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稀土掺杂氟化铅基玻璃的制备及其闪烁性能研究

作　者: 商珊珊
导　师: 舒康颖
学　校: 中国计量学院
专　业: 材料物理与化学
关键词: 闪烁玻璃 发光性能 稀土掺杂 能量转移
分类号: TQ171.71
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
下　载: 32次
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内容摘要


新一代高能物理实验需要能够将闪烁光和Cherenkov光同时读取的新型双读出探测器——均一强子量能器（HHCAL），其中关键部分就是具有闪烁发光和Cherenkov发光效应的探测材料。稀土掺杂氧氟玻璃是一类理想的发光材料，它既具有氧化物玻璃良好的机械强度、热稳定性和化学稳定性等优点，又具有氟化物玻璃低声子能量的特点，能够有效提高掺杂稀土的发光强度。氟化铅基重金属闪烁玻璃具有密度高、紫外吸收边短和成本低的优势有望成为高性能均一强子量能器用材料，近年来已引起学者们的广泛关注。本文选用PbF2-PbO-SiO2体系作为玻璃的基质，制备不同稀土离子掺杂的玻璃。通过测试密度、透过率、荧光光谱和在X射线激发下的发射光谱等，分析玻璃样品的物理性能和闪烁性能。主要研究结果如下：（1）基于PbF2-PbO-SiO2体系，利用高温熔融冷却法，设计制备了十种不同组成配比的基质玻璃，根据密度、透过率的测试和玻璃形成分析，得出配比50PbF2-10PbO-40SiO2为最佳玻璃基质体系。该玻璃密度高（6.15g/cm3）、折射率大（1.75）以及紫外截止波长短（326nm）。（2）在X射线和紫外激发下，单掺Tb3+的氟化铅基玻璃源于Tb3+的5D3→7FJ（J=5和4）和5D4→7FJ（J=6、5、4和3）能级跃迁而发出蓝绿色光，其545nm紫外激发发光衰减时间约为2.60ms。单掺Eu3+氟化铅基玻璃则发出橙红色光，源于Eu3+的5D0→7FJ（J=0、1、2、3和4）能级跃迁，其592nm紫外激发发光衰减时间约为2.87ms。单掺Dy3+氟化铅基玻璃没有检测到闪烁光。（3） Tb3+/Gd3+、Tb3+/Dy3+共掺玻璃发出Tb3+特征的蓝绿色光。其中，Tb3+/Gd3+共掺时由于Gd3+自吸收较弱，Gd3+未能起敏化作用；Tb3+/Dy3+共掺时Dy3+与Tb3+之间发生4F9/2(Dy3+)→5D4(Tb3+)能量转移，Dy3+能够敏化Tb3+发光，使得发光强度高于Tb3+单掺时的发光强度。

全文目录


致谢  5-7
摘要  7-8
Abstract  8-10
目次  10-13
图清单  13-15
表清单  15-16
1 绪论  16-33
  1.1 引言  16
  1.2 固体的发光  16-19
    1.2.1 发光的过程  16-17
    1.2.2 影响发光的因素  17-18
      1.2.2.1 激活离子基质环境的影响  17
      1.2.2.2 稀土激活剂浓度的影响  17
      1.2.2.3 其他因素的影响  17-18
    1.2.3 稀土发光理论  18-19
      1.2.3.1 镧系元素电子层构型及稀土离子能级  18-19
      1.2.3.2 稀土发光材料的优点  19
  1.3 固体发光材料的种类与制备  19-21
    1.3.1 发光晶体  19-21
    1.3.2 发光玻璃  21
  1.4 无机闪烁体  21-28
    1.4.1 闪烁体的闪烁机理  23
    1.4.2 表征闪烁体的主要性能参数  23-26
    1.4.3 无机闪烁晶体的主要应用  26-28
  1.5 Cherenkov 辐射及其研究现状  28-29
    1.5.1 Cherenkov 辐射原理  28
    1.5.2 Cherenkov 辐射体的性能要求  28-29
    1.5.3 目前常用的 Cherenkov 辐射体  29
  1.6 PbF_2的结构与性能  29-31
    1.6.1 PbF_2的晶体结构  29
    1.6.2 PbF_2晶体的物理性质  29-31
    1.6.3 PbF_2晶体的 Cherenkov 辐射特性  31
  1.7 本论文选题依据、目标、可行性分析以及主要内容  31-33
    1.7.1 本论文选题依据、目标、可行性分析  31-32
    1.7.2 本论文的主要内容  32-33
2 样品制备及检测  33-38
  2.1 引言  33
  2.2 实验原料  33
  2.3 实验仪器  33-34
  2.4 样品制备  34
    2.4.1 初始玻璃组成设计  34
    2.4.2 玻璃制备方法  34
  2.5 样品性能测试方法  34-38
    2.5.1 密度测量  34-35
    2.5.2 折射率(n)  35-36
    2.5.3 X 射线衍射(XRD)  36
    2.5.4 差热分析(DTA)  36
    2.5.5 透过光谱  36
    2.5.6 荧光光谱(PL)  36
    2.5.7 衰减时间  36
    2.5.8 X 射线激发光谱(XEL)  36-38
3 稀土单掺氟化铅基玻璃的制备及其光学性质的研究  38-56
  3.1 Tb~(3+)掺杂氟化铅基玻璃的制备及光学性质的研究  38-46
    3.1.1 Tb~(3+)掺杂氟化铅基玻璃的制备  38-40
      3.1.1.1 初始玻璃组分设计  38-40
      3.1.1.2 Tb~(3+)掺杂氟化铅基玻璃的制备  40
    3.1.2 Tb~(3+)掺杂氟化铅基玻璃结构分析、密度与折射率测定、差热分析  40-42
    3.1.3 Tb~(3+)掺杂氟化铅基玻璃透过光谱分析  42-43
    3.1.4 Tb~(3+)掺杂氟化铅基玻璃紫外激发发射光谱分析  43-44
    3.1.5 Tb~(3+)掺杂氟化铅基玻璃 X 射线发射光谱分析  44
    3.1.6 Tb~(3+)掺杂氟化铅基玻璃发光寿命计算  44-46
    3.1.7 小结  46
  3.2 Eu~(3+)掺杂氟化铅基玻璃的制备及光学性质研究  46-51
    3.2.1 Eu~(3+)掺杂氟化铅基玻璃的制备  46
    3.2.2 Eu~(3+)掺杂氟化铅基玻璃透过光谱分析  46-47
    3.2.3 Eu~(3+)掺杂氟化铅基玻璃紫外激发发射光谱分析  47-49
    3.2.4 Eu~(3+)掺杂氟化铅基玻璃 X 射线发射光谱分析  49-50
    3.2.5 Eu~(3+)掺杂氟化铅基玻璃发光寿命计算  50-51
    3.2.6 小结  51
  3.3 Dy~(3+)掺杂氟化铅基玻璃的制备及光谱性质研究  51-56
    3.3.1 Dy~(3+)掺杂氟化铅基玻璃的制备  51
    3.3.2 Dy~(3+)掺杂氟化铅基玻璃透过光谱分析  51-52
    3.3.3 Dy~(3+)掺杂氟化铅基玻璃紫外激发发射光谱分析  52-53
    3.3.4 Dy~(3+)掺杂氟化铅基玻璃 X 射线发射光谱分析  53-54
    3.3.5 Dy~(3+)掺杂氟化铅基玻璃发光寿命计算  54-55
    3.3.6 小结  55-56
4 稀土共掺氟化铅基玻璃的制备及光学性质研究  56-66
  4.1 Tb~(3+)/Gd~(3+)共掺氟化铅基玻璃的制备及光学性质研究  56-60
    4.1.1 Tb~(3+)/Gd~(3+)共掺氟化铅基玻璃的制备  56
    4.1.2 Tb~(3+)/Gd~(3+)共掺氟化铅基玻璃透过光谱分析  56-57
    4.1.3 Tb~(3+)/Gd~(3+)共掺氟化铅基玻璃紫外激发发射光谱分析  57
    4.1.4 Tb~(3+)/Gd~(3+)共掺氟化铅基玻璃 X 射线发射光谱分析  57-59
    4.1.5 小结  59-60
  4.2 Tb~(3+)/Dy~(3+)共掺氟化铅基玻璃的制备及光学性质研究  60-66
    4.2.1 Tb~(3+)/Dy~(3+)共掺氟化铅基玻璃的制备  60
    4.2.2 Tb~(3+)/Dy~(3+)共掺氟化铅基玻璃透过光谱分析  60-61
    4.2.3 Tb~(3+)/Dy~(3+)共掺氟化铅基玻璃紫外激发发射光谱分析  61-63
    4.2.4 Tb~(3+)/Dy~(3+)共掺氟化铅基玻璃 X 射线发射光谱分析  63-64
    4.2.5 Tb~(3+)/Dy~(3+)共掺氟化铅基玻璃发光寿命计算  64-65
    4.2.6 小结  65-66
5 结论与展望  66-68
  5.1 结论  66
  5.2 展望  66-68
参考文献  68-73
作者简介  73-74

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