稀土钐掺杂的二氧化碲晶体的下降法生长及性能研究

【作者】 朱勇； 葛增伟； 吴国庆； 殷学技； 唐林耀； 赵寒冰； 潘裕柏； 冯锡琪；

【机构】 中国科学院上海硅酸盐研究所,中国科学院透明光功能无机材料重点实验室；

【摘要】 二氧化碲(TeO2)晶体不但是一种具有高品质因子的声光晶体,还是一种具有双β衰变特性的中微子探测用晶体。由于130Te的自然丰度为33.8%,不必对其进行浓缩,成本低,因而TeO2晶体成为目前双β衰变源的首选。由多国科学家共同合作的中微子探测前沿科学项目CUORE(Cryogenic Underground Observatory for Rare Events,低温地下观测稀有物理现象)正是利用998块TeO2单晶阵列来探测中微子的绝对质量与性质,以解开科学界极为重要的暗物质之谜。稀土钐(Sm)掺杂的TeO2晶体能够用作α放射源,作为CUORE项目的校准信号,从而在很大程度上简化实验装置;同时还有可能去除背景中的α信号,从而极大地降低背景噪音,增强探测能力。此外,若能通过掺杂引入闪烁性能,则这种带闪烁性能的TeO2晶体将兼具闪烁、声光和双β衰变等性能,有望在γ辐射剂量测量、中微子探测等多方面获得广泛应用。而通过掺Sm的TeO2晶体的研制,将为这种带闪烁性能的二氧化碲晶体的研制提供重要的参考依据。因此,研究稀土Sm掺杂的TeO2晶体的制备技术和相关性能具有重要的意义。从晶体结构看,TeO2晶体属于四方晶系,其最邻近的Te-O核间距为1.88埃和2.12埃,另还有次邻近间距为2.89埃的两个"O"原子,在Te原子周围总共有6个"O"原子包围,形成变形的八面体配位。这种变形的结构给掺杂造成了较大的困难,因而目前关于掺杂TeO2晶体的文献报道极少。而且,要利用Sm的α放射源作校准信号源,其掺杂量要严格控制在10-8g/g左右,掺杂量过高或过低都将无法使用。本文将介绍稀土钐掺杂的二氧化碲晶体的下降法制备技术和相关的性能研究。等离子体耦合质谱(ICP-MS)测试结果表明,通过改进的下降法,目前已成功生长出Sm的含量为3.0×10-8g/g的TeO2晶体。其他性能测试正在进行之中。更多还原