熱中子探測用稀土離子摻雜鋰硅酸鹽玻璃的制備與熒光性質研究.pdf

1、三價稀土離子(Ce3+、Tb3+、Pr3+)摻雜的硅酸鹽、硼酸鹽、磷酸鹽等玻璃閃爍材料具有成分易于調整、可澆注成各種形狀、易于實現大批量、大尺寸生產及可拉制成纖維的特點，被廣泛應用于核物理、高能物理及工業(yè)探測等領域。作為一類重要的核輻射探測材料，其在熱中子、γ射線、X射線等高能射線（或粒子）探測中的應用越來越受到世界各國核物理學家和材料學家的重視。
　　本論文以應用于γ射線、熱中子探測的稀土離子(rare-earth，RE)摻雜的

2、含6Li玻璃閃爍材料作為研究對象，較為系統(tǒng)地研究了玻璃材料的微觀結構與光學性質（紫外-可見透過與吸收、光學帶隙、折射率、紫外激發(fā)與發(fā)射、X射線與陰極射線激發(fā)下的熒光發(fā)射效率）隨玻璃基質氧化物組成(Li2O、SiO2、Al2O3、MgO、Y2O3、Sb2O3、B2O3、P2O5、CeF3)以及稀土離子(Ce3+、Tb3+、Pr3+)摻雜濃度的變化規(guī)律。采用XRD、XPS、XAFS、FT-IR、ICP-MS、OM、SEM、TEM等表征了玻璃

3、材料的物相、成分與顯微組織，采用紫外-可見分光、熒光分光、陰極射線激發(fā)發(fā)光與X射線激發(fā)發(fā)光等技術檢測了玻璃材料的紫外-可見透過率、折射率、激發(fā)光譜與發(fā)射光譜等光學性質。在不斷優(yōu)化玻璃材料的制備方法與熒光發(fā)射效率的基礎上，將同位素豐度為90.5％的6Li核素引入至Ce3+離子摻雜的硅酸鹽玻璃基質內，采用熔融淬冷法制備得到尺寸為φ40mm×10mm的含6Li玻璃閃爍體，并以該閃爍體作為探測器的前端元件，采用光計數方法開展了幾類典型的自發(fā)裂變

4、中子源（241Am-Be、252Cf源）、γ射線源(137Cs、60Co)的脈沖幅度譜、衰減時間譜的探測研究。
　　研究結果表明:
　　(1)采用加還原氣氛保護的熔體淬冷法，成功制備了單一Ce3+、Tb3+、Pr3+離子摻雜、Ce3+/Tb3+離子共摻雜的鋰硅酸鹽玻璃。得到的玻璃均質、透明、熱和化學穩(wěn)定性高，光學性質優(yōu)良。Ce3+離子摻雜的鋰硅酸鹽玻璃的密度分布在2.467～3.142 g/cm3較寬的范圍，其紫外-可見透過

5、率最高達90％，直接光學帶隙在3.2～5.3 eV范圍可調。在二元Li2O-SiO2、三元Li2O-Al2O3-SiO2、四元Li2O-MgO-Al2O3-SiO2玻璃基質內，隨著Ce3+摻雜濃度增大:玻璃密度、折射率及非晶化程度明顯增大，光學帶隙明顯降低。
　　(2)在玻璃基質不對稱的晶體場作用下，Ce3+離子5d能級劈裂為5個分立的亞能級，對應于4f→5d躍遷的激發(fā)光譜峰值位于221nm、240 nm、254nm、267nm、

6、303 nm;玻璃基質的非晶化程度越高，Ce3+離子周圍的晶體場強度越大，Ce3+離子5d能級劈裂程度越大，相應地，其激發(fā)光譜逐漸向紅外端展寬。
　　(3)所制備的Ce3+離子摻雜玻璃的發(fā)射光譜位于375～428.5 nm較寬的范圍。其在紫外線、陰極射線、X射線激發(fā)下均發(fā)出明亮的紫外-藍光;發(fā)射光譜的位置（顏色）與璃基質氧化物組成的光堿度密切相關，光堿度越大，發(fā)射光譜越靠近紅外區(qū)。
　　(4)在Ce3+離子摻雜鋰硅酸鹽玻璃內

7、存在以下幾類熒光淬滅中心:(a)玻璃熔煉過程引入的C夾雜、微米尺度的氣泡、孔洞等微觀缺陷;(b)在玻璃基質內形成的非橋接氧Si-O-、陰離子空位等載荷粒子的捕獲中心;(c)Ce3+離子氧化而形成的Ce4+離子的自吸收;(d)在Ce-O-Ce納米團簇內Ce3+離子之間交叉馳豫對應的非輻射能量轉移。
　　(5)通過調整玻璃的氧化物組成、Ce3+離子摻雜濃度，不斷優(yōu)化玻璃材料的制備方法與熒光發(fā)射效率;熒光發(fā)射效率最高的樣品在X射線、陰極

8、射線激發(fā)下的發(fā)光積分強度（300nm～650nm波段）分別相當于Bi4Ge3O12晶體的40％、500％。
　　(6)在紫外光、陰極射線、X射線激發(fā)下，單一Tb3+離子摻雜、Ce3+/Tb3+離子共摻雜鋰硅酸鹽玻璃均發(fā)出明亮的綠光;兩類玻璃內均存在明顯的5D3、5D4激發(fā)態(tài)之間的能量轉移;且隨著Tb3+離子摻雜濃度增大，熒光壽命逐漸降低。在Ce3+/Tb3+共摻雜玻璃內，存在明顯的Ce3+→Tb3+離子之間的能量轉移，在組成為30

9、Li2O-10MgO-5Al2O3-55 SiO2玻璃基質內，Ce3+離子、Tb3+離子最佳的摻雜濃度分別為0.6mo1％、0.8moi％。
　　(7)采用所制備的含6Li玻璃探測得到了自發(fā)裂變中子源241Am-Be、252Cf,γ射線源60Co、137Cs的脈沖幅度譜、衰減時間譜。其在熱中子、γ射線激發(fā)下的光產額與Saintgobain GS20產品幾乎達到了同一值，閃爍響應時間略短。這表明，本研究所制備的Ce3+離子摻雜含6L