非晶硅酸镥闪烁材料晶化行为的原位EXFAS研究及发光性能调控

Local environments and sites characteristics of cerium ions in Ce:LSO scintillation materials are the key factors to influence its luminescent properties, which is of great importance to optimize the scintillation properties of Ce:LSO. In this project, it is proposed to fabricate the amorphous Ce:LSO scintillation material by laser assisted containerless processing, the crystallization evolution bahaviour of amorphous Ce:LSO will be investigated systematically on BL14W1 beamline of Shanghai Synchrotron Radiation Facility (SSRF) instantaneously. The crucial structural parameters of Lu ions and Ce ions in thermal treatment such as neighbour atoms, relevant chemical bonding length and coordination number will be characterized and analyzed by EXAFS in real time, the physical mechanism of transition of amorphous Ce:LSO to crystalline state will be elucidated. Combined to the determination of luminescent properties, the luminescence mechanism and decay behaviour of doping Ce ions in different crystalline states and coordination surroundings will be revealed. The new method to optimize the luminescent properties of Ce ions in LSO lattice will be studied, which will bring the fundamental results and novel approach to composition and structure design and tailoring of optical performance of Ce:LSO scintillators.

铈离子掺杂硅酸镥(LSO:Ce)闪烁材料中发光铈离子的局域环境和占位特征是影响其发光性能的关键因素，对于优化该材料的闪烁性能具有十分重要的科学意义。本项目采用无容器激光辅助凝固方法制备非晶LSO:Ce闪烁材料，依托上海光源BL14W1线站，通过原位实时EXAFS手段研究非晶态LSO闪烁体在热处理过程中的晶化行为,原位表征和解析非晶LSO晶化过程中镥离子和铈离子周围的近邻配位原子种类、化学键键长、配位数等关键结构参数，阐明LSO闪烁体晶体结构形成物理机制。通过系统表征和比较不同晶化状态下LSO:Ce闪烁材料的发光行为，揭示Ce发光离子在不同结晶状态和配位环境下的发光机理和衰减特征，结合模拟计算研究在不同结晶状态的LSO基质中调控Ce发光性能的方法。研究结果将为高性能硅酸镥闪烁材料的组分结构设计提供新的思路，也为这一材料体系发光性能优化提供理论基础和科学依据。

本项目围绕Ce:LSO这一具有综合优良性能的闪烁材料，开展以下三个方面的研究工作。首先，以溶胶-凝胶法制备了不同Lu/Si化学计量比的Lu2O3-SiO2纳米粉体，阐明了Ce:LSO非晶前驱体的晶化行为，发现随着煅烧温度的升高，产物在1000℃生成低温LSO相，在1200℃转变为高温LSO相，后者的发光强度为前者的18倍，但衰减时间略长。研究了掺杂Gd3+在LSO晶格中的占位行为以及对于LSO前驱体晶化行为的影响，5mol%Gd3+的掺杂可显著提高B-LSO相的发光强度并降低其衰减常数。采用激光加热无容器悬浮凝固技术制备了不同Lu/Si配比的非晶镥硅复合氧化物闪烁玻璃，研究了LSO:Ce闪烁玻璃在不同退火温度下的晶化行为，在420 nm处LSO闪烁玻璃、A-LSO闪烁陶瓷和B-LSO相闪烁陶瓷的光学直线透过率分别为43.4%、5.3%和3.3%，同时其发光强度显著提高。第三，与上海光源合作设计研制了一套可用于EXAFS和XRD线站的加热退火炉，非晶LSO闪烁体晶化行为的原位EXAFS表征得到的径向结构图谱显示：Lu-O键的平均键长由非晶状态下的2.05 Å，提高到A-LSO相的2.09 Å，随着温度升高到1200℃时又下降到B-LSO相的2.02 Å。本项目的研究结果将为高性能Ce:LSO闪烁材料的组分优化和结构设计提供新的思路, 也为这一材料体系发光性能优化提供理论基础和科学依据。