Cryst. Growth Des.│光浮区法生长高光产额快衰减Ce:GGAG闪烁晶体

一、【导读】

闪烁材料作为光学和能量转换材料在高能射线探测和成像领域得到了广泛的应用。多年来，国内外研究学者一直致力于研发高性能的新型闪烁体。其中，(Ce, Gd)₃(Ga, Al)₅O₁₂（简作 Ce:GGAG）被认为是最有前途新一代X射线CT探测用候选材料之一，在晶体生长、透明陶瓷制备以及组份调控等方面已经开展了大量研究工作。研究表明，在Ga/Al比为3/2 ~ 2/3的范围内，闪烁性能最佳。但随着Ga/Al比的降低，晶体生长的难度增加，研究认为是由于随着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】

近期，华中师范大学黄新堂教授和中国科学院上海硅酸盐研究所石云副研究员联合报道了低Ga含量Ce:GGAG晶体（Ga/Al比=2/3）的光浮区法生长和闪烁性能研究。与提拉法（Cz法）和微下拉法（m-PD法）等传统晶体生长技术相比，光浮区法(optical floating zone method，OFZ) 在晶体生长过程不需要坩埚，几乎不会在生长过程中引入杂质，可以生长熔点很高的晶体。生长速度与其他单晶生长方法相比较快，提高了生长晶体的效率且晶体生长质量较高，在新材料研发方面具有比较优势。

在该工作中，研究者成功地生长了低Ga/Al比(= 2/3) (Ce,Gd)₃Ga₂Al₃O₁₂晶体并具有较高的闪烁光产额；同时，在衰减时间和快分量比优化方面取得显著的进步，富氧环境下生长的Ce:GGAG晶体表现出较快衰减时间和较高的快组分比(80 ns / 80%; 257 ns / 20%)，gamma射线(¹³⁷Cs，662 keV)激发下的闪烁光产额可达38, 847pho/MeV@0.75ms。

该工作揭示了光浮区法用于探索新型高性能闪烁晶体的可行性，为闪烁晶体的快速制备和组份性能筛选提供了新型高效的技术方案，相关研究内容发表在晶体类一区期刊Crystal growth & Design上（https://doi.org/10.1021/acs.cgd.1c00779）。

三、【数据概览】

图1 浮区法( Floating Zone Method, 简称FZ法)生长晶体示意图 © ACS

图2 光浮区法生长的0.2 - 0.8 at. % Ce:GGAG晶体 (双面抛光1.0 mm厚)  © ACS

图3  光浮区法生长的0.2 - 0.8 at. % Ce:GGAG晶体的荧光和闪烁性能。(a) 450nm激发下陶瓷的荧光光谱；(b) 50nm激发下晶体的荧光光谱；(c)晶体和陶瓷的荧光强度随浓度变化的规律；(d)(e) gamma射线(¹³⁷Cs，662 keV)激发下的脉冲高度谱(f) gamma射线(¹³⁷Cs，662 keV)激发下的闪烁衰减时间  © ACS

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*, Tianzhao Xu , Hui Wang , Jinghong Fang , Jinqi Ni , Huan He , Chaoyue Wang , Qiang Qi , Lu Chen , Dongzhou Ding , Qin Li, Jianding Yu, Xintang Huang*, Oleg Shichalin , E. K. Papynov. Fast (Ce,Gd)₃Ga₂Al₃O₁₂ scintillators grown by the optical floating zone method. Crystal Growth & Design, 2022, DOI: 10.1021/acs.cgd.1c00779