本文采用传统的高温熔融法在空气气氛中制备了无色透明的Ce3+激活硼锗酸盐闪烁玻璃, 该硼锗酸盐闪烁玻璃中GeO2和Gd2O3总含量为85%, 测得其密度在5.82 g/cm3左右, 且在450~800 nm线性透过率可达80%以上。加入少量的酒石酸(C4H6O6)作为强还原剂以减少Ce4+的产生, 研究了在不同酒石酸添加量下硼锗酸盐闪烁玻璃中Ce3+在340 nm激发波长下的荧光衰减特性, 确定了酒石酸的最佳添加量。此外, 硼锗酸盐闪烁玻璃鲜有光产额方面的报道, 本文测得制备的Ce3+激活硼锗酸盐闪烁玻璃的光产额为27 ph/MeV, 且该高密度Ce3+激活硼锗酸盐闪烁玻璃具有最短约14.40 ns的衰减时间。可以预见, 该高密度、快闪烁硼锗酸盐闪烁玻璃在高能物理和医学成像等领域有着巨大的发展潜力。
闪烁玻璃 硼锗酸盐玻璃 酒石酸 光产额 衰减时间 glass scintillator borogermanate glass Ce3+ Ce3+ tartaric acid light yield decay time
1 1.上海大学 材料科学与工程学院, 上海 200444
2 2.中国科学院 上海硅酸盐研究所, 上海 201899
Gd3(Al,Ga)5O12:Ce (GAGG:Ce)闪烁体综合性能优异, 应用前景广阔。为加快GAGG的发光衰减速度, 本研究通过提拉法生长了Mg共掺的Gd3(Al,Ga)5O12:Ce单晶。测试结果显示, 随着Mg2+掺杂浓度增加, 晶体的闪烁衰减速度加快, 光输出降低。传统解释认为, Mg2+通过电荷补偿作用将部分Ce3+转换成Ce4+, 后者的发光速度更快。本研究尝试从缺陷的形成与抑制的角度来讨论Mg改善GAGG:Ce晶体闪烁性能的作用机理。由于Ce的离子半径比Gd大, Ce离子掺入将导致发光中心CeGd附近的晶格发生畸变。畸变结果为近邻的八面体格位空间变大, 反位缺陷将更容易在这些变大的八面体格位形成。最终每个发光中心CeGd被四个反位缺陷GdAl包裹, 后者捕获载流子, 延缓从基体到发光中心的能量传递, 导致发光速度变慢。由于Mg的离子半径介于Gd和Al之间, MgAl将更容易在上述畸变的八面体格位形成, 这会抑制反位缺陷GdAl在发光中心CeGd附近形成(或富集), 最终降低(甚至消除)反位缺陷对发光中心的不良影响。XEL测试结果显示, 随着Mg掺杂量增大, 与反位缺陷相关的发射峰强度变弱, 这可以证明Mg对反位缺陷有抑制作用。
闪烁体 GAGG:Ce 反位缺陷 衰减时间 scintillator GAGG:Ce antisite defect decay time
1 宁波大学材料科学与化学工程学院，宁波 315211
2 浙江省光电探测材料及器件重点实验室，宁波 315211
采用坩埚下降法生长出不同摩尔分数Ce3+(1%、2%、4%、6%、8%)掺杂的KCaCl3∶Ce单晶。晶体属于正交晶系，晶胞参数为a=0.756 0 nm，b=1.048 2 nm，c=0.726 6 nm。热重分析仪测得熔点为740 ℃，透过率测试显示晶体在可见光波段均具有较好光学透过率。对晶体的光致发光光谱、光致衰减时间、X射线激发发射光谱、透过率等光学性能进行了表征。光致发光光谱显示KCaCl3∶Ce晶体在358 nm和378 nm波长左右有宽的发射峰，符合Ce3+的5d1→2F5/2和5d1→2F7/2能级跃迁,通过拟合，KCaCl3∶Ce晶体的衰减时间在30 ns左右。晶体在X射线激发下均表现出优异的X射线发光性能。
坩埚下降法 闪烁晶体 光致发光 衰减时间 X射线发光 KCaCl3∶Ce KCaCl3∶Ce Bridgman method scintillation crystal photoluminescence decay time X-ray luminescence
1 上海大学材料科学与工程学院,上海 200444
2 南开大学物理学院,天津 300071
通过光学浮区法制备了铈掺杂焦硅酸钇钆(Gd0.99-xYxCe0.01)2Si2O7 (x=0.1, 0.2, 0.3, 0.4, 0.5, 0.6, 0.7) (简写为GYPS∶Ce)闪烁晶体, 并用X射线衍射(XRD)进行了物相识别, 发现其属于正交晶系Pna21。通过真空紫外(VUV)激发和发射光谱、光致发光(PL)衰减曲线、X射线激发发射(XEL)光谱、γ射线脉冲高度谱等表征了它们的光致发光特性和闪烁特性。VUV和XEL光谱的发射峰均位于360 nm左右, 对应于5d→4f跃迁。样品的PL衰减时间在29.1~32.9 ns之间; 闪烁衰减时间快分量约为28~68 ns, 慢分量约为256~583 ns。晶体存在Gd3+→Ce3+的能量传递行为。
铈掺杂焦硅酸钇钆 浮区法 光学性能 闪烁晶体 衰减时间 光致发光 GYPS∶Ce single crystal floating zone method optical property scintillation crystal decay time photoluminescence
中国电子科技集团公司第二十六研究所, 重庆 400060
研究了不同反射层封装方式和与Si-PM不同耦合方式对Ce∶GAGG和CsI(Tl)闪烁晶体光输出和能量分辨率的影响, 比较了Ce∶GAGG和CsI(Tl)闪烁晶体的透过率和衰减时间。实验结果表明: 通过优化闪烁晶体的反射层材料和耦合方式, 能大幅度提高Ce∶GAGG和CsI(Tl)闪烁晶体的光收集效率; Ce∶GAGG闪烁晶体的光输出、能量分辨率、透过率、衰减时间指标均优于CsI(Tl)闪烁晶体。Ce∶GAGG闪烁晶体使用TiO2反射层材料封装和硅脂耦合, 测试得到137Cs放射源在662 keV最佳能量分辨率为4.89%。
光输出 能量分辨率 透过率 衰减时间 反射层 Ce∶GAGG Ce∶GAGG CsI(Tl) CsI(Tl) light output energy resolution transmittance decay time reflector
1 1.中国科学院 上海硅酸盐研究所, 上海 201899
2 2.南京航空航天大学 工业和信息化部重点实验室, 空间光电探测与感知实验室, 南京 210016
3 3.南京航空航天大学 航天学院, 南京 210016
4 4.上海理工大学 材料科学与工程学院, 上海 200093
5 5.中国科学院 海西创新研究院, 福建 350002
新型闪烁晶体Gd3(Al,Ga)5O12:Ce(简写为GAGG:Ce)在制备过程中易出现多晶扭曲生长、组分偏析等问题, 严重影响晶体的性能。为了得到大尺寸高质量的GAGG:Ce晶体, 采用X射线衍射(XRD)、电感耦合等离子体发射光谱(ICP-OES)和X射线激发发射谱(XEL)等手段, 结合熔体特性分析了GAGG:Ce晶体多晶扭曲生长、组分偏析的形成机制。通过调整温场、抑制组分挥发等方法生长出φ50 mm×120 mm的GAGG:Ce晶体, 并重点研究了GAGG:Ce晶体的光谱特性与闪烁性能。结果表明: GAGG:Ce晶体的光输出达58000 ph./MeV, 能量分辨率为6.4%@662 keV, 在550~800 nm波长区间的透过率约为82%。晶体闪烁衰减快分量为126 ns (83%), 慢分量为469 ns (17%)。晶体的发射峰中心波长在550 nm左右, 与硅光电倍增管的接收波长匹配, 且发光峰值处的透过率EWLT(Emission Weighted Longitudinal Transmittance)值高达79.8%。GAGG:Ce晶体兼具高光输出与高能量分辨率, 在中子和伽马射线探测领域具有广阔的应用前景。
宁波大学材料科学与化学工程学院， 浙江省光电探测材料及器件重点实验室，宁波 315211
通过高温固相法合成Pr3+不同掺杂浓度的K2LaBr5多晶料，采用垂直坩埚下降法生长出K2LaBr5∶Pr单晶，并对晶体进行一系列加工，得到12 mm×5 mm的圆柱透明晶体。该晶体属于正交晶系，晶胞参数为a=1.336 0 nm，b=0.992 7 nm，c=0.846 2 nm，Z=4，晶体密度为3.908 g/cm3，熔点为607 ℃。测试了该晶体的X射线粉末衍射、X射线激发发射光谱、光致发光光谱、透过率等。在紫外光以及X射线的激发下,K2LaBr5∶Pr晶体在480~750 nm波长范围内呈现蓝光(3P1→3H4)、绿光(3P0→3H4，3P1→3H5)、橙光(3P1→3H6，3P1→3F2)、红光(3P0→3F2，3P1→3F3)、深红光(3P1→3F4),及紫光(3P0→3F4)等多个可见波长的光输出，表明该晶体具有优良的发光性能。在X射线的激发下，在360~440 nm范围内还观察到一个宽带4f 5d-4f2发射跃迁。稳态瞬态荧光光谱分析仪测出光致衰减时间为10 μs左右，紫外可见分光光度计则测出晶体在可见光波段的透过率达到88%。
稀土卤化物 坩埚下降法 光致发光 衰减时间 rare earth halide K2LaBr5∶Pr K2LaBr5∶Pr Bridgman technique photoluminescence decay time
1 南开大学物理科学学院, 天津 300071
2 中国科学院上海硅酸盐研究所, 上海 201800
随着高重频辐射成像技术的发展和时间飞行技术在核医学成像领域的应 用, 超快闪烁晶体的重要性愈加凸显, 已经成为闪烁晶体研究领域的热点方向。目前获得应用的超快闪烁晶体主要有三类: 芯带价带发光闪烁晶体, 直接带隙半导体, 发光有强热淬灭闪烁晶体。这些闪烁晶体具有 小于 3 ns 的闪烁衰减时间, 已经在高重频辐射成像、高能物理实验以及核物理实验等领域获得应用。但是这些晶体光产额较低、能量分辨率较差, 有些晶体闪烁发光还有慢分量, 这些缺点制约了它们在诸如正电子发射断层扫描等领域的应用。因此需要在发光机制及晶体制备等方面进行创新, 以制备出满足新的应用需求的超快闪烁晶体。
材料 人工晶体 超快闪烁 衰减时间 光输出 materials synthetic crystal ultrafast scintillation decay time light output
中国电子科技集团公司第二十六研究所，重庆 400060
采用单光子技术中的延迟符合法原理，搭建了一套闪烁体衰减时间常数测量系统。选取国产的Ce∶LYSO和Ce∶LuAG两种闪烁体各3条进行衰减时间测量，将测试得到的衰减时间常数曲线进行单指数拟合，计算可得,Ce∶LYSO和Ce∶LuAG发光衰减时间常数平均值分别为43.85 ns及56.02 ns。结果表明，该套装置的测试结果与国内外同行其他测量方法得到的结果基本一致。
单光子 衰减时间常数 闪烁体 single photon decay time constant scintillator Ce∶LYSO Ce∶LYSO Ce∶LuAG Ce∶LuAG
1 宁波大学材料科学与化学工程学院，宁波 315211
2 浙江省光电探测材料及器件重点实验室，宁波 315211
采用坩埚下降法，在真空密封的石英坩埚中成功生长出复合稀土卤化物RbY2Cl7∶Ce单晶。此晶体属于正交晶系，晶胞参数为: a=1.274 69 nm，b=0.693 02 nm，c=1.266 55 nm。熔点为617 ℃。表征了该晶体的X射线光致激发-发光光谱、激发发射光谱、γ射线多道能谱及激发衰减曲线等闪烁性能。RbY2Cl7∶Ce的激发-发射光谱显示发射峰在389 nm左右，激发峰在336 nm左右。在137Cs源的γ射线激发下能量分辨率约为9.8%，闪烁衰减时间约为35 ns。
闪烁晶体 坩埚下降法 能量分辨率 衰减时间 scintillation crystal RbY2Cl7∶Ce RbY2Cl7∶Ce Bridgman method energy resolution decay time
