稀土X射线发光材料的特性及应用

利用X射线激发而发光的材料称为X射线发光材料。与光激发相比较，X射线激发的特点是作用在发光材料上的光子能量非常大。此时发光材料的发光不是直接由X射线本身引起的，而是由于X射线从发光材料基质的原子或离子中脱出的次级电子直接或间接地激发发光中心，转变为可见光辐射而产生的。这种X射线发光和阴极射线发光有许多共同点，而不同点是X射线穿透较深，激发密度高，激发概率随发光物质对X射线吸收系数的增大而提高。这个吸收系数随元素的原子序数的增加而增大。因此，作为X射线发光材料最宜采用含有重元素的化合物，如含有Cd、Ba、W等。某些稀土化合物更是非常适用作X射线发光材料，由于稀土元素原子序数大，其化合物密度高，对X射线吸收和转换成光辐射的效率高；稀土离子发射光谱分布在从近紫外到可见光谱很宽的范围内；其荧光寿命有利于胶片和探测器的感光速度和响应速度；X射线停止激发后的荧光（余辉）短，清晰度高。稀土发光材料在X射线影像技术领域又显示了它独特的优势。

X射线发光材料主要有两种类型：一类是X射线透视用的荧光粉，主要是非稀土的（Zn，Cd）S：Ag荧光粉，它的主峰为530nm，位于人眼灵敏度较高的光谱区；另一类是X射线拍照用的增感屏荧光粉，主要有传统的非稀土增感屏荧光粉CaWO4和目前迅速发展的稀土增感屏荧光粉。1896年，麦迪生发现钨酸钙CaWO4在X射线激发下产生可见的蓝紫荧光，与X射线胶片配合使用，大大缩短了X射线的辐照时间。从20世纪初开始，医疗诊断X射线照相技术一直沿用由CaWO4制成的增感屏，其成像质量好，价格便宜；但相对增感倍数低，将X射线转换为可见光的效率低（仅6%）。要想获得清晰的影像，必须加大X射线的剂量，然而，这会使患者和操作人员受到较大剂量的X射线辐照。经历了相当长的时期，各国的研究人员一直致力于探索缩短辐照时间和降低辐照剂量，但收效甚微。直到20世纪70年代初，随着单一稀土氧化物可以大量生产和供应，人们研制开发出转换率高的稀土发光材料，某些稀土荧光粉不仅具有与CaWO4相同的照相效果，而且在X射线激发下表现出相当高的发光效率。1972年，Buchanan报道了稀土X射线增感屏用于临床诊断的实验结果：与CaWO4增感屏相比，稀土增感屏明显地降低了X射线辐照剂量。这一发现引起人们极大的关注，美国、日本等国科学家相继开展了这方面的工作，不久稀土X射线增感屏就实现了商品化。X射线医疗诊断从常规的CaWO4增感屏发展为稀土增感屏，是X射线影像领域的重大技术进步。

与传统的CaWO4增感屏相比，稀土X射线增感屏具有一系列明显的优点，主要如下：

（1）使乳胶感光增强，感光度高，胶片影像清晰度高，层次丰富，改善了图像质量；减少了辐射照剂量，缩短曝光时间，可以使低剂量的X射线高清晰度的透视像，显著减少了X射线对人体的辐射伤害，尤其是对儿童和孕妇的辐射伤害。

（2）由于X光机的管电压、管电流均可大大降低，且曝光时间缩短，减少X射线设备的损耗，有利于延长X射线管的寿命，减少电能消耗。(www.xing528.com)

（3）稀土增感屏可以配合使用低功率的X光机，扩大了小型X射线设备应用范围，如50m A机器可当200m A用，200m A可当500m A用，小型机不能拍摄致密部位，或拍摄的X光片图像模糊不清，分辨率低，使诊断范围受到限制，配合使用稀土增感屏可解决这个问题。

（4）由于曝光时间明显缩短，稀土增感屏能够减少动模糊，提高动态部位影像的清晰度，可清楚显示体内活动部分，如心脏和大血管的形态和边缘轮廓，有助于医生的诊断。

（5）目前国产X射线管用的阳极焦点面积大，X射线穿透能力弱，配合使用稀土增感屏，可弥补国产管的不足。

目前，国际上出现的稀土X射线发光材料大多属于Tb3+激活的稀土化合物及含有重元素的掺Eu2+发光材料。这些新型X射线稀土发光材料按基质组成可分为四大类，即稀土钽酸盐、硫氧化物、卤氧化物和碱土氟氧化物，均由稀土离子激活。