- 武蕊;范东海;康阳;万鑫;郭晨;魏登科;陈冬雷;王涛;查钢强;
自从1895年伦琴发现X射线以来,辐射探测技术快速发展,被广泛应用于医疗影像、安检安防、工业无损检测、核安全监测、资源勘探、基础科学和空间科学等诸多领域。从探测材料和工作原理划分,辐射探测器主要可分为气体探测器、闪烁体探测器和半导体探测器。本文从各类射线与半导体材料的相互作用以及半导体探测器工作原理和信号处理过程入手,探讨了不同辐射类型、不同应用需求对半导体辐射探测器的性能要求以及探测器设计要点,并按照元素族序的顺序对半导体材料在辐射探测领域的性能表现和研究进展进行了综述。
2021年10期 v.50;No.276 1813-1829页 [查看摘要][在线阅读][下载 3942K] - 覃皓明;申南南;何亦辉;
钙钛矿材料在太阳能电池和光电探测等领域的快速发展,带动了其在核辐射探测领域的应用研究。钙钛矿晶体结构拥有多样化的结构容忍性,如何设计组分并挖掘材料的相关特性具有很大的科学挑战。其次,针对新型钙钛矿材料特性,需要根据应用场景来优化半导体器件设计,才能最大限度地发挥其辐射探测性能。鉴于此,本文从熔体法晶体生长及半导体器件设计等角度,探讨了不同维度钙钛矿结构的材料特性及辐射探测器件性能,以期为该材料在核辐射探测领域的发展提供参考。
2021年10期 v.50;No.276 1830-1843页 [查看摘要][在线阅读][下载 6270K] - 朱梦淇;温航;王彪;王庆波;李静;王继扬;
闪烁晶体材料一般可用于X射线、γ射线、中子及其他高能粒子的探测。经过100多年的发展,以闪烁晶体为核心的探测和成像技术已经在核医学、高能物理、安全检查、工业无损探伤、空间物理及核探矿等方面得到了广泛的应用。随着人们对闪烁晶体材料进一步深入的研究和科技的发展,现今市面上较好的LaBr_3∶Ce等卤化物闪烁晶体由于生产成本过高、各向异性及脆性等缺点逐渐不能满足发展的需要,而钙钛矿型闪烁晶体材料由于其容易被改善的潮解性、低的生产成本、易于调整的生长条件以及良好的闪烁性能,逐步进入人们的视野。本文从晶体结构、性能、生长方法、发展趋势和应用前景等方面,着重介绍了ABX_3(A~+为Cs~+,B~(2+)为部分碱土金属离子,X~-为非氟卤族元素离子)钙钛矿型闪烁晶体材料和K基钙钛矿结构闪烁晶体材料。最终,通过掺杂部分稀土元素和改善生长工艺等方法,即可得到光输出高、能量分辨率好,且成本较低、可广泛应用于市场的钙钛矿型闪烁晶体。
2021年10期 v.50;No.276 1844-1857页 [查看摘要][在线阅读][下载 4799K] - 顾鹏;王鹏刚;官伟明;郑丽;周燕;
铈掺杂硅酸钇镥(LYSO∶Ce)晶体显示出优异的闪烁性能,并在核医学、高能物理及安全检查等领域具有广泛应用。本文综述了LYSO∶Ce闪烁晶体的晶体结构、发光机制、晶体生长存在的主要问题以及LYSO∶Ce晶体可能的发展方向。同时,梳理了LYSO∶Ce晶体生长过程中常见问题及对应的解决方案,并进一步讨论了Ce~(3+)占位情况以及Ce~(4+)与闪烁性能之间的关系。此外还展示了本团队在LYSO∶Ce晶体生长的最新研究成果,使用中频感应提拉炉生长出尺寸为?95.42 mm×200 mm的LYSO∶Ce闪烁晶体。
2021年10期 v.50;No.276 1858-1869页 [查看摘要][在线阅读][下载 3177K] - 马云峰;徐家跃;蒋毅坚;BOURRET-COURCHESNEEdith;
钽酸镁(Mg_4Ta_2O_9)晶体的衰减时间快于CdWO_4晶体,光产额及能量分辨率高于CdWO_4晶体,低余辉特性和CdWO_4类似,在0.01%/3 ms左右,又由于Mg_4Ta_2O_9晶体材料无毒性元素,使其成为具有替代含有毒Cd元素的CdWO_4晶体,应用于集装箱安检领域的最佳候选材料之一。本文综述了Mg_4Ta_2O_9晶体的结构特性、晶体生长、闪烁性能及掺杂改性等方面的研究进展,发现通过掺杂Zn或Nb能显著提高其光产额。
2021年10期 v.50;No.276 1870-1878页 [查看摘要][在线阅读][下载 3470K]
- 于晖;张蒙蒙;杜园园;席守智;查钢强;介万奇;
CdZnTe(CZT)探测器目前在国内外天体物理研究中占有重要的地位。本文采用蒙特卡洛软件GEANT4模拟了CZT伽马射线探测器对伽马射线的能谱响应,研究了电子和空穴的输运特性、外加偏压、探测器厚度等因素对平面型探测器的能谱特性的影响规律。结果表明,在电子收集效率较高时,能量分辨率明显受迁移率寿命积比值((μτ)_e/(μτ)_h)的影响,比值越小,能量分辨率越好。增加工作电压可以提高载流子的收集效率和探测器的能量分辨率。在电子收集效率较高时,增大厚度可以弱化空穴信号贡献,提高能量分辨率。漂移程与晶体厚度之比(μτ)_eE/d可以用来估算平面型CZT探测器对低能射线的收集效率,并计算出其对应关系。
2021年10期 v.50;No.276 1883-1891页 [查看摘要][在线阅读][下载 4318K] - 杜园园;姜维春;陈晓;雒涛;
碲锰镉(CdMnTe)作为性能优异的室温核辐射探测器材料,可用于环境监测和工业无损检测领域。本文中采用Te溶剂Bridgman法生长In掺杂Cd_(0.9)Mn_(0.1)Te晶体,制备成10 mm×10 mm×2 mm大小的室温单平面探测器,研究了该探测器对~(241)Am@59.5 keVγ射线源的能谱响应。通过表征红外透过率、电阻率以及探测器能谱响应等参数,综合评定了探测器用CdMnTe晶体的质量、电学和探测器性能。结果表明,晶片的红外透过率均在55%以上,最好可达到60%。采用湿法钝化,100 V偏压下的漏电流由钝化前的9.48 nA降为钝化后的7.90 nA,钝化后的电阻率为2.832×10~(10)Ω·cm。在-400 V反向偏压下,CdMnTe探测器对~(241)Am@59.5 keVγ射线源的能量分辨率在钝化前后分别为13.53%和12.51%,钝化后的电子迁移率寿命积为1.049×10~(-3) cm~2/V。研究了探测器的能量分辨率随电压的变化特性,当偏压≤400 V时,探测器的能量分辨率主要由载流子的收集效率决定,而当偏压>400 V时,能量分辨率由漏电流决定。本文研究结果表明,Te溶剂Bridgman法生长的CdMnTe晶体质量较好,电阻率和电子迁移率寿命积满足探测器制备需求。
2021年10期 v.50;No.276 1892-1899页 [查看摘要][在线阅读][下载 2684K] - 张欣雷;王涛;查钢强;
X射线探测在医疗、工业无损检测、国土安全等领域具有重要意义。制备高灵敏度的X射线探测器可以降低X射线剂量,在医疗和安检中至关重要。本文系统研究了采用空间限域法制备的高质量CsPbBr_3单晶薄膜,并用该薄膜制备出了性能良好的X射线探测器。借助偏光显微镜、扫描电子显微镜及其配备的能谱系统和背散射电子衍射系统对薄膜的形貌、厚度、成分和取向进行了分析。研究发现所制备的单晶薄膜表面平整、光滑,元素分布均匀,晶体取向均一。利用该薄膜制备的探测器具有较高电阻率(约7.23×10~8 W·cm)和极高的灵敏度(约2 610μC·Gy~(-1)·cm~(-2))。
2021年10期 v.50;No.276 1900-1906页 [查看摘要][在线阅读][下载 4266K] - 孙啟皓;郝莹莹;张鑫;肖宝;介万奇;徐亚东;
采用布里奇曼法成功制备出大尺寸(?15 mm×50 mm)、高质量的全无机金属卤化物类钙钛矿Cs_3Bi_2I_9单晶。室温下,该晶体属于六方晶系,空间群为P6_3/mmc,密度为5.07 g/cm~3,晶胞参数为a=b=0.840 nm,c=2.107 nm,熔点为632℃。采用粉末X射线衍射谱、紫外-可见-近红外漫反射光谱、I-V测试等表征该晶体的性质。制备Au/Cs_3Bi_2I_9/Au三明治型器件结构,采用飞行时间技术测试Cs_3Bi_2I_9晶体的载流子迁移率,得到Cs_3Bi_2I_9晶体的电子迁移率为4.33 cm~2·V~(-1)·s~(-1)。根据Hecht单载流子方程拟合得到Cs_3Bi_2I_9晶体的载流子迁移率寿命积(μτ)为8.21×10~(-5) cm~2·V~(-1),并且在500 V偏压下对α粒子的能量分辨率达到39%。
2021年10期 v.50;No.276 1907-1912页 [查看摘要][在线阅读][下载 1865K] - 宫政;汪西;王卿;陆枳岑;潘尚可;潘建国;
CsPbBr_3兼具高探测效率和较好的稳定性,是当前高性能高能辐射探测器的热门材料。在使用坩埚下降法制备CsPbBr_3单晶的配料阶段,如果无法有效隔绝原料与氧气的接触,氧气会吸附于原料表面难以排出,在原料熔化后会聚集在密封坩埚的上方,导致所得到的单晶颜色沿生长方向逐渐变深,这一颜色变化不会改变CsPbBr_3的禁带宽度。通过对单晶上端切片进行电学性能测试发现,从单晶的中心到外侧,CsPbBr_3单晶的电阻率逐渐下降,陷阱密度和载流子迁移率逐渐增大,但对X射线的响应度基本不变。本文为研究高质量CsPbBr_3单晶的生长提供帮助。
2021年10期 v.50;No.276 1913-1918页 [查看摘要][在线阅读][下载 2484K] - 王谦;王京康;成双良;任国浩;朱兴文;吴云涛;
金属卤化物低维钙钛矿具有高效的发光性能,并且作为闪烁体在辐射探测领域表现出极大的潜力。本文采用布里奇曼坩埚下降法生长出全无机零维钙钛矿结构Cs_3Cu_2Br_5单晶。研究了Cs_3Cu_2Br_5的光学吸收、光致激发和发射,时间分辨光致发光和以及X射线探测性能。Cs_3Cu_2Br_5晶体结构为正交晶系,空间群为Pnma。在X射线激发下,Cs_3Cu_2Br_5晶体具有峰值约为467 nm的宽带发射,该发射来自自陷激子发射。Cs_3Cu_2Br_5的稳态光产额约为4 000 ph./MeV,且X射线余辉性能表现与BGO晶体相当。
2021年10期 v.50;No.276 1919-1924页 [查看摘要][在线阅读][下载 2752K] - 王绍涵;吴云涛;李焕英;史坚;任国浩;
Cs_2LiYCl_6∶Ce(CLYC∶Ce)是一种具有良好能量分辨率、高光输出,以及优秀的中子/伽马分辨能力的新型闪烁晶体,但因其组分复杂,晶体生长很困难。本文使用坩埚下降法分别生长了LiCl占57%、60%和63%(摩尔分数)及CsCl与YCl_3比例为1.9∶1和2.1∶1共5种不同组分配比的CLYC晶体,发现LiCl占比为60%的组分得到的CLYC相体积占比最大,而改变CsCl与YCl_3的比例对晶体生长没有明显的积极作用。5 mm×5 mm×5 mm和?25 mm×10 mm样品在~(137)Cs激发下的能量分辨率分别为4.8%和5.6%。CLYC晶体在662 keV伽马射线激发下的闪烁衰减时间为17 ns、436 ns和3 603 ns。
2021年10期 v.50;No.276 1925-1932页 [查看摘要][在线阅读][下载 2496K] - 侯越云;桂强;张春生;杨蕾;袁辉平;刘珊;任国浩;张明荣;
Cs_2LiYCl_6∶Ce(CLYC)晶体是一种具有n/γ双探测能力的新型闪烁晶体。采用坩埚垂直下降法生长出富~6Li的CLYC晶体毛坯,经加工、封装得到?50 mm×50 mm的CLYC闪烁晶体封装件,其对~(137)Cs 662 keVγ射线的能量分辨率为4.22%;测量~(252)Cf中子源的脉冲波形甄别(PSD)品质因子(FOM)为3.45。凭借其优异的性能,CLYC闪烁晶体有望在中子探测领域替代~3He正比计数管,并可作为n/γ双探测的优选材料,应用于中子辐射探测器、放射性同位素识别仪、个人辐射剂量仪,以及其他中子、伽马射线的探测。
2021年10期 v.50;No.276 1933-1939页 [查看摘要][在线阅读][下载 2918K] - 王强;丁雨憧;屈菁菁;张泽涛;王璐;董鸿林;方承丽;
研究了不同反射层封装方式和与Si-PM不同耦合方式对Ce∶GAGG和CsI(Tl)闪烁晶体光输出和能量分辨率的影响,比较了Ce∶GAGG和CsI(Tl)闪烁晶体的透过率和衰减时间。实验结果表明:通过优化闪烁晶体的反射层材料和耦合方式,能大幅度提高Ce∶GAGG和CsI(Tl)闪烁晶体的光收集效率;Ce∶GAGG闪烁晶体的光输出、能量分辨率、透过率、衰减时间指标均优于CsI(Tl)闪烁晶体。Ce∶GAGG闪烁晶体使用TiO_2反射层材料封装和硅脂耦合,测试得到~(137)Cs放射源在662 keV最佳能量分辨率为4.89%。
2021年10期 v.50;No.276 1940-1945页 [查看摘要][在线阅读][下载 3101K] - 王佳;岑伟;丁雨憧;王强;张泽涛;
为了满足具有飞行时间技术特点的正电子发射断层扫描仪(TOF-PET)对光输出高、衰减时间短以及上升时间快的Ce∶LYSO闪烁晶体的需要,本文采用中频感应提拉法生长?100 mm×100 mm级Ca∶Ce∶LYSO闪烁晶体。晶体整体无色透明、无包裹体。经过紫外可见分光光度计测试,晶体透过率接近理论值,质量较好。将晶体切割研磨抛光后,分别进行脉冲高度谱、衰减时间能谱等测试。在~(137)Cs放射源激发下,Ca∶Ce∶LYSO晶体的光输出达到33 962 ph/MeV,能量分辨率为8.6%,衰减时间达到36.70 ns,均优于Ce∶LYSO晶体。通过对晶体轴向及尾部径向取样,相对光输出和能量分辨率不均匀性分别为±2.4%、±9.4%及±1.18%、±6.8%,证明晶体具有较好的均匀性。
2021年10期 v.50;No.276 1946-1950页 [查看摘要][在线阅读][下载 1796K] - 黄诗敏;万欢欢;杨帆;冯鹤;
通过光学浮区法制备了铈掺杂焦硅酸钇钆(Gd_(0.99-x)Y_xCe_(0.01))_2Si_2O_7(x=0.1, 0.2, 0.3, 0.4, 0.5, 0.6, 0.7)(简写为GYPS∶Ce)闪烁晶体,并用X射线衍射(XRD)进行了物相识别,发现其属于正交晶系Pna21。通过真空紫外(VUV)激发和发射光谱、光致发光(PL)衰减曲线、X射线激发发射(XEL)光谱、γ射线脉冲高度谱等表征了它们的光致发光特性和闪烁特性。VUV和XEL光谱的发射峰均位于360 nm左右,对应于5d→4f跃迁。样品的PL衰减时间在29.1～32.9 ns之间;闪烁衰减时间快分量约为28～68 ns,慢分量约为256～583 ns。晶体存在Gd~(3+)→Ce~(3+)的能量传递行为。
2021年10期 v.50;No.276 1951-1956页 [查看摘要][在线阅读][下载 3107K] - 田瑞丰;张璐;潘明艳;齐红基;
利用提拉法生长了Si~(4+)共掺杂Yb∶YAG单晶,该晶体属于立方晶系,O_h~(10)-Ia3d空间群。掺杂的Si~(4+)没有改变YAG的晶体结构,但是影响了发光离子的价态。吸收光谱表明Si~(4+)的引入使得Yb~(2+)含量增多,这是由于Si~(4+)引入了过量的电荷,为满足电价平衡,Yb~(3+)转换为Yb~(2+)。Yb~(2+)的出现降低了Yb∶YAG的发光强度。稳态X射线激发发射光谱结果表明Si~(4+)共掺杂Yb∶YAG晶体的发光强度是Yb∶YAG的63%,γ射线激发下的光产额降至原来的40%。此外,由于原料中含有多种Yb的同位素,Yb∶YAG除了可以被X射线、γ射线激发出荧光外,还可以与中子发生核反应产生带电粒子,进而引起次级反应产生荧光。荧光的产生仍然由Yb~(3+)决定,因此,Si~(4+)掺入也降低了中子探测灵敏度。
2021年10期 v.50;No.276 1957-1962页 [查看摘要][在线阅读][下载 1706K] - 邹征刚;刘振;龚国亮;孙益坚;温和瑞;钟玖平;
稀土共晶闪烁体是通过定向凝固晶体生长技术,将具有不同折射率的两相制备成具有射线探测功能的共晶材料,其中含有激活离子的闪烁体相的折射率高于基质相。在高能射线辐照下,闪烁体相将入射高能射线转换成荧光,然后,荧光在闪烁体相和基底相的界面以全反射的形式实现定向输出,从而有效提高辐射探测成像的空间分辨率。本工作采用微下降法成功生长得到?3 mm×117.0 mm的1.0%(原子数分数)Ce∶GdLu_2Al_5O_(12)/Al_2O_3闪烁共晶样品。通过切割抛光加工得到?3 mm×2.0 mm的共晶薄片,并将该共晶薄片进行微观结构、能谱分析和荧光性能等表征和测试,结果表明所得到的共晶样品由Ce∶GdLuAG和Al_2O_3两晶相构成,微观结构呈现出"中国结"结构,并在生长方向呈现出一定的有序排列。荧光光谱测试表明该共晶材料存在Gd~(3+)-Ce~(3+)间的能量传递,具有典型的Ce~(3+)辐射跃迁,其中双宽峰发射峰最强位于560 nm。此外,根据生长速率对共晶样品发射峰强、峰位以及荧光寿命影响,优化出最佳下拉生长速率为4.0 mm/min。
2021年10期 v.50;No.276 1963-1970页 [查看摘要][在线阅读][下载 9200K] - 刘芳;刘振;钟幸原;钟玖平;
两相有序共晶材料由于具有不同折射率的两晶相呈现有序排列,可降低荧光在共晶材料内部的散射而实现导光功能,可被应用于高分辨探测成像器件中。本工作根据定向凝固原理,用微下降法生长技术制备得到了直径为3 mm的GdAlO_3∶Tb~(3+)-Al_2O_3两相有序共晶。通过SEM和元素分析,探究了GdAlO_3∶Tb~(3+)-Al_2O_3共晶内部的微结构,结果显示,所得共晶中GdAlO_3∶Tb~(3+)晶相均匀有序地分布于基质Al_2O_3晶相中,GdAlO_3∶Tb~(3+)晶相直径的大小受生长速率的影响,速率越快,直径越小。所制备得到的GdAlO_3∶Tb~(3+)-Al_2O_3有序共晶在X射线辐照下发射出明亮的绿色荧光,并在GdAlO_3∶Tb~(3+)晶相中定向传播,有望被用作X射线探测成像材料,提高探测器的空间分辨率。
2021年10期 v.50;No.276 1971-1978页 [查看摘要][在线阅读][下载 5108K] - 许文斌;王海丽;李辉;周振翔;石爽爽;陈建荣;马捷;
对三联苯是一种常见的有机闪烁剂,通常用作闪烁计数器的发光材料。对三联苯闪烁晶体具有对中子探测效率高以及不易潮解等特性,这使其在实际应用中具有广阔的前景。本文采用坩埚下降法,使用单层安瓿成功生长出?12 mm×30 mm对三联苯晶体。在生长开始前通过差热分析,确定晶体的生长温度。生长完成后测试了晶体粉末的X射线衍射谱、摇摆曲线、红外光谱、荧光光谱和拉曼光谱。X射线衍射结果表明,生长的晶体为纯对三联苯相。从摇摆曲线结果可以看出,生长晶体质量良好。红外和拉曼分析结果显示,峰位并没有出现明显的偏移,表明晶体中杂质含量较少并未引起晶体分子化学结构的变化。荧光光谱没有杂质峰的出现也说明对三联苯晶体存在较少杂质或晶格缺陷。
2021年10期 v.50;No.276 1979-1983页 [查看摘要][在线阅读][下载 1190K] - 孙志刚;王梦瑶;吕滨;陈红兵;
通过简单的化学沉淀法制备了纳米前驱体,结合真空烧结工艺,制备了一系列镥稳定钆铝石榴石{(Gd, Lu)_3Al_5O_(12)∶Tb, Eu}透明陶瓷。将透明陶瓷加工成1 mm厚的圆片,对透明陶瓷样品进行了X射线衍射、光致发光、透过率和衰减时间等表征。高温烧结过后,陶瓷样品仍保持稳定的石榴石相。选定313 nm作为透明陶瓷的激发波长,可获得最强的荧光发射。此外,通过对不同样品进行紫外可见荧光测试,获得了由绿光到红光的可调节发射。在313 nm激发,543 nm和591 nm的监测波长下,透明陶瓷样品均具有Eu~(3+)的毫秒级衰减时间。
2021年10期 v.50;No.276 1984-1990页 [查看摘要][在线阅读][下载 2836K]