稀土离子掺杂闪烁玻璃和闪烁光纤面板的制备与发光性能的研究

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1、分类号：TL812+.1密级：可公开UDC：编号：稀土离子掺杂闪烁玻璃和闪烁光纤面板的制备与发光性能的研究InvestigationonPreparationandLuminescencePropertiesofRareEarthIonsDopedScintillatingGlassandOpticalFiberPlates学位授予单位及代码：长春理工大学(10186)学科专业名称及代码：材料物理与化学(080501)研究方向：光学与特种光学玻璃技术申请学位级别：博士指导教师：吕景文研究员研究生：张勇论文起止

2、时间：2013.07-2016.10摘要随着高能物理、工业探测和医学成像等领域的快速发展，社会各个领域对闪烁体材料的需求日益增加，闪烁体材料的研究已成为广大研究者们的关注热点。闪烁晶体由于制备过程复杂、生产成本高、大批量和大尺寸生产难度大以及各部分发光特性存在差异等因素，使其在应用上受到制约。相比之下，闪烁玻璃的制备工艺简单、成本低廉、组分和性能连续可调、塑形加工性能优异，易于大批量、大尺寸生产，使其成为高性能闪烁材料研究和应用的关注热点，对其研究也取得了很大的进展。但选择合适的玻璃基质材料，改善和调控各种稀

3、土离子在不同玻璃基质中的发光性能仍是闪烁玻璃研究的重要内容。3+3+3+本论文以Tb、Ce、Eu掺杂钆-钡-铝硅酸盐氟氧闪烁玻璃为研究对象，较为系统的研究了稀土离子单掺情况下的发光机理以及掺杂浓度对玻璃材料的微观结构、3+光学性质的影响，并讨论了玻璃中Gd离子与其它稀土离子间的能量传递机制。随后，-3+3+3+3+研究了玻璃组成中F、Gd含量以及敏化离子Ce、Dy对Tb离子在钆-钡-铝硅酸3+盐氟氧玻璃中发光性能的影响，并在获得高X射线探测效率的Tb激活闪烁玻璃的基础上，初步探索了闪烁光纤面板的制备工艺。研究

4、结果表明：3+3+3+3+3+（1）采用高温熔融法成果制备了Tb、Ce、Eu离子单掺和Ce/Tb、3+3+Dy/Tb离子共掺的钆-钡-铝硅酸盐氟氧玻璃。这些玻璃的网络骨架是由[SiO4]四面体3+2+-和[AlO4]四面体以顶点相连的方式构成，Gd、Ba和其它稀土离子处于网络间隙，F2-离子部分取代O进入网络内部；玻璃具有较高的密度和良好的热稳定性以及高可见区透过率。3+5（2）在紫外光的激发下，Tb单掺闪烁玻璃发出明亮的绿光，主要源于D4→73+FJ(J=6,5,4,3)的电子跃迁。随着Tb离子掺杂浓度的增

5、加，发光强度不断增强，但荧3+53+光寿命变短；Tb离子之间的交叉弛豫过程有利于D4态的跃迁发射。Ce单掺闪烁3+玻璃在紫外光的激发下发出强烈的蓝紫光，是由Ce离子的5d-4f电子跃迁引起；随3+3+着Ce掺杂浓度的增加，发光峰位置不断红移，发光强度先增强后减弱，最佳的Ce3+掺杂浓度为0.1mol%；荧光衰减时间为纳秒级，且随掺杂浓度的增加而减小。Eu单3+57掺闪烁玻璃在紫外光激发时主要发出红光，源于Eu离子的D0→FJ(J=0,1,2,3,4)跃575迁，其中D0→F2跃迁(615nm)发射最强，荧光衰

6、减时间为毫秒级；发光强度和D0→7573+F2与D0→F1跃迁强度的比值随Eu掺杂浓度的增加先增大而后减弱，在Eu2O3含量I为6mol%时达到最大。3+3+3+3+3+3+3+3+（3）在Tb、Ce或Eu单掺闪烁玻璃中存在Gd→Tb、Gd→Ce和Gd3+3+→Eu的能量传递过程，能量传递效率随着稀土离子掺杂浓度的增加而增大；Gd→3+3+3+3+3+Tb的能量传递方式为电偶极-电偶极相互作用；而Gd→Ce和Gd→Eu的能量传递为电四极-电四极相互作用。3+3+3+（4）在X射线激发下，Tb、Ce、Eu单掺玻

7、璃样品均表现出闪烁发光特性。3+其中，Tb掺杂玻璃样品表现最佳，Tb2O3含量为6mol%的玻璃样品的发光强度达到3+BGO晶体的4.9倍，积分闪烁效率为BGO晶体的64%；而Ce掺杂玻璃样品表现最3+差，积分闪烁效率最高仅为BGO晶体的6.5%；Eu单掺玻璃样品的积分闪烁效率最3+高为BGO晶体的32.4%。相比之下，Tb掺杂玻璃样品更适合于X射线探测，可应用于工业无损检测和医学影像等领域。3+-3+（5）在Tb掺杂闪烁玻璃中，玻璃组成中的F离子浓度的增加使Tb离子的发光强度有所增强，但会降低玻璃的密度；较

8、高的F-离子浓度会使玻璃在浇注过程中出3+现表面析晶现象，影响光纤的拉制。Gd浓度的增加可以有效提高玻璃的密度，并通3+3+过能量传递增强Tb离子的荧光发射，但浓度过高会降低Tb离子的发光强度，最佳的Gd2O3含量为6mol%。3+3+3+3+（6）在Tb掺杂闪烁玻璃中引入Ce离子能够通过Ce→Tb的能量传递敏化3+3+增强Tb离子的发光；在X射线激发下，最佳Ce掺杂浓度为0.4mol%，此时相对于