超高密度Ce3+激活硼锗碲酸盐闪烁玻璃制备及其发光性能研究
批准号:
12065010
项目类别:
地区科学基金项目
资助金额:
38.0 万元
负责人:
孙心瑗
依托单位:
学科分类:
粒子探测技术
结题年份:
2024
批准年份:
2020
项目状态:
已结题
项目参与者:
孙心瑗
中文摘要
高密度闪烁玻璃因化学组份易调、尺寸与形状可控、光学均匀性好、方法简单及成本低廉等优势有望取代商用闪烁晶体,应用于高能物理实验与核医学成像等工程领域。但现有Ce3+激活高密度闪烁玻璃因吸收边红移诱导的严重自吸收降低了其光产额,进而产生“高密度闪烁玻璃光产额普遍较低”现象,限制了其广泛应用。本项目以硼锗碲三元系玻璃为网络形成体,通过富含稀土化合物(40-55 mol%)获得紫外截止波长较短、密度超过7.0 g/cm3的Ce3+激活硼锗碲酸盐闪烁玻璃。利用光谱技术并结合发光理论、光碱度理论和晶场理论分析玻璃中稀土离子间的能量传递效率、发光效率与其掺杂浓度的关系。利用现代材料表征技术系统研究Ce3+激活硼锗碲酸盐闪烁玻璃微结构与发光性能间构效关系,并综合评估硼锗碲酸盐闪烁玻璃的光学透过率、光产额、衰减时间、余辉、能量分辨率、能量响应及辐照硬度等闪烁性能,为获得实际应用的高性能闪烁玻璃奠定科学基础。
英文摘要
Dense scintillating glasses, with the advantages of versatile composition, controllable size and shape (including fiber), excellent optical homogenization, simple preparation technology and relatively low production cost, have been a crucial candidate for commercial scintillating crystals in the engineering fields of high-energy physics experiment and medical imaging. However, the available dense fluoride and oxide scintillating glasses with the relatively longer cut-off edges have been usually strictly limited to a few applications owing to the lower light yield or zero light yield, which results from the heavy self-absorption of cerium ions. In this project, the superdense Ce3+-acitvated borogermanate-tellurite scintillating glass consisting of both glass networks (B2O3, GeO2 and TeO2) and modifier (40-55 mol% of RE2O3 and REF3) is expected to be featured with the shorter cut-off edge, higher density of over 7.0 g/cm3, and brighter radiouluminescence intensity. The relationship among energy transfer efficiency, luminescence efficiency and the concentration of the rare-earth ions in borogermanate-tellurite scintillating glass will be investigated based on the luminescence, optical basicity, crystal field theories, together with the spectral data. Moreover, the relationship between the microstructure and the corresponding scintillation properties of Ce3+-activated borogermanate-tellurite glass will be revealed in detail by material characterization methods. The overall scintillation properties including optical transmittance, light output, decay time, afterglow, energy resolution, energy response and radiation-resistance will be finally evaluated and compared with the standard BGO scintillating crystal. All that done is aimed to make a solid scientific foundation for the practical application of the studied superdense Ce3+-activated borogermanate-tellurite scintillating glass.
闪烁玻璃作为一种重要的辐射探测材料,在高能物理、医学成像等领域应用广泛。但传统闪烁材料存在密度低、衰减时间长、成本高等问题,限制了其进一步发展。本项目基于硼锗碲酸盐、碲酸盐和硼硅酸盐玻璃的制备与性能调控,成功开发出多种高性能闪烁玻璃,系统揭示了其结构与性能间关系。.首先确定了B₂O₃-GeO₂-TeO₂三元系玻璃的形成区域,通过添加Gd₂O₃改善了玻璃的网络连通性和稳定性。发现了Tb3+单掺B₂O₃-GeO₂-TeO₂玻璃的最佳浓度为7.5mol%,闪烁效率为9.1%BGO,衰减时间为1.328ms。而Tb3+/Dy3+共掺玻璃在紫外激发下表现出高效的Dy3+→Tb3+能量传递,但其XEL强度略低于Tb3+单掺玻璃,表明能量传递机制在不同激发条件下存在差异。.在TeO₂-Gd₂O₃-WO₃和TeO₂-Gd₂O₃-WO₃-ZnO体系中,成功研制出密度为6.75 g/cm³的Dy3+掺杂闪烁玻璃,其衰减时间为0.5ms,透光率达80%,在X射线激发下发出强烈的575nm黄光。优化后的Eu3+/Tb3+共掺玻璃能量传递效率高达95.11%,并表现出良好的线性剂量响应,展示了其潜在的辐射探测应用能力。.发现Ce3+掺杂硼硅酸盐玻璃在综合性能上优于硼锗酸盐玻璃。通过调控Ce3+浓度和还原工艺,成功开发出光产额为1279ph/MeV、能量分辨率为27.1%的GABS1.0玻璃。优化后的GGABSC2.0玻璃的闪烁衰减时间缩短至300ns以下,接近商用闪烁晶体水平。.项目还系统研究了Eu2+掺杂硼硅酸盐玻璃的发光性能,发现通过调控SiO₂和Eu₂O₃含量可有效调节玻璃的发射波长和强度。采用二次熔融工艺,成功将玻璃中Eu3+还原为Eu2+,最高还原率达66.1%,获得了量子产率为37.97%的青色发光玻璃。该研究为空气中合成Eu2+掺杂闪烁玻璃提供了重要思路。.项目成果获江西省自然科学奖二等奖,团队成为中科院高能所“高密度闪烁玻璃研制合作组”核心成员,为建造CEPC提供闪烁玻璃方案。项目培养2名硕士生和13名本科生(7人考取硕士),3人获学校十佳本科毕业论文,学生获江西省挑战杯一等奖和全国大学生创新训练项目入围奖。发表SCI论文12篇、中文核心论文3篇,申请发明专利9件。.项目研究成果不仅丰富了闪烁材料的理论基础,还为其工程化应用提供了关键技术支撑,具有重要的科学意义和应用价值。
核探测用Ce3+掺杂纯钆基硼硅酸盐玻璃的制备及闪烁性能调控研究
-
批准号:52472001
-
项目类别:面上项目
-
资助金额:48.00万元
-
批准年份:2024
-
负责人:孙心瑗
-
依托单位:
铈激活硼硅酸盐闪烁玻璃的空气中合成及其闪烁性能研究
-
批准号:11765009
-
项目类别:地区科学基金项目
-
资助金额:43.0万元
-
批准年份:2017
-
负责人:孙心瑗
-
依托单位:
BaGd2O4:Eu3+闪烁体余辉特性有效调控的研究
-
批准号:11465010
-
项目类别:地区科学基金项目
-
资助金额:53.0万元
-
批准年份:2014
-
负责人:孙心瑗
-
依托单位:
富含Gd2O3硼锗酸盐闪烁微晶玻璃的合成及其闪烁机理研究
-
批准号:11165010
-
项目类别:地区科学基金项目
-
资助金额:55.0万元
-
批准年份:2011
-
负责人:孙心瑗
-
依托单位:
国内基金
海外基金