伽玛-CuI新型超快闪烁晶体的生长、微结构和闪烁机理的研究

伽玛-CuI是目前已知最快的无机闪烁晶体,有着十分重要的应用前景。然而该晶体尚存在有晶体不易长大，以及闪烁光快成分较弱、慢成分过强等问题，严重制约了晶体的应用。近年来，随着高能物理、惯性约束聚变、模拟核试验以及核技术应用等领域的发展，研究和开发新一代具有超快时间响应的伽玛-CuI无机闪烁晶体被提到一个相当迫切的地位，已成为闪烁材料界关注的一个热点。本项目拟采用蒸发溶剂法生长伽玛-CuI晶体，在深入研究晶体生长规律的基础上，改进生长方法；采用理论模拟、微结构和微量元素分析等手段，研究不同杂质和缺陷的形成机制和可能的调控方式；通过光谱和电子能谱等测量，结合密度泛函的理论模拟，从电子结构等角度研究影响晶体闪烁性能的微观机理及其对应的微结构功能基元；探索促进晶体快成分功能基元、抑制慢成分功能基元生长的途径，研究保持晶体持续生长的方法，在伽玛-CuI晶体尺寸和闪烁性能等方面实现新突破。

伽玛-CuI是已知最快的无机闪烁晶体之一，有着重要的应用需求。然而该晶体尚存在不易长大和闪烁光快成份偏弱、慢成份过强等问题，制约了晶体的应用。针对存在的问题，开展了伽玛-CuI晶体生长机制和工艺、性能表征、电子结构及其部分本征和掺杂缺陷模拟、闪烁性能优化等以及相关领域的研究。发表标注论文：26篇；申请发明专利：3项；培养博士生：3名、硕士生：1名。.1) 运用蒸发溶剂法开展了伽玛-CuI晶体生长机制和工艺的研究。选择乙腈为生长溶剂，测量了不同温度下CuI在乙腈中的溶解度，研究了溶质浓度与晶体生长机制间的关系，解决了生长液变黄导致晶体着色的问题；优化制备工艺，采用自发成核和籽晶生长两种方式生长出厘米量级优质伽玛-CuI晶体，晶体具备初步的应用价值。.2) 表征了伽玛-CuI晶体的基本性能。实验显示所生长晶体碘离子偏少；紫外激发下晶体有410nm发射峰和720nm发射带，其衰减时间分别为0.62ns和0.47μs（占50.6%）、1.48μs(占49.4%)，后者的衰减时间比前者慢三个量级，在高计数率测量中需要抑制；X射线激发下晶体有435nm发射峰和720nm发射带；当Ex小于50keV时，晶体的探测效率相对较高。.3) 计算了伽玛-CuI的电子态密度、部分本征缺陷、掺杂缺陷的形成能等。结果显示Vcu、ZnCu、ZnCu+VCu、SI和OI等缺陷的形成能较低，在晶体中较易存在；表面电子的禁带宽度大于晶体内。.4) 优化了伽玛-CuI晶体的闪烁性能。碘退火后，720nm发射带被完全抑制，410nm激子峰也未显现，而出现了420nm发射峰，其衰减时间仅为0.19ns；X射线激发下，720nm闪烁带同样被完全抑制，仅存在435nm快成份，其发光强度得到增强；掺碘后，720nm发射带受到明显抑制，表明此现象源于晶体内碘空位的填补，同时出现了424nm的发射峰，其机理推测为铜空位；X射线激发下，720nm发射带受到了一定程度的抑制，435nm的发光稍显突出。此外，还开展了Zn2+、Mg2+、Na+、K+等离子掺杂改性的研究。.5) 开展了伽玛-CuI纳米晶合成及其发光性能、光学多层膜提高伽玛-CuI闪烁光输出效率、微柱结构CsI(Tl) 闪烁转换屏研制与空间分辨率、Lu2SiO5:Ce闪烁转换屏制备与性能优化等研究，促进了相关材料闪烁性能的优化和应用能力的提高。