1 北京中材人工晶体研究院有限公司，北京100018
2 中材人工晶体研究院有限公司，北京100018
掺铈钆铝镓石榴石(Gd3(Al,Ga)5O12∶Ce，简称GAGG∶Ce)闪烁晶体是近年来发现的一种新型稀土闪烁晶体，具有光输出高、能量分辨率高、衰减时间短、无自辐射和不潮解等优点，在核医学成像、安检和环境监测等领域具有广阔的应用前景。本文报道了GAGG∶Ce晶体的提拉法生长与闪烁性能表征。利用高温固相反应法合成GAGG∶Ce原料，采用XRD对合成的原料进行了物相分析，结果表明，在1 500 ℃下煅烧12 h合成的多晶料为纯GAGG相。利用提拉法生长出尺寸50 mm×90 mm的GAGG∶Ce晶体，测试了其透过光谱、X射线激发发射光谱和脉冲高度谱，结果表明，7 mm厚样品550 nm的透过率为81.5%，晶体X射线激发发射峰中心波长位于550 nm，晶体的光输出为59 000 photons/MeV，能量分辨率为6.2%@662 keV，晶体衰减时间快分量为149 ns，慢分量为748 ns。
闪烁晶体 高温固相反应法 提拉法 闪烁性能 GAGG∶Ce GAGG∶Ce scintillation crystal high temperature solid state reaction method Czochralski method scintillation property
1 北京玻璃研究院有限公司, 北京 101111
2 北京一轻研究院有限公司, 北京 101111
近年来, 随着对稀土卤化物闪烁晶体研究的不断深入, 该类材料的许多优异性能被不断发现, 尤其是备受关注的中子/伽马射线双探测性能。化学组成为A2LiRX6:Ce(A、R、X分别代表+1价金属元素、稀土元素、卤族元素)的掺铈锂基钾冰晶石型闪烁晶体和化学组成为LiM2X5:Eu(M、X分别代表+2价金属元素、卤族元素)的掺铕锂基碱土卤化物, 因可同时探测中子和伽马射线, 且大都具有较高的光输出、较优异的能量分辨率等特性, 被认为是非常实用且具有潜力的双探测材料。目前, 掺铈锂基钾冰晶石型闪烁晶体中最具代表性的Cs2LiYCl6:Ce(CLYC)已被广泛研究并产品化, 而有望替代CLYC等钾冰晶石型晶体的掺铕锂基碱土卤化物研究报道甚少。本文主要对上述两类双模式探测用材料的研究进展进行简要综述, 以期对相关领域的研究学者有所启发。
稀土卤化物闪烁晶体 中子/伽马双探测 闪烁性能 激活剂 rare earth halide scintillation crystal neutron/gamma dual detection scintillation performance activator
1 有研稀土新材料股份有限公司，北京 100088
2 稀土国家工程研究中心，北京 100088
采用坩埚下降法生长了直径为25.4 mm的纯溴化铈晶体和0.1%、0.2%和0.5%（摩尔分数）Sr2+掺杂的溴化铈晶体。将所生长晶体加工成直径25.4 mm、厚度10 mm的坯件，并进行紫外和X射线激发荧光光谱、137Cs源激发多道能谱等测试。结果表明：Sr2+掺杂会导致晶体X射线激发下的发射光谱出现轻微红移，而随着Sr2+掺杂量的增加，晶体的能量分辨率依次提高，光输出依次降低；当Sr2+掺杂量为0.5%时，溴化铈晶体的能量分辨率最高，达3.83%@662 keV，但过高含量的Sr2+掺杂会造成晶体生长困难。综合考虑晶体性能和生长情况，Sr2+掺杂量为0.2%时较为适宜，所获得的25.4 mm×25.4 mm CeBr3∶0.2%Sr晶体封装件的能量分辨率为3.92%@662 keV。
溴化铈 闪烁晶体 Sr2+掺杂 坩埚下降法 晶体生长 闪烁性能 能量分辨率 cerium bromide scintillation crystal Sr2+ doping vertical Bridgman method crystal growth scintillation property energy resolution
本文采用中频感应提拉法生长了尺寸为35 mm×70 mm的完整的YAlO3∶Ce(YAP∶Ce)晶体。XRD测试结果表明所生长的YAP∶Ce晶体主相为YAP相,同时存在第二相YAG相; 光致激发发射光谱表明晶体发射波长在344 nm和376 nm,激发波长分别为273 nm、290 nm和305 nm; X射线激发发射光谱表明晶体发射波长在377 nm附近; 在γ高能射线激发下,晶体衰减时间曲线呈指数衰减,拟合后得到YAP∶Ce晶体的衰减时间为46 ns,通过高斯拟合以后YAP∶Ce晶体的能量分辨率和绝对光产额分别为8.51%和8 530 ph/MeV。本文分析了晶体生长过程中产生开裂和相变的原因,通过优化温场和工艺可以得到完整无开裂的晶体。如何获得更大尺寸的无开裂、无相变晶体,并实现量产是该晶体规模化应用中需要解决的重要技术难题。
闪烁晶体 提拉法 晶体生长 闪烁性能 开裂 相变 YAlO3∶Ce YAlO3∶Ce scintillation crystal Czochralski method crystal growth scintillation property cracking phase transition
1 中国科学院上海光学精密机械研究所, 上海 201800
2 中国科学院大学, 北京 100049
利用提拉法生长了Si4+共掺杂Yb∶YAG单晶, 该晶体属于立方晶系, Oh10-Ia3d空间群。掺杂的Si4+没有改变YAG的晶体结构, 但是影响了发光离子的价态。吸收光谱表明Si4+的引入使得Yb2+含量增多, 这是由于Si4+引入了过量的电荷, 为满足电价平衡, Yb3+转换为Yb2+。Yb2+的出现降低了Yb∶YAG的发光强度。稳态X射线激发发射光谱结果表明Si4+共掺杂Yb∶YAG晶体的发光强度是Yb∶YAG的63%, γ射线激发下的光产额降至原来的40%。此外, 由于原料中含有多种Yb的同位素, Yb∶YAG除了可以被X射线、γ射线激发出荧光外, 还可以与中子发生核反应产生带电粒子, 进而引起次级反应产生荧光。荧光的产生仍然由Yb3+决定, 因此, Si4+掺入也降低了中子探测灵敏度。
Si4+掺杂 Yb∶YAG晶体 提拉法 闪烁性能 探测灵敏度 Si4+ doping Yb∶YAG crystal Czochralski method scintillation property detecting sensitivity
中国电子科技集团公司第二十六研究所, 重庆 400060
为了满足具有飞行时间技术特点的正电子发射断层扫描仪(TOF-PET)对光输出高、衰减时间短以及上升时间快的Ce∶LYSO闪烁晶体的需要, 本文采用中频感应提拉法生长100 mm×100 mm级Ca∶Ce∶LYSO闪烁晶体。晶体整体无色透明、无包裹体。经过紫外可见分光光度计测试, 晶体透过率接近理论值, 质量较好。将晶体切割研磨抛光后, 分别进行脉冲高度谱、衰减时间能谱等测试。在137Cs放射源激发下, Ca∶Ce∶LYSO晶体的光输出达到33 962 ph/MeV, 能量分辨率为8.6%, 衰减时间达到36.70 ns, 均优于Ce∶LYSO晶体。通过对晶体轴向及尾部径向取样, 相对光输出和能量分辨率不均匀性分别为±2.4%、±9.4%及±1.18%、±6.8%, 证明晶体具有较好的均匀性。
闪烁晶体 提拉法 晶体生长 闪烁性能 不均匀性 Ca∶Ce∶LYSO Ca∶Ce∶LYSO scintillation crystal Czochralski method crystal growth scintillation property inhomogeneity
Cs2LiYCl6∶Ce(CLYC∶Ce)是一种具有良好能量分辨率、高光输出, 以及优秀的中子/伽马分辨能力的新型闪烁晶体, 但因其组分复杂, 晶体生长很困难。本文使用坩埚下降法分别生长了LiCl占57%、60%和63%(摩尔分数)及CsCl与YCl3比例为1.9∶1和2.1∶1共5种不同组分配比的CLYC晶体, 发现LiCl占比为60%的组分得到的CLYC相体积占比最大, 而改变CsCl与YCl3的比例对晶体生长没有明显的积极作用。5 mm×5 mm×5 mm和25 mm×10 mm样品在137Cs激发下的能量分辨率分别为4.8%和5.6%。CLYC晶体在662 keV伽马射线激发下的闪烁衰减时间为17 ns、436 ns和3 603 ns。
稀土卤化物 闪烁晶体 坩埚下降法 晶体生长 闪烁性能 Cs2LiYCl6∶Ce Cs2LiYCl6∶Ce rare earth halide scintillation crystal Bridgman technique crystal growth scintillation property
1 1.中国科学院 上海硅酸盐研究所, 透明光功能无机材料重点实验室, 上海 201899
2 2.中国科学院大学 材料科学与光电工程中心, 北京 100049
3 3.上海师范大学 物理系, 上海 200234
Ce:SrHfO3陶瓷因具有高密度和高有效原子序数, 对高能射线具有很强的阻止能力。同时, Ce:SrHfO3陶瓷还具有快衰减和高能量分辨率等优异的闪烁性能, 引起了研究人员的广泛关注。由于传统的烧结方法难以实现非立方结构Ce:SrHfO3陶瓷的透明化, 本研究采用真空长时烧结和短时真空预烧结合热等静压烧结(Hot Isostatic Pressing, HIP)方法制备Ce,Y:SrHfO3陶瓷。以金属氧化物和碳酸盐为原料, 1200 ℃下煅烧8 h可以获得平均粒径为152 nm的纯相Ce,Y:SrHfO3粉体。1800 ℃真空烧结20 h获得平均晶粒尺寸为28.6 μm的不透明的Ce,Y:SrHfO3陶瓷, 而两步烧结法可以制备光学透过率良好的Ce,Y:SrHfO3陶瓷。本研究详细分析了陶瓷致密化过程中微结构的演变, 探究了预烧结温度对Ce,Y:SrHfO3陶瓷密度、显微结构和光学透过率的影响。真空预烧(1500 ℃×2 h)结合HIP后处理(1800 ℃×3 h, 200 MPa Ar)所获得的Ce,Y:SrHfO3陶瓷在800 nm处的最高直线透过率为21.6%, 平均晶粒尺寸仅为3.4 μm。在X射线激发下, Ce,Y:SrHfO3陶瓷在400 nm处产生Ce3+ 5d-4f发射峰, 其XEL积分强度比商用锗酸铋(BGO)晶体高3.3倍, Ce,Y:SrHfO3陶瓷在1 μs门宽下的光产额约为3700 ph/MeV。良好的光学和闪烁性能可以拓宽Ce,Y:SrHfO3陶瓷在闪烁探测领域的应用。
1 上海理工大学 材料科学与工程学院, 上海 200093
2 中国科学院 上海硅酸盐研究所, 上海 201899
3 中国科学院大学 材料与光电研究中心, 北京 100049
4 南京航空航天大学 航天学院, 江苏 南京 210016
5 中国科学院 海西创新研究院, 福建 福州 350002
共掺杂离子是优化晶体闪烁性能的重要手段之一, 本文采用提拉法生长了GAGG∶Ce和GAGG∶Ce,0.1%Mg晶体。通过测试硬度、透过率、X射线激发发射(XEL)谱和符合时间分辨率等方法研究了微量MgO掺杂对GAGG∶Ce光学及闪烁性能的影响。 GAGG∶Ce和GAGG∶Ce,Mg的维氏硬度平均值分别为1 430 kg/mm2和1 420.4 kg/mm2, 表明Mg2+的掺杂几乎没有对GAGG∶Ce的硬度产生影响。 XEL谱结果表明, 共掺杂Mg2+后GAGG∶Ce晶体的发光峰值波长约为540 nm, 但5d1→2F5/2及5d1→2F7/2发射峰红移了12~24 nm, Mg2+的引入可能改变了 Ce3+ 的5d1 激发态向2F5/2 和2F7/2 跃迁几率分布。通过共掺杂Mg2+, 发现尽管光产额由5.8×108 lx/MeV(58 000 ph/MeV)降低为4.15×108 lx/MeV(41 500 ph/MeV), 但GAGG∶Ce,Mg符合时间分辨率得到了显著改善, 达146 ps。此外, 比较不同尺寸样品的光产额, 发现GAGG∶Ce,Mg对闪烁发光的自吸收程度小于GAGG∶Ce。 以上结果表明, 微量MgO掺杂是优化GAGG∶Ce晶体闪烁性能的有效途径。
镓铝酸钆石榴石 共掺杂 光产额 时间分辨率 闪烁性能 gallium aluminum gadolinium garnet co-doping light yield time resolution scintillation property
