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。

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。

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。

高能物理强度前沿装置、飞行时间技术正电子发射断层扫描、超高频辐射成像和正电子湮灭寿命谱分析等应用对闪烁体的时间响应提出了更高的要求,发展超快衰减闪烁体已成为研究热点之一。氟化钡晶体是一种具有亚纳秒级快闪烁成分的独特无机闪烁体,但其衰减时间约0.6 μs的慢闪烁发光成分会在高计数率应用时引起严重的信号堆积。作为一种抑制慢闪烁成分的有效途径,氟化钡晶体慢闪烁成分抑制的掺杂研究在过去三十年受到持续关注。本文回顾了掺杂抑制氟化钡晶体慢闪烁成分的研究历史,提出了掺杂元素选择的基本原则,重点介绍稀土金属(La、Y、Lu和Sc)、碱土金属(Mg、Sr)、过渡金属(Cd)和碱金属(K)等掺杂的慢闪烁成分抑制特性、内在机理和应用研究情况,并展望了所面临的挑战与机遇。

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。

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。

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。

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。

在制备透明陶瓷时, 广泛采用烧结助剂来提升陶瓷的光学质量。但烧结助剂的添加可能会恶化陶瓷的发光性能。本研究采用真空预烧结合热等静压烧结制备了0.25at%Pr:LuAG闪烁陶瓷, 研究了微量SiO₂烧结助剂对陶瓷光学及闪烁性能的影响。结果表明, 添加少于200 ppm的微量SiO₂(1 ppm表示添加量为1×10^-6 g/g)能有效促进热等静压过程中气孔的排出, 有效提升了Pr:LuAG陶瓷的光学性能。150 ppm SiO₂添加的Pr:LuAG陶瓷在400 nm处的直线透过率约为77%。同时研究了预烧温度及时间对Pr:LuAG陶瓷光学性能的影响。在实现完全闭气孔结构时, 进一步升高预烧温度或延长保温时间会降低热等静压过程中的致密化速率, 不利于气孔的排出, 从而降低了Pr:LuAG陶瓷的光学质量。此外, 添加微量SiO₂对Pr:LuAG陶瓷闪烁性能的影响较小。添加微量SiO₂结合热等静压烧结是制备Pr掺杂石榴石闪烁陶瓷的有效途径。

以微孔硅阵列为模板, 高纯CuI粉末为原料, 采用压力注入法, 成功制备了具有单分散微柱结构的像素化CuI闪烁转换屏。 扫描电子显微镜(SEM)与X射线衍射(XRD)的测试结果表明, 所制备的转换屏中CuI微柱连续、 致密, 微柱柱径约为2.5 μm、 间隔约为1.5 μm、 柱长约为80 μm, 并具有良好的γ相晶体结构。 在X射线激发下, 所制备的像素化γ-CuI闪烁转换屏具有峰值波长位于680 nm附近的红光慢发射带; 掺碘后, 该发射带被较大幅度的抑制, 同时出现了峰值波长位于432 nm 的快发光峰; 当碘掺杂含量达到10 Wt％时, 峰值波长位于680 nm附近的红光慢发射带被完全抑制, 只存在峰值波长位于432 nm的快发光峰。 采用刃边法测量了所制备的像素化γ-CuI闪烁屏的空间分辨率, 结果显示其分辨率可达38 lp·mm-1, 表明该闪烁屏除拥有超快时间响应特性外, 兼具很高的空间分辨本领, 在X射线成像方面具有独特的应用价值。