氯溴化镧固溶体晶体生长与闪烁性能研究

摘要

闪烁晶体LaBr3:Ce和LaCl3:Ce具有高光输出、较好的能量分辨率和快衰减等优异的闪烁性能,两者结构非常相似,是近些年来国际研究界最受关注的闪烁晶体。相比较而言,溴化镧比氯化镧晶体闪烁性能更优越,但其更容易潮解氧化,且晶体的热膨胀各向异性明显,因此大尺寸晶体非常容易开裂,生长困难,而氯化镧晶体的生长相对容易一些。近年来,国内外学者发表了大量 LaBr3:Ce和LaCl3:Ce晶体的研究论文,但对于La(ClxBr1-x)3:Ce固溶体晶体的研究却很少,本论文通过文献调研,认为 La(ClxBr1-x)3:Ce固溶体晶体极具研究价值,并展开了对La(ClxBr1-x)3:Ce固溶体的晶体生长以及闪烁性能的研究。
　　本论文通过热分析测试绘制出了 LaCl3-LaBr3的简易相图,采用坩埚下降法分别生长了组分为La(Cl0.05Br0.95)3:Ce、La(Cl0.5Br0.5)3:Ce、La(Cl0.95Br0.05)3:Ce的固溶体晶体,在不断摸索中得到了分别适合这三种组分晶体生长的工艺,并得到透明、无宏观缺陷的晶体,最大的尺寸可达一英寸,加工后三个组分的晶体尺寸分别可达18×8×8mm3、Φ10×12mm3、Φ10×10mm3。通过测试晶体的X射线激发发射光谱、紫外荧光光谱、能量分辨率、透过率和衰减时间等,对晶体性能进行表征,并通过滴定法来测定晶体中阴离子(Cl-、Br-)的分凝系数。
　　本论文获得如下结论:
　　(1)通过热分析测试得到不同摩尔比例 LaCl3-LaBr3混合原料的熔点和凝固点,并绘制出了LaCl3-LaBr3简易相图,在测试范围内,LaCl3和LaBr3能以任意比例互溶。从热分析的测试结果来看,当La(ClxBr1-x)3:Ce固溶体晶体中x=0.5,即氯溴比接近1:1时,晶体相对更稳定。
　　(2)La(Cl0.05Br0.95)3:Ce晶体的生长及性能测试。通过坩埚下降法的多轮晶体生长实验,得到适合 La(Cl0.05Br0.95)3:Ce固溶体晶体的生长工艺并成功生长出透明无宏观缺陷的晶体,其中生长工艺参数为:高温区温度设置为840℃,下降速度为0.5025mm/h,降温速度为10-15℃/h,温梯区的温梯约为15-20℃/cm。对加工后的样品进行紫外荧光光谱测试,结果表明该晶体的发射波长为358nm和382nm,对应于Ce3+离子的5d→4f电子跃迁发光。荧光衰减曲线经指数拟合后得ι=17.7ns,该值优于LaCl3晶体。在137Cs源的多道分析器上进行La(Cl0.05Br0.95)3:Ce晶体的光输出及能量分辨率测试,结果表明晶体的能量分辨率为4.55％,光输出为62,000ph/MeV,该结果与LaBr3:Ce晶体比较接近。
　　(3)La(Cl0.5Br0.5)3:Ce晶体的生长及性能测试。经热分析测试可得La(Cl0.5Br0.5)3:Ce晶体的熔点为797℃,因此高温区温度设置为840℃,下降速度为0.5025mm/h,降温速度为10-15℃/h,温梯区的温梯约为15-20℃/cm。对加工后的样品进行紫外荧光光谱测试,结果表明该晶体的发射波长为357nm和389nm,这对应于 Ce3+离子的5d→4f电子跃迁发光。该晶体的能量分辨率为33.2%,光输出为2250±50ph/MeV,衰减时间为27.7ns。在360-800nm之间,该晶体的最高透过率为30%左右。
　　(4)La(Cl0.95Br0.05)3:Ce晶体的生长及性能测试。在不断摸索中得到适合La(Cl0.95Br0.05)3:Ce晶体的生长工艺条件为:高温区温度设置为890℃,下降速度为0.5025mm/h,降温速度为10-15℃/h,温梯区的温梯约为15-20℃/cm。对加工后的样品进行X射线激发发射光谱测试,结果表明该晶体的发射波长约为356nm和381nm,这对应于Ce3+离子的5d→4f电子跃迁发光。该晶体的能量分辨率为19.3%,光输出为2030±50ph/MeV。将该样品进行透过率测试,得到在360-800nm之间,该晶体的最高透过率为45%左右。荧光衰减曲线经指数拟合后得ι=18.3ns,该值优于LaCl3晶体。
　　(5)通过比较不同组分固溶体晶体的闪烁性能,发现偏溴组分的固溶体晶体闪烁性能更好,即晶体中溴的比例越大,晶体性能越好,这与溴化镧的性能优于氯化镧的性能是符合的。
　　(6)通过滴定实验,计算出了(Cl-+Br-)在La(ClxBr1-x)3:Ce中的分凝系数非常接近于1。

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图清单

表清单

1 绪论

1.1 引言

1.2 晶体生长理论

1.3 闪烁晶体的生长方法

1.4 LaX3:Ce（X=Cl、Br）研究现状与思考

1.5 本论文的选题依据、可行性分析及主要内容

2 仪器设备及晶体生长、测试方法

2.1 仪器设备

2.2 晶体生长

2.3 测试方法

3 La(ClxBr1-x)3:Ce固溶体晶体生长及结构表征

3.1 原料热分析实验

3.2 单晶生长工艺

3.3 La(Cl0.05Br0.95)3:Ce单晶生长与结构表征

3.4 La(Cl0.95Br0.05)3:Ce单晶生长与结构表征

3.5 La(Cl0.5Br0.5)3:Ce单晶生长与结构表征

3.6 生长工艺对晶体生长的影响

3.7 晶体缺陷

3.8 本章小结

4 La(Cl0.05Br0.95)3:Ce、La(Cl0.5Br0.5)3:Ce 和La(Cl0.95Br0.05)3:Ce 晶体的性能表征

4.1 引言

4.2 结果和讨论

4.3 本章小结

5 总结

6 本论文创新点和展望

6.1 论文创新点

6.2 展望

参考文献

作者简历