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钨酸铅晶体的生长及光学性能研究

邵明国  
【摘要】:钨酸铅(PWO)晶体由于其自身特点:高密度、短辐射长度和Moliere半径、快的闪烁衰减时间及较强的抗辐照损伤能力,成为欧洲核子中心(CERN)建设的大型强子对撞机(LHC)中电磁量能器用的首选材料,PWO晶体在高能物理领域、核医学领域等有着广泛的应用,从而PWO晶体作为一种闪烁材料成为近年来国内外研究的热点。 本论文以PWO晶体为研究对象,开展了PWO晶体的生长、退火、离子扩散改性、PWO微晶的合成及光学性能等方面探索性工作,其中主要内容包括以下几个方面: 1.采用下降法(Bridgman)、垂直梯度凝固法(VGF)生长了PWO及(F~-,Y~(3+)):PWO晶体,通过优化生长工艺,得到透明、无宏观缺陷PWO晶体。生长的PWO晶体为纯的四方相白钨矿型晶体,PWO单晶在350nm有较强吸收,但随着F~-、Y~(3+)的掺入,减少了在350nm处的本征吸收,PWO:(F,Y)晶体荧光强度得到明显提高,且发光主峰向短波移动了10-20nm,PWO在1000ns积分时间内光产额为32pe/MeV,衰减时间为4.2ns,VGF、Bridgman法生长(F~-,Y~(3+)):PWO晶体在1000ns积分时间内光产额分别为50pe/MeV、65pe/MeV,衰减时间分别为:7ns、5ns。 2. Ce~(3+)、Eu~(3+)离子扩散PWO晶体减少了在350nm处的本征吸收,但Cr~(3+)扩散PWO在420nm处产生了一个强吸收带;随着进入PWO离子浓度的增大,Ce~(3+)、Cr~(3+)扩散PWO晶体荧光强度逐渐减小,且Ce~(3+)扩散PWO有红移现象,但Eu~(3+)离子扩散PWO荧光强度逐渐增强。Ce~(3+)、Eu~(3+)、Cr~(3+)离子扩散PWO晶体在1000ns积分时间内光产额分别为:36pe/MeV、46pe/MeV、10pe/MeV。发光衰减时间分别为:4.7ns、6.5ns、4.0ns。 3.不同气氛退火可改善350nm处PWO晶体的本征吸收,但富氧环境下退火PWO在420nm处有较强吸收;O_2、N_2退火PWO产生红移现象,C粉退火PWO荧光强度得到明显改善,但黄绿光成分有所增加。O2、N2、C粉不同气氛退火PWO晶体在1000ns积分时间内光产额分别为:10p.e/MeV、25p.e/MeV、38p.e/MeV,衰减时间分别为5.2ns、4.5ns、4.4ns。 4.共沉淀法合成PWO微晶结晶良好,随着加入PEG-400量的增加,由塔状变成梭子状,在蓝、绿光范围内具有较宽的发射谱带,但发光强度低于纯PWO微晶。 超声辅助法合成(Ce~(3+)、Cl-):PWO微晶结晶良好,随着Ce~(3+)、Cl-离子浓度的增加,PWO微晶由块状向带状转变,(Ce~(3+),Cl-):PWO微晶荧光光谱强度逐渐减弱。


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