本文采用改进的坩埚下降法生长了76 mm×76 mm的以氯化铈(CeCl3)为掺质的溴化镧(LaBr3)晶体。该晶体经切割、研磨加工、封装制成超薄铍(Be)金属LaBr3晶体防潮封装件, 封装件的晶体尺寸为76 mm×15 mm, 入射窗选用200 μm厚的Be金属片, 当入射能量为5.9 keV时能量分辨率为55%。对封装件依次开展力学(1 000 g冲击、14.12 g随机振动)、热真空(-40~+50 ℃、≤1.3×10-3 Pa)、辐照(160 krad剂量60Co辐照)试验, 并对试验前后封装件进行闪烁性能表征。结果表明, 试验前后晶体外观无肉眼可见变化, 662 keV的能量分辨率由5.30%变至4.89%, 光输出损失0.2%。

闪烁体作为辐射探测应用中的核心材料, 在工业无损探伤、医学影像学、高能物理以及安全检查等方面发挥着重要的作用。当前闪烁体研究的机遇与挑战并存, 特别是在新冠肺炎疫情进入常态化, 开发高性价比的新型闪烁体并对其综合性能进行优化具有重要的现实意义。纳米晶复合玻璃(也称微晶玻璃)闪烁体结合了闪烁晶体发光效率高与闪烁玻璃制备简单和成本低廉的综合优势, 成为了一种备受瞩目的明星闪烁体。本文根据发光中心不同, 分别介绍以稀土离子和以具有自发光效应的纳米晶作为发光中心的纳米晶复合玻璃闪烁体, 重点关注此类材料的制备、纳米晶种类与其发光性能之间的关联、以及材料在高能射线X和伽马光探测领域的潜在应用。最后, 对研究中存在的问题进行了探讨并对此类材料未来发展方向做出了展望。

核辐射探测是指用各种核辐射探测器来得到核辐射信息的过程，在军用、民用和科研等领域具有广泛的应用。作为核辐射探测核心的核辐射探测器，主要分为气体探测器、闪烁体探测器和半导体探测器。相比于气体探测器，闪烁体探测器和半导体探测器都需要晶体作为核心材料，晶体质量的品质在很大程度上决定了探测器性能的上限。为了获得性能更好的探测器，人们对探测器用单晶材料的生长方法进行了大量的研究。本文综述了近几年核辐射探测单晶生长方法研究的最新进展，总结了目前主流的晶体生长方法，包括溶液法、熔体法、气相法等，并对不同晶体的主要生长方法进行了归纳。

对三联苯是一种常见的有机闪烁剂, 通常用作闪烁计数器的发光材料。对三联苯闪烁晶体具有对中子探测效率高以及不易潮解等特性, 这使其在实际应用中具有广阔的前景。本文采用坩埚下降法, 使用单层安瓿成功生长出12 mm×30 mm对三联苯晶体。在生长开始前通过差热分析, 确定晶体的生长温度。生长完成后测试了晶体粉末的X射线衍射谱、摇摆曲线、红外光谱、荧光光谱和拉曼光谱。X射线衍射结果表明, 生长的晶体为纯对三联苯相。从摇摆曲线结果可以看出, 生长晶体质量良好。红外和拉曼分析结果显示, 峰位并没有出现明显的偏移, 表明晶体中杂质含量较少并未引起晶体分子化学结构的变化。荧光光谱没有杂质峰的出现也说明对三联苯晶体存在较少杂质或晶格缺陷。

Cs2LiYCl6∶Ce(CLYC)晶体是一种具有n/γ双探测能力的新型闪烁晶体。采用坩埚垂直下降法生长出富6Li的CLYC晶体毛坯, 经加工、封装得到50 mm×50 mm的CLYC闪烁晶体封装件, 其对137Cs 662 keV γ射线的能量分辨率为4.22%; 测量252Cf中子源的脉冲波形甄别(PSD)品质因子(FOM)为3.45。凭借其优异的性能, CLYC闪烁晶体有望在中子探测领域替代3He正比计数管, 并可作为n/γ双探测的优选材料, 应用于中子辐射探测器、放射性同位素识别仪、个人辐射剂量仪, 以及其他中子、伽马射线的探测。

采用布里奇曼法成功制备出大尺寸(15 mm×50 mm)、高质量的全无机金属卤化物类钙钛矿Cs3Bi2I9单晶。室温下, 该晶体属于六方晶系, 空间群为P63/mmc, 密度为5.07 g/cm3, 晶胞参数为a=b=0.840 nm, c=2.107 nm, 熔点为632 ℃。采用粉末X射线衍射谱、紫外-可见-近红外漫反射光谱、I-V测试等表征该晶体的性质。制备Au/Cs3Bi2I9/Au三明治型器件结构, 采用飞行时间技术测试Cs3Bi2I9晶体的载流子迁移率, 得到Cs3Bi2I9晶体的电子迁移率为4.33 cm2·V-1·s-1。根据Hecht单载流子方程拟合得到Cs3Bi2I9晶体的载流子迁移率寿命积(μτ)为8.21×10-5 cm2·V-1, 并且在500 V偏压下对α粒子的能量分辨率达到39%。

CdZnTe(CZT)探测器目前在国内外天体物理研究中占有重要的地位。本文采用蒙特卡洛软件GEANT4模拟了CZT伽马射线探测器对伽马射线的能谱响应, 研究了电子和空穴的输运特性、外加偏压、探测器厚度等因素对平面型探测器的能谱特性的影响规律。结果表明, 在电子收集效率较高时, 能量分辨率明显受迁移率寿命积比值((μτ)e/(μτ)h)的影响, 比值越小, 能量分辨率越好。增加工作电压可以提高载流子的收集效率和探测器的能量分辨率。在电子收集效率较高时, 增大厚度可以弱化空穴信号贡献, 提高能量分辨率。漂移程与晶体厚度之比(μτ)eE/d可以用来估算平面型CZT探测器对低能射线的收集效率, 并计算出其对应关系。

钙钛矿材料在太阳能电池和光电探测等领域的快速发展, 带动了其在核辐射探测领域的应用研究。钙钛矿晶体结构拥有多样化的结构容忍性, 如何设计组分并挖掘材料的相关特性具有很大的科学挑战。其次, 针对新型钙钛矿材料特性, 需要根据应用场景来优化半导体器件设计, 才能最大限度地发挥其辐射探测性能。鉴于此, 本文从熔体法晶体生长及半导体器件设计等角度, 探讨了不同维度钙钛矿结构的材料特性及辐射探测器件性能, 以期为该材料在核辐射探测领域的发展提供参考。

近年来, 以雪崩二极管和硅光电倍增管为代表的高探测效率、长波敏感的硅基光探测器件技术得到快速发展, 这使得具有红光-近红外发光特性的闪烁晶体材料逐渐受到关注。本文综述了红光-近红外发光金属卤化物闪烁晶体的发展历程, 重点介绍了基于Eu2+-Sm2+能量传递的新型红光-近红外发光卤化物晶体的发光机理、闪烁性能和实现高效红光-近红外闪烁发光的材料选择原则, 并从材料制备和探测器应用的角度分析了红光-近红外发光闪烁晶体发展所面临的问题。