论文部分内容阅读
LuAlO3∶Ce(LuAP∶Ce)以及LuxY1-xAlO3∶Ce(LuYAP∶Ce)是性能优越的新型高温闪烁晶体，有望在第五代PET器件和石油测井等领域中获得应用。但LuAP∶Ce单晶的生长条件要求极为苛刻、极易伴生石榴石相(G相)，而到目前为止G相的成因与LuAP∶Ce相稳定性方面的研究相当滞后，这严重制约了该晶体的研究与开发。此外对于晶体中缺陷的研究也很少。
本文采用提拉法晶体生长技术开展了LuAP∶Ce晶体的生长研究，获得了LuAP∶Ce晶体样品，并对该样品进行了热重-差热分析、高温XRD分析等，结合不同配比LuYAP∶Ce晶体样品的退火实验，重点探讨了LuAP∶Ce晶体的结构稳定性、石榴石相的成因。在前述工作的基础之上进行了LuxY1-xAP∶Ce、LuxLayY1-x-yAP∶Ce晶体的生长研究，获得了尺寸达φ30×90mm3性能良好的LuxY1-xAP∶Ce(x=0.1-0.3)晶体；此外，还对LuxY1-xAP∶Ce晶体的结构、缺陷、自吸收、光输出、发光均匀性、荧光衰减时间及其温度依赖特性等进行了讨论。研究表明，LuAP∶Ce非一致熔融化合物，富镥偏组分生长有助于获得LuAP∶Ce相。LuAP∶Ce的转熔温度为1905℃。LuAP∶Ce在1200℃以上不稳定，容易发生不可逆的吸热相分解反应，生成Lu4Al2O9∶Ce(LuAM)和Lu3Al5O12∶Ce(LuAG)。LuAP∶Ce中Lu3+离子半径相对于理想数值偏小，阴阳离子半径的相对大小决定了LuAG是稳定相而LuAP不稳定，这是LuAP易于发生相分解的内在原因，大半径离子Y3+、La3+的掺杂使晶体的稳定性得以提高。20～1450℃的范围内，LuAP a、b和c三个主轴方向的热膨胀系数分另为13.66×10-6/K、8.86×10-6/K和11.06×10-6/K。高Lu含量LuxY1-xAlO3∶Ce熔体的分层以及P相析晶区域相比较熔体组成n(RE2O3)∶n(Al2O3)=1∶1而言略富Lu，这使得在晶体的上端析晶G相而尾端析晶P相；熔体分层及熔体表层中存在氧空位使得晶体外表析晶G相而内在析晶P相。晶体中存在最为显著的缺陷是开裂、Ir颗粒、气孔、气泡、孪晶等。开裂与晶体的形态有关。“双抽双充”以降低炉腔内的氧气含量、充入高纯的惰性保护气体等能显著减少晶体中的铱金包裹体。适当提高熔体的温度，以降低粘度、增大熔体的纵向温度梯度等是减少气相包裹物的有效办法。低Lu含量LuxY1-xAP∶Ce晶体中a、b轴方向的晶胞参数比较接近，在结构应力与热应力的诱导作用下容易在[110]方向形成挛晶。总体而言，Lu含量的升高改善了LuxY1-xAP∶Ce晶体的闪烁性能：密度增大、光输出增大、衰减时间变短等，但这同时也增强了晶体的放射性本底，使得晶体的热稳定性降低。大半径离子Ce3+易和小半径离子Lu3+富集在一起(容易导致浓度猝灭)，这降低了固溶体晶体LuxY1-xAP∶Ce的均匀性和光输出。Lu0.1Y0.9AP∶Ce晶体中对发光无贡献的255nm附近处的伴生吸收降低了能量转换效率，吸收谱和发射谱在320-370nm之间的交叠导致了晶体的自吸收，降低了晶体的光输山并导致晶体的光输山随晶体厚度的增加而降低。Lu0.1Y09AP∶Ce晶体荧光衰减时间的温度稳定性好，在80-373K的温度范围之内基本恒定为16ns。