《新型閃爍晶體Gd2Si2O7:Ce的結晶行為、製備及性能研究》是依託上海大學，由馮鶴擔任項目負責人的青年科學基金項目。
基本介紹
- 中文名：新型閃爍晶體Gd2Si2O7:Ce的結晶行為、製備及性能研究
- 項目類別：青年科學基金項目
- 項目負責人：馮鶴
- 依託單位：上海大學
中文摘要,結題摘要,
中文摘要
鈰摻雜焦矽酸釓(Gd2Si2O7:Ce,GPS:Ce)晶體是近年發現的一種新型高性能閃爍晶體。它具有光輸出高、衰減快、高溫閃爍性能優異、不潮解等優點，可望在核醫學成像、安全檢查及油井勘測等領域獲得廣泛套用。但該晶體非一致熔融，造成製備困難，而且其缺陷和閃爍性能之間的關係缺乏系統的研究。本項目擬通過緩冷浮區法、淬冷法，結合第一性原理熱力學計算，研究GPS:Ce體系結晶行為，揭示組分摻雜對Gd2O3-SiO2相圖結構的影響和內在原因，進而指導組分設計；在確保閃爍性能的前提下，通過組分調整穩定GPS:Ce結晶過程，通過生長和後處理工藝最佳化，製備出高性能GPS:Ce晶體；進而揭示缺陷種類、形成原因及其對閃爍性能的影響機理。項目的開展有助於闡明該體系組分摻雜與相圖結構和結晶行為與的內在關係，揭示缺陷對閃爍性能的影響機理，豐富和發展無機閃爍晶體的結構設計理論，直接推動GPS:Ce的晶體生長及開發套用。
結題摘要
本項目圍繞一種高性能閃爍晶體鈰摻雜焦矽酸釓(Gd2Si2O7:Ce,GPS:Ce)晶體製備和閃爍性能的研究展開，針對焦矽酸釓的非一致熔融特性，研究了Gd2Si2O7-Ce2Si2O7、Gd2Si2O7-Y2Si2O7、Gd2Si2O7-Lu2Si2O7和Gd2Si2O7-La2Si2O7體系，對比固相燒結和獲得晶體的物相，考察體系的相關係和結晶行為。通過研究獲得多晶或單晶材料的光學和閃爍性能，包括透過譜，螢光激發發射譜，X射線激發發射譜，多道能譜等，研究系統中的Gd→Ce能量傳遞過程，最佳化體系的閃爍性能。 通過固相燒結方法獲得了Gd2Si2O7-Ce2Si2O7體系多晶樣品，通過光學浮區法和提拉法獲得體系單晶樣品。確定固相燒結合成GPS樣品的路徑為Gd2O3+SiO2→ GSAP(apatite)→GPS(orthorhombic)，合成條件為1600 ℃燒結8 h。GPS–CPS體系呈現3種不同的結構：正交–三斜–單斜。Ce摻雜量為8.00%以下為正交結構；8.00%~10.00%為正交和三斜兩相共存區，不適合晶體的生長。分別通過浮區法和提拉法獲得了GPS:Ce不同鈰摻雜濃度單晶樣品，其結構都為正交結構，表明在結晶和降溫過程中，未發生相變或包晶反應。Gd→Ce能量傳遞會導致閃爍發光的慢分量。通過固相燒結方法獲得了Ce摻雜的Gd2Si2O7-Y2Si2O7體系多晶樣品，通過光學浮區法獲得單晶樣品。確定閃爍性能最優的組分為(Gd0.5Y0.5)2Si2O7:Ce。在Y/Y+Gd為0~0.7範圍內，體系為連續固溶體，且晶體製備過程中，並未發生相變或包晶反應。系列樣品發光過程中的慢分量來自Gd→Ce的非輻射能量傳遞。隨著Y含量的增加，313nm處的Gd3+的6P7/2→8S7/2的躍遷發光顯現，並逐漸增加。通過光學浮區法系統製備了Ce摻雜Gd2Si2O7-Lu2Si2O7混晶體系，表明在Lu/Lu+Gd為0~0.5濃度範圍，體系可以形成固溶體，並且在晶體生長過程中，並未發現相變或包晶反應。系列晶體的基本光學和閃爍性能進行了表征，體系的發光峰位位於370nm，在樣品的螢光和閃爍過程中存在Gd→Ce的聲子輔助的非輻射能量傳遞過程，導致樣品的3500ns的慢分量出現，且含量較高，需通過提高Ce濃度來加以改善，其Lu/Gd混晶比例對能量傳遞和閃爍性能的影響有待進一步研究。
