CrystEngComm│Ce:GGAG闪烁晶体的移行助剂法稳定生长和衰减性能优化

一、【 导读】

闪烁体（scintillator）材料是一种有效吸收高能射线（如X射线、γ射线等）、高能粒子（如a，β粒子等）并发射紫外或可见光的功能材料。将闪烁体与光电倍增管耦合组成的闪烁探测器被作为核心器件应用于高能射线探测成像装置中，在核医学成像，高能物理，工业无损检测，油井勘探，安检防恐等生产生活领域发挥着日益重要的作用。

图1  闪烁体的能量转换示意图  

(Ce, Gd)₃(Ga, Al)₅O₁₂（简作 Ce:GGAG）是目前发现的理论光产额（73, 500 pho/MeV）最高的氧化物闪烁晶体，被认为是最有前途新一代X-CT探测用候选材料之一，且随着Ga/Al比的变化，能带宽度发生相应的变化，为组份和性能调控提供了较大的研究空间；然而，Ce:GGAG的熔点约为 1800 ℃，组分中 Ga₂O₃ 的熔点（1700^oC）低于析晶温度, 在高温时易发生分解（Ga₂O₃ = Ga₂O + O₂）；且随着Ga/Al比的降低，Gd₃(Al, Ga)₅O₁₂熔体非一致熔融倾向增加，至Gd₃Al₅O₁₂时完全非一致熔融，从而导致晶体生长困难。

二、【成果掠影】

中国科学院上海硅酸盐研究所石云副研究员和华中师范大学黄新堂教授近期在晶体学一区期刊CrystEngComm报道了采用移行助剂浮区法（traveling solvent floating zone method，简作TSFZ）生长低Ga含量（Ga/Al比=2/3）的Ce:GGAG闪烁晶体的研究工作, 通过在晶体生长过程中引入氧气氛，压力和低熔点助熔剂的方法，有效克服了Ce:GGAG非一致熔融倾向和Ga₂O₃的分解挥发问题，实现了熔区的稳定生长，晶体的闪烁衰减性能进一步优化。

三、【数据概览】

移行助剂法是指在浮区法生长晶体的过程中，引入一个低熔点的组份做助熔剂；如图2所示，熔剂块在晶体熔融生长过程中成熔区，并随生长晶体的熔区移动；在生长过程中，相当比例的晶体从熔剂中沉积出来并保持这一量。

图2 移行助剂法晶体生长的示意图 © RSC

本文首次将移行助剂法引入到Ce:GGAG的晶体生长，以解决浮区生长过程的熔区不稳和低Ga含量下的非一致熔融倾向问题；分别研究了Gd₂O₃:Al₂O₃ = 25 : 75, 27 : 73, 29 : 71作为助熔剂组份的晶体生长情况。如图3所示，采用移行助剂法后，晶体生长熔区上下对流对称，可持续稳定生长。最终获得的直径均一的长棒状Ce:GGAG晶体，如图4所示。

图3  光浮区法Ce:GGAG晶体生长中的熔区不稳现象照片(a-c); 移行助剂法熔区稳定照片(d) © RSC

图4  不同助熔剂组份生长出的Ce:GGAG晶体照片 © RSC

如图5所示，采用gamma射线源(¹³⁷Cs，662 keV)激发下的脉冲高度谱表征其闪烁光产额，其中，组份为Gd₂O₃:Al₂O₃ = 25 : 75的助熔剂相较于其他助熔剂组份，更为有效的控制了熔体体积，提高了晶体生长过程中的熔区稳定性，明显缓解了裂纹的萌生和扩展，生长出的Ce:GGAG晶体表现出最强的辐射发光强度和最高的光产额(34, 132 pho/MeV)。此外，Gd₂O₃:Al₂O₃ = 29 : 71的助熔剂生长的Ce:GGAG晶体具有更快的衰减时间(64 ns)和更高的快组分比(85%)。

图5: 不同助熔剂组份生长出的Ce:GGAG晶体的脉冲高度谱与标准样品(光产额58, 000 pho/MeV)对比示意图，gamma源(¹³⁷Cs，662 keV)，测试门宽0.75ms  © RSC

四、【成果启示】

本文工作表明，移行助剂法是一种可以稳定生长Ce:GGAG晶体的方法。在未来的工作中，通过系统筛选助熔剂成分，有望进一步稳定熔区，实现无裂纹、高光学质量和闪烁性能优化。本工作将为闪烁晶体的高光效组份设计、晶体生长技术、性能优化等方面提供重要的参考依据。

本研究工作得到了中国科学院科研仪器设备研制项目，中国科学院战略性先导科技专项和上海市科学技术委员会基金项目等的资助。

【主要作者简介】

武彤（1997-），女，硕士研究生，2019年进入华中师范大学物理科学与技术学院攻读硕士学位。2020年进入中国科学院上海硅酸盐研究所联合培养，主要从事光学浮区法生长闪烁晶体及其性能研究。E-mail：wutong1@mails.ccnu.edu.cn

石云（1978-），女，2006年毕业于中国科学院固体物理研究所，获得博士学位；现任中国科学院上海硅酸盐研究所高性能陶瓷和超微结构国家重点实验室副研究员，硕士生导师；主要研究方向为：新型光电功能材料的关键制备技术及结构物性调控。在高能射线探测成像（X-CT，PET等）用闪烁晶体与陶瓷，LED /激光照明用荧光陶瓷与玻璃等领域已取得一系列进展。E-mail：shiyun@mail.sic.ac.cn

黄新堂（1957-），男，1999年毕业于华中科技大学，获博士学位；现任华中师范大学物理科学与技术学院教授，博士生导师；主要研究方向为：纳米材料物理及其应用性质的研究。E-mail：xthuang@mail.ccnu.edu.cn

【文章信息】

Tong, Wu, Ling Wang, Yun Shi*, Xintang Huang*, et.al., Stable growth of (Ce,Gd)₃Ga₂Al₃O₁₂ crystal scintillators by the traveling solvent floating zone method, CrystEngComm, 2022, DOI: 10.1039/D1CE01617B

本文由作者供稿。