CeF3透明闪烁陶瓷的制备及其性能研究

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CeF3具有较高的密度、较强的高能射线截止能力、快衰减、足够的光产额、好的温度稳定性以及强的抗辐照损伤能力,使其非常适合作为高能物理实验装置的探测材料。如,在欧洲核子中心即将升级的高亮度大型强子对撞机装置中,将CeF3列为其探测器材料的热门候选之一。但是,易氧化、易挥发的物理性质使得CeF3晶体的生长工艺复杂、成品率不高,在高能物理实验装置中大体积应用时成本劣势凸显。相比而言,CeF3透明陶瓷在成本控制方面有优势。如果能获得与晶体相当的闪烁性能,CeF3透明陶瓷将在高能物理实验中获得广泛的应用。近年来透明陶瓷制备技术的发展为CeF3透明陶瓷的制备创造了条件。然而,截至目前,国内外仍没有任何关于CeF3透明陶瓷的报道,另外,关于CeF3陶瓷闪烁性能的研究也是空白。  本文采用真空热压烧结的方法,避免了CeF3在烧结过程中的氧化并且抑制了挥发,在950℃、300MPa保温保压2h,制备的CeF3陶瓷致密度达到理论密度的98.96%,在陶瓷的断面中看不到明显的气孔。陶瓷的晶粒尺寸分布均匀,平均晶粒尺寸为42.5μm。厚度0.75mm的陶瓷样品在300nm处的透过率为10%。由于CeF3的六方相结构,双折射效应影响了陶瓷的透过率,因此,进一步提高CeF3陶瓷的透过率需要实现陶瓷的晶粒定向排列。  采用强磁场辅助注浆成型的工艺,通过工艺参数的优化,制备了晶粒定向的CeF3陶瓷。X射线衍射和背散射电子衍射结果证实,CeF3陶瓷的晶粒取向性明显。传统的磁场定向技术需要借助于超导强磁体,工艺成本高;而CeF3在永磁体产生的0.4T磁场下即可实现晶粒定向排列,工艺成本低。经研究发现:CeF3为顺磁性,磁化率量级高;另外,Ce3+的4f电子自旋-轨道相互作用强,可以提高磁各向异性,从而使CeF3在较低磁场下即可实现晶粒定向。  磁场不能实现晶粒的完全取向排列,晶粒定向程度的高低会影响陶瓷的透过率。本文研究了影响晶粒定向程度的因素,包括:磁场强度;热压压力;磁场的均匀性;浆料粘度以及原料粉体的聚集状态。在该研究结果的指导下获得了晶粒高度定向排列的CeF3陶瓷。另外,制备的晶粒定向陶瓷具有均匀的晶粒尺寸分布、以及较高的致密度,为高透明度CeF3陶瓷的制备奠定了基础。  初步研究了CeF3陶瓷的闪烁性能,发现:陶瓷的光致激发和X射线激发荧光谱形状与晶体一致,且强度与晶体接近;CeF3陶瓷的衰减时间常数为8.8、19.3和26.8ns,衰减速度快;X射线辐照后,CeF3陶瓷和单晶都只有一个较弱的热释光峰,说明辐照后缺陷少,这个结果可以间接的证明CeF3陶瓷可能具有与其单晶相当的抗辐照损伤能力。上述闪烁性能证实了CeF3陶瓷具有较强的发光、快衰减、以及可观的抗辐照损伤能力,因此,在高能物理实验中具有潜在的应用。
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