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人工晶体学报 ›› 2022, Vol. 51 ›› Issue (6): 951-964.

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掺杂抑制氟化钡晶体慢闪烁成分研究进展

郑嘉茜1,2, 陈俊锋1,3, 李翔1, 卢保奇2, 冯鹤2   

  1. 1.中国科学院上海硅酸盐研究所,上海 201899;
    2.上海大学材料科学与工程学院,上海 200444;
    3.上海交通大学IFSA协同创新中心,上海 200240
  • 收稿日期:2022-02-23 出版日期:2022-06-15 发布日期:2022-07-18
  • 通讯作者: 陈俊锋,副研究员。E-mail:jfchen@mail.sic.ac.cn
  • 作者简介:郑嘉茜(1996—),女,江苏省人,硕士研究生。E-mail:jiaqian_zheng@126.com;陈俊锋(1979—),中国科学院上海硅酸盐研究所项目研究员,先进辐射探测晶体与器件课题组副组长,硕士研究生导师。从事无机闪烁晶体和有机-无机复合闪烁体的组成-结构-性能、可控制备、性能表征、元器件开发和应用等研究和工程产业化工作,研制的大尺寸和高性能BGO闪烁晶体规模应用于“悟空”号卫星(DAMPE)、锦屏深地核天体物理实验装置(JUNA)、核医学成像、资源勘探和工业检测等领域。近期,率先在超快BaF2单晶中发现了钇掺杂的慢成分抑制效应,制备出高能物理应用尺度的大尺寸钇掺杂BaF2单晶。承担国家自然科学基金项目、中科院先导专项课题、上海张江专项重点项目和上海市高新技术领域项目等10多项研究工作,已发表学术论文30余篇,申请发明专利11项(已授权8件,含国际专利1件),制定国家、行业、团体和企业标准9项。任《人工晶体学报》和《稀土》期刊青年编委,中国晶体学会-晶体应用与产业分会理事、中国光学学会-光学材料专家委员会青年委员、“国家新材料测试评价平台-先进无机非金属材料行业中心”技术专家。
  • 基金资助:
    中国科学院战略性先导科技专项(XDA25030600);上海市“科技创新行动计划”重点项目(20511107402);核探测与核电子学国家重点实验室资助项目(SKLPDE-KF-202109);国家自然科学基金(U1867211)

Research Progress on Suppression of Slow Scintillation Component in Barium Fluoride Crystal by Doping

ZHENG Jiaqian1,2, CHEN Junfeng1,3, LI Xiang1, LU Baoqi2, FENG He2   

  1. 1. Shanghai Institute of Ceramics, Chinese Academy of Sciences, Shanghai 201899, China;
    2. School of Materials Science and Engineering, Shanghai University, Shanghai 200444, China;
    3. Collaborative Innovation Center of IFSA, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China
  • Received:2022-02-23 Online:2022-06-15 Published:2022-07-18

摘要: 高能物理强度前沿装置、飞行时间技术正电子发射断层扫描、超高频辐射成像和正电子湮灭寿命谱分析等应用对闪烁体的时间响应提出了更高的要求,发展超快衰减闪烁体已成为研究热点之一。氟化钡晶体是一种具有亚纳秒级快闪烁成分的独特无机闪烁体,但其衰减时间约0.6 μs的慢闪烁发光成分会在高计数率应用时引起严重的信号堆积。作为一种抑制慢闪烁成分的有效途径,氟化钡晶体慢闪烁成分抑制的掺杂研究在过去三十年受到持续关注。本文回顾了掺杂抑制氟化钡晶体慢闪烁成分的研究历史,提出了掺杂元素选择的基本原则,重点介绍稀土金属(La、Y、Lu和Sc)、碱土金属(Mg、Sr)、过渡金属(Cd)和碱金属(K)等掺杂的慢闪烁成分抑制特性、内在机理和应用研究情况,并展望了所面临的挑战与机遇。

关键词: 氟化钡, 超快闪烁体, 无机闪烁晶体, 慢闪烁成分抑制, 掺杂, 闪烁特性, 抑制机理

Abstract: Applications, such as high energy physics experiments at intensity frontier, time-of-flight positron emission tomography, ultrahigh repetition radiation imaging, and positron annihilation lifetime spectroscopy, etc., have raised increasing demands on the time response of scintillators. Development of ultrafast scintillators becomes one of focuses in recent studies. Barium fluoride (BaF2) crystal is a unique ultrafast scintillator with a sub-nanosecond fast scintillation component, its slow scintillation component with a decay time of about 0.6 μs, however, will cause serious pileups at high counting rates. As an effective approach to suppress the slow component in BaF2 crystals, doping has attracted continuous attention over the past three decades. This paper reviews the history of suppression of slow component in BaF2 crystals by doping, and then proposes basic principles on selecting doping elements. Suppression characteristic and mechanisms of slow component in BaF2 crystals doped with rare-earth metals (La, Y, Lu, Sc), alkali earth metals (Mg, Sr), transition metal (Cd), and alkali metal (K) are highlighted, and application research is introduced. The challenge and opportunity of slow component suppression by doping are also prospected.

Key words: barium fluoride, ultrafast scintillator, inorganic scintillation crystal, slow component suppression, doping, scintillation property, suppression mechanism

中图分类号: