卤化镧系LnXn（Ce）闪烁晶体的研究进展

卤化镧系LnX3(Ce)(Ln=La、Lu、Gd；X=Cl、Br、I)闪烁晶体由于其高发光效率、快衰减和高的能量分辨率等优异性能而在医学成像技术-单光子发射计算饥层析扫描(SFECT)和正电子发射层析扫描(PET)中存在巨大的应用前景．本文概述了近年来LnX3(Ce)晶体的研究进展．从原料制备出发，介绍了它们的晶体生长方法与结构，基本的物理、化学性质，主要闪烁性能、发光机制及其它掺杂效应研究等．最后，对它们未来的研究发展方向和其他应用前景作了展望．     

La（Ce）Br3闪烁晶体的研究历史及存在的问题

最近20年来,对于无机闪烁晶体,尤其是卤化物闪烁晶体的研究而言是一段收获颇丰的历史,这期间,先后研究发现了大量光输出高、能量分辨率好、衰减时间短的新型卤化物闪烁晶体。着重介绍La(Ce)Br3晶体的研究现状以及对晶体结构、发光机制、闪烁性能和最新研究进展进行系统整理和总结,同时指出在La(Ce)Br3晶体研究中急需解决的难题、发展方向和潜在的应用前景。     

Mg共掺杂Gd3(Al,Ga)5O12:Ce晶体快发光的作用机理

Gd₃(Al,Ga)₅O₁₂:Ce (GAGG:Ce)闪烁体综合性能优异, 应用前景广阔。为加快GAGG的发光衰减速度, 本研究通过提拉法生长了Mg共掺的Gd₃(Al,Ga)₅O₁₂:Ce单晶。测试结果显示, 随着Mg²⁺掺杂浓度增加, 晶体的闪烁衰减速度加快, 光输出降低。传统解释认为, Mg²⁺通过电荷补偿作用将部分Ce³⁺转换成Ce⁴⁺, 后者的发光速度更快。本研究尝试从缺陷的形成与抑制的角度来讨论Mg改善GAGG:Ce晶体闪烁性能的作用机理。由于Ce的离子半径比Gd大, Ce离子掺入将导致发光中心Ce_Gd附近的晶格发生畸变。畸变结果为近邻的八面体格位空间变大, 反位缺陷将更容易在这些变大的八面体格位形成。最终每个发光中心Ce_Gd被四个反位缺陷Gd_Al包裹, 后者捕获载流子, 延缓从基体到发光中心的能量传递, 导致发光速度变慢。由于Mg的离子半径介于Gd和Al之间, Mg_Al将更容易在上述畸变的八面体格位形成, 这会抑制反位缺陷Gd_Al在发光中心Ce_Gd附近形成(或富集), 最终降低(甚至消除)反位缺陷对发光中心的不良影响。XEL测试结果显示, 随着Mg掺杂量增大, 与反位缺陷相关的发射峰强度变弱, 这可以证明Mg对反位缺陷有抑制作用。     

掺Yb3+闪烁晶体的研究进展

掺Yb³⁺闪烁晶体是新近发展起来的一类闪烁体,有可能用于探测太阳中微子.本文简要介绍了掺Yb³⁺闪烁晶体的电荷迁移发光的机理以及基质晶体对温度猝灭与浓度猝灭的影响.综述了具有石榴石结构和钙钛矿结构的两类掺Yb³⁺闪烁晶体的研究进展,特别是Yb:YAG和Yb:YAP晶体的生长、闪烁性能以及应用前景.最后,对掺Yb³⁺闪烁晶体的未来研究方向做了展望.     

A/C比对Ce~(3+)掺杂的Al-Ca-Ba闪烁玻璃发光性能的影响

选取了具有良好化学稳定性的Al-Ca-Ba玻璃系统作为闪烁体的基质系统,研究了Ce3+在该玻璃系统中的发光特性以及该玻璃系统中A/C(Al2O3/CaO)比值对发光性能的影响。研究结果表明,Ce3+在Al-Ca-Ba玻璃系统中的发光较其它玻璃系统激发与发射波长均发生了明显的红移效应,Stokes位移变大,原因跟该玻璃系统较高的光碱度相关;Al-Ca-Ba玻璃闪烁体中A/C比值对发光性能具有非常重要的影响,其比值处于12CaO.7Al2O3这一低熔区域范围内,发光性能最好。     

富集10B的Ce:Li6Lu(10BO3)3晶体生长及其闪烁性能

为了提高中子探测效率, 以富集¹⁰B的H₃¹⁰BO₃为原料, 通过提拉法生长了富集¹⁰B的Ce:Li₆Lu(¹⁰BO₃)₃晶体。X射线激发发射光谱测试表明: 其发光峰位于360~480 nm, 属于Ce³⁺离子典型的5d - 4f跃迁发光, 其闪烁发光效率为BGO晶体的3.9倍。在350 nm紫外光和¹³⁷Cs所发出的662 keV的γ射线激发下测得的衰减时间分别为21.0 ns 和31.7 ns, 在¹³⁷Cs辐射源激发下所测得的相对光输出是CsI(Tl)晶体的20%, 能量分辨率为9.7%。在慢化²⁵²Cf中子源激发下可以观测到明显的中子全能峰, 其能量分辨率为33%。上述研究结果表明, Ce:Li₆Lu(¹⁰BO₃)₃晶体具有较高的闪烁效率、快的衰减时间和良好的中子探测效率, 是一种具有应用前景的中子探测用闪烁晶体。     

低成本溶液法制备厘米级Cs3Cu2I5单晶及其闪烁发光性能

近年来, 拥有高发光量子效率的低维钙钛矿/类钙钛矿结构金属卤化物在辐射探测领域展现出潜在的应用前景。本工作利用反溶剂扩散法生长了高光学质量的厘米级尺寸零维结构Cs₃Cu₂I₅单晶, 并系统研究了其光学吸收、透过、光致激发和发射、时间分辨光致发光、X射线辐照发光、余辉、热释光以及伽马射线探测性能。溶液法制备的Cs₃Cu₂I₅晶体的光学带隙为3.68 eV。在X射线激发下, Cs₃Cu₂I₅单晶的蓝光发射峰位于448 nm, 来源于自陷激子发光。闪烁衰减时间主分量为947 ns (96%)。Cs₃Cu₂I₅单晶的余辉水平与商用BGO晶体相当。此外, 该晶体作为伽马射线闪烁体也表现出29000 photons/MeV的高光产额, 与熔体法制备的Cs₃Cu₂I₅晶体闪烁性能相当。本研究证实了低成本制备高性能Cs₃Cu₂I₅闪烁晶体的可行性。     

硅衬底Al2O3∶Tb3+薄膜的制备及其发光性能

采用溶胶凝胶法在硅衬底上制备了Al₂O₃∶Tb³⁺薄膜; 并采用DTA-TG、XRD、SEM、AFM及光致发光光谱对其进行了一系列表征; 分析了Al₂O₃∶Tb³⁺薄膜的发光机理, 探讨了热处理温度和Tb³⁺掺杂浓度对发光性能的影响规律. 研究结果表明, 采用溶胶凝胶法制备工艺, 制备了高发光强度的Al₂O₃∶Tb³⁺薄膜, 薄膜的最佳激发波长为240nm, Tb³⁺的最佳掺杂浓度为5mol%(Tb₂O₃/Al₂O₃=5mol%), 在240nm光激发下, 最强的发射峰出现在544nm附近; 并且制备的Al₂O₃∶Tb³⁺薄膜表面致密、平整且无裂纹产生, 表面粗糙度约为1.3nm, 有利于硅基光电子器件的制备和应用.     

Zr4+共掺对Cs2LaLiBr6:Ce晶体的中子/伽马甄别性能的影响

中子探测技术广泛用于国土安全、核材料安全检测以及高能物理等领域,由于3He资源紧缺,近年来急需开发出能够同时甄别中子/伽马的新型闪烁晶体, Cs₂La Li Br₆:Ce(CLLB:Ce)晶体具有良好的中子/伽马甄别能力、优异的能量分辨率以及高的光输出,但其中子/伽马甄别性能有待进一步提高。本研究采用垂直布里奇曼法成功生长了Zr⁴⁺共掺杂的CLLB:Ce晶体。通过不同表征手段研究了Zr⁴⁺共掺杂CLLB:Ce晶体的结构和组分,结果表明Zr⁴⁺成功掺入基质材料且对基质晶体结构不产生明显的影响,Zr⁴⁺共掺杂后没有产生新的发光中心,紫外衰减时间约为27.0 ns,仍具有较快的荧光衰减。Zr⁴⁺共掺杂CLLB:Ce晶体的品质因子(Figure of Merit, FOM)从1.2提高到1.5,表明其中子/伽马甄别能力得到改善。结合热稳定性和闪烁衰减时间,探讨了衰减时间对FOM的影响机制,Zr⁴⁺共掺杂可以抑制浅电子陷阱...     

(Gd_(1-x)Y_x)_2Si_2O_7:Ce混晶闪烁体的制备及性能研究

采用固相烧结法制备了(Gd_(1-x)Y_x)_2Si_2O_7:0.1%Ce(x=0.1,0.2,...0.7,1)的系列多晶样品,通过荧光激发发射光谱和X射线激发发射谱对该系列样品进行筛选,发现(Gd_(0.5)Y_(0.5))_2Si_2O_7:0.1%Ce的组分发光效率最高。采用浮区法生长了该组分单晶,并对该单晶的结构、荧光和闪烁性能进行了测试和讨论。XRD结果表明,(Gd_(0.5)Y_(0.5))_2Si_2O_7:0.1%Ce闪烁单晶为正交结构,紫外激发-发射谱、荧光衰减谱显示该晶体的发光主峰位位于362 nm,但由于Gd(~6I_J)→Ce(5d_3)的无辐射能量传递的存在,使样品出现211 ns的荧光慢分量。采用X射线激发发射谱,γ射线激发多道能谱和闪烁衰减谱对样品的闪烁性能进行了表征。结果表明,GYPS:Ce晶体的光产额为Ce掺杂硅酸钇镥标样的90%,由于该无辐射能量传递和较低的Ce掺杂浓度,单晶闪烁发光中存在较长的慢分量,闪烁衰减慢分量成分占到总发光的87%。     

Scintillation properties of Cs2LiLaBr6 (CLLB) crystals with varying Ce concentration

Investigations of Ce³⁺-doped Cs₂LiLaBr₆ (CLLB) crystals show a systematic trend in their scintillation properties with varying Ce concentrations. The concentration studies provide input in the optimization of growth of the CLLB crystals. Scintillation properties viz. radioluminescence, energy resolution, light yield, decay times, and non-proportionality are discussed for samples from 0% to 20% Ce concentration.     

Crystal growth and scintillation properties of Ce-doped sodium calcium lutetium complex fluoride

0.1%, 0.5%, 1% and 3% Ce doped scintillation crystals based on NaF-CaF₂-LuF₃ solid solutions were grown from the melt using Micro-Pulling-Down (μ-PD) method. The grown crystals were transparent and their transmittance was approximately 80% for the wavelengths longer than 320 nm. Concerning the scintillation properties, radio-luminescence peaks of the crystals were detected at approximately 330 nm. The light yield of the crystals was also measured using γ-ray (¹³⁷Cs and ²²Na) as the excitation source.     

Scintillating and particle discrimination properties of selected crystals for low-temperature bolometers: from LiF to BGO

Selected crystals have been investigated at 20 mK for their properties of scintillation produced under irradiation. A scintillation signal is found in preliminary studies of YAP:Ce, GSO:Ce, CaF₂:Eu and Al₂O₃:Ti crystals thanks to high sensitivity light detectors. The full mixed “light-and-heat” bolometric technique has been applied to further characterize materials already employed in rare event researches: CaWO₄, BGO, undoped Al₂O₃ (sapphire). All these crystals show powerful discrimination properties for /γ or nuclear recoil/γ detection, with a special mention to undoped Al₂O₃, hitherto untested, which revealed an unexpected strong light emission. A weaker light signal has been found on LiF and TeO₂ bolometers too, sufficient to separate alpha from gamma events in these crystals.     

核医学成像技术对无机闪烁材料的需求

介绍了目前正在使用的X－射线成像屏、X－CT和PET等核医学成像技术的原理及其探头对无机闪烁体的性能要求，展示了几种最有发展前景的无机闪烁晶体－－硅酸镥（LSO）、铝酸镥（LuAP）和钨酸铅晶体的研究现状和存在的问题。指出透明陶瓷闪烁体的出现是对传统闪烁晶体的一个挑战。     

陶瓷闪烁材料最新研究进展

概述了透明陶瓷的研究现状及闪烁体的一些重要性能。讨论了新型陶瓷闪烁体相比闪烁单晶在成像应用中的优势 ,介绍了几种重要的陶瓷闪烁体 ,如 (Y ,Gd) 2 O3:Eu ,Pr;Gd2 O2 S :Pr ,Ce ,F ;Gd3Ga5O1 2 :Cr,Ce ;Lu2 O3:Eu ,Tb。并陶瓷闪烁体在先进医学和工业X 射线探测器CT成像中的应用和趋向进行了展望。     

Free carrier absorption in self-activated PbWO4 and Ce-doped Y3(Al0.25Ga0.75)3O12 and Gd3Al2Ga3O12 garnet scintillators

Nonequilibrium carrier dynamics in the scintillators prospective for fast timing in high energy physics and medical imaging applications was studied. The time-resolved free carrier absorption investigation was carried out to study the dynamics of nonequilibrium carriers in wide-band-gap scintillation materials: self-activated led tungstate (PbWO₄, PWO) ant two garnet crystals, GAGG:Ce and YAGG:Ce. It was shown that free electrons appear in the conduction band of PWO and YAGG:Ce crystals within a sub-picosecond time scale, while the free holes in GAGG:Ce appear due to delocalization from Gd³⁺ ground states to the valence band within a few picoseconds after short-pulse excitation. The influence of Gd ions on the nonequilibrium carrier dynamics is discussed on the base of comparison the results of the free carrier absorption in GAGG:Ce containing gadolinium and in YAGG without Gd in the host lattice.     

A general approach to increasing the radiation hardness of complex structure oxide scintillation crystals

An approach to increasing the radiation hardness of scintillation materials based on complex structure oxide single crystals is proposed. It is shown that damage of the scintillation mechanism and radiation-induced optical absorption are strongly suppressed when a crystal is doped by a specific impurity. The necessary impurity properties are formulated. The proposed approach is illustrated by radiation hardness improvement of the lead tungstate PbWO₄ and yttrium perovskite YAlO₃:Ce scintillation materials.     

Gd3(Al,Ga)5O12:Ce闪烁晶体扭曲生长、组分偏析与性能研究

新型闪烁晶体Gd3(Al,Ga)5O12:Ce(简写为GAGG:Ce)在制备过程中易出现多晶扭曲生长、组分偏析等问题,严重影响晶体的性能.为了得到大尺寸高质量的GAGG:Ce晶体,采用X射线衍射(XRD)、电感耦合等离子体发射光谱(ICP-OES)和X射线激发发射谱(XEL)等手段,结合熔体特性分析了GAGG:Ce晶体...