1 英寸Cs2LiLa(Br,Cl)6∶Ce闪烁晶体的生长及性能
1 引言
中子探测在核医学及临床诊断、核电站安全检测系统、环境检测系统、核爆及隐藏核材料探测、空间物理学、航天航空和工业应用等众多领域都有着极其重要的意义[1-2]。中子呈电中性,与物质的原子核没有斥力,不能直接被探测[3]。核反应法是中子间接探测最常见的方法,但几乎所有的中子信号都伴随γ射线。因此探测器在探测中子的同时须具备区分γ背景信号的能力[4]。由于6Li 同位素的核反应能量很高,热中子截面为940×10-28 m2,Li基闪烁晶体受到广泛关注[5]。其中常见的有LiBaF3∶Ce、LiCaAlF6∶Ce、Li6Gd(BO3)3∶Ce 和Li基的钾冰晶石型结构的材料等,而Li基钾冰晶石结构闪烁晶体的n/γ甄别性能最为优异[6-8]。其中以Ce3+掺杂的Cs2LiYCl6(CLYC)和Cs2LiLaBr6(CLLB)等材料为代表。虽然CLYC∶Ce晶体的光输出较低(22 000 Ph/MeV),但由于具有Core-valence luminescence(CVL)发光,拥有杰出的中子/伽马甄别能力(FOM>3.0)[9-10]。而CLLB∶Ce晶体在中子源和γ源下光输出分别达到180 000 Ph/n和60 000 Ph/MeV,能量分辨率达到~3%的极佳水平,光输出均一性和温度依赖性明显优于CLYC∶Ce晶体,在核测井和航天等应用领域具有明显优势;但CLLB∶Ce晶体由于不存在CVL发光,中子/伽马甄别能力明显较差[11-12]。因此,在2012年,美国Shirwodkar等提出通过用Cl-部分取代Br-来提高中子/伽马甄别性能。结果表明,Cs2LiLa(Br,Cl)6∶Ce (CLLBC∶Ce)晶体仍具有高的光产额(LY为60 000 Ph/MeV)、良好的能量分辨率(ER为3.0%)和非比例性(小于2%)[13]。此外,由于35Cl和6Li的存在,CLLBC∶Ce晶体可以同时探测热中子和快中子,更重要的是CLLBC∶Ce晶体对γ射线和热中子的分辨优值(FOM)达到3.2,与CLYC∶Ce晶体相当[14]。综上所述,CLLBC∶Ce晶体是一种具有重要研究意义的中子-伽马双探测材料。国内对于CLLBC∶Ce晶体的研制处于起步阶段,尚未见关于大尺寸单晶制备及其性能研究的报道。本课题组已成功制备了Φ10 mm的小尺寸CLLBC∶Ce晶体,并研究了不同Cl-掺杂对其闪烁性能的影响,发现随着Cl-浓度的增加晶体的非一致熔融问题变严重,晶体失透,性能恶化[15]。
本文采用坩埚下降法成功制备了Φ1英寸×3英寸的高质量Ce3+掺杂Cs2LiLaBr5.4Cl0.6闪烁晶体,加工封装后获得Φ25 mm×25 mm的晶体封装件。通过XRD、XPS、EDS等表征方式分析了Cl-掺杂后的晶体结构和组分。采用光致荧光光谱、X射线激发发射光谱、荧光衰减曲线以及多道能谱和脉冲形状甄别图等手段对CLLBC∶Ce的发光性能、闪烁性能以及中子/伽马甄别性能进行了系统的研究。
2 实验
2.1 样品制备
本文所使用的卤化物为纯度99.99%的超干原料,全部购自美国艾璞尔有限公司,按照2∶1.5∶0.78∶0.2∶0.02比例称量CsBr、LiBr、LaBr3、LaCl3、CeBr3原料,即Cs2LiLaBr5.4Cl0.6∶2%Ce,在高纯氮气气氛手套箱(水氧含量均控制在10-8(0.01 ppm))内研磨混合均匀,装入具有直毛细管的石英坩埚中。将坩埚抽真空至5×10-3 Pa并密封,然后将坩埚转移至自主搭建的坩埚下降法晶体生长炉中。该晶体生长炉实物图和结构示意图如
图 1. (a)晶体生长炉实物图和结构示意图;(b)坩埚下降法生长的CLLBC∶Ce晶体毛胚和加工封装后的Φ25 mm×25 mm CLLBC∶Ce样品;(c)CLLBC∶Ce样品的X射线衍射图。
Fig. 1. (a)Picture and Schematic diagram of crystal growth furnace. (b)CLLBC∶Ce crystal ingots grown by Bridgman method and machined CLLBC∶Ce sample with dimension of Φ25 mm×25 mm. (c)The XRD patterns of CLLBC∶Ce samples.
2.2 样品表征
在手套箱中,从CLLBC∶Ce晶体毛坯上取少量晶体样品研磨成粉末放在样品台上,用PE膜密封后,置于Bruker D8 Advance衍射仪中对样品进行测试,测试条件为:室温,辐射源Cu (Kα)(λ = 0.154 1 nm),电流40 mA,电压40 kV,扫描范围为10°~70°,扫描速度为10(°)/min。晶体组分采用Thermofisher escalab 250xi型X射线光电子能谱仪和EDS能谱,测量了样品中不同元素的全光谱和精细光谱。使用FLS 1000型光谱仪表征紫外-可见荧光光谱和衰减时间。使用法国Horiba Jobin Yvon公司生产的带有光子计数检测器TBX-04(苏格兰IBH)的定制5000M荧光光谱仪测量了样品的X射线激发发射光谱(XEL),并使用具有W阳极(Seifert Gmbh)的X射线管(40 kV,15 mA)作为激发源。
使用自行搭建的信息采集系统(由Hamamatsu R6231-100 PMT、XP2020 PMT、DT5751采集器、DT5733高压电源、低压电源等组成)表征样品在不同激发源(137Cs或252Cf)激发下的脉冲谱。闪烁性能测试时使用矿物油将样品与PMT耦合,并且使用特氟隆膜包覆,使光的收集最大化。
3 结果与讨论
3.1 晶体结构和组成
CLLBC∶Ce样品的X射线衍射谱如
图 2. (a)CLLBC∶Ce样品的X射线光电子能谱全谱;(b)~(d) Br-、Cl-和Ce3+的X射线光电子能谱精细谱。
Fig. 2. (a)The full X-ray photoelectron spectroscopy of CLLBC∶Ce sample. (b)-(d)Fine spectra of Br-,Cl- and Ce3+ in CLLBC∶Ce.
为了进一步验证Cs2LiLaBr5.4Cl0.6∶2%Ce晶体样品的Cl-浓度,采用X射线能量色散光谱仪(EDS)对样品中的各组分浓度进行了测量,测量结果如
图 3. CLLBC∶Ce样品的X射线能量色散光谱
Fig. 3. X-ray energy dispersive spectroscopy of CLLBC∶Ce sample
3.2 发光特性
图 4. (a)CLLB∶Ce和CLLBC∶Ce样品在X射线和紫外激发下的发射光谱(λem = 420 nm,λex = 280 nm);(b)CLLB∶Ce和CLLBC∶Ce样品的荧光衰减曲线(λex = 375 nm,λem = 390 nm)。
Fig. 4. (a)XEL,PL and PLE spectra of CLLB∶Ce and CLLBC∶Ce sample under X-ray and UV(λem = 420 nm,λex = 280 nm). (b)Fluorescence decay curve of CLLB∶Ce and CLLBC∶Ce sample(λex = 375 nm,λem = 390 nm).
3.3 闪烁性能
为了表征CLLBC∶Ce晶体的闪烁性能,本文选用滨松的R6231-100 PMT测量尺寸为Φ25 mm×25 mm的CLLBC∶Ce晶体封装件在137Cs@662 keV放射源下的光输出、衰减时间和能量分辨率。为了估计样品的相对光输出,选择LaBr3∶Ce晶体作为标准样品,同时选用一块封装的Φ25 mm×25 mm的 CLLB∶Ce晶体对比,结果如
图 5. CLLBC∶Ce晶体在137Cs@662 keV激发源下的脉冲能谱(a)和衰减曲线(b)
Fig. 5. Pulse height spectra(a) and decay profiles(b) of CLLBC∶Ce sample under 137Cs@662 keV source
通过拟合得到CLLBC∶Ce晶体的3个分量的衰减时间分别为8.3,41.9,180.6 ns,CLLB∶Ce晶体分别是7.6, 36.9,165.8 ns。根据文献报道[20],3个衰减分别对应于Ce占据Cs位后Ce 3+直接捕获发光(约8~11 ns)(t1)和Ce占据La位后Ce 3+的直接俘获发光(t2)以及二元Vk和电子扩散发光(t3)。从结果可以看出,Cl-掺杂对闪烁衰减有轻微的影响。
图 6. CLLBC∶Ce(a)和CLLB∶Ce (b)样品在252Cf 源下的脉冲形状甄别散点图和计算品质因子的投影
Fig. 6. (a)Pulse shape discrimination scatter plot of CLLBC∶Ce crystal. (b)CLLB∶Ce crystal under 252Cf excitation and the projection.
图 7. CLLBC∶Ce晶体(a)和CLLB∶Ce晶体(b)分别在热中子和伽马条件下的衰减曲线
Fig. 7. Thermal neutron and gamma ray decay profiles of CLLBC∶Ce crystal(a) and CLLB∶Ce crystal(b)
4 结论
本文通过坩埚下降法成功制备了英寸级、高质量Cs2LiLa(Br,Cl)6∶2%Ce晶体。XRD、XPS和EDS结果表明Cl-已成功掺入CLLB基质,对晶体结构未产生明显影响。在紫外和X射线激发下均表现出Ce3+的发光,未观察到新的发光现象。在137Cs放射源下Cs2LiLa(Br,Cl)6∶2%Ce晶体的光输出约为商用LaBr3∶Ce晶体的71%,能量分辨率为4.2%,拥有纳秒级别的快衰减,表现出优异的闪烁性能。在252Cf放射源下CLLBC∶Ce晶体的品质因子达到1.9,明显优于CLLB∶Ce晶体。因此,通过Cl-掺杂可以明显改善CLLB∶Ce晶体的中子/伽马甄别性能,其主要是源于中子/伽马衰减时间的差异发生了变化。Cl-掺杂的CLLB∶Ce在核能利用、工业探伤、反恐安检、医学成像等领域具有广泛的应用前景。
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