面向闪烁器件应用的新型多组分氟化物玻璃的性能探究与潜力评估

《Next Materials》：Novel multi-component fluoride glasses for light scintillating device applications

本研究针对商用晶体闪烁体成本高、无机玻璃闪烁效率及光产额低的问题，开展了一系列针对掺铈氟化物多组分玻璃的合成、表征与性能评估。通过系统研究不同CeF3掺杂浓度对玻璃物理、光学、发光及闪烁性能的影响，发现10 mol% CeF3掺杂的玻璃（BaP10CeF3）展现出最优的闪烁性能，其光产额达到BGO晶体的17.16%，并具备脉冲形状甄别潜力，为低成本、高性能闪烁材料的开发提供了新思路。

　　

闪烁体，这种能将高能射线（如X射线、γ射线）转换成可见光的“能量翻译官”，是医学影像、高能物理、国土安全等领域的核心探测材料。长久以来，性能卓越但价格昂贵的无机晶体（如BGO晶体）占据着高端市场，而成本较低的玻璃闪烁体却因发光效率低、光产额不足等问题，难以与之抗衡。无机玻璃在闪烁过程中，存在从基质到发光中心的能量传递效率低下、基质缺陷多等问题，导致其产生的闪烁光“产量”远不及晶体。如何开发出兼具低成本和高性能的新型闪烁材料，是科研人员面临的一大挑战。

近年来，氟化物玻璃因其高透明度、低声子能量等独特物理性质，在光子学应用中崭露头角。相较于氧化物，氟化物通常具有更高的量子效率和更低的非辐射衰变速率。基于此，一项发表于《Next Materials》的研究，将目光投向了掺铈（Ce3?）的多组分氟化物玻璃体系。该研究旨在探索这类材料作为新型闪烁体的潜力，期望在成本与性能之间找到最佳平衡点，为下一代闪烁器件的开发铺平道路。

研究人员主要采用了以下几项关键技术方法：首先，通过密闭氩气氛下的熔融-淬火技术，成功合成了不同CeF₃掺杂浓度（5, 10, 13 mol%）的多组分氟磷酸盐玻璃样品。研究对样品进行了系统的物性表征，包括密度、折射率测量，并利用阿贝折射仪、紫外-可见分光光度计、拉曼光谱仪等分析了其光学与结构特性。在发光性能评估方面，使用了光致发光（PL）光谱和时间分辨光谱，以及X射线激发的放射发光（RL）光谱。关键的闪烁性能测试，则通过耦合光电倍增管（PMT）和多道分析器（MCA）的伽马射线谱仪系统完成，利用¹³⁷Cs和²⁴¹Am放射源测量了样品的光产额、能量分辨率和脉冲形状甄别（PSD）能力。

物理性质

研究测量了玻璃样品的密度和折射率。结果表明，随着CeF₃浓度增加（取代BaF₂），由于CeF₃的分子量更高，样品的密度和折射率均呈现上升趋势，同时摩尔体积减小，表明玻璃结构变得更加致密。

吸收光谱

吸收光谱显示，在300-700 nm范围内没有明显的吸收峰。随着CeF₃浓度的增加，吸收带边从317 nm红移至323 nm，表明其光学吸收范围有所拓宽。

拉曼光谱

拉曼光谱用于分析玻璃的微观结构。谱图中观察到的多个特征峰分别归属于不同配位状态的铝氟单元（如AlF₆^3-、AlF₄^-）以及磷酸盐网络单元（如焦磷酸盐、正磷酸盐基团）。分析表明，玻璃中氟原子部分取代了氧，形成了[PO₃F]等基团，结构复杂。

光致发光光谱

在310 nm光激发下，所有玻璃样品均在340-360 nm范围内出现一个发射峰，这归因于Ce3?离子的5d→4f跃迁。随着CeF₃浓度增加，发射峰发生轻微红移。对发光衰减曲线的分析显示，衰减过程符合双指数模型，包括一个归因于Ce3?离子的快衰减分量（τ₁，约20-26 ns）和一个归因于玻璃基质的慢衰减分量（τ₂，约82-105 ns）。Ce3?浓度增加，两个衰减分量均略有缩短。

放射发光

X射线激发的放射发光光谱显示，其发射峰位置与光致发光光谱一致，均在350 nm附近。在10 mol% CeF₃掺杂浓度（BaP10CeF3）时，发光强度达到最高，显示出浓度猝灭效应。与BGO晶体相比，BaP10CeF3的积分发光效率达到了38.8%。

脉冲高度分析仪测量

这是评估闪烁性能的核心实验。使用¹³⁷Cs源（662 keV）测量了样品的光产额和能量分辨率。结果显示，BaP10CeF3玻璃的光产额最高，达到1476 ph/MeV，相当于商用BGO晶体光产额的17.16%，也达到了另一种参考玻璃Ce:SABG15的72%。其能量分辨率也为三者最佳，达到23.98%。这些数据明确表明，BaP10CeF3在此系列玻璃中具有最优的闪烁性能。

α粒子响应

使用²⁴¹Am α源测试表明，所有玻璃样品均能清晰探测到5.5 MeV α粒子的全能峰，证明了其对α粒子的有效探测能力。

γ-α脉冲形状甄别

研究进一步评估了性能最优的BaP10CeF3玻璃区分γ射线和α粒子的能力。通过分析两者激发下闪烁衰减脉冲形状的差异，并采用电荷比较法计算品质因数（FOM），得到的FOM值为0.37。虽然此值尚不足以实现γ/α事件的完全分离，但这首次在磷酸盐玻璃中报道了PSD能力，显示了其在粒子甄别应用中的潜在价值。

本研究成功合成并系统评估了一系列新型掺铈多组分氟化物玻璃。主要结论是，通过优化组成，特别是将CeF₃掺杂浓度控制在10 mol%，可以获得综合性能最佳的闪烁玻璃（BaP10CeF3）。该材料不仅光产额达到BGO晶体的17.16%，衰减时间快（Ce3?衰减分量约21 ns），还初步展现出脉冲形状甄别能力。尽管其绝对性能仍低于顶级晶体，但这项工作标志着在开发低成本、可塑性强且性能有竞争力的玻璃闪烁体方面取得了重要进展。它首次在磷酸盐玻璃体系中报道了PSD相关的FOM值，为这类材料在高能物理、核物理、正电子发射断层扫描（PET）及辐射探测安全等领域的应用开辟了新的可能性，是迈向用高性能玻璃替代或补充传统昂贵闪烁晶体目标的关键一步。