无机闪烁体的研究进展

闪烁体能够快速地将光子如X射线、γ射线或高能粒子如α粒子、β粒子转换成紫外-可见脉冲荧光,因此在过去的几十年中备受学术界和产业界关注,目前已经在核医学成像、安全检查、工业探测、高能物理等领域广泛应用。由于稀土离子如Ce~(3+)、Pr~(3+)和Eu~(2+)等具有5d-4f快偶极允许跃迁,所形成激子衰减时间一般在几十至几百纳秒之间,具有快闪烁响应特性,通常作为发光中心掺杂入不发光的基质中形成闪烁晶体。主要介绍了近几十年来无机闪烁晶体主要包括卤化物、铝酸盐和硅酸盐三类在学术界和产业界中的研究进展。     

闪烁晶体材料的研究进展

闪烁晶体用于X射线和γ射线等高能粒子探测,在分子医学成像、高能物理、核物理、安全检查、材料无损探伤和地质探矿等领域有着广泛的应用。随着人们对闪烁晶体的更加深入的认识以及晶体生长技术的发展,许多已开发的闪烁晶体的性能得到优化和提高,应用范围也随之扩大,随着应用的更高要求,对闪烁晶体的综合性能要求越来越高,进一步设计、发现、开发和生长具有高密度、优良光学均匀性、高能束粒子阻止本领、高光产额、快衰减、高稳定性、低成本等综合优良性能的闪烁晶体仍然是闪烁材料研究的重点。简要综述了近年来卤化物、钨酸盐、锗(硅)酸盐、铝酸盐和硼(磷)酸盐等重要闪烁晶体材料的研究进展及其闪烁性能和应用前景。     

无机闪烁晶体及其产业化开发

在高能粒子或射线（如X射线、γ射线等）的作用下能够发出脉冲光的物体,被称为闪烁体。它是光电功能材料,被广泛用于高能物理、核物理、空间物理、核医学、地质勘探、安全检查以及国防工业等领域。闪烁体分为无机闪烁体和有机闪烁体两大类。根据形态、成份以及结构特点,可进一步将前者分为无机闪烁晶体、闪烁玻璃、闪烁陶瓷和闪烁气体,而后者可分为有机闪烁晶体、液体闪烁体和塑料闪烁体。其中,数量最多、应用最广的当推无机闪烁晶体。本文将主要介绍无机闪烁晶体及其应用以及有关晶体的开发状况,同时对无机闪烁晶体的发展趋势也将做一简要评述。     

镥基闪烁晶体的研究进展

由于高能物理实验、核医学成像、安全检查和地质探矿等领域的迫切需要,具有高密度、快衰减、高光输出和低成本等优良特性的闪烁晶体成为关注的焦点,特别是Ce~(3+)激活的镥(Lu)基化合物,其开发、研究和应用方兴未艾。简要综述了硅酸镥、氧化镥和铝酸镥等闪烁晶体的生长技术、闪烁性能和应用,并展望了镥基闪烁晶体的发展趋势。     

γ-CuI晶体的发光衰减时间和对X射线的能量响应

采用溶剂蒸发法生长出透明的带隙宽度为2.96 eV的γ-CuI晶体。在紫外光激发下, 该晶体在410、430 nm处分别呈现有近带边发射峰, 另在720 nm附近还出现一个与样品碘缺陷有关的宽发射带。经碘退火后, 样品720 nm发射带被基本抑制, 而在420 nm处出现了一个更强的近带边发射峰。使用扫描相机分别测量了γ-CuI晶体各发射峰(带)的衰减时间谱, 其中近带边发射峰的发光衰减时间常数均在数十皮秒量级, 表明γ-CuI晶体具有极快的时间响应特性; 而720 nm发射带的发光衰减时间常数主要在数十纳秒量级。X射线激发下, γ-CuI晶体具有435 nm近带边发射峰和680 nm发射带, 其近带边发射对X射线能量响应的测量结果表明, 当E_X<49.1 keV时, γ-CuI晶体闪烁光快分量对X射线的探测效率相对较高。     

γ-CuI晶体的发光衰减时间和对X射线的能量响应

采用溶剂蒸发法生长出透明的带隙宽度为2.96 e V的γ-CuI晶体。在紫外光激发下,该晶体在410、430 nm处分别呈现有近带边发射峰,另在720 nm附近还出现一个与样品碘缺陷有关的宽发射带。经碘退火后,样品720 nm发射带被基本抑制,而在420 nm处出现了一个更强的近带边发射峰。使用扫描相机分别测量了γ-CuI晶体各发射峰(带)的衰减时间谱,其中近带边发射峰的发光衰减时间常数均在数十皮秒量级,表明γ-CuI晶体具有极快的时间响应特性;而720 nm发射带的发光衰减时间常数主要在数十纳秒量级。X射线激发下,γ-CuI晶体具有435 nm近带边发射峰和680 nm发射带,其近带边发射对X射线能量响应的测量结果表明,当EX49.1 ke V时,γ-CuI晶体闪烁光快分量对X射线的探测效率相对较高。     

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。     

Zn2+掺杂NaAlSiO4:Er3+,Yb3+微晶玻璃制备及上转换发光性能

主要研究过渡金属Zn~(2+)离子掺杂对NaAlSiO_4:Er~(3+), Yb~(3+)微晶玻璃上转换发光性能的影响。采用高温熔融法制备不同掺杂浓度的Zn~(2+)掺杂NaAlSiO_4:Er~(3+), Yb~(3+)上转换发光样品,通过同步热分析仪(DSC)、X射线衍射仪(XRD)、傅里叶红外光谱仪和荧光光谱分析仪等对样品进行热处理制度、析出晶体、玻璃结构和发光性能的表征分析。采用两步法对基质玻璃进行热处理之后,样品中析出NaAlSiO_4晶体,随着Zn~(2+)离子掺杂浓度的增加,样品的结晶完整度有所变化,说明Zn~(2+)进入到晶体内部,打破了晶体内部对称性,引起晶格畸变。在980 nm激光器泵浦激发下样品在543 nm处出现绿光发射峰,在668 nm处出现红光发射峰。结果表明,位于668 nm处的红光发射峰强度随着Zn~(2+)掺杂浓度的不断增加而逐渐增强,说明一定浓度的过渡金属Zn~(2+)的掺杂会对样品的上转换发光强度的提升有较大的促进作用。     

溶胶-凝胶法合成BaO-B_2O_3-SiO_2:Eu~(3+),Bi~(3+)及其发光行为研究

在实验室中,采用溶胶-凝胶法,在900℃的温度下,合成出组成为:0.894BaO-0.03B_2O_3-0.94SiO_2:0.045Eu,~(3+)0.008Bi~(3+)(加入Li~+作为电荷补偿剂)发光体。利用红外光谱、X射线衍射谱、热重及差热分析研究了由凝胶至发光晶体的转变。讨论了在硼硅酸盐基质中.Eu~(3+)和Bi~(3+)的发光行成。     

钨酸铅(PbWO_4)晶体的研究进展

钨酸铅(PWO)晶体由于自身特点:高密度(8.28g/cm~3)、短辐射长度(0.87cm)和Moliere半径(2.12cm)、快的闪烁衰减时间((?)<50ns)以及较强的抗辐照损伤能力,已经成为了最具发展潜力的闪烁晶体之一,作为一种良好的闪烁晶体,PWO晶体在高能物理、核医学等领域有着广泛的应用。主要综述了PWO晶体的结构、发光机制、自身缺陷、晶体生长的研究现状,着重阐述了生长工艺改善和离子掺杂改性对钨酸铅晶体性能的影响,分析了PWO晶体的发展前景。     

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晶体多晶扭曲生长、组分偏析的形成机制。通过调整温场、抑制组分挥发等方法生长出φ50 mm×120 mm的GAGG:Ce晶体, 并重点研究了GAGG:Ce晶体的光谱特性与闪烁性能。结果表明: GAGG:Ce晶体的光输出达58000 ph./MeV, 能量分辨率为6.4%@662 keV, 在550~800 nm波长区间的透过率约为82%。晶体闪烁衰减快分量为126 ns (83%), 慢分量为469 ns (17%)。晶体的发射峰中心波长在550 nm左右, 与硅光电倍增管的接收波长匹配, 且发光峰值处的透过率EWLT(Emission Weighted Longitudinal Transmittance)值高达79.8%。GAGG:Ce晶体兼具高光输出与高能量分辨率, 在中子和伽马射线探测领域具有广阔的应用前景。     

氧化钇稳定立方氧化锆掺杂晶体的吸收光谱和发光光谱

用“壳熔”冷坩埚技术生长了氧化钇稳定的立方氧化锆(YSCZ)掺杂晶体,它们的杂质浓度为 CeO_2(0.01、0.3、0.5wt%)、Fe_2O_3(?)0.03wt%+CeO_2 0.01wt%、Fe_2O_3 0.03wt%+(?)CeO_2 0.03wt%、CoO(0.1、0.3wt%)、Cr_2O_3 1wt%,一个为未掺杂的 YSCZ 晶体。在 Beckman UV 5270型光谱仪上测量了室温下300～800nm 波长范围的吸收光谱,记录了空气中生长和~(60)Co 射线辐照后晶体的吸收光谱。实验结果表明掺 Ce 和 Co 晶体出现新带,这是由于 γ 射线辐照过程中 Ce~(4+)变为 Ce~(3+)、Co~(3+)变为 Co~(2+)的原因。但掺Cr 的晶体经辐照后无新带出现。本工作还测量和讨论了掺 Cr、Er 等晶体的发光光谱。     

纯碘化铯(CsI)晶体的发光与光衰减特性研究

纯碘化铯晶体是一种具有快衰减闪烁特性的新型辐射探测材料, 在伽马射线、中子和其它辐射探测技术中有重要的应用前景。本研究以Bridgman法所生长的纯碘化铯为对象, 分别研究了该晶体的透射光谱以及在紫外光、连续X射线、脉冲X射线和宇宙射线激发下的发射光谱、时间响应特性和沿晶体生长方向不同部位的光输出分布特点。实验测得晶体的吸收边为240 nm, 激发和发射波长分别位于241 nm和318 nm, 发光衰减时间分别为2~3 ns和18~25 ns。以尺寸为30 mm×30 mm×200 mm的晶体籽晶端和尾端与PMT耦合所测得的光输出分别是143 p.e/MeV和127 p.e./MeV, 尽管晶体两端的光输出存在12.6%的差异, 但没有观察到衰减时间长于100 ns的慢分量。这些性能进一步证明纯碘化铯晶体具有作为快闪烁体的优势。     

卤化镧系LnX3(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-单光子发射计算机层析扫描(SPECT)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.     

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．     

纯CsI晶体发光特性

测量了用Stockbager方法生长的纯CsI晶体的光学透射、X射线激发的发射谱、能谱特性和衰减时间特性．该晶体有二个闪烁分量,峰值位于310nm的发光分量是快分量（＜40ns）,450um处的发光分量是慢分量（～2．4μs）．慢分量的发光强度不稳定,并受晶体中缺陷I-空位的影响较大．文中还给出快、慢发光强度比值91．8％．     

Cs2LiYCl6:Ce闪烁晶体的光学及闪烁性能

用坩埚下降法生长得到Cs₂LiY _0.95Cl₆: 5%Ce(CYLC)闪烁晶体, 通过X射线衍射分析证明Cs₂LiYCl₆:Ce的晶体结构属于钾冰晶石结构, 并与理论计算结果基本吻合。在吸收光谱中观测到源于Ce³⁺离子从4f向5d_1~5电子跃迁的吸收峰和自陷激子吸收峰。X射线和紫外激发和发射光谱测试表明, 位于300 nm的发光属于Cs₂LiYCl₆:Ce晶体的本征芯价发光, 321 nm的发光归因于自陷激子发光, 350~450 nm范围的发光属于Ce³⁺离子5d-4f 跃迁发光。在³⁷Cs源伽马射线激发下, CYLC晶体的能量分辨率达到8.1%, 衰减时间分别为58 ns和580 ns。综上所述可知, Cs₂LiYCl₆:Ce晶体将是一种在中子和伽马射线分辨领域具有广泛应用前景的闪烁晶体。     

Ce~(3+)激活的锂-6玻璃闪烁体发光及核物理性能的研究

选取Ce~(3+)为激活剂离子,锂-6和硼-10为靶核核素分别研制了可用于热中子探测的玻璃闪烁体,并系统研究了其发光性能及部分核物理性能.研究结果表明,Ce~(3+)激活的锂-6玻璃闪烁体具有较长的发射波长(390nm),较短的衰减时间(46.9ns)以及良好的γ射线甄别性能和温度效应,是探测热中子优良的玻璃基质材料.靶核核素与激活剂离子在锂-6玻璃闪烁体中均有一较佳的浓度范围,浓度过大将产生不同程度的淬灭效应.     

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。     

无机闪烁晶体及其应用

本世纪４０年代后期发现ＮａＩ：Ｔｌ晶体具有优良的闪烁特性后，ＮａＩ：Ｔｌ被广泛应用于Ｘ射线和γ射线的探测技术。随着核探测技术在医学、物理、化学、地质勘探等科学技术领域中的发展，一系列无机闪烁晶体，如ＢＧＯ、ＣＷＯ、ＣｓＩ：Ｔｌ、ＣｓＩ等相继问世，并在这些领域中得到了应用。近年来，为了提高核医疗设备如ＰＥＴ等的性能和建造大型高能物理实验装置，如ＳＳＣ和ＬＨＣ，对新型快速、高密度、耐辐照的无机闪烁晶体