【摘要】：隨著高能物理、工業(yè)探測和醫(yī)學成像等領域的快速發(fā)展,社會各個領域?qū)﹂W爍體材料的需求日益增加,閃爍體材料的研究已成為廣大研究者們的關注熱點。閃爍晶體由于制備過程復雜、生產(chǎn)成本高、大批量和大尺寸生產(chǎn)難度大以及各部分發(fā)光特性存在差異等因素,使其在應用上受到制約。相比之下,閃爍玻璃的制備工藝簡單、成本低廉、組分和性能連續(xù)可調(diào)、塑形加工性能優(yōu)異,易于大批量、大尺寸生產(chǎn),使其成為高性能閃爍材料研究和應用的關注熱點,對其研究也取得了很大的進展。但選擇合適的玻璃基質(zhì)材料,改善和調(diào)控各種稀土離子在不同玻璃基質(zhì)中的發(fā)光性能仍是閃爍玻璃研究的重要內(nèi)容。本論文以Tb~(3+)、Ce~(3+)、Eu~(3+)摻雜釓-鋇-鋁硅酸鹽氟氧閃爍玻璃為研究對象,較為系統(tǒng)的研究了稀土離子單摻情況下的發(fā)光機理以及摻雜濃度對玻璃材料的微觀結(jié)構、光學性質(zhì)的影響,并討論了玻璃中Gd~(3+)離子與其它稀土離子間的能量傳遞機制。隨后,研究了玻璃組成中F~-、Gd~(3+)含量以及敏化離子Ce~(3+)、Dy~(3+)對Tb~(3+)離子在釓-鋇-鋁硅酸鹽氟氧玻璃中發(fā)光性能的影響,并在獲得高X射線探測效率的Tb~(3+)激活閃爍玻璃的基礎上,初步探索了閃爍光纖面板的制備工藝。研究結(jié)果表明:(1)采用高溫熔融法成果制備了Tb~(3+)、Ce~(3+)、Eu~(3+)離子單摻和Ce~(3+)/Tb~(3+)、Dy~(3+)/Tb~(3+)離子共摻的釓-鋇-鋁硅酸鹽氟氧玻璃。這些玻璃的網(wǎng)絡骨架是由[Si O_4]四面體和[Al O_4]四面體以頂點相連的方式構成,Gd~(3+)、Ba~(2+)和其它稀土離子處于網(wǎng)絡間隙,F~-離子部分取代O~(2-)進入網(wǎng)絡內(nèi)部;玻璃具有較高的密度和良好的熱穩(wěn)定性以及高可見區(qū)透過率。(2)在紫外光的激發(fā)下,Tb~(3+)單摻閃爍玻璃發(fā)出明亮的綠光,主要源于~5D_4→~7F_J(J=6,5,4,3)的電子躍遷。隨著Tb~(3+)離子摻雜濃度的增加,發(fā)光強度不斷增強,但熒光壽命變短;Tb~(3+)離子之間的交叉弛豫過程有利于~5D_4態(tài)的躍遷發(fā)射。Ce~(3+)單摻閃爍玻璃在紫外光的激發(fā)下發(fā)出強烈的藍紫光,是由Ce~(3+)離子的5d-4f電子躍遷引起;隨著Ce~(3+)摻雜濃度的增加,發(fā)光峰位置不斷紅移,發(fā)光強度先增強后減弱,最佳的Ce~(3+)摻雜濃度為0.1mol%;熒光衰減時間為納秒級,且隨摻雜濃度的增加而減小。Eu~(3+)單摻閃爍玻璃在紫外光激發(fā)時主要發(fā)出紅光,源于Eu~(3+)離子的~5D_0→~7F_J(J=0,1,2,3,4)躍遷,其中~5D_0→~7F_2躍遷(615nm)發(fā)射最強,熒光衰減時間為毫秒級;發(fā)光強度和~5D_0→~7F_2與~5D_0→~7F_1躍遷強度的比值隨Eu~(3+)摻雜濃度的增加先增大而后減弱,在Eu_2O_3含量為6mol%時達到最大。(3)在Tb~(3+)、Ce~(3+)或Eu~(3+)單摻閃爍玻璃中存在Gd~(3+)→Tb~(3+)、Gd~(3+)→Ce~(3+)和Gd~(3+)→Eu~(3+)的能量傳遞過程,能量傳遞效率隨著稀土離子摻雜濃度的增加而增大;Gd~(3+)→Tb~(3+)的能量傳遞方式為電偶極-電偶極相互作用;而Gd~(3+)→Ce~(3+)和Gd~(3+)→Eu~(3+)的能量傳遞為電四極-電四極相互作用。(4)在X射線激發(fā)下,Tb~(3+)、Ce~(3+)、Eu~(3+)單摻玻璃樣品均表現(xiàn)出閃爍發(fā)光特性。其中,Tb~(3+)摻雜玻璃樣品表現(xiàn)最佳,Tb_2O_3含量為6mol%的玻璃樣品的發(fā)光強度達到BGO晶體的4.9倍,積分閃爍效率為BGO晶體的64%;而Ce~(3+)摻雜玻璃樣品表現(xiàn)最差,積分閃爍效率最高僅為BGO晶體的6.5%;Eu~(3+)單摻玻璃樣品的積分閃爍效率最高為BGO晶體的32.4%。相比之下,Tb~(3+)摻雜玻璃樣品更適合于X射線探測,可應用于工業(yè)無損檢測和醫(yī)學影像等領域。(5)在Tb~(3+)摻雜閃爍玻璃中,玻璃組成中的F~-離子濃度的增加使Tb~(3+)離子的發(fā)光強度有所增強,但會降低玻璃的密度;較高的F-離子濃度會使玻璃在澆注過程中出現(xiàn)表面析晶現(xiàn)象,影響光纖的拉制。Gd~(3+)濃度的增加可以有效提高玻璃的密度,并通過能量傳遞增強Tb~(3+)離子的熒光發(fā)射,但濃度過高會降低Tb~(3+)離子的發(fā)光強度,最佳的Gd_2O_3含量為6mol%。(6)在Tb~(3+)摻雜閃爍玻璃中引入Ce~(3+)離子能夠通過Ce~(3+)→Tb~(3+)的能量傳遞敏化增強Tb~(3+)離子的發(fā)光;在X射線激發(fā)下,最佳Ce~(3+)摻雜濃度為0.4mol%,此時相對于BGO晶體的積分閃爍效率提高到82%,發(fā)光強度達到BGO晶體的6.2倍。但Dy~(3+)離子的引入對Tb~(3+)離子的發(fā)光起到了很強的負面影響,使Tb~(3+)離子的發(fā)光強度不斷降低。因此,在釓-鋇-鋁硅酸鹽氟氧玻璃中不適合選擇Dy~(3+)離子作為敏化劑。(7)以高X射線探測效率的Ce~(3+)/Tb~(3+)共摻釓-鋇-鋁硅酸鹽氟氧閃爍玻璃為芯層玻璃,成功制備不同厚度的Tb~(3+)激活閃爍光纖面板。Tb~(3+)激活閃爍光纖面板在X射線激發(fā)下發(fā)出明亮的綠光,發(fā)光強度隨厚度的增加而增強。
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【學位授予單位】：長春理工大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TQ171.1

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本文編號：2453028