透明介质中原位析出CdS量子点及其闪烁性能的研究

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闪烁体是一种能够将X射线或者其他高能带电粒子(如α粒子、β粒子)转化为紫外或可见光的光-光功能转换材料。目前,闪烁体在基础应用研究和辐射探测领域发挥着至关重要的作用,被广泛应用于高能物理、工业无损检测、材料研究以及医学成像等领域。传统的无机单晶(如Gd2SiO5:Ce3+、Cs I(Tl)、Bi4Ge3O12(BGO))因其结构的稳定性和优异的光学闪烁性能从而成为商用的闪烁体材料。然而,单晶的制备工艺复杂、生长周期耗时、成本造价高、暴露在水或者高湿环境中易发生变质,这些缺点限制了单晶闪烁体的进一步发展和使用。微晶玻璃闪烁体由于制备简单、成本造价低、透明度高以及物理化学稳定性好等优点被引起了广泛的关注。所以,本论文的工作主要是通过在高稳定的透明玻璃介质中原位生长出CdS量子点微晶,并研究CdS量子点微晶玻璃的闪烁性能,最后探索在X射线成像领域的应用。主要的研究内容如下:(1)探索了CdS量子点微晶在高能电子束的诱导下,从无定形的玻璃基质中原位析出的过程。本实验采用高温熔融以及后期热处理的方法,成功地制备了包含SiO2-B2O3-Zn O-Na2O-K2O-CdS前驱体的玻璃,并用高能电子束代替了后期的热处理工艺,观察到随着辐照时间的延长,见证了玻璃内部的量子点微晶从无定形的团簇体到晶核形成以及再长大的过程。这一电子束诱导量子点微晶生长的现象主要是由于辐射部位的温度升高给予了形核结晶所需的能量,此外微晶的尺寸还与辐照时间紧密相关。(2)探索了CdS量子点微晶玻璃的闪烁性能。首先通过热处理的工艺,制备了不同退火温度的样品,并利用一系列测试手段探究了样品的结构和光学性能。随着退火温度的升高,CdS量子点微晶玻璃的荧光强度呈现先升高后降低的趋势,且在600℃时达到最强,它们的荧光寿命呈与荧光强度相似的变化规律。并选取发光性能优化到最佳的样品研究它的物理化学稳定性和闪烁性能,结果表明其具有极高的水和热稳定性,在水中浸泡30天后和加热冷却3个循环后,发射强度仍可以分别保持为最初值的92%和95%以上,在X射线下有着良好的闪烁发光性能,并且在高湿度、低剂量(1 mGy/s)和长达3600 s的X射线辐射下,X射线发光强度依旧能够保持初始值的96%以上。最后,拿芯片和圆珠笔尖作为成像物体,使用搭建的X射线成像系统,用数码相机拍出了两个物体的内部微观结构图像,且分辨率高达10 lp/mm。(3)探索了CdS量子点微晶玻璃闪烁体长时间在高剂量(8 mGy/s)X射线辐照下可恢复的性能。通过测试原始和损坏样品的XRD图谱、光致发光光谱、X射线发光光谱等一系列的数据表征,证明在长时间、高剂量的X射线照射下,通过低温退火这种简单的方法可以使CdS量子点微晶玻璃的光学和闪烁性能恢复到初始值的97%以上。研究结果表明CdS量子点微晶玻璃是一种很有应用前景的闪烁体材料,可应用于X射线成像以及工业探伤领域。
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