氟化铅基卤化物混晶材料的制备及其闪烁性能探索

新一代高能粒子探测实验对探测器材料的要求是同时具有切伦科夫辐射光和闪烁效应，氟化铅晶体除了缺乏闪烁效应外的其他物理性质均可满足这一要求。为此，本课题拟以立方氟化铅晶体为基质，选择具有优异闪烁性能的稀土碘化物材料为溶质材料，通过这两种材料在高温下固溶、在低温下脱溶的相关系，将闪烁体以微晶颗粒的形式嵌入到氟化铅基质当中，从而获得既有闪烁性能又能保持切伦科夫效应的混晶材料。课题的研究重点是闪烁晶体的选择及其与氟化铅基质之间固溶-出溶关系的探索、出溶的微晶闪烁体在浓度、结晶粒度和分布方向等方面对闪烁性能的影响。进而揭示出这种新型辐射探测材料的形成规律和质量控制条件。

本项目围绕稀土离子掺杂PbF2晶体、PbF2-PbO-SiO2基质玻璃和PbFCl混晶体系，分别开展了稀土离子掺杂的PbF2基混晶的生长、PbF2基玻璃及微晶玻璃的制备和PbFCl晶体的生长和性能研究，获得了一价、二价和三价例子掺杂的PbF2基晶体和微晶玻璃，并对这两类材料的透过光谱、荧光光谱、X射线激发光谱进行了系统分析，研究了它们稀物理性能、热学性能和发学性能。发现PbF2基混晶无论在X射线或伽马射线激发下基本没有闪烁光，唯有CaF2:Eu掺杂的PbF2多晶在X射线激发下具有微弱的闪烁光，但难以生长出透明单晶。PbF2掺Pr、Dy及Tm样品的衰减时间均为微秒量级，发射光谱都源于三价稀土离子各自的4f-4f跃迁，虽然不能满足HHCAL项目中所需的双读出材料的技术指标，但是已经比其它稀土离子掺杂样品的ms量级衰减快了两个数量级，可以考虑应用在其它领域（比如医学影像）。而通过高温熔融冷却法制备出的透明氟化铅基玻璃，密度大于6.0 g/cm3，折射率在1.70~1.85之间，玻璃可望具有较高的辐射硬度，紫外截止吸收边位于335 nm左右，在450~800 nm范围透过率接近80 %，有利于发射光的透过。在紫外和X射线激发下，Tb3+和Eu3+单掺的氟化铅基玻璃发光强度均随着稀土离子掺杂量的增加而增强。因此，可通过增加掺杂量来提高发光强度；而Dy3+掺杂的氟化铅基玻璃虽在紫外激发下有较强的发光强度，但在X射线激发下没有监测到任何发光信号。热退火可是玻璃转化为微晶玻璃，且微晶玻璃的发光强度随微晶含量的增加而增强。采用坩埚下降发生长出了PbFCl晶体，该晶体具有密度高、透紫外光和发射闪烁光的特点，但该晶体由于存在(0001)解理开裂问题而很难生长成大尺寸完整晶体。同时PbF2好PbCl组分在高温下的不一致挥发，很容易导致晶体中的F/Cl比偏离理想的化学计量比。因此我们调整原料初始配比，分别配制偏氟到富氯7个不同组分的原料进行晶体生长实验。分别测试晶体的透过光谱、X射线激发光谱与紫外荧光光谱，认为当F/Cl=1:1.25时所得晶体双读出性能较好，适合用于HHCAL项目。