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Gd2O2S:Pr, Ce陶瓷在西门子、日立、东芝、飞利浦等大公司的医疗CT上得到广泛应用,被西门子科学家称为“黄色的金子”,但其制备工艺一直是个未解的商业机密。CT探测器由闪烁体和光电器件组成,其中闪烁体是探测器的心脏。一方面,目前我国高性能闪烁体材料完全通过国外高价进口,因此造成国产设备成本高昂。另一方面,国内外科研机构对Gd2O2S:Pr,Ce陶瓷研究甚少,国际大型公司对其发光机理也知晓较少,很多独特的闪烁现象并未被发现,而且其机理也未得到详细的阐述。因此Gd2O2S: Pr, Ce陶瓷研究既有商业价值,又有科研价值。本研究通过热释光对此闪烁材料的闪烁机理进行深入探究。 1)通过调控助熔剂工艺参数,制备出单分散的微米级单晶粉体,该粉体晶格发育完整、缺陷少、荧光性能好。同时也通过碳热还原法制备出高质量粉体:首先,将Gd2O3溶于稀硫酸中制备出具有良好结晶性的前驱体,将此前驱体高温煅烧生成Gd2O2SO4。随后,通过改变活性炭和Gd2O2SO4之间的配比、接触方式、反应温度等工艺参数调控粉体性能。光致激发和X射线激发研究表明,无论何种激发,均发射513nm为主峰的绿光,并显示出非常好的发光特性。 2)热压烧结过程中,氮化硼的喷涂有助于脱模和减少渗碳,微量的烧结助剂可以大幅度促进致密化。热压烧结商业粉体可以获得具有晶粒定向排列的样品,陶瓷的晶粒定向后,光学质量获得改善。由于没有压力辅助,无压烧结商业粉体需要较高的温度和较长的保温时间。真空或者空气气氛下烧结会导致物相的改变,无法制备出高质量的陶瓷样品。而在流动的氮气气氛下,可制备高致密度、单一物相的陶瓷样品。随着烧结温度的提高,样品的致密度增加。高温时,无压烧结的弱还原性气氛导致Gd2O2S晶格中形成大量的空位,从而影响其闪烁性能。实验证实无压烧结的样品需要在1200℃热处理3h,才能获得高光输出。2μs门宽下,热压烧结助熔剂粉体制备陶瓷的光产额是商业陶瓷的72%,退火处理可使光产额提升到76%。热压、无压、放电等离子体烧结商业粉体制各样品的光产额是商业陶瓷的84%。捷克物理所测试结果表明,门宽10μs时,1300℃热压的陶瓷样品光产额是28718 ph/MeV,能量分辨率是10.1,相同的测试条件下,其光产额和能量分辨率均优于商业陶瓷。无压烧结的气氛是流动的氮气,这种惰性、常压的烧结气氛抑制了基质晶格中的硫元素挥发,减少了硫空位的产生,因此无压烧结的陶瓷具有最好的余辉性能。随着厚度的增加,光学质量变差,同时较厚的样品,缺陷的数量也相应增加,于是光输出降低。 3)材料内部的缺陷对闪烁性能有重大影响,因此要制备高性能的Gd2O2S:Pr,Ce陶瓷,就需要对影响其发光的微观机理分析研究。热释光峰的位置对应着缺陷的种类,强度对应着缺陷的浓度。热释光研究表明,陶瓷内部存在三种缺陷,其中120 K处的峰值最高,所以此缺陷浓度最大。通过后期的热处理,氧空位消除,425 K的热释光峰消失,而硫空位一直存在。由于硫元素和钆元素共价性较弱,所以硫空位的形成能较低,缺陷深度较浅。能谱测试和热释光测试结果对比表明,氧空位对Gd2O2S:Pr,Ce陶瓷的光输出有致命影响,而硫空位仅仅延迟发光。变速热释光和X射线激发光谱测试表明,Gd2O2S:Pr,Ce陶瓷有严重的高温热淬灭。深陷阱很可能是引起热释光中主峰移位的原因。随着辐照剂量的改变,热释光的峰位置也改变,说明120 K缺陷分布符合二级动力学公式。通过不依靠动力学公式的局部清零技术可计算出120 K对应的缺陷深度是0.13 eV。