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。     

Cs2LiYCl6∶Ce晶体的n/γ双探测闪烁性能研究

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φ50 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。     

YAlO3∶Ce晶体的生长及性能研究

本文采用中频感应提拉法生长了尺寸为ø35 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。     

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。     

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。     

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...     

φ100 mm级Ca∶Ce∶LYSO闪烁晶体生长及闪烁性能研究

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φ100 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。     

LYSO∶Ce闪烁晶体的研究进展

铈掺杂硅酸钇镥(LYSO∶Ce)晶体显示出优异的闪烁性能,并在核医学、高能物理及安全检查等领域具有广泛应用。本文综述了LYSO∶Ce闪烁晶体的晶体结构、发光机制、晶体生长存在的主要问题以及LYSO∶Ce晶体可能的发展方向。同时,梳理了LYSO∶Ce晶体生长过程中常见问题及对应的解决方案,并进一步讨论了Ce³⁺占位情况以及Ce⁴⁺与闪烁性能之间的关系。此外还展示了本团队在LYSO∶Ce晶体生长的最新研究成果,使用中频感应提拉炉生长出尺寸为φ95.42 mm×200 mm的LYSO∶Ce闪烁晶体。     

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。     

Ce∶GAGG与CsI(Tl)闪烁晶体性能对比研究

研究了不同反射层封装方式和与Si-PM不同耦合方式对Ce∶GAGG和CsI(Tl)闪烁晶体光输出和能量分辨率的影响,比较了Ce∶GAGG和CsI(Tl)闪烁晶体的透过率和衰减时间。实验结果表明:通过优化闪烁晶体的反射层材料和耦合方式,能大幅度提高Ce∶GAGG和CsI(Tl)闪烁晶体的光收集效率;Ce∶GAGG闪烁晶体的光输出、能量分辨率、透过率、衰减时间指标均优于CsI(Tl)闪烁晶体。Ce∶GAGG闪烁晶体使用TiO₂反射层材料封装和硅脂耦合,测试得到¹³⁷Cs放射源在662 keV最佳能量分辨率为4.89%。     

4英寸氧化镓单晶生长与性能

本文使用导模法(EFG)制备了4英寸氧化镓(β-Ga₂O₃)单晶,并对晶体物相、结晶质量、缺陷、光学及电学特性进行了研究。晶体不同方向劳厄(Laue)衍射斑点清晰一致,符合β-Ga₂O₃衍射特征。晶体(400)面摇摆曲线半峰全宽(FWHM)为57.57″,通过化学腐蚀获得其腐蚀坑位错密度为1.06×10⁴ cm^-2。晶体在紫外截止边为262.1 nm,对应光学带隙为4.67 eV。通过C-V测试分析获得非故意掺杂晶体中的电子浓度为7.77×10¹⁶ cm^-3。     

零维钙钛矿结构Cs3Cu2Br5单晶的生长和X射线探测性能

金属卤化物低维钙钛矿具有高效的发光性能,并且作为闪烁体在辐射探测领域表现出极大的潜力。本文采用布里奇曼坩埚下降法生长出全无机零维钙钛矿结构Cs₃Cu₂Br₅单晶。研究了Cs₃Cu₂Br₅的光学吸收、光致激发和发射,时间分辨光致发光和以及X射线探测性能。Cs₃Cu₂Br₅晶体结构为正交晶系,空间群为Pnma。在X射线激发下,Cs₃Cu₂Br₅晶体具有峰值约为467 nm的宽带发射,该发射来自自陷激子发射。Cs₃Cu₂Br₅的稳态光产额约为4 000 ph./MeV,且X射线余辉性能表现与BGO晶体相当。     

Improved growth of PbI2 single crystals

The phase equilibrium and the crystallization process of lead iodide (PbI₂) melt have been primarily investigated according to the lead–iodine phase diagram. It is found that the iodine evaporation and the segregated lead deposition are the two important factors that affect the PbI₂ crystal quality. The new method of Pulling U-type quartz growth ampoule has been made to impede the decomposition of PbI₂ and the vaporization and condensation of iodine. An orange and translucent PbI₂ single crystal of large size was obtained by the improved growth method, i.e. U-type ampoule pulling. Resistivity of the as-grown crystal is up to 4×10¹¹ Ω cm, and IR transmission is up to 45% in the region from 7800 to 450 cm⁻¹. Therefore, the improved growth method is a promising convenient new method for the growth of high quality PbI₂ crystals.