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神奇的闪烁晶体

发布时间:2021-02-03 23:13 作者:扑克王app官网

  当出国旅游的人们把手提包放进机场安检口的扫描设备中;当人们在医院就诊时需要拍摄胸部的CT造影,他们或许不知道闪烁晶体正在为人类的安全和健康默默地做出贡献。事实上,近年来在高能物理和空间研究、医学成像、以及迅猛发展的工业检测和安全检查等众多高技术装备中正在愈来愈多地出现闪烁晶体的身影。总之,闪烁晶体与我们愈走愈近了!

  闪烁晶体是指一大类在放射线或原子核粒子作用下发生闪光现象的晶体材料。早在上世纪初,Crooks就利用ZnS闪烁体制成α粒子探测器,它曾在卢瑟福提出原子模型的著名实验中发挥了重要的作用。由此可见闪烁晶体的发展已经度过了一个世纪的漫长岁月。在早期,曾使用玻璃、塑料乃至液体闪烁材料。而如今,无机闪烁晶体具有密度高、稳定和性能优良等显著特点,从而成为闪烁材料的发展主体,如碘化铯、锗酸铋(BGO)、钨酸铅等等。但是闪烁晶体作为一种功能材料获得大量应用则是20世纪六十年代以后的事。当时在世界范围内陆续兴建的大型粒子加速器促成了闪烁晶体的大量应用(图1,图2)。而在七十年代初,X射线断层扫描相机(XCT)和正电子断层扫描相机(PET)的出现及其快速普及,更使闪烁晶体成为当今人工晶体材料领域中少数几种有重大经济效益的主流晶体之一。

  PET相机是将能发射正电子的同位素药物(示踪剂)注入人体,以闪烁晶体为探测元件,获取示踪剂在人体内的三维分布及其随时间变化的信息。它是目前各类医学成像设备中技术水平最高、应用价值最大的设备(图3)。它的最大优势是能定量地评价人体组织的生理、生化功能,从而在分子水平上进行代谢功能研究和疾病的早期诊断如肿瘤、神经性疾病等。此外,它还是国际上公认的研究脑功能、心血管活动的重要工具(图4)。从技术上讲,PET对闪烁晶体要求很高,数量大,而且随着产品的升级换代有很大的发展空间。因此,医用闪烁晶体已经成为当前国际上十分热门的课题,一些世界级大公司、大机构纷纷斥巨资进行研究。

  综上所述,闪烁晶体的发展正处于一个新的上升时期,这就给我国闪烁晶体的发展提供了一个极好的机遇。闪烁晶体是我国的优势发展领域,近二十年来国内有关单位积极合作,参与国际竞争,“中国造”的闪烁晶体源源不断地送往多项国际工程,如欧洲核子物理中心(CERN)正负电子对撞机中的BGO晶体,日本Belle实验和美国Bahar实验中的CsI(Tl)晶体等。而中科院上海硅酸盐所向美国GE公司出口的PET晶体(BGO)已连续几年达到1亿元以上的销售额,为我国赢得了良好的国际声誉,并获得巨大的经济效益。但是,我们也应清醒地看到,我国的闪烁晶体研究,特别在新材料探索方面与国际水平仍有相当大的距离。以新一代PET用闪烁晶体开发为例,美国主要发展硅酸镥(Ce:LSO),而欧洲则全力开发铝酸镥(Ce:LuAP),而且他们对这些新材料的PET应用申请了一系列专利,这就对我国今后生产的此类晶体进入欧美市场设置了专利壁垒。显然,面对激烈的国际竞争,加强原创性研究能力,已经成为我国闪烁晶体发展的当务之急!

  最近,国内有关部门对我国闪烁晶体的重要性和发展方向正逐渐取得共识,在十五期间启动的一些大型国家项目如“863”、“国家自然科学基金”等,不约而同地把无机闪烁晶体列入重点发展项目。可以相信,在不久的将来,“神奇的闪烁晶体”一定会放射出更眩目的光芒!

  计算机辅助的X射线断层扫描(CT)相对于传统的X光照相术来说是一种进步。它从多角度进行X光透视,并利用电脑形成图像。但CT扫描仅能显示大脑的大致解剖图形,不能显示软组织的细节,也不能记录大脑活动。

  脑磁波扫描仪(MEG)利用非常灵敏的、由液氦冷却的感应器,可以感应到活跃神经系统所产生的微弱磁场。这种技术可以为大脑不断变化的神经活动模式提供最佳的瞬间记录图片,但只能大致指示出真正的活动区域。

  正电子发射层析成像(PET)需要把发射性示踪剂注射到血管中。通过观察脑细胞对示踪剂的消耗情况,就可以得出大脑各区域分别参与何种思维活动的图示。

  后记: 当本文完成时,突然爆发的“非典”疫情正肆虐中国大地,人们奋起抗击。相信在这一场人类与SARS病毒的艰巨战斗中,PET相机将会作出它重要的贡献,如致病机理和新药研究等等。


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