晶體應力,防止坩堝壁的寄生成核;還可以方便地使用定向籽晶和「縮頸」工藝,降低位錯密度。通常,採用較大的轉速、較小的提拉速度和較小的溫度梯度有利於生長優質鍺酸鉍晶體。

與提拉法相比 , 坩堝下降法具有如下特點:

  • 晶體的形狀和尺寸隨坩堝而定,適合生長大尺寸或異型晶體;
  • 由於採用全封閉坩堝進行生長,可防止熔體中各組分的揮發,同時還可避免有害物質對周圍環境的影響;
  • 由於一爐可同時生長几根或幾十根不同規格尺寸的晶體,因此適合於規模化晶體生長;
  • 操作工藝比較簡單,易於實現程序化和自動化;
  • 下降法生長的晶體均勻性比提拉法生長的好

利用坩堝下降法生長晶體過程中溫度梯度和坩堝的下降速度是最重要的兩個參數,保持適當的溫度梯度和下降速度使固液界面平坦有利於生長高質量鍺酸鉍晶體。

參考文獻

  1. ^ 1.0 1.1 古佩新, 胡關欽, 華素沖, 李培俊. 新型无机闪烁晶体BGO. 功能材料. 1994, 25 (2): 189–192. 
  2. ^ 韓本華. BGO晶体的性能及应用. 原子能科學技術. 1989, 23 (3): 76–81. 
  3. ^ 陳伯顯, 張智. 《核辐射物理及探测学》. 哈爾濱: 哈爾濱工程大學出版社. 2011年8月. ISBN 978-7-5661-0187-7. 
  4. ^ 4.0 4.1 R. Nitsche. Crystal Growth and Electro‐Optic Effect of Bismuth Germanate, Bi
    4
    (GeO
    4
    )
    3
    . Journal of Applied Physics. 1965, 36 (8): 2358–2360.
     
  5. ^ L. F. Johnson, A. A. Ballman. Coherent Emission from Rare Earth Ions in Electro‐optic Crystals. Journal of Applied Physics. 1969, 40 (1): 297–302. 
  6. ^ M. J. Weber, R. R. Monchamp. Luminescence of Bi
    4
    Ge
    3
    O
    12
    . Journal of Applied Physics. 1973, 44 (12): 5495–5499.
     
  7. ^ Z. H. Cho, M. R. Farukhi. Bismuth Germanate as A Potential Scintillation Detector in Positron Cameras. Journal of Nuclear Medicine. 1977, 18 (8): 840. 
  8. ^ M. R. Farukhi. Fast Inorganic Scintillators for Time-of-flight Tomography. IEEE Transactions on Nuclear Science. 1982, 29: 1237. 
  9. ^ 丁肇中. 一个未来的实验. 物理. 1982, 11 (7): 394–409. 
  10. ^ 10.0 10.1 廖晶瑩, 葉崇志, 楊培志. 锗酸铋闪烁晶体的研究综述. 化學研究. 2004, 15 (4): 52–58. 
  11. ^ F. Schmid, C. P. Khattak, M. B. Smith. Growth of Bismuth Germanate Crystals by the Heat Exchanger Method. Journal of Crystal Growth. 1984, 70 (1): 466–470. 
  12. ^ Fan Shiji. Growth and Defects of Bismuth Germanate (Bi4Ge3O12) Single Crystal. Proceedings of the International Workshop on Bismuth Germanate. 1982, 103. 
  13. ^ 何崇藩, 范世驥, 廖晶瑩, 等. 坩埚下降法生长锗酸铋(BGO)大单晶. 人工晶體學報. 1985, 1. 
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