稀土离子掺杂氟氧化物玻璃的制备技术和发光性能研究

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与单晶和陶瓷闪烁体相比,闪烁玻璃具有制备工艺简单、化学组成可调、易制成大尺寸制品以及成本低等优点,这使其成为一种具有吸引力的探测材料。然而,过去已开发出的闪烁玻璃在密度、光输出、光产额、耐辐照性能等方面并不十分令人满意。本文系统介绍了稀土离子的发光和玻璃基质对发光离子的影响,综述了闪烁玻璃的研究进展。在此基础上,选取低毒、低成本的BaF2作氟源,采用传统熔融法制备了新型单掺Ce3+、Tb3+离子和Ce3+、Tb3+离子共掺Li-Ba-Al-Si、Li-Ba-Gd-A J-Si氟氧化物玻璃;应用X射线衍射、红外光谱、差示扫描量热(DSC)、透射光谱、荧光光谱以及荧光衰减光谱等检测和分析手段研究了玻璃组成-结构-发光性能三者间的变化规律,取得了一些重要研究成果,为开发新型闪烁玻璃提供了新思路、新选择。研究了单掺Ce3+、Tb3+离子和Ce3+、Tb3+离子共掺Li-Ba-Al-Si、Li-Ba-Gd-Al-Si氟氧化物发光玻璃体系的结构、热稳定性和透光性能。结果表明,这些氟氧化物发光玻璃的网络主要由[SiO4]和[A104]以顶角相连的方式构成,可能有部分F-离子进入玻璃网络内部;玻璃特征温度计算(TN、-Tg)值均大于100,具有较好的热力学稳定性;玻璃在可见光区具有较高的透光率,而紫外吸收边较短,有利于发射光的透过;Li-Ba-Al-Si、Li-Ba-Gd-Al-Si氟氧化物玻璃中可掺入一定量Ce3+或Tb3+或Ce3+/Tb3+离子,是性能较好的闪烁玻璃基质材料体系。研究了单掺Tb3+、Ce3+离子Li-Ba-Al-Si氟氧化物玻璃的荧光性能。发现单掺Tb3+离子Li-Ba-Al-Si氟氧化物玻璃主要发射蓝绿色荧光,其衰减时间为毫秒级;随着Tb3+离子掺杂量的增加,5D3→7FJ跃迁几率降低而5D4→7Fj跃迁几率升高,由于Tb3+-Tb3+离子中电子间能量的共振转移,导致蓝绿色荧光发光强度增强。而单掺Ce3+离子Li-Ba-Al-Si氟氧化物玻璃则发出很强的蓝紫光,其衰减时间为纳秒级,发光强度随Ce3+离子掺杂量增加先增大后降低。研究了Ce3+、Tb3+离子共掺Li-Ba-Al-Si氟氧化物玻璃的荧光性能。璃主要发射Tb3+离子的蓝绿光;Ce3+、Tb3+离子间发生Ce3+→Tb3+能量转移,Ce3+离子能够敏化Tb3+离子的发光,使得Tb3+离子的发光强度高于相同浓度Tb3+离子单掺Li-Ba-Al-Si玻璃中Tb3+离子的发光强度,而荧光衰减时间比单掺Tb3+离子Li-Ba-Al-Si玻璃的大。研究了Li-Ba-Gd-Al-Si氟氧化物玻璃的荧光性能。Gd3+离子主要发射314nm紫外光,其发射强度随着Gd2O3含量增加而降低。在Li-Ba-Gd-Al-Si氟氧化物玻璃中掺入Ce3+离子后,玻璃主要发射Ce3+离子的蓝紫光;Gd3+、Ce3+离子之间能发生Gd3+→Ce3+能量转移,Ce3+离子发光强度低于相同掺杂浓度的Ce3+离子单掺Li-Ba-Al-Si玻璃的发光强度,且随着Gd2O3含量增加先增大后减小研究了单掺Tb3+离子Li-Ba-Gd-Al-Si氟氧化物玻璃的荧光性能。玻璃主要发射Tb3+离子的蓝绿光;Tb3+离子发光强度随着Gd203含量增加而增强,Gd3+离子发光则随之减弱;Gd3+、Tb3+离子之间能发生Gd3+→Tb3+能量转移,Gd3+离子敏化Tb3+离子的发光,使得Tb3+离子发光强度高于相同掺杂浓度的Tb3+离子单掺Li-Ba-Al-Si玻璃的发光强度。研究了Ce3+、Tb3+离子共掺Li-Ba-Gd-Al-Si氟氧化物玻璃的荧光性能。玻璃以Ce3+、Tb3+离子发光为主,Tb3+离子发光较强;Gd3+、Ce3+、Tb3+离子之间存在Gd3+→Ce3+、Gd3+→Tb3+、Gd3+→Ce3+→Tb3+、Ce3+→Tb3+有效能量传递;Tb3+离子的发光强度随Gd2O3含量增加而降低,但高于相同浓度Tb3+离子单掺Li-Ba-Gd-Al-Si氟氧化物玻璃的发光强度。
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