高发光强度透明闪烁微晶玻璃的可控制备及其纳米晶增强发光的机理研究

Scintillating material has very important applications in many areas, such as high-energy particle detection, medical and industrial X-ray image display. However, the wide application of scintillating glass is limited due to the low light output efficiency. In this project, Tb3+ ions activated oxyfluorosilicate glass-ceramics is used as the research object. Restrain fluorine volatilization by using sealing method and atmosphere protection method to realize the accurate control of fluorine content; realize the control of crystallite uniform distribution as well as crystallite type, crystallite content and grain size by heat treatment; make sure the correlation between the Tb3+ ions doping concentration and the sensitization agent on the glass ceramics luminescence intensity as well as the glass formation and crystallization; find out the relationship between the heat treatment process and the Tb3+ ions luminescent efficiency as well as the crystallite type, crystallite content and the crystal field local environment of rare earth ions in the glass ceramics; reveal the crystallization rule and the nanocrystalline fluorescence enhancement mechanism in the Tb3+-activated scintillating glass ceramics. This research has important theoretical significance and practical value in the new varieties development of scintillating materials as well as the exploration of influence law about nucleation and crystallization technology on luminescence properties in glass ceramics.

闪烁材料在高能粒子探测、医学和工业X射线图像显示等领域有着极为重要的应用。但由于闪烁玻璃的光输出效率较低，限制了闪烁玻璃的广泛应用。本项目以Tb3+离子激活的氧氟硅酸盐微晶玻璃为研究对象，采用密封法、气氛保护法等抑制氟的挥发，实现氟含量的准确控制；通过热处理，实现微晶体类型、微晶体含量、晶粒大小、均匀分布等问题上的可控；探明Tb3+离子掺杂浓度和敏化剂对玻璃形成、析晶及微晶玻璃发光强度之间的相关性；明确热处理工艺与微晶玻璃中的微晶体类型、微晶体含量、稀土离子所处晶体场局域环境及Tb3+离子发光效率之间的依从关系；揭示Tb3+离子掺杂玻璃的析晶规律及其激活闪烁微晶玻璃中的纳米晶荧光增强机理。这项研究对于揭示核化-晶化技术对发光性能的影响规律，开发闪烁材料新品种，有着重要的理论意义和实用价值。

闪烁材料在高能粒子探测、医学和工业X射线图像显示等领域有着极为重要的应用。但由于闪烁玻璃的光输出效率较低，限制了闪烁玻璃的广泛应用。本项目主要研究内容有：. （1）Tb3+、Gd3+、Sm3+、Ce3+离子单掺/共掺硅酸盐氧氟玻璃的制备与研究。得到了它们的玻璃组成、熔制制度、退火制度，所制备的硅酸盐氟氧玻璃具有较好的热稳定性和一定的抗析晶能力，分析了敏化剂类型、浓度、掺杂组合方式对Tb3+离子发光的影响规律。在紫外线激发下，Tb3+离子掺杂的玻璃发出明亮的绿光，表明样品有可能做为X射线闪烁材料的候选材料。. （2）Nd2O3、Fe2O3、Cr2O3等掺杂硅酸盐体系的玻璃及微晶玻璃的制备与研究。最佳Nd2O3浓度为0.5 wt%，以1057 nm左右为中心的4F3/2→4I11/2发射跃迁的量子效率和受激发射截面分别高达95%和 2.409–2.881×10−20 cm2，表明该材料有望用作高功率激光(1.06 μm)的输出介质。对基础玻璃的热处理制度进行优化，确定合适的核化、晶化工艺制度。得到了主晶相为Gd4.67(SiO4)3O的Nd3+掺杂的GGS微晶玻璃。结晶行为表明，调整玻璃成分或热处理方案有助于获得透明微晶玻璃。掺杂Fe2O3的MASB微晶玻璃的荧光寿命相对较短，但其发射颜色接近纯白光，这使其成为很好的白光LED材料的候选者。. （3）全废弃物的多孔陶瓷的制备与研究。结果表明不同的废料比率会导致全废料中形成的玻璃相的含量和组成发生变化，从而导致在陶瓷材料中形成不同的内部结构。不同种类的重金属离子（Cu2+、Zn2+、Cd2+）对玻璃相和晶相的亲和力不同，为废弃物多孔半玻化陶瓷的安全应用提供了理论支持，也为今后处理部分重金属含量较高的危险固体废物提供了新的思路和方法。