摘要
闪烁体作为能量转换器，是一种能够吸收高能射线或粒子并将其转换为紫外或可见光的功能材料，广泛应用在高能物理与核物理实验、影像核医学（Computed Tomography和Positron Emission Tomography）、工业CT在线检测、油井勘探、安全稽查及反恐应用等。近年来，随着核探测技术的不断发展，特别是高能物理与核物理实验需求的不断提高，以及核医学影像医疗设备的飞速发展，各应用领域对闪烁体性能也提出更高的要求:更高的光输出、更高的能量分辨率、更快的衰减、更大的有效原子序数，低余辉。所以如何获得更好性能的闪烁材料一直是各国科学家研究的热点。 近年来新型GYGAG∶Ce多组分石榴石结构体系被提出，通过调整能带结构，提高光产额输出;同时Ga掺入，降低导带高度淹没部分浅能级缺陷，从而加快闪烁衰减时间。其能量分辨率可高达4％@662keV，光产额约55000Ph/MeV，相比于YAG陶瓷密度(4.9g/cm3)，GYGAG陶瓷密度(5.5～6.5g/cm3)更大，可以减少探测器的体积，是一类具有广泛应用前景的闪烁材料。但是由于Ga元素在石榴石体系中很容易挥发，导致制备的陶瓷性能很差，无法满足目前应用需求。 基于此，本论文开展GYGAG∶Ce透明闪烁陶瓷的制备及其性能研究，利用氧气烧结+热等静压两步烧结法制备GYGAG∶Ce闪烁陶瓷，对陶瓷微观结构、发光特性以及闪烁性能进行了研究;在GYGAG∶Ce闪烁陶瓷的制备工艺基础上，开展Ga元素含量对材料性能影响研究，以期确定材料中Ga∶Al最优配比;研究GYGAG闪烁陶瓷退火工艺对材料性能的影响，探讨材料中Ce4+对GYGAG陶瓷闪烁性能的积极作用，最后设计新型GYAG/YAG复合闪烁陶瓷提升闪烁探测效率及探测能量范围。 基于上述的研究内容，本文论文主要包含以下三方面的研究: 1、GYGAG∶Ce闪烁陶瓷制备工艺及其性能研究 通过对烧结气氛选择以及烧结参数的选择，实现了对Ga元素挥发的抑制从而获得GYGAG闪烁陶瓷，利用气氛烧结+热等静压制备方法成功制备了高光学质量的闪烁陶瓷。并且对材料的性能开展研究，初步得到了光输出为25800Ph/MeV的高性能闪烁陶瓷，并且对陶瓷微观形貌，光学性能等特性开展研究。 2、探讨Ga元素含量对材料性能影响 基于能带工程和缺陷工程的理论指导，开展了不同Ga∶Al离子比例的GYGAG闪烁陶瓷材料研究，制备了不同Ga∶Al离子比例的GYGAG闪烁陶瓷，通过对材料中Ga∶Al离子比例的优化，实现了GYGAG闪烁陶瓷性能的优化。在此基础上为了揭示材料余辉形成机制，建立材料缺陷与余辉性能的模型。 3、GYGAG闪烁陶瓷退火工艺研究与性能表征 在之前的研究工作基础上，本章节通过Mg2+共掺杂和退火气氛对GYGAG∶Ce陶瓷Ce离子价态性能进行优化，有优化前的样品对比，优化后的GYGAG∶Ce陶瓷样品具有更高的光输出、更快衰减时间、更弱余辉强度。通过XANES精确分析了不同退火工艺与Ce4+/Ce3+比例的含量关系，揭示了材料中氧空位浓度对材料性能的影响。 4、GYAG/YAG复合闪烁陶瓷的制备与性能研究 为了实现宽光谱谱以及质量衰减系数控制，本章节提出通过结构设计制备一种新型GYAG/YAG复合闪烁陶瓷。在高能激发下（Ce离子在不同的晶体场中），由不同发光中心的两相混合物组成的复合陶瓷可以有效地提供宽频带。密度不同的两个陶瓷可以提供复合陶瓷的整体密度调整的可能性，通过控制GYAG与YAG浓度的比例实现总质量衰减系数的调整，在满足上述要求的前提下，制备的复合陶瓷依旧保持着较好的综合闪烁性能。初步验证了利用复合陶瓷实现发光光谱和质量衰减系数精确可控的实验方案可行性。
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