富含Gd2O3硼锗酸盐闪烁微晶玻璃的合成及其闪烁机理研究

高密度闪烁玻璃因具备化学组份易调、尺寸与形状（含光纤）可控、光学均匀性好、方法简单及成本低廉等优势而有望取代商用闪烁晶体，应用于高能物理工程与核医学成像等领域。但目前报道的高密度重金属氟化物和氧化物玻璃普遍存在光产额偏低甚至无闪烁光输出从而限制了其实际应用。本项目以富含Gd2O3硼锗酸盐玻璃为基础成份、通过共掺其它玻璃组份及发光中心优化玻璃结构，采用非晶晶化法制备出含GdBO3纳米晶的透明微晶玻璃。利用现代材料分析技术及析晶动力学原理探索富含Gd2O3硼锗酸盐玻璃中析出GdBO3纳米晶的决定性因素并研究其析晶规律，并揭示（微晶）玻璃微结构及其发光（闪烁）性能间的内在关联。结合发光理论分析（微晶）玻璃中稀土离子间的能量传递效率、发光效率与其掺杂浓度的关系，运用J-O理论与晶体场理论分析（微晶）玻璃中局域环境对稀土离子间的相互作用机制，并建立相关物理模型，为推动闪烁玻璃的实际应用奠定科学基础。

以高能物理和核医学探测所需高密度闪烁材料为应用目标，在优化三元系B2O3-GeO2-Gd2O3玻璃组份基础上，通过引入重金属稀土氧化物、重金属非稀土氟化物等尽可能提高氟氧硼锗酸盐闪烁玻璃密度，通过现代分析技术系统研究了闪烁玻璃结构及其光学性能间的构效关系。重点研究了硼锗酸盐基质玻璃、稀土离子Gd3+、Tb3+、Eu3+和Ce3+之间的能量传递效率、发光效率与掺杂稀土离子浓度的关系，借助光碱度理论和Judd-Ofelt理论详细分析了玻璃中Eu3+离子的微环境特征。获得了如下结论：.（1）探索出B2O3-GeO2-Gd2O3三元系玻璃的成玻范围，掌握了合成最高密度为6.75 g/cm3氟氧硼锗酸盐闪烁玻璃的关键性技术，6 mol% Tb2O3掺杂氟氧硼锗酸盐闪烁玻璃的积分强度约为BGO闪烁晶体的27%。.（2）Judd-Oflet理论分析表明，硼锗酸盐玻璃中Eu-O或Tb-O键的共价性随着玻璃中Tb2O3和Eu2O3掺杂浓度的增加而增强。.（3）确定了Tb3+/ Gd3+共掺（Eu3+/Tb3+）共掺氟氧硼锗酸盐闪烁玻璃中Gd3+Tb3+（Tb3+Eu3+）的能量传递主要以电四-电四极作用为主的能量传递类型，而且其能量传递效率均接近100%。.（4）首次探索出空气中合成Ce3+激活硼锗酸盐闪烁玻璃的高效方法，其关键是外掺0.31mol% Si3N4物质起了还原作用。.（5）通过碱土氧化相互替代或BaF2部分替代BaO可有效调控Ce3+激活硼锗酸盐闪烁玻璃的发射峰位及其发光强度。随着BaF2替代量增加，Ce3+激活硼锗酸盐闪烁玻璃的发射峰位显著蓝移，发光强度最多增强约2倍。.（6）对30SiO2-18B2O3-15BaF2-25Lu2O3-10Gd2O3-2Tb2O3氟氧硼硅酸盐玻璃热处理析出了含BaGdF5和BaLu2F8等两种纳米晶的透明微晶玻璃，微晶玻璃XEL发光强度比基质玻璃增强了2.5倍，约为标准闪烁晶体BGO发光强度的74%。还设计合成了53SiO2-10K2CO3-15Al2O3-18KF-4TbF3氟氧硼硅酸盐闪烁玻璃，析出KTb2F7纳米晶进一步降低了基质玻璃声子能，提高了微晶玻璃的发光强度。