高光产额钨酸铅_PbWO_4_晶体的研究进展
第34卷第1期 人 工 晶 体 学 报 Vol.34 No.1 2005年2月 JOURNAL OF SY NTHETI C CRYST ALS February,2005 高光产额钨酸铅(Pb WO
)晶体的研究进展
4
叶崇志,杨培志
(中国科学院上海硅酸盐研究所,上海200050)
)晶体由于具有高密度、短辐照长度、高的辐照硬度和快发光等特点而成为目前最具发展潜力摘要:钨酸铅(Pb WO
4
的闪烁晶体之一,但其光产额低的缺点限制了它在高能领域以外的应用。因此,提高钨酸铅晶体的光产额以使其在PET装置等低能领域获得应用已成为近年来钨酸铅晶体的研究热点。本文综述了高光产额钨酸铅晶体的研究现状,指出了目前存在的问题。结合理论分析,提出采用坩埚下降法晶体生长技术,离子掺杂和退火等措施是进一步提高钨酸铅晶体光产额的主要途径。
关键词:钨酸铅晶体;高光产额;离子掺杂;退火;闪烁晶体
中图分类号:O734 文献标识码:A 文章编号:10002985X(2005)0120124207 Research Progress i n Pb WO4Cryst a l w ith H i gh L i ght Y i eld
YE Chong2zhi,YAN G Pei2zhi
(Shanghai I nstitute of Cera m ics,Chinese Acade my of Sciences,Shanghai200050,China)
(Received8M ay2004)
Abstract:Lead tungstate(Pb WO4)is beco m ing one of the most p r om ising scintillat ors due t o its favorable scintillati on p r operties such as high density,short radiati on length,high radiati on hardness and fast decay ti m e.But the app licati on of Pb WO4crystal is li m ited t o high2energy physics because of its l ow light yield.
Thus the study of Pb WO4crystal with high light yield is paid considerable attenti on t o devel op its app licati ons in medium and l ow energy such as PET detect or.The recent devel opment of Pb WO4crystal with high light yield is revie wed,and s ome p r oble m s at p resent are pointed out in this paper.Based on the theoretical analysis and comparis on of the different gr owth techniques,a modified B ridg man method f or gr owing Pb WO4crystal,t ogether with i on dop ing and op ti m al annealing conditi on are p r oposed t o i m p r ove its light yield.
Key words:Pb WO4crystal;high light yield;i on dop ing;annealing;scintillat or
1 引 言
20世纪90年代初,随着探索基本粒子的高能物理研究项目的兴起,钨酸铅(简称P WO)晶体以其高密度、高吸收系数、短辐射长度、高辐照硬度和快发光衰减等特点而在这一领域得到了广泛的应用[123]。然而, P WO晶体光产额(简称LY)低的缺点限制了它在高能领域以外的应用,如何提高P WO晶体的LY以拓宽其应用领域,尤其是在正电子发射断层扫描(positr on e m issi on t omography,简称PET)等医学成像方面的应用已成为近来P WO晶体研究的热点之一。据有关文献报道[4],随着位置灵敏型光电倍增管(PS2P MT)的发展,如果P WO晶体的LY能提高3倍(达到BG O的8%左右)以上,将可用于PET装置。与目前占领PET用收稿日期:2004205208
作者简介:叶崇志(19792),男,湖北省人,硕士。E2mail:cz_ye@https://www.wendangku.net/doc/553993038.html,
闪烁体50%以上市场份额的BG O 晶体相比,使用高密度和短衰减长度的P WO 晶体可使PET 系统的探测器线性长度减少约一半,使探测器在一个相当大的有效视野(F OV )中保持更好的空间分辨率,同时又能发挥P WO 快发光的优势,提高PET 设备的时间分辨率。此外,P WO 晶体的低成本也将使PET 设备的成本大大降低。据PET 专家预测:如果高光产额P WO 晶体用于医用PET 装置,将获得30%左右的市场份额,从而产生巨大的社会效益和经济效益。基于这一巨大的市场潜力,各国科学家纷纷开展了高光产额P WO 晶体的研究。
本文从P WO 晶体的结构和性能出发,简述了P WO 晶体的发光机理;从生长方法、离子掺杂和晶体退火等方面综述了目前高光产额P WO 晶体的研究进展,并在此基础上提出了提高P WO 晶体LY 的途径。2 P WO 晶体的结构和点缺陷
自然界中P WO 晶体存在两种结构:四方St olzite 结构,与Scheelite 同构
[5]和单斜Ras p ite 结构[6]。人工图1 钨酸铅晶体结构
Fig .1 Structural diagra m of the Pb WO 4crystal 合成的空间群为P 21/n 的高温高压也已被证实[7]。以化学
计量比从熔体生长的P WO 晶体均为Scheelite 结构,晶胞参
数为:a =b =0.5456n m ,c =1.202n m 。图1为Scheelite 型
P WO 晶体晶胞结构示意图。目前生长P WO 晶体最常用的两
种生长方法为提拉法(Cz ochralski )和坩埚下降法
(B ridg man )。两种方法均以PbO 和WO 3粉末为原料按化学
计量比从熔体中生长,由于高温下两者挥发速率的差异,使得
生长的P WO 晶体普遍缺铅,产生V Pb ,而由V Pb 造成的电荷失
衡则由V O 补偿。因此,V Pb 和V O 是P WO 晶体中两种基本的
点缺陷。这两种点缺陷和与之相关的缺陷对P WO 晶体的闪
烁性能有很大的影响,很多学者已对此做过详细的研究[8,9]。3 P WO 晶体的基本性能和发光机理
P WO 晶体在可见光区域内无色透明、双折射、不潮解,密
度为8.28g/c m 3,在600nm 处折射率指数为n o /n e =2.242/2.169,光学弹性常数0.13MPa -1
,内应力常数0.
67MPa,熔点1123℃。
P WO 晶体的发光十分复杂,发射光谱主要包括一个蓝光带(发光峰位于420nm )和两个重叠的绿光带(发光峰分别位于490nm 和520nm )。发光衰减依赖于发光峰,但总体表现为快衰减,研究表明快分量主要来自于蓝光带,而慢分量则主要来源于绿光带。所有发光带都有温度猝灭效应。P WO 晶体与目前应用于PET 设备的闪烁体性能参数比较见表1。对于P WO 晶体的蓝发光机理,至今仍未形成定论。主要观点有:Pb 2+离子扰动的WO 2-4基团发蓝光[10],Pb 2+激子[11]发蓝光和WO 2-4分子型激子[12]发蓝光等模型。由于多数钨酸盐都存在WO 2-
4的蓝发光中心,而P WO 晶体蓝发光具有的纳秒级快衰减区别于其它钨酸盐(衰减常数为微秒量级),使得Pb 2+离子扰
动的WO 2-4基团发蓝光的观点更易让人接受,W illia m s [13]等人对P WO 晶体能带计算后认为:Pb 的6s 态电子参与了P WO 晶体价带顶构成,也支持了这一观点。
对于P WO 晶体的绿发光中心也未形成统一认识,但大多学者认为绿发光中心与WO 3和O 有关,至于氧是以氧空位[10]还是氧间隙[14]形式却存在争议。另有学者[15]
认为绿发光中心是因为P WO 晶体的局域结构扭曲,使得发蓝光的四方相结构局域形变为发绿光的单斜相形成。然而各种观点都只能解释绿发光中心的部分现象,P WO 的绿发光中心本质,还有待进一步的研究。521 第1期 叶崇志等:高光产额钨酸铅(Pb WO 4)晶体的研究进展
表1 钨酸铅晶体与其它PET用闪烁晶体性能比较
Table1 Properti es of the P WO cryst a l and other sc i n till a tors used i n PET
BG O P WO LS O∶Ce GS O∶Ce Density(g/cm3)7.138.287.41 6.71
Melting point(℃)1050112320501950
Radiati on length(c m) 1.120.89 1.14 1.37
Moliére radius(c m) 2.3 2.2 2.3 2.37
I nteracti on length(c m)21.8182122
Refractive index 2.15 2.2 1.82 1.85
Hygr oscop icity No No No No
Lum inescence(nm)(at peak)480490,520/420420440
Decay ti m e(ns)30050/104060
Relative LY90.4/0.37530
d(LY)/dT(%/℃)-1.6-1.9--
4 高光产额P WO晶体的研究进展
4.1 提高P WO晶体LY的理论基础
室温下P WO晶体的发光效率低,且具有强的温度猝灭效应。在低温(6K)下发光强度可增加3个量级,
但室温下的发光衰减时间(ns量级)在低温下也延长3个量级(达20μs)。因此,尽管降低温度可获得较高的LY,但无实际应用价值。
目前常用的提高P WO晶体LY的方法[4]是在P WO基质中引入新的掺杂离子发光中心,这种发光中心的第一激发态辐射跃迁能量应尽可能接近或稍低于WO2-
4
的零声子转变能(约为3.35e V),使掺杂离子的发光位于蓝光波段;通常掺杂离子在P WO晶体中的浓度很低,这使得掺杂离子直接受到激发的几率很小,因
此掺杂P WO的发光效率就取决于WO2-
4
第一激发态无辐射损耗的再次分配,如果能将这种无辐射损耗部分或全部转移到掺杂剂发光中心使之发光,就可以提高P WO晶体的LY。而这种转移很大程度上取决于掺杂离子高的电子能级捕获e-的能力,以参与和P WO基质中的本征非辐射对e-捕获的竞争。因此,掺杂离子高的电子能级和较强的捕获e-能力对提高P WO晶体LY也会产生积极影响。
P WO晶体的蓝发光位于420n m附近,要提高P WO晶体LY就必需使得晶体在这一发射波长范围内具有高的透过率,以减小晶体在这一波段的自吸收。通过优化退火条件可以补偿氧空位,减少缺陷,提高P WO 晶体透过率,从而提高晶体LY。因此,探索最佳退火条件对于提高P WO晶体LY具有重要意义。
4.2 高光产额P WO晶体的研究现状
4.2.1 离子掺杂对改善P WO晶体LY方面的作用
在P WO晶体LY的研究中,Mo离子是研究得最多的掺杂剂之一。研究表明,单掺Mo离子[9,16]对P WO
晶体LY的增强是由于MoO2-
4对于绿发光的贡献,MoO2-
4
发光主峰位于500nm附近,可以提高P WO的绿发
光成份,但同时P WO发光中的快成份受到抑制,并产生了非常慢的衰减成份(几十毫秒或更长)和余辉,这对其应用是十分不利的。为了抑制慢成份并同时提高P WO晶体LY,人们又对P WO晶体进行了Mo离子与其它阳离子共掺的研究,发现Mo离子分别与La、Y、Sb、Nb等离子共掺能提高P WO晶体的LY。
Mo,La双掺[16]的P WO晶体发光主峰位于500n m附近,LY比纯P WO晶体高3.5倍(时间门宽为4μs),但在30/100/1000ns门宽范围内发光的比率分别为44%/60%/93%,LY的增加主要还是慢分量的增加。而Mo,Y(2.57×10-3,10-4)双掺[17,18]能抑制P WO晶体中的陷阱中心,增加发光快分量。目前报道的Mo,Y双掺P WO晶体的LY(发光峰位于500n m附近)最高值约为纯P WO晶体的2.2倍,发光快慢成份的比例与纯P WO晶体相近。在双掺P WO晶体的报道中,发光最强的当数Mo,Nb(1.53×10-3,5×10-4)双掺P WO晶体[19],其发光强度已超过相同测试条件下的BG O晶体,但文献中未有光输出数据。该类P WO晶体的发光
增强主要归结于(Mo O
4)2-发光中心,但同时引入了毫秒级慢发光衰减成份。Mo,Ta掺杂也具有和五价离子
621人工晶体学报 第34卷
图2 不同掺杂P WO 晶体光产额与时间门宽关系
Fig .2 Dependence of LY on the gate width T for s ome
doped P WO crystals Nb 掺杂的相似作用。Mo 、Sb 、和Y 三掺[20]P WO 晶体的
LY 和透过性能均优于Mo 、Sb 双掺晶体,但同样引起
P WO 晶体XEL 光谱红移和衰减时间增加。
日本学者Kobayashi [21]较系统地开展了P WO 晶体
的掺杂改性实验。他通过对P WO 晶体进行单掺、双掺
和三掺等获得了一些改性P WO 晶体的数据。掺杂离子
包括碱土金属离子、过渡金属离子和稀土金属离子,所
有晶体均采用提拉法生长,样品尺寸为10×10×
20mm 3,测试时间门宽为1000ns 。实验表明Cd 、Mo 和
Ca 离子单掺能显著增强P WO 晶体的LY,其中Mo (1.
35×10-3)掺杂P WO 晶体LY 为49pe /Me V,约为纯P WO 晶体的两倍(纯P WO 晶体为25～35pe /Me V ),并且Mo,Cd,Ca 离子掺杂浓度达到1%原子分数时也没
有观察到浓度猝灭。Mo /Nb,Cd /Sb,Mo /Sb 双掺P WO 晶体的LY 分别为58,50和44pe /Me V ,而Mo,Cd,Sb 三掺杂P WO (发光波段在500nm )的LY 则达到75pe /Me V ,相当于BG O 晶体的9%,不过由于Sb 蒸气压太高使得这一结果的重复性较差。由此可见,通过阳离子双掺和三掺,可使P WO 的LY 得到了较大提高,但小于100ns 的快分量的比例还不够高。图2显示了不同掺杂P WO 晶体LY 与时间门宽关系。可以看到,100ns 门宽内,Mo,Cd,Sb 三掺杂P WO 晶体的LY 只占60%左右,大概为45pe /Me V,离PET 设备的需求还有一定距离。
对P WO 晶体进行阴离子掺杂的研究鲜有报道。而实际上阴离子掺杂也能改善闪烁晶体的光输出。上
海硅酸盐研究所[22,23](SI C )通过对P WO 晶体进行氟离子掺杂,测量了1.5个辐射长度的掺氟P WO 晶体和
BG O 晶体,发现掺氟P WO 晶体的LY 达到BG O 晶体的29.2%(时间门宽1000ns )。但遗憾的是发光峰红移至560n m 附近,而且衰减时间也以慢分量为主,在100ns 内的快分量仅占21.5%,同时晶体的透过率和均匀性也较差,离实际应用还有较长的距离。由此可见,在阴离子掺杂方面,还需要作进一步的探索与研究。
值得注意的是Tb 3+单掺杂[16,24]的研究结果,当Tb 掺杂浓度为10-4时,Tb 3+的窄带发射峰与P WO 晶体
的420n m 本征发射峰重叠,其激发态5D 3,5D 4(激发辐射跃迁态能量低于3.35e V )对348nm 处发光有贡献,
而5D 3能级的发光由于与WO 2-
4相互作用而强烈猝灭,使得发光几乎只剩下快分量,这种掺杂可以将P WO 晶体的LY 提高近两倍,为解决掺杂P WO 晶体发光红移和抑制慢分量等问题提供了新的思路。通过利用稀土发光离子的辐射能级与P WO 晶格的相互作用也可增加P WO 晶体的光产额。
4.2.2 生长工艺对P WO 晶体LY 的影响P WO 晶体的光产额除与掺杂离子和晶体取向有关外,还与生长工艺密切相关。坩埚下降法[25]
和提拉
法[26]生长的P WO 晶体的光输出有着较大的差异。在相同测试条件下,SI C 用坩埚下降法沿c 轴生长的P WO 晶体的平均光输出比俄罗斯BT CP (bogor oditsk techno 2che m ical p lant )和北方晶体公司(Apatity )用提拉
法沿a 轴生长的高30～58%[27]。一般地,由于P WO 晶体的各向异性,晶体a 方向的透过率较c 方向高,但a 方向的光产额比c 方向低10%左右[28]
。除因生长方向不同外,造成这种差异的原因还在于生长工艺的不同。BT CP 和Apatity 用提拉法生长P WO 晶体,而SI C 在密封的坩埚中生长,密封的坩埚更有利于避免熔体中各组分的挥发,从而减少P WO 晶体的点缺陷,提高光产额。因此,就生长方法而言,选择密封条件下的坩埚下降法生长P WO 晶体将有利于P WO 晶体LY 的提高。
4.2.3 退火条件对P WO 晶体LY 的影响
退火工艺一直是改善晶体性能的主要手段,受到人们的广泛重视。对于纯P WO 晶体的退火研究已有
相当多的报道[29,30]。合适的的退火温度和气氛能够提高纯P WO 晶体光输出和透光率[31233],但纯P WO 晶体
的退火工艺已经相当成熟,而且对LY 增加的幅度也有限,因此目前对纯P WO 晶体的此类报道已很少见。721 第1期 叶崇志等:高光产额钨酸铅(Pb WO 4)晶体的研究进展
掺杂P WO 晶体退火机理相当复杂,相关报道也较少。L i W ensheng 等[34]在研究掺镧P WO 晶体空气退
火的介电谱时发现了一个新的介电弛豫峰,并把它归因于掺杂离子与间隙氧离子所形成的缺陷缔合体
[2La Pb -O i ],进一步退火时该峰的强度增加,这可能意味着一个新的退火机理。一般地,在具有可见光发光的稀土离子中,例如Er 3+,Nd 3+,Dy 3+等发光活性离子,退火的作用都是使P WO 基质的发光降低,归结的原
因是P WO 基质向稀土离子的能量传递而减弱了P WO 晶体的蓝光强度。而对P WO ∶Gd 3+晶体[34]从500℃
到650℃退火,P WO ∶Gd 3+晶体总体发光逐渐增强,在650℃时达到最强,而进一步退火到740℃和840℃,绿
发光强度开始得到一定的抑制,在940℃和1040℃高温退火,P WO ∶Gd 3+中仍然保持有一定的绿发光组分,
整个发光形状和生长样品相似,蓝发光成份在整个退火过程有一定的起伏,但总的变化不大。作者将它归因
于Gd 3+特殊的电子结构,由于Pb WO 4基质两个激发峰的位置和Gd 3+离子的本征激发峰274n m 和311nm 基本一致,而且Gd 3+离子的两个激发态都位于Pb WO 4基质的导带中,这样Gd 3+激发态的激发能很容易传递给Pb WO 4基质,从而实现Pb WO 4基质的发光增强。但是由于P WO 晶体中Gd 3+的浓度很低,使得Gd 3+直接受到激发的几率几乎可以忽略不计,Gd 3+直接受激发而将能量传递给P WO 基质的可能性很小,作者尚未对此做出解释。
Do 2Hyung Ki m 等[36]研究了原料的退火处理对提拉法生长的P WO 晶体的闪烁性能的影响。透过率谱
和光致发光谱分别如图3和图4。由图3可见,未经预退火处理的纯P WO 晶体(样品P WO1)在420nm 处存在明显吸收带,而经预退火后的纯P WO 晶体(P WO2)在420n m 处的吸收显著减弱。对P WO ∶Nb 晶体,当Nb 掺杂浓度为0.3wt%时,经预退火后的样品P WO3在420n m 处的吸收带消失,而当Nb 掺杂浓度达到3wt%(P WO4)时又使得晶体透过率整体下降。另外,从四块样品的光致发光谱上(图4)可以看到,样品P WO3、P WO4的绿发光显著增强,但文献无LY 数据。他们将该影响归因于预退火增加了原料中的氧组分从而减少了生长态晶体的氧空位,但仅由透光率和发射谱的变化结果难以使这一解释令人信服,而且实验中晶体还存在一定的着色现象,晶体质量也不是很高,因此对预退火影响LY 的原因还待于进一步的实验和分析
。
4.2.4 高光输出P WO 晶体存在的问题
通过离子掺杂、优化生长工艺参数和退火工艺条件,P WO 晶体的LY 已经得到了很大的提高,但距离PET 应用还有一段距离,目前主要存在以下问题:(1)LY 增加的辐度还不够大,而且LY 的增加以慢分量为主;(2)离子掺杂引起发光波长红移(一般>500nm ),不利于与光电倍增管灵敏度相匹配;(3)生长工艺参数对提高P WO 晶体LY 的作用的研究较少;(4)对于退火工艺和大多数离子掺杂引起P WO 晶体LY 增加的机制还不清楚。
821人工晶体学报 第34卷
4.3 进一步提高P WO 晶体LY 的思路
要获得性能满足PET 要求的高光产额P WO 晶体,需要解决上述存在的问题,这就需要生长技术的完善与突破。我们根据P WO 晶体的生长习性,经过多年的实践与探索,建立了能批量生长P WO 晶体的改进型多坩埚下降法晶体生长技术。这一生长技术不仅有利于获得高质量大尺寸P WO 晶体[37],而且适合规模生
长[25]。近来,我们通过计算模拟对P WO 进行改性,采用双掺(阴离子+阳离子)和改进的多坩埚下降法生长技术,在高光产额P WO 晶体研究方面取得了突破,在200ns 的时间门宽测量,掺杂改性P WO 晶体的光产额为BG O 晶体的7%左右,其中8ns 内的LY 占88%,这是迄今为止在高光产额P WO 晶体研究中获得的最
好结果[38],为我们进一步提高P WO 晶体的LY 使之用于PET 成像装置奠定了坚实的基础,同时也为改善P WO 晶体的光产额提供了新的思路。综合目前的研究现状,我们认为:要使P WO 晶体的LY 得到进一步的提高,还应该加强以下两个方面的研究。
在离子掺杂方面,研究阴离子掺杂对P WO 晶体LY 的作用,探索其引起LY 增加的机理,进一步尝试阴离子和阳离子双掺以在改善P WO 晶体光产额的同时能有效抑制慢分量。
研究不同的退火工艺对P WO 晶体光产额的影响。众所周知,P WO 晶体的退火工艺对其光学和闪烁性能有着重要影响。目前关于P WO 晶体退火工艺对其性能影响的研究主要集中在改善P WO 晶体的辐照硬度。由于P WO 晶体含有丰富的缺陷结构,这些缺陷影响着P WO 晶体的光产额。因此,建立合理的退火工艺制度将有利于减少P WO 晶体的缺陷,改善P WO 晶体的LY 。
5 结 语
高光产额P WO 晶体具有诱人的应用前景,但由于P WO 晶体的性能具有很强的工艺敏感性,这给高光产额P WO 晶体的研究与开发增加了难度。要获得实用的高光产额P WO 晶体,不论在掺杂方面,还是在生长工艺方面都需要创新。性能完全满足PET 要求的高质量P WO 晶体的开发成功将给核医学成像领域带来重大变革,同时也将为高能物理中的中、低等能量领域的研究提供物质基础。
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钨酸铅晶体荧光衰减时间特性的研究
核技术990206 核技术 Nuclear Techniques 1999年 第22卷 第2期 vol.22 No.2 1999 钨酸铅晶体荧光衰减时间特性的研究 汪兆民许咨宗吴冲陈宏芳汪晓莲 李澄许彤伍健曾辉 摘要用单光子技术研究了钨酸铅晶体荧光发射光谱和衰减时间的关系,测量了不同生长条件下钨酸铅晶体的时间特性,对辐照前后晶体的衰减时间进行了比较实验结果表明掺镧有助于提高钨酸铅晶体快成分的比重 关键词钨酸铅,荧光衰减时间,辐照,掺镧 Study on the fluorescence decay characteristics of lead tungstate crystals WANG Zhaomin XU Zizong WU Chong CHEN Hongfang WANG Xiaolian LI Cheng XU Tong WU Jian ZENG Hui (University of Science and Technology of China, Hefei 230027) Abstract Relation between the fluorescence spectrum and decay time of lead tungstate crystals was studied by using the single photon technique. The fluorescence decay characteristics of lead tungstate crystals grown under different conditions were measured. The decay time before and after irradiation was compared. It is shown that La doping is an effective way to increase the fast component. Key words Lead tungstate, Fluorescence decay time, Irradiation, La doping 钨酸铅(PbWO4简称PWO)是一种新的无机闪烁晶体,由于它的荧光衰减时间具有ns 量级的快成分,密度高(8.28g/cm3),相对来说晶体的生长也较容易,原材料价格低,已被欧洲核子研究中心(CERN)大型强子对撞机(LHC)的CMS国际合作组选定为电磁量能器簇射介质材料[1]。除快成分外,PWO晶体还具有10-7-10-6s量级的慢成分。由于LHC束流的对撞率极高,慢成分的存在将会使电子学读出道的脉冲堆积,因此,如何有效地抑制慢成分是一个十分重要的问题。另外,由于电磁量能器工作在强辐照剂量场中,辐照对晶体的时间特性影响如何,也是人们所关心的问题。本文介绍用单光子时间测量技术研究PWO 晶体发射光谱和衰减时间的关系,测量了不同生长条件下PWO晶体的时间特性,对辐照前后的衰减时间也进行了比较。 1 实验方法 file:///E|/qk/hjs/hjs99/hjs9902/990206.htm（第 1／7 页）2010-3-22 22:34:49
大尺寸钨酸铅晶体的研制
大尺寸钨酸铅晶体的研制 郑连荣 陈 刚 任绍霞 郑燕宁 陈晓红 韦 瑾 刘振卿 李翠萍 范宇红 司马恺 (北京玻璃研究院,北京,100062) Growth of Large S ize Lead Tungstate Crystals Zheng L ianrong Chen Gang Ren Shaox ia Zheng Y anning Chen X iaohong Wei Jin Liu Zhenqing Li Cuip ing Fan Yuhong Ky le Smith (Beijing Glass Research Institute,Bei jing 100062,C hi na) 作为新发现的闪烁晶体,钨酸铅(PbWO 4)晶体具有高密度(8.3g/cm 3)、衰减时间快(小于30ns)和晶体易于生长等性能,被欧洲核子中心正在建造的强子对撞机(LHC)上的CM S 实验正式选为探测器材料,总用量达11万根。从CMS 实验的要求考虑,需要采用效率高、重复性好和稳定性好的生长手段,以实现未来的钨酸铅晶体的批量生产。本实验在前人工作的基础上,采用Bridgman 方法实现的大尺寸钨酸铅晶体的生长。 首先,本实验选用a 轴钨酸铅籽晶用提拉法生长出一定尺寸的优质晶体,晶体经退火和加工处理后,选用作Bridg man 方法的籽晶,在Bridgman 晶体生长炉中进行晶体生长。在晶体生长中,为获得结构完整和性能好的晶体,需要注意几个工艺要点,它们主要是:原料的配制和烧结、合适的温度梯度、籽晶的熔结工艺、晶体生长速度的控制以及解决晶体生长后期因固液相热传导平衡变化而导致的晶体生长加速度问题。 本实验最终获得了优质大尺寸钨酸铅晶体,晶体加工后长度尺寸达到23cm,达到了CMS 实验所需的最终尺寸。同时本实验还测定了钨酸铅晶体的其它闪烁性能指标。由于钨酸铅晶体可以通过坩埚下降法实现大尺寸晶体生长,并且晶体获得了较好的性能,因而成为很有前途的高能物理用探测材料,并且在其它领域可以开拓出较好的应用前景。 关键词:闪烁晶体,钨酸铅晶体,布里奇曼法, Key words:scintillation crystal,lead tungstate crystal,Bridgman method 297 第3-4期 人工晶体学报
常用闪烁晶体及材料物理性能
常用闪烁晶体及材料物理性能 材料名称碘化钠 Nal(TI)碘化铯 CsI(Na) 氟化钡 BaF2 氟化钙 CaF2(Eu) 锗酸铋 BGO 钨酸铬 CdWO4 钨酸铅 PbWO4 铝酸钇 YAP:Ce 硅酸扎 GSO:Ce 硅酸镥 LSO:Ce 折射率 n 1.77-1.85 1.84 1.54low 1.50high 1.47 2.15 2.3 2.16 1.94 1.85 1.82 膨胀系数K-147.4x10-649 x 10-618.4 x 10-619.5 x 10-67 x 10-610.2 x 10-6 发射波长nm415520220:310435480470: 540420;450390450440截止波长nm320300135395320 衰减常数ns2506300.7；6300.94vs3005ms；20ms<10; 36035 (10)6040 [%ofNaI(Tl)]100855；165015 - 2025 - 300.3fast 0.2slow 403075 余辉[%]after 6ms 0.5 - 5.0 after 6ms < 0.3 After 3ms 0.005 After 3ms 0.1
光产额Pho/MeV γ38 x 10340 x 103 6.5 x 103 2.5 x 103 19 x 1038 - 10 x 103 1.2 - 1.5 x 1018 x 103 潮解性yes yes no no no no no no no no 解理面100no111111no010 辐射长度cm 2.59 1.85 2.06 1.12 1.000.85 1.83 1.39 1.14辐照硬度rad103>103105-7104-5103-8>106106>108>106比重g/cm3 3.67 4.51 4.88 3.187.137.98.28 5.35 6.317.41硬度莫氏 2.22345 4.28.5 熔点℃65062113541418105016851123187519502050