高光输出、快衰减LuYAG:Pr/Ce闪烁陶瓷的能带调控与缺陷控制

As the core materials in scintillation detectors applied in high energy physics and nuclear medicine imaging, scintillators attracted great attentions. Lu3Al5O12 (LuAG) based scintillators (such as LuAG:Ce and LuAG:Pr) became hot spot of recent research on scintillators due to high theoretical light yield and fast decay. An exciting result was found in Y3+ replaced LuAG:Pr scintillators with integrate scintillation performance improving and light yield reaching 33000 ph/MeV. However, no reasonable explanation on this improvement was proposed, which hindered the further improvement of this result and application to other scintillators (such as LuAG:Ce). Our previous research found that the band structure and defect concentration changed in Y3+ replaced LuAG:Pr ceramic scintillators. This brought new idea on how to further design and optimize the LuAG system and apply it to other scintillators in both theory and experiment. .In this work, transparent ceramics fabrication process will be utilized to prepare LuYAG:Ce and LuYAG:Pr scintillating ceramics with high optical quality. Based on “bandgap engineering” and “defect engineering”, we will use thermoluminescence, first principles calculations, synchrotron radiation vacuum ultraviolet spectra, and temperature dependent photoluminescence, to investigate the influence of Lu/Y ratio on band structure, defect, and scintillation performance, and explain the reason for band structure shift by the theoretical study of LuYAG. This project provides theoretical guidance on further improvement in LuAG based ceramic scintillators, and technical reserve for novel high performance multi-component garnet ceramics scintillators fabrication.

闪烁材料作为高能物理和核医学成像闪烁探测器核心材料备受关注。LuAG:Ce和LuAG:Pr闪烁材料具有理论光产额高、衰减快等特点成为当前研究的热点。在LuAG:Pr中采用Y3+取代，可以实现晶体材料综合性能的大幅改善，其光产额可达33000 ph/MeV。但目前对此结果没有完整合理的解释，阻碍材料性能的进一步优化及该手段在其它体系中的应用。申请人前期研究发现：Y3+取代LuAG:Pr材料能带结构和缺陷浓度均改变，这为LuAG设计改性提供理论和实验的新思路。本项目拟利用透明陶瓷的工艺优势，制备出高光学质量的LuYAG:Ce和LuYAG:Pr闪烁陶瓷。根据“能带工程”和“缺陷工程”，采用热释光、理论计算、真空紫外及变温荧光等技术手段，研究Lu/Y比对能带结构、缺陷及闪烁性能的影响，解释Y3+取代改变能带的原因，进而指导材料设计改性，同时为新型高性能多组分石榴石闪烁陶瓷的研制提供理论与技术储备。

闪烁体被广泛地应用于医疗影像、高能物理、国土安全、地质勘查等领域。近年来，医疗影像及高能物理领域迅猛发展，对闪烁体也提出了更苛刻的要求。因此研发高光输出、快衰减、高密度、耐辐照的闪烁陶瓷成为迫切任务。.基于“能带工程”和“缺陷工程”的策略，本研究对Pr/Ce:LuAG闪烁陶瓷进行了组分设计和性能优化，重点对制约其光学与闪烁性能的因素进行研究，旨在实现高光输出、快衰减、高光学质量Pr/Ce:LuAG基闪烁陶瓷的可控制备。取得的重要研究结果包括：.1）以微量MgO为烧结助剂，采用固相反应烧结技术制备了直线透过率>72%的Pr:LuAG陶瓷。Mg2+的加入会使Pr3+在空气退火过程中氧化成Pr4+而引起自吸收，严重恶化Pr:LuAG陶瓷的闪烁性能。微量SiO2添加难以实现陶瓷透明化，但过多添加则会恶化闪烁性能。.2）微量（150ppm）SiO2添加下，采用真空烧结结合HIP后处理技术制备Pr:LuAG闪烁陶瓷，光产额超过13000 ph/MeV（1 μs门宽）。利用Y部分取代Lu，制备了直线透过率超过80%的Pr:LuYAG陶瓷，其光产额提升57%。.3）在不使用助剂的情况下，采用固相反应烧结制备Pr:LuAG闪烁陶瓷。过量的Lu可以有效抑制晶粒长大，促进气孔排出。高浓度Pr掺杂可以抑制闪烁慢分量，有效调控Pr:LuAG陶瓷的时间性能。.4）提高空气退火温度有利于Ce:LuAG陶瓷中氧空位的消除，促进快闪烁中心Ce4+的转化，从而实现闪烁性能提升。合适的铈离子掺杂浓度可以增加发光中心数量，与缺陷能级有效竞争。而过高掺杂浓度(>0.1at%)则会促进铈离子自吸收效应，影响其发光效率。.5）设计并制备了Ce,Mg:(Lu,Y)3Al5O12闪烁陶瓷，通过控制Y3+含量可实现浅能级陷阱效应的削弱，从而抑制或加速闪烁响应中的慢分量，提升光产额至24 500 ph/MeV（1 μs门宽）。.6）Ce:Lu3Ga3Al2O12陶瓷表现出良好的发光效率，快闪烁响应含量较高，但热离化效应造成发光能量损失。Ce:Gd2YGa3Al2O12陶瓷表现出纳秒级快衰减（56 ns）、高光产额（6 μs门宽下为45 000 ph/MeV）。.该项目顺利完成为Pr/Ce:LuAG基闪烁材料的设计与改性提供进一步的理论依据，同时通过优化材料性能，最终为新型高光产额、快衰减闪烁陶瓷研制提供技术储备。