HEP电磁量能器用Ce:LuAG闪烁陶瓷的制备与性能优化

【作者】 李江； 朱丹阳；

【机构】 中国科学院上海硅酸盐研究所透明陶瓷研究中心；

【摘要】 闪烁体被广泛应用于核医学成像、高能物理、国土安全、地质勘探等领域。石榴石基闪烁材料具有良好的光学透过率、可调节的基质组成和灵活的掺杂等优点,是辐射探测领域的重要研究对象。本论文面向高能物理应用的超快Ce:LuAG陶瓷,开展了组分设计和性能优化的研究。（1）通过真空固相反应烧结结合热等静压烧结（HIP）制备了不同离子掺杂浓度的Ce,Ca:LuAG陶瓷,其在发射波长520 nm处的直线透过率可高达82.2%。为了分析Ce离子和Ca²⁺掺杂浓度对陶瓷闪烁性能的协同影响,分别固定Ce离子掺杂浓度为0.3at.%和0.1at.%,对Ca²⁺掺杂浓度进行优化。Ca²⁺作为烧结助剂,有利于抑制晶粒长大,避免形成晶内气孔,提升陶瓷的光学质量。随着Ca²⁺掺杂浓度的升高,促进了Ce³⁺向Ce⁴⁺的转化,陶瓷的荧光和闪烁衰减加快,稳态发光效率和光产额（LY）逐渐降低。Ca²⁺共掺显著提升了陶瓷的快闪烁发光占比,快总比LY_0.5μs/LY_3.0μs从79%显著提升至97%。当Ce离子浓度为0.1at.%时,较低浓度的Ca²⁺共掺即可获得较高的快总比,光产额更高。（2）通过热释光（TSL）等温度依赖性测试,分析了组分设计对石榴石陶瓷内部缺陷状态的影响。制备了低Ca²⁺/Mg²⁺掺杂浓度的Ce,Ca/Mg:LuAG陶瓷,其XEL强度随温度升高持续增强,在400 K时仍未发生热猝灭。150 K处的TSL最强峰对应陷阱深度约0.3 eV,通常认为是Lu_Al反位缺陷,说明此温度区间内陶瓷中主导的浅能级陷阱仍为反位缺陷。Ca²⁺和Mg²⁺共掺均未引入新的TSL峰和缺陷能级,而是通过降低80～400 K温度区间内整体的TSL强度,增强发光中心与缺陷的竞争,且Ca²⁺在这一过程中比Mg²⁺表现出更强的效果,可能是因为在LuAG基质中,Ca²⁺只倾向于取代Lu³⁺,可以形成更高浓度的"有效电荷补偿",促进形成更多的Ce⁴⁺中心。更多还原