稀土離子摻雜玻璃的閃爍發光機理研究

《稀土離子摻雜玻璃的閃爍發光機理研究》是依託中國科學院上海光學精密機械研究所，由陳丹平擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：稀土離子摻雜玻璃的閃爍發光機理研究
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：陳丹平
• 依託單位：中國科學院上海光學精密機械研究所

項目摘要

閃爍體是一種能將高能光子或粒子的能量轉化成紫外-可見光的發光材料。閃爍玻璃具有製備容易、成本低、光學均勻性好、各向同性、成型加工方便、適合於批量和大尺寸工業化生產等優點，可彌補閃爍晶體的不足。但目前閃爍玻璃存在的問題是光產額高於BGO晶體的玻璃密度低，而高密度玻璃的光產額低。目前國內外發表的論文中大多數都是採用光致發光性能來代替閃爍發光，對光產額的研究非常少，忽視了閃爍發光的特殊性。這使得在玻璃成分的選擇上存在著盲目性，阻礙著閃爍玻璃的發展。我們的研究結果顯示光致發光與閃爍發光性能並沒有一一對應的關係，如Ce3+離子在磷酸鹽玻璃中有很強的光致發光，但其光產額很低，目前尚沒有什麼理論和模型能解釋這個現象。本項目就是要通過研究稀土離子摻雜玻璃的組成和製備工藝條件對閃爍光產額的影響規律，探討玻璃結構和閃爍性能的內在相關性，揭示其閃爍發光機理，為進一步提高閃爍玻璃的性能並使其實用化奠定良好的基礎。

結題摘要

低成本、大尺寸、光學均勻性好、可成光纖的閃爍玻璃在大型強子對撞機等核物理、核醫療等有著潛在的套用。研究玻璃的閃爍發光機理是發展閃爍玻璃的關鍵科學問題。本課題採用雙坩堝石墨還原法、在玻璃原料中添加NH4NO3、NH4F、尿素、金屬原料粉等多種方法製備了各種發光活性離子（Ce3+、Pr3+、Tb3+、Yb2+、Eu2+、Sn2+）摻雜的高矽氧玻璃和SiO2 (P2O5) -B2O3-Al2O3-Gd2O3系統高Gd2O3玻璃，並拓展到氟化物玻璃、氟氧玻璃和微晶玻璃。建立了一套以X-射線為激發源的閃爍性能測試系統，並對其密度、光譜性能和閃爍發光等基本性能和玻璃的結構和缺陷進行了測試，在此基礎上探討了玻璃的閃爍機理。實現了預定的專利申請和論文發表數，完成了項目的研究計畫。獲得的新穎結果如下： 1．將電荷遷移淬滅效應模型引入玻璃中，有效地解釋了為什麼多年來人們發現Ce離子摻雜的低密度玻璃有高的發光量子效率，而高密度的玻璃其發光量子效率很低的原因。分析磷酸鹽、含ZnO和鹼金屬離子玻璃的閃爍性能後認為玻璃中可變價態、具有半導體性質和玻璃修飾體化合物不會影響光致發光性能，但會破壞閃爍發光性能。 2. 首次報導了在X射線激發下，Yb2+離子摻雜石英玻璃表現出中心波長在525 nm的發射帶。 3. 伴隨著輻照，玻璃結構中的羥基含量會變化，高羥基時羥基含量會降低，低羥基時羥基含量會上升。 4. Ce3+, Eu2+和Eu3+共存的玻璃中，在X射線的激發下，由於Ce3+→Eu3+和Eu2+→Eu3+能量傳遞，光致發光的藍光轉變為Eu3+的紅色發光。聲子邊帶譜分析結果顯示還原後玻璃中Si形成體附近的Eu3+全部被還原為Eu2+，B和Al形成體周圍的Eu3+部分被還原為Eu2+。 5. 通過熱處理成功製備了Pr3+摻雜、晶相為β-BaZrF6的氟鋯酸鹽微晶透明玻璃，其光致和輻照發光強度是基質玻璃的2.5-3倍。 6. 鈰摻雜的氟磷酸玻璃，經過高於玻璃轉變溫度的熱處理後，XRD以及拉曼和紅外光譜都顯示玻璃的內部結構未改變，也沒有巨觀分相，但玻璃的光致發光和閃爍發光都大幅度的提高。閃爍效率達到了BGO 的35%。目前閃爍玻璃的現狀是低密度的玻璃閃爍光產額高，但高密度的玻璃產額低；與晶體材料相比，還存在能量解析度低和耐輻射硬度差的問題。我們認為玻璃微晶化是最有效解決這些問題的最佳方法。