摘 要

闪烁体材料在医学，物理学，以及工业生产上都有着重要应用，目前广泛使用的闪烁体材料多为晶体材料。有一类闪烁体的性质是基于其内部含有稀土的特征发光性能。微晶玻璃既具有母相玻璃透光性、均质性，其中分布的小晶粒又具有晶体的物理性质。考虑集合各种材料特点制备Tb/Ce掺杂YAG微晶玻璃。本文记录了合成预期材料的过程以及制备样品的荧光性能测试。采用两步合成法，以气体悬浮法为核心技术先制备对应成分的玻璃，后热处理获得Tb/Ce共掺杂的YAG微晶玻璃。采用DSC、XRD、SEM分别表征其玻璃转变温度、相组成以及微观形貌。采用PL/PLE光谱表征其发光性能。分别研究了母相组分、热处理温度以及掺杂离子浓度对发光性能的影响。本实验及分析获得以下结果：

（1）在考虑气体悬浮成玻以及热处理温度区间的情况下，母相组分为AlO1.5:YO1.5=73:27时具有良好的成玻性能以及较宽泛的热处理温度区间。

（2）本实验中并未发现明显的Tb³ 与Ce³ 间的能量传递。

（3）随着热处理温度升高，在结晶过程中，Ce³ 较Tb³ 在更低的温度进入YAG晶相中。

关键字：闪烁体YAG； 微晶玻璃 ；Tb； Ce； 发光性能

Abstract

Scintillator materials in medicine, physics, and industrial production has an important application, the current widely used scintillator material for the crystal material. The properties of a class of scintillators are based on their characteristic rare earth-emitting luminescence properties. The crystallized glass has both the light transmission and the homogeneity of the mother glass, and the small grains in which the crystals are distributed have the physical properties of the crystals. Tb / Ce-doped YAG glass-ceramics were prepared by considering the characteristics of various materials. This paper records the process of synthesizing the expected materials and the fluorescence properties of the prepared samples. Tb / Ce co-doped YAG glass-ceramics were prepared by the two-step synthesis method and the gas suspension method as the core technology. The glass transition temperature, phase composition and microstructure were characterized by DSC, XRD and SEM. The luminescence properties were characterized by PL / PLE spectroscopy. The effects of matrix composition, heat treatment temperature and doping ion concentration on the luminescent properties were studied. This experiment and analysis obtained the following results:

(1) In the case of gas suspension and glass heat treatment temperature range, the parent phase composition is AlO1.5: YO1.5 = 73: 27 has good glass forming properties and a wide range of heat treatment temperature range.

(2) No energy transfer between Tb³ and Ce³ was found in this experiment.

(3) As the heat treatment temperature increases, Ce³ enters the YAG crystal phase at lower temperature during the crystallization process.

Key words: scintillator; YAG; glass – ceramic; Tb ;Ce; photoluminescence property

目 录

第1章 引言 1

1.1 闪烁体 1

1.1.1 闪烁体材料概述 1

1.1.2 Ce3 激活的铝石榴石（YAG）闪烁晶体 1

1.1.3 Ce³ 与其他离子共激活的闪烁体材料 3

1.2 微晶玻璃 4

1.2.1微晶玻璃的制备 5

1.2.2微晶玻璃的特性 5

1.2.3 YAG微晶玻璃 5

1.3 相关研究现状及提高闪烁体发光性能的方法 6

1.3.1 用热压烧结代替普通烧结合成荧光体陶瓷 6

1.3.2 Tb³ 掺杂的YAG透明陶瓷 6

1.3.3 Tb³ /Ce³ 共掺杂的YAG陶瓷 7

1.4 本选题的目的及意义 7

1.4.1 本选题的目的及意义 7

第2章 Tb³ /Ce³ 共掺杂的YAG微晶玻璃的制备及表征 8

2.1 Tb³ /Ce³ 共掺杂的YAG微晶玻璃的制备 8

2.1.1实验用试剂 8

2.1.2气体动力悬浮炉 9

2.1.3实验设备 10

2.1.4母体玻璃样品的名义组成 11

2.1.5 Tb³ /Ce³ 共掺杂的YAG微晶玻璃的制备 11

2.2 样品的测试及表征 13

2.2.1 DSC差式扫描量热法 13

2.2.2 粉末XRD 14

2.2.3显微形貌表征 14

2.2.4光谱测试 15

第3章 样品的结构及性能分析 16

3.1 Y₂O₃/Al₂O₃比例对玻璃的性能的影响 16

3.1.1 Y₂O₃/Al₂O₃比例对析晶性能的影响 16

3.1.2 部分微晶玻璃的DSC测试结果 16

3.1.3 部分微晶玻璃的粉末XRD测试结果 17

3.1.4 显微结构分析 19

3.1.5 样品的发光性质 20

3.2 Tb³ 和Ce³ 单掺杂微晶玻璃样品的发光性质 23

3.2.1 热处理温度对Ce³ 单掺杂样品的发光性质的影响 23

3.2.2 热处理温度对Tb³ 单掺杂样品发光性质的影响 24

3.3 Tb³ /Ce³ 共掺杂的YAG微晶玻璃的发光性质 25

3.3.1 热处理温度对Tb³ /Ce³ 共掺杂样品的发光性质的影响 25

3.4 Tb³ 掺杂浓度对Tb³ /Ce³ 共掺样品发光性质的影响 26

3.4.1 Tb³ 对玻璃样品发光性质的影响 27

3.4.2 Tb³ 掺杂浓度对微晶玻璃样品发光性质的影响 27

第4章 结论 30

参考文献 31

致谢 33

第1章 引言

1.1 闪烁体

闪烁体是一类在受高能粒子碰撞、轰击或者在高能射线照射后，对外界辐射电磁波的材料。在照射过程中，闪烁体能够吸收粒子或者射线能量，使内部的电子转移到更高能量的原子能级或者分子能级以致离子或者分子变为激发态，在原子或者分子从激发态回落至基态的过程中，能量以电磁波的形式对外辐射光子。闪烁体探测器将光射线信号转化为光信号并最终用光电二极管、光电倍增管等光电器件转化为电信号以记录射线信息。不同的闪烁体材料对外界辐射的能量大小不同，辐射电磁波其对应的电磁波的波长以及频率不同。

1.1.1 闪烁体材料概述

闪烁体材料大体可以分为有机闪烁体材料和无机闪烁体材料两大类。现有的无机闪烁体材料多为单晶材料以及多晶材料。但是大尺寸的闪烁材料对原材料和制备工艺的要求够非常苛刻，其高昂的生产成本限制了它们的应用领域。现在稳定合成的NaI（Tl）闪烁体材料虽具有探测效率高等特性，但是这种材料不耐水，限制了它的应用环境。

对于闪烁体的发光性能，有三个关键的发光性能指标：发光效率、探测效率以及探测时关键的荧光衰落时间。发光效率是指闪烁体吸收的粒子数量以及对外辐射的光子数量的比值。探测效率是在指定强度的指定激发源的激发之下，闪烁体对外界辐射其特定能量的强度。荧光衰落时间是指在闪烁体在停止受激发源激发的后对外辐射能量的时间长度，对于应用探测高能粒子以及高能射线的闪烁体而言，荧光衰落时间越短，一定时间内的探测结果才更加容易被定量化呈现^[3]。响应时间也是一项很重要的闪烁体性能指标，但是闪烁体的响应时间一般都很短，故一般都不作考虑。在闪烁体实际工作中，闪烁体应该具有高的射线吸收能力、能够与光电倍增管配合、发光衰减短等特性

1.1.2 Ce3 激活的铝石榴石（YAG）闪烁晶体

石榴石是拥有立方晶系的晶体闪烁。虽属于立方晶系，但是结构复杂化学式为M₃N₅O₁₂，M为一个三价稀土离子或者是一个钇离子，N多为三价铁离子或者三价铝离子。考虑其组成机构，化学式也可以写为M₃N₂N₃O₁₂或者（₃M₂O₃）c（2N₂O₃）a（3N₂O₃）d。如图1.1所示，其中a结构单元和8个氧离子配位，从而形成十二面体，每个a结构单元占据八面体位置，每个d结构单元均处在晶格中的四面体位置。M位和N位的都是三价金属离子，a结构在单个晶胞单元中呈现体心立方格子的堆积方式，c和d结构单元处在立方晶胞的六个面上。每个八分之一晶胞中有20个原子，含有1个分子式单位，故每个晶胞包含8个分子式量的物质。在晶体场作用下，结构中的配位多位体会发生程度不同的挤压、拉伸或者扭转。