硅酸铋闪烁晶体的生长与性能研究

摘要

闪烁晶体是指能吸收高能粒子或射线发出可见光子的晶体材料。闪烁晶体受辐照而产生的荧光经过光电倍增管或光电二极管,将光信号转化为电信号,最后经过电子仪器记录下来。闪烁晶体广泛应用于医学影像,地质勘探,安全检查以及高能物理等领域。
　　 BSO(Bi4Si3O12)闪烁晶体和取得广泛应用的BGO(Bi4Ge3O12)晶体相比,由于Si和Ge属于同一主族,性质相似,两种晶体具有相同的晶格结构,闪烁性能都来源于Bi的激发。而且BSO比BGO具有更快的响应时间(～100ns),是BGO的1/3,它在物理,光学和闪烁特性等很多方面和BGO相似,因此人们希望用价格便宜的SiO2制成BSO闪烁晶体去替代BGO,以降低闪烁体的成本。高度的机械和化学稳定性以及优良的发光特性使得BSO晶体成为有发展前途的闪烁体之一,在某些方面可以代替BGO,例如高能正负电子存储环探测器中的BSO量能器。
　　 本文采用自行研制的坩埚下降炉,利用垂直布里奇曼法成功生长了BSO闪烁晶体。从原料的合成,坩埚的选择,下降炉温区的设计以及生长工艺等各方面对BSO晶体的生长进行了探索,通过调节各种参数,观察对晶体生长的影响。对BSO晶体的坩埚下降法生长进行了系统的研究。通过分析数据,总结了一套合适的生长工艺。生长结果达到预期目标,为BSO晶体应用于高能物理量能器奠定了物理基础。
　　 在晶体的各类物性中,热物理性质(比热,热扩散系数,导热系数和热膨胀系数等)的研究,具有明显的基础性和应用性,而且和晶体的结构、组分关系紧密。对优化晶体生长工艺和质量,缩短新晶体产业化周期具有重要意义。我们对BSO晶体的热物理性质进行了系统研究。根据闪光法原理,利用激光热导仪测试了BSO晶体的比热,热扩散系数和导热系数随温度的变化关系,利用热膨胀仪测试了BSO晶体热膨胀系数随温度的变化关系等。通过分析BSO晶体的热物性随温度的变化关系,为BSO晶体的生长及应用提供了基本数据。同时,对BSO晶体和BGO晶体的热物性进行了比较,发现BSO晶体的比热,热扩散系数,导热系数均大于BGO晶体,这使BSO晶体和BGO晶体相比,更适合在高温,温差较大和温度变化较快的环境中使用。并且从物理机制上了解释了两者热物性差异的因为。
　　 晶体材料的力学性能包括硬度,断裂韧性等是衡量晶体性能的一个重要方面。对晶体的加工和实际使用有着重要的影响。在晶体加工过程中,需要根据晶体材料的硬度,选择合适的切割以及研磨、抛光工艺。晶体在使用过程中,很容易受机械振动或热应力等其他应力的影响。如果材料的断裂韧性很低,在循环往复的力的作用下,很容易产生开裂等现象,导致器件性能的下降。而在实际使用过程中,材料与器件的可靠性越来越受到重视。因此,对BSO晶体的力学性能进行评价,为晶体的加工和实际使用提供参数显得十分重要。我们利用显微压痕法对BSO晶体的力学性能进行了综合评价,研究了显微硬度,断裂韧性随载荷变化关系,同时测定了BSO晶体的屈服强度和脆性指数。

目录

文摘

英文文摘

第一章 引言

第一节 闪烁晶体概述

1.1.1 闪烁晶体的发展历史

1.1.2 无机闪烁晶体的发光机理

1.1.3 闪烁晶体的基本特性

1.1.4 闪烁晶体的主要应用

第二节 BSO晶体的研究现状

1.2.1 BSO晶体的结构和相图

1.2.2 BSO晶体的生长

1.2.3 BSO晶体的闪烁性能

第三节 选题依据与研究目标及内容

1.3.1 选题依据

1.3.2 研究目标及内容

第二章 BSO晶体的生长

第一节 引言

第二节 生长装置

2.2.1 生长设备

2.2.2 测控温设备

2.2.3 温场设计

2.2.4 坩埚的选择与加工

第三节 生长工艺流程

第四节 晶体生长

2.4.1 原料制备

2.4.2 晶体的生长

第五节 影响晶体生长的因素

2.5.1 原料合成对晶体生长的影响

2.5.2 温场对晶体生长的影响

2.5.3 籽晶的选择与晶种的影响

2.5.4 生长速率的选择与生长加速度

2.5.5 固液界面的形状和位置

2.5.6 生长工艺总结

第六节 小结

第三章 BSO晶体的热物理性质

第一节 引言

第二节 测试方法

3.2.1 闪光法

第三节 测试条件与设备

3.3.1 LFA 447 Nanoflash仪器

3.3.2 热膨胀仪DIL402 PC

3.3.3 试样加工的要求

第四节 实验结果与讨论

3.4.1 BSO晶体的比热

3.4.2 BSO晶体的热扩散系数和导热系数

3.4.3 BSO晶体的热膨胀系数

第五节 本章小结

第四章 BSO晶体的力学性能评价

第一节 引言

第二节 测试方法

第三节 测试条件与测试设备

4.3.1 实验设备和测试条件

4.3.2 样品加工

第四节 实验结果与讨论

4.4.1 BSO晶体的显微硬度

4.4.2 BSO晶体的断裂韧性

4.4.3 BSO晶体的脆性指数和屈服强度

第五节 小结

第五章 结论与展望

第一节 结论

第二节 展望

参考文献

致谢

个人简历、在学期间发表的学术论文及研究成果