LuYAP∶Ce闪烁晶体阵列研究

2019-04-20董鸿林石自彬李德辉吴玉池付昌禄

压电与声光 2019年2期

徐扬，董鸿林，石自彬，李德辉，吴玉池，付昌禄

(1. 中国电子科技集团公司第二十六研究所, 重庆 400060；2. 激光聚变研究中心，四川绵阳 621000)

0 引言

铝酸钇镥(LuYAP)∶Ce晶体是新一代闪烁晶体材料，具有衰减时间短，光产额高，密度大，有效原子序数大及不潮解的特性，同时具有良好的物理化学稳定性，是综合性能优良的闪烁体材料。该晶体是铝酸镥(LuAP)和铝酸钇(YAP)的固溶体结构，随着晶体中镥组分含量的增加，晶体密度变大，有效原子序数增加，衰减时间缩短。自20世纪90年代起，国外已开始对具有上述优良性能的高镥组分LuYAP∶Ce闪烁材料进行研究。一些欧美公司(如苏格兰的PML、俄罗斯的BTCP、乌克兰的IPR、捷克的CRYTUR、波兰的ITME)已能批量提供镥摩尔比约70%的晶体产品[1-3]。要突破新一代皮秒级正电子湮灭探测技术的瓶颈，需要使用衰减时间短，光产额高及有效原子序数大的闪烁晶体。21世纪初，为打破国外对高镥组分LuYAP∶Ce晶体材料的限制，中国电子科技集团第二十六研究所对LuYAP∶Ce晶体进行了一系列研究。目前采用提拉法能生长出40 mm×100 mm、r(Lu)∶r(Y)≈7∶3(摩尔比)的LuYAP∶Ce晶体，接近国际先进水平。

为解决激光脉冲正电子源技术研究中正电子湮灭谱能量精度低及效率差等问题，本文进一步对LuYAP∶Ce闪烁晶体阵列进行了研究。采用LuYAP∶Ce晶体制作闪烁晶体阵列，配合多通道高速探测器研制多通道阵列式探测器，能快速获得皮秒级正电子湮灭的精确信息[3]。

1 实验

利用自主研发的提拉炉进行了LuYAP∶Ce晶体生长。将配置好的原料压制成料锭，处理合成多晶料，放入铱坩锅中熔化后，经过收颈、放肩、等径及收尾等工艺，完成晶体生长过程。为消除生长过程中产生的热应力，需要对晶体进行退火处理。通过退火处理改善了晶体中氧空位的分布，一定程度上提升了光输出指标。图1为经过退火处理的LuYAP∶Ce原生晶体[4]。

图1 原生晶体照片

对LuYAP∶Ce晶体头、尾加工相同尺寸的测试片进行了光输出测试，头、尾均匀性均达90%。表1为晶体头、尾发光均匀性测试。

表1 晶体头、尾发光均匀性测试

2 晶体加工

为装配成具有良好光学性能的晶体阵列，需要将晶体加工成六面抛光处理的晶条，加工过程为：

1) 切割。使用多线切割机将LuYAP∶Ce晶体粗加工成规定的晶条形状，并预留出足够的磨抛加工余量。

2) 研磨。选用碳化硅磨料和白刚玉对LuYAP∶Ce晶条进行粗磨和细磨。

3) 抛光。采用双轴透镜研磨机设备，首先用微米级白刚玉抛光液和合成纤维抛光布对晶体进行粗抛，然后采用纳米级二氧化硅胶体抛光液、尼龙抛光垫对晶条进行化学机械抛光。

经化学机械抛光后，LuYAP∶Ce晶条表面微观缺陷明显减少，光洁度指标达到美军标的40/10标准[5]。

3 阵列装配

LuYAP∶Ce晶体阵列内部单元的分布均匀性对探测器模块耦合质量及探测器的探测效率有直接影响，而填充物的选择对分布均匀性有重要影响。组装前对单根晶条进行了筛选测试，选出性能接近的1组晶条(64根)。采用硫酸钡粉末与光学胶混合填充物方式[6]，装配成8×8闪烁晶体阵列,图2为组装后的阵列。

图2 BaSO4填充方式装配的闪烁晶体阵列

4 测试

利用X线光机发出的X线源将装配好的LuYAP∶Ce闪烁晶体阵列经一定途径均化后，均匀照射在LuYAP∶Ce闪烁晶体阵列上，激发闪烁晶体阵列发出的可见光通过光锥引导，最终被光电倍增管记录，并通过CCD记录光信号的强度来判断发光情况。测试时，LuYAP∶Ce闪烁晶体阵列与X线光机的间距为100 cm，以保证照射到LuYAP∶Ce闪烁晶体阵列上的X线光源既具有能量均匀性，又具有强度剂量均匀性，图3为测试后的CCD原始图像。

图3 CCD采集到的发光信息

由图3可看出，第N个像素的发光不均匀性表示为|Nn-Nave|/Nave(其中Nn为第n个像素的计数强度，Nave为所有像素的计数强度平均值)，阵列的发光不均匀性是对每个像素的发光不均匀性再取平均值，经计算所测阵列的不均匀性为14.8%。此外,对阵列的发光余辉进行了测量,在光机照射1 min后,打开测试系统继续测量可见光,发现光电倍增管上得到的计数强度很低，表明阵列无严重余辉问题。