铈掺杂硅酸镥晶体的微结构与闪烁性能研究

Owing to their excellent scintillation properties, such as high light output, short decay time, nonhygroscopic and high density, new scintillation crystals lutetium silicate Lu2SiO5:Ce (LSO:Ce) and Lu2Si2O7:Ce (LPS:Ce) have wide application prospect in the fields of nuclear medicine, security check and high-energy physics, thus having great economic and scocial value. However, there are still some problems in the crystals such as: the actual light output is much lower than the theoretical value; LSO:Ce has afterglow; there exists academic debate on the origin of double luminescence composition of LSO:Ce between different crystalography occupation and interstice occupation of Ce3+ .The mechanisms and contributing factors for these problems are not clear yet. The existing problems seriously restrict the application of these two crystals. This project plans to carry out the research on the basis of microstructure study, in order to expound the mechanism of afterglow and double luminescence composition of LSO:Ce; to explore the main causes of luminescence nonuniformity and the actual light output being much lower than the theoretical value on the basis of the study of the valence state of luminescence center, segregation and quenching effect.This project helps to provide a theory basis for modulating crystals' microstructure, modifying crystals' performance and for improving the crystals luminescence uniformity and light output. This project can lay a good foundation for application and research of lutetium silicate single crystals in the field of detection technology. The key problems that this project plans to solve are: expounding the microstructure characteristics of lutetium silicate single crystals and exploring the relationship with their scintillation properties.

新型闪烁晶体硅酸镥Lu2SiO5:Ce (LSO:Ce)和焦硅酸镥Lu2Si2O7:Ce (LPS:Ce)具有高光输出、快衰减、不潮解、密度大等优异性能。在核医学成像、安全检查及高能物理领域应用前景广阔，具有重大的经济和社会价值。但晶体发光不均匀且实际光输出远低于理论光输出，LSO:Ce有余辉、双成分发光机理存在学术争论。这些问题的存在以及作用机理不明，严重制约了该晶体的实际应用。 本项目拟从微结构特性研究入手，阐明LSO:Ce余辉及双成分发光的机理；从发光中心离子价态、分凝、猝灭效应等出发，分析导致晶体发光不均匀、光输出低于理论光输出的主要原因。为调制晶体微结构以改性晶体,制备高光输出、高均匀性的LSO:Ce、LPS:Ce晶体提供理论依据,为该晶体在探测技术中的应用和研究奠定良好的基础。 本项目拟解决的关键科学问题是"阐明铈掺杂硅酸镥晶体的微结构特点以及它与闪烁性能的关联性"。

铈掺杂硅酸镥Lu2SiO5:Ce（简写为LSO:Ce）晶体综合闪烁性能优异，正被广泛应用于核医学成像和高能物理等领域。但该晶体的能量传递、余辉抑制机理、各向异性研究滞后；钇（Y）掺杂量对晶体结构、稀土离子占位、电声子耦合强度等的影响仍缺乏系统深入的研究。这些问题的存在限制了该晶体的深入研究与更为广泛的应用。本项目围绕存在的这些关键科学问题开展研究。. 结构研究表明：LSO-YSO是一个无限固溶体体系。Y3+倾向于占据氧配位数为7的稀土格位RE1，而不是氧配位数为6的稀土格位RE2（该格位相对于RE1而言要更小）。相对于Y3+而言，离子半径更小的Lu3+离子则具有相反的占位倾向性。. 首次构建了随LYSO:Ce晶体中Y含量的升高，Ce1和Ce2的斯托克斯位移，电-声子耦合参数黄昆因子S及声子能量ħω的衍变趋势：i) Ce1和Ce2周围的晶体场强度降低；ii) Ce1和Ce2的斯托克斯位移增大；iii) Ce2的黄昆因子S减小（和晶格的耦合强度降低）。. 各向异性研究结果显示：1) 尽管LYSO:Ce晶体具有较低的结构对称性，但晶格完整性、折射率、透过率、发光机制等并没有明显的方向性差异；2) LYSO:Ce晶体余辉、热释光以及小尺寸样品的光输出均存在各向异性，由LYSO:Ce晶体微结构特点决定的面密度各向异性、非硅成键氧的选择性分布导致了缺陷、电子陷阱分布的各向异性；. 能量传递研究发现了能量传递的主要途径为：从基质到发光中心Ce1（氧配位数为7）及自陷激子STE、从发光中心Ce1（氧配位数为7）到发光中心Ce2（氧配位数为6）、从自陷激子到发光中心Ce1（氧配位数为7）及Ce2（氧配位数为6），而从基质到发光中心Ce2（氧配位数为6）之间不存在直接的能量传递。. 余辉抑制机理研究表明：通过掺杂（如镧）可以调制电子能带结构降低导带底，从而可以实现对晶体余辉的抑制。. 电子陷阱研究表明：随钇掺杂量的增加，复合机制由“遂穿”过渡至“经由导带”。. 至此，本研究在“晶体组分（Y含量）”→“晶体结构”→“晶体性能”之间建立起了一条分析链。这为晶体制备、发光机理研究与应用提供了良好的理论支撑。