YBa3B9O18新型闪烁晶体的闪烁机理及性能优化研究

已有闪烁晶体只在某些方面性能表现优异，因此探索新型闪烁晶体及提高已有闪烁晶体性能成为该材料领域热点。申请者在硼酸盐中发现一种新型闪烁晶体YBa3B9O18(YBBO)，具有生长工艺简单，成本低，响应快等优势，满足高能物理、核物理领域对闪烁晶体的大量需求。针对其密度低特点，本项目提出深入研究YBBO闪烁晶体发光机理，通过掺杂改性或工艺优化，全面提高其性能。采用高温固相反应法合成YBBO闪烁材料，利用熔体法进行晶体生长；研究该晶体在X射线、同步辐射光源等高能射线或粒子激发下的发光特性，深入研究发光与晶体结构、电子结构及稀土离子的基态及激发态能级结构的关系；在闪烁机理研究基础上，选择合适稀土离子进行互换掺杂，实现性能优化，使其成为综合性能优异的闪烁晶体。该研究有望解决新型闪烁晶体YBBO密度低问题，丰富硼酸盐体系应用，可加深对闪烁晶体闪烁机制的理解，为拓展新型闪烁晶体研究提供新思路。

本项目对新型闪烁晶体YBa3B9O18(YBBO)的发光机理进行了研究。结合YBBO材料的电子结构计算和真空紫外激发光谱、X射线光电子谱和吸收光谱等手段的实验分析，我们对它的电子结构有了更透彻的了解。该材料在X射线和真空紫外光激发下的发光峰集中在3.0到3.4eV，这个能量远小于YBBO的带隙能（约7.3eV）。单晶体和多晶的制备手段完全不同，它们内部的晶格缺陷也应该不同，而发光特性相似，因此有本征的因素导致材料的发光。结合材料的Stokes位移很大，YBBO并没有掺杂任何发光离子，可以推断材料的发光来自于自陷激子。我们对YBBO进行掺杂改性以提高其性能。我们采用稀土离子Eu3+进行掺杂进入YBBO。通过高温固相反应法，采用化学计量比的原料得到Eu3+掺杂的Y(1-x)EuxBa3B9O18（x=0.1-0.9）粉末。通过我们逐渐提高掺杂浓度发现，Y(1-x)EuxBa3B9O18并没有出现明显的浓度猝灭现象，Eu3+离子浓度越高发光越强。为了研究Y(1-x)EuxBa3B9O18的闪烁特性。我们对比了在相同条件的X射线激发条件下，YBa3B9O18 380 nm发射强度和Y0.1Eu0.9Ba3B9O18在589nm处的发光强度，发现后者是前者的15倍左右。Y(1-x)EuxBa3B9O18的密度也高于YBBO，而589 nm可以和通用的光电倍增管相匹配，从而说明Y(1-x)EuxBa3B9O18闪烁发光强度的提高很有意义。我们对YBBO同构化合物进行了拓展研究。通过高温固相反应法制备了Eu离子掺杂SmBa3B9O18粉体材料，并研究了不同掺杂浓度（分别为20％，40％，60％）的样品在紫外光激发下的激发和发射光谱。X射线衍射结果表明：Eu离子的掺入没有改变SmBa3B9O18基体的结构。紫外线发光光谱表明：随着掺杂浓度的提高，发光强度增大，在SmBa3B9O18基体中掺入Eu离子不存在浓度猝灭现象。发光峰主要来自Eu离子的能级跃迁。Eu离子掺杂SmBa3B9O18材料在发光器件方面具有潜在的应用。研究结果能够加深对闪烁晶体闪烁机制的理解，丰富了硼酸盐体系应用，为拓展新型闪烁晶体研究提供新思路。