鎢酸鉛閃爍晶體的摻雜效應(yīng)和輻照損傷的研究.pdf

1、為了探索Higgs粒子的存在，歐洲核子研究中心(CERN)將于2005年建成最新的大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)(LHC)，這對(duì)驗(yàn)證粒子物理的“標(biāo)準(zhǔn)模型”具有重要意義。作為L(zhǎng)HC上緊湊型μ介子螺旋探測(cè)器(CMS)的核心部件電磁量能器(ECAL)所選用的閃爍晶體，鎢酸鉛(PbWO4)晶體的閃爍性能及輻照損傷的研究成為近年來(lái)國(guó)際范圍內(nèi)閃爍晶體研究的一大熱點(diǎn)問(wèn)題。作者首次采用正電子湮沒(méi)壽命譜對(duì)不同組分及不同摻雜PbWO4晶體中鉛空位(VPb)的變

2、化進(jìn)行系統(tǒng)測(cè)試分析，并利用X射線光電子能譜的檢測(cè)手段研究晶體中低價(jià)氧[O-x(-2＜x＜0)]的變化情況，進(jìn)而對(duì)其微觀缺陷和摻雜機(jī)制進(jìn)行分析和研究，為進(jìn)一步研究PbWO4晶體的吸收中心和發(fā)光機(jī)制提供了實(shí)驗(yàn)依據(jù)。主要結(jié)論包括：(1)不同的+3價(jià)離子在PbWO4晶體中的摻雜機(jī)制不同，引入間隙和填隙兩種不同的微結(jié)構(gòu)缺陷。(2)摻鈮樣品中Nb5+占據(jù)W6+位使得晶體內(nèi)部分(WO4)2-根團(tuán)形成(NbO3+VO)-。(3)富Pb樣品由于

3、晶體生長(zhǎng)過(guò)程中PbO的揮發(fā)，使得晶體內(nèi)的VPb濃度仍接近于化學(xué)計(jì)量比PbWO4晶體。(4)富W樣品VPb濃度增加，低價(jià)氧濃度增加，與摻鈮樣品的VPb和低價(jià)氧變化趨勢(shì)相同。作者進(jìn)一步按照“未處理→輻照→氧退火”實(shí)驗(yàn)流程的設(shè)計(jì)，對(duì)未處理、輻照后、氧退火不同條件下的透射光譜進(jìn)行測(cè)試，并根據(jù)前面研究得到的摻雜機(jī)制，對(duì)PbWO4晶體的吸收中心問(wèn)題進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)：(1)PbWO4晶體中的350nm吸收中心由WO3+VO引起。[2]45

4、0nm處的淺色心吸收帶與大劑量γ輻照在晶體內(nèi)產(chǎn)生間隙氧離子相關(guān)。(3)出現(xiàn)嚴(yán)重輻照損傷的摻鉍PbWO4晶體其輻照損傷機(jī)制不同于其他晶體，主要是因?yàn)檩椪帐箵诫s元素鉍發(fā)生Bi3+→Bi5+的變價(jià)行為，輻照后晶體中Bi5+替代W6+位并使得晶體內(nèi)部分(WO4)2-根團(tuán)形成大量的誘導(dǎo)色心。根據(jù)前面的結(jié)論，作者進(jìn)而研究了摻雜離子的類型和退火氣氛對(duì)PbWO4晶體閃爍性能的影響。本文的工作對(duì)指導(dǎo)PbWO4晶體的生長(zhǎng)具有一定的幫助和指導(dǎo)意