Y3+/Li+和Y3+/Na+双掺杂氟化钡快响应闪烁晶体

氟化钡(BaF₂)晶体是已知响应最快的闪烁晶体,在高能物理、核物理及核医学等领域有着广泛的应用前景。抑制BaF₂晶体的慢发光成分对其工程应用至关重要。本文利用坩埚下降法制备了高Y³⁺掺杂浓度5%、8%、10%(摩尔分数)的BaF₂晶体,并采用Y³⁺与碱金属离子(Li⁺、Na⁺)共掺杂的方法形成电荷补偿阻止间隙F^-的产生,制备了双掺杂型BaF₂快响应闪烁晶体,进而基于优化的5 ns和2 500 ns时间门宽测试方法,研究了Y³⁺掺杂浓度以及Y³⁺与碱金属离子(Li⁺、Na⁺)共掺杂浓度对BaF₂闪烁晶体快/慢成分比的影响规律。结果表明,生长的高浓度Y³⁺掺杂BaF₂晶体的光学质量优异,在220 nm和300 nm处透过率分别高于90%和92%;随着Y³⁺掺杂浓度由0提高至10%,BaF₂晶体的慢发光成分显著降低,快/慢成分比由0.15提高至1.21;生长的Y³⁺/Li⁺及Y³⁺/Na⁺共掺杂BaF₂晶体的慢发光成分较Y³⁺掺杂BaF₂晶体进一步降低,快/慢成分比最高分别可达1.63和1.61。研制的双掺杂BaF₂快响应闪烁晶体有望应用于高能物理、核物理前沿实验等重要领域。     

Cs2HfCl6和Cs2HfCl6∶Tl晶体的生长、光学和闪烁性能研究

本文使用坩埚下降法制备了ø7 mm的未掺杂Cs₂HfCl₆与Cs₂HfCl₆∶0.2%Tl(摩尔分数)单晶,对晶体样品进行了物相、杂质含量、光学和闪烁性能的研究。该晶体属于立方晶系,空间群为Fm3m。在荧光和X射线激发下,未掺杂Cs₂HfCl₆晶体的发光主峰皆为380 nm,对应于自陷激子发光。Cs₂HfCl₆∶0.2%Tl晶体在荧光和X射线激发下,发射光谱中除了存在380 nm处的自陷激子发光,也存在505 nm处Tl⁺的sp-s²跃迁发光。Cs₂HfCl₆和Cs₂HfCl₆∶0.2%Tl晶体的光输出分别为37 000 photons/MeV和36 500 photons/MeV,在662 keV处的能量分辨率皆为3.5%。在¹³⁷Cs源激发下,Cs₂HfCl₆晶体的闪烁衰减时间为0.37 μs (4.2%)、4.27 μs (78.9%)和12.52 μs (16.9%),Cs₂HfCl₆∶0.2%Tl晶体的闪烁衰减时间为0.33 μs (3.5%)、4.09 μs (81.9%)和10.42 μs (14.5%)。     

LaBr3:Ce,Sr闪烁晶体的生长及性能研究

采用自发成核坩埚下降法生长了直径25 mm的铈、锶共掺溴化镧(LaBr₃∶5%Ce,x%Sr,简称LaBr₃∶Ce, Sr,其中x=0.1、0.3、0.5,摩尔分数)闪烁晶体,测试对比了晶体的X射线激发发射光谱、透过光谱和脉冲高度谱等。结果表明,不同Sr²⁺掺杂浓度的LaBr₃∶Ce, Sr晶体在X射线激发下的发射光谱波形基本一致,但相比未掺杂Sr²⁺的样品,发射峰的峰位发生了明显的红移,随着Sr²⁺掺杂浓度的增大,发射峰红移程度增大。不同Sr²⁺掺杂浓度的LaBr₃∶Ce, Sr晶体在350～800 nm不存在明显的吸收峰,0.3%和0.5%Sr²⁺掺杂晶体的透过率有所降低。随着Sr²⁺掺杂浓度的增大,能量分辨率逐步提高,Sr²⁺掺杂浓度为0.5%时,LaBr₃∶Ce, Sr晶体的能量分辨率最高,达2.99%@662 keV...     

掺Sr2+溴化铈晶体的生长与闪烁性能研究

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ϕ25.4 mm×25.4 mm CeBr₃∶0.2%Sr晶体封装件的能量分辨率为3.92%@662 keV。     

KCaCl3:Ce晶体的生长及发光性能

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→²F_5/2和5d₁→²F_7/2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。     

不同直径Cr:Al2O3圆柱晶体的制备及其光学性能研究

采用光学浮区法制备了不同Cr³⁺掺杂浓度的Cr∶Al₂O₃晶体,并根据需要制备了不同直径(2 mm至13 mm)的长度大于100 mm的圆柱状Cr∶Al₂O₃晶体。测量了在制备Cr∶Al₂O₃晶体不同阶段所获得的粉末料棒、陶瓷料棒和晶体的密度,分别为0.928、2.230和4.051 g/cm³。XRD图谱显示,Cr∶Al₂O₃晶体为α-Al₂O₃相。透射光谱表明,Cr∶Al₂O₃晶体可见光非特征吸收波段透过率大于80%。吸收光谱和光致激发光谱(监测669 nm光)均显示,Cr∶Al₂O₃晶体在418及559 nm处有较强吸收带,分别对应Cr³⁺从⁴A₂至⁴     

Li掺杂浓度对NaI∶Tl,Li晶体光学和闪烁性能的影响

具有中子-伽马双模探测能力的卤化物闪烁晶体在辐射探测领域展现出广阔的应用前景。本文使用布里奇曼法生长得到高光学质量的NaI∶Tl和NaI∶Tl, Li闪烁晶体，并系统研究了不同Li浓度掺杂NaI∶Tl晶体的光致激发和发射光谱、时间分辨光致发光曲线、X射线辐照发光光谱、伽马射线激发能谱，以及中子-伽马甄别性能。研究表明，NaI∶Tl晶体和NaI∶Tl, Li晶体在X射线激发下的发光峰位于345和410 nm,均来源于Tl⁺的sp-s²跃迁发光。随着Li浓度的增加，晶体的光产额由41 000 photons/MeV下降到23 000 photons/MeV,662 keV处的能量分辨率由7.0%劣化到9.6%。1%Li(原子数分数)掺杂的NaI∶Tl晶体具有最优的中子-伽马脉冲形状甄别(PSD)性能，品质因子(FoM)值达到4.56。     

基质组分配比对Cs2LiYCl6∶Ce晶体生长及闪烁性能的影响

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φ25 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。     

梯度掺杂的YVO4-Nd∶YVO4复合晶体

利用改进的提拉法生长了一种新型YVO₄-Nd∶YVO₄ 复合晶体,在晶体中部实现了Nd³⁺的0.10%~0.25%(原子数分数)浓度梯度掺杂。晶体中, Nd³⁺掺杂区的弱吸收系数较未掺杂区大,表现出界面吸收现象。观测了复合晶体对泵浦光的吸收和温度分布,发现晶体沿轴向的泵浦吸收相对均匀,温度梯度相对较小。未镀膜的复合晶体样品在1 064 nm波段显示了良好的连续激光性能,光-光转换效率为37.0%,斜效率为40.9%。     

Gd3(Al,Ga)5O12:Ce晶体生长与闪烁性能研究

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。     

掺杂LN晶体光折变效应及图象光存储特性

利用514.5nm和632.8nm波长的激光,研究了单掺杂Fe和双掺杂Ce∶Fe离子铌酸锂晶体的光折变二波耦合及光折变全息存储特性.实验结果表明生长态双掺杂Ce∶Fe与单掺杂Fe的LiNbO3晶体的光折变波耦合增益差异不明显,但双掺杂Ce∶Fe的LiNbO3晶体的图象存储和擦除特性明显得到改善.氧化态样品具有较大的透过率光谱范围和较好的图象存储质量;还原态样品具有较大的光折变二波耦合增益特性.     

K2LaBr5∶Pr晶体的生长及发光性能研究

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ø12 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%。     

掺铈Cs2BaBr4晶体的生长和闪烁性能研究

以高纯度BaBr₂、CsBr、CeBr₃为原料,采用高温固相反应法合成了Cs₂BaBr₄∶1%Ce³⁺多晶料,并通过坩埚下降法生长了Cs₂BaBr₄∶1%Ce³⁺晶体。将晶体切割研磨抛光后得到不同厚度的Cs₂BaBr₄∶1%Ce³⁺晶片。对晶体进行了物相分析,XRD图谱表明晶体为一致熔融物,且无相变。研究了晶体的闪烁性能,测试了光学透射率、光致发光、X射线激发发光、多通道gamma能谱、衰减时间。与LaBr₃晶体对比,分析了晶体的吸湿性。结果表明,晶体的光学透过率接近80%,在一定波段的紫外光及X射线的激发下,晶体在349与372 nm波长有发射峰。¹³⁷Cs源伽马射线的激发下,能量分辨率为11%,在紫外激发下,晶体衰减时间为21.9 ns。晶体的吸湿性比LaBr₃晶体有大幅改善。     

多孔坩埚温度梯度法生长Ho,Y∶CaF2晶体及其光谱性能

采用自主设计改造的温梯炉,成功生长了不同浓度Ho³⁺、Y³⁺掺杂的CaF₂及Sr_xCa_1-xF₂晶体,晶体尺寸约为ϕ15 mm×55 mm,生长周期约为6 d,能够实现7种不同浓度晶体的同步生长,并选取其中的4%(原子数分数)Ho,4%Y∶CaF₂晶体进行分析,吸收测试表明,该晶体448 nm和643 nm处吸收峰的吸收截面分别是1.13×10^-20 cm²和0.84×10^-20 cm², J-O理论分析得到了晶场强度参数Ω_t(t=2、4、6)、辐射跃迁几率、荧光分支比和辐射寿命。在448 nm氙灯激发下,经计算得到该晶体在546 nm、650 nm 和752 nm处的发射截面分别为10.450×10^-21 cm²、8.737×10^-21 cm²和5.965×10^-21 cm²,测得⁵F₄和⁵F₅能级的寿命分别为33.5 μs和17.7 μs。在640 nm LD泵浦激发下,经计算得到该晶体2 031 nm处发射截面为5.375×10^-21 cm²,2 847 nm处发射截面为10.356×10^-21 cm²,测得⁵I₇和⁵I₆ 能级的寿命分别为4.37 ms 和1.85 ms。以上结果表明,多孔坩埚温梯法能够大大提高激光晶体稀土离子掺杂浓度筛选的效率,加快新型激光晶体材料的研发速度。     

面向集装箱安检应用的Mg4Ta2O9闪烁晶体及其掺杂改性

钽酸镁(Mg₄Ta₂O₉)晶体的衰减时间快于CdWO₄晶体,光产额及能量分辨率高于CdWO₄晶体,低余辉特性和CdWO₄类似,在0.01%/3 ms左右,又由于Mg₄Ta₂O₉晶体材料无毒性元素,使其成为具有替代含有毒Cd元素的CdWO₄晶体,应用于集装箱安检领域的最佳候选材料之一。本文综述了Mg₄Ta₂O₉晶体的结构特性、晶体生长、闪烁性能及掺杂改性等方面的研究进展,发现通过掺杂Zn或Nb能显著提高其光产额。     

PbWO4:(Sb,Y)晶体的发光和闪烁性能研究

本文报道了用多坩埚下降法生长的大尺寸PbWO4:(Sb,Y)晶体的光谱和闪烁性能.基于透射光谱、X射线激发的发射谱、紫外激发及其发射谱、光产额和超短脉冲X射线激发荧光寿命等方面的测试,讨论了Sb,Y双掺杂对PbWO4晶体的光谱和闪烁性能的作用.结果表明:Sb,Y双掺杂能显著改善PbWO4晶体的光谱性能和闪烁性能,使PbWO4晶体在短波方向的透过率明显提高;对于尺寸为23×23×20mm3的掺杂晶体样品,光产额最大值大约为50 p.e./MeV,约为BGO光产额的6.0;;发光成份中有1.9ns和15.8ns两个衰减时间常数的快成份.     

坩埚下降法生长钨酸镉晶体的闪烁性能

以高温固相反应合成CdWO4多晶为原料,采用垂直坩埚下降法生长出大尺寸完整CdWO4晶体,就所生长CdWO4晶体进行了闪烁发光性能的测试表征,包括紫外可见透射光谱、光致发光光谱、光致发射衰减时间、X射线激发发射光谱、相对光产额以及γ射线辐照硬度.结果表明,该单晶在可见光区具有良好的光学透过性,其光致发光与X射线激发发射光的峰值波长位于475 nm左右,其光致发射衰减时间为842 ns;以CsI∶Tl晶体为基准样品,测得γ射线激发发光的光产额相当于基准样品的51.5％～57.4％,在γ射线辐照条件下其辐照硬度达107 rad.     

硅酸钇晶体的生长、腐蚀形貌和光谱性能研究

本文采用中频感应提拉法成功生长了未掺杂的Y2SiO5(YSO)晶体,经过定向、切割、抛光后得到样品.经过腐蚀后,利用大视场显微镜和扫描电镜在样品表面上观察到了菱形和四边形的位错蚀坑、小角晶界和包裹物等缺陷;测试了经过氢气、空气退火前后,辐照前后YSO晶体的透过谱,结果表明:YSO晶体的吸收边大约在202nm,氢气退火后在200～300nm波段透过率增加,空气退火后透过率显著降低;辐照后,氢气退火的样品在200～500nm波段透过率显著降低.     

1英寸Cs2LiLaBr6∶Ce闪烁晶体的生长及性能研究

Cs₂LiLaBr₆∶Ce(CLLB∶Ce)晶体n/γ双读出闪烁性能优异,其实用化瓶颈在于大尺寸、高光学质量晶体的生长。本研究采用非化学计量比配比,避开CLLB∶Ce非一致熔融组分区域,通过改进研制坩埚下降法晶体生长炉,并优化温度场和降低坩埚下降速度等晶体生长工艺,从而克服组分过冷,保持生长界面稳定,得到了直径1英寸(1英寸=2.54 cm)的CLLB∶Ce晶体毛坯,等径透明部分长度达40 mm,单晶比例由52%提高至79%,可见光区光学透过率达到70%以上。在¹³⁷Cs激发下能量分辨率达3.7%,在²⁵²Cf激发下晶体的品质因子达到1.42,可以很好地甄别中子和γ射线。     

双温区热扩散掺杂Fe2+∶ZnSe激光晶体的制备及激光输出性能

本文以CVD ZnSe晶片为基质材料,以FeSe粉末为掺杂物,采用双温区热扩散掺杂技术获得了尺寸为Ø22 mm×4 mm的Fe²⁺∶ZnSe激光晶体。通过二次离子质谱(SIMS)测试该晶体样品表面铁离子浓度为3.43×10¹⁸ cm^-3,并通过X射线光电子能谱(XPS)分析了晶体样品中铁元素的离子价态。采用UV/Vis/NIR分光光度计和傅里叶红外光谱仪测试了Fe²⁺∶ZnSe激光晶体的透过谱图。测试结果显示,在3.0 μm处出现了明显的Fe²⁺吸收峰,峰值透过率为5.5%。以波长为2.93 μm的Cr, Er∶YAG激光器为泵浦源,温度77 K时抽运尺寸10 mm×10 mm×4 mm的 Fe²⁺∶ZnSe晶体,获得了能量为191 mJ、中心波长4.04 μm的中红外激光输出,光光转换效率13.84%。