硅酸鉍閃爍晶體的生長(zhǎng)與性能研究.pdf

1、閃爍晶體是指能吸收高能粒子或射線發(fā)出可見(jiàn)光子的晶體材料。閃爍晶體受輻照而產(chǎn)生的熒光經(jīng)過(guò)光電倍增管或光電二極管,將光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào),最后經(jīng)過(guò)電子儀器記錄下來(lái)。閃爍晶體廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)影像,地質(zhì)勘探,安全檢查以及高能物理等領(lǐng)域。
　　 BSO(Bi4Si3O12)閃爍晶體和取得廣泛應(yīng)用的BGO(Bi4Ge3O12)晶體相比,由于Si和Ge屬于同一主族,性質(zhì)相似,兩種晶體具有相同的晶格結(jié)構(gòu),閃爍性能都來(lái)源于Bi的激發(fā)。而且BSO比BG

2、O具有更快的響應(yīng)時(shí)間(～100ns),是BGO的1/3,它在物理,光學(xué)和閃爍特性等很多方面和BGO相似,因此人們希望用價(jià)格便宜的SiO2制成BSO閃爍晶體去替代BGO,以降低閃爍體的成本。高度的機(jī)械和化學(xué)穩(wěn)定性以及優(yōu)良的發(fā)光特性使得BSO晶體成為有發(fā)展前途的閃爍體之一,在某些方面可以代替BGO,例如高能正負(fù)電子存儲(chǔ)環(huán)探測(cè)器中的BSO量能器。
　　 本文采用自行研制的坩堝下降爐,利用垂直布里奇曼法成功生長(zhǎng)了BSO閃爍晶體。從原料的

3、合成,坩堝的選擇,下降爐溫區(qū)的設(shè)計(jì)以及生長(zhǎng)工藝等各方面對(duì)BSO晶體的生長(zhǎng)進(jìn)行了探索,通過(guò)調(diào)節(jié)各種參數(shù),觀察對(duì)晶體生長(zhǎng)的影響。對(duì)BSO晶體的坩堝下降法生長(zhǎng)進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。通過(guò)分析數(shù)據(jù),總結(jié)了一套合適的生長(zhǎng)工藝。生長(zhǎng)結(jié)果達(dá)到預(yù)期目標(biāo),為BSO晶體應(yīng)用于高能物理量能器奠定了物理基礎(chǔ)。
　　 在晶體的各類物性中,熱物理性質(zhì)(比熱,熱擴(kuò)散系數(shù),導(dǎo)熱系數(shù)和熱膨脹系數(shù)等)的研究,具有明顯的基礎(chǔ)性和應(yīng)用性,而且和晶體的結(jié)構(gòu)、組分關(guān)系緊密。對(duì)優(yōu)

4、化晶體生長(zhǎng)工藝和質(zhì)量,縮短新晶體產(chǎn)業(yè)化周期具有重要意義。我們對(duì)BSO晶體的熱物理性質(zhì)進(jìn)行了系統(tǒng)研究。根據(jù)閃光法原理,利用激光熱導(dǎo)儀測(cè)試了BSO晶體的比熱,熱擴(kuò)散系數(shù)和導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度的變化關(guān)系,利用熱膨脹儀測(cè)試了BSO晶體熱膨脹系數(shù)隨溫度的變化關(guān)系等。通過(guò)分析BSO晶體的熱物性隨溫度的變化關(guān)系,為BSO晶體的生長(zhǎng)及應(yīng)用提供了基本數(shù)據(jù)。同時(shí),對(duì)BSO晶體和BGO晶體的熱物性進(jìn)行了比較,發(fā)現(xiàn)BSO晶體的比熱,熱擴(kuò)散系數(shù),導(dǎo)熱系數(shù)均大于BGO晶

5、體,這使BSO晶體和BGO晶體相比,更適合在高溫,溫差較大和溫度變化較快的環(huán)境中使用。并且從物理機(jī)制上了解釋了兩者熱物性差異的因?yàn)椤?br>　　 晶體材料的力學(xué)性能包括硬度,斷裂韌性等是衡量晶體性能的一個(gè)重要方面。對(duì)晶體的加工和實(shí)際使用有著重要的影響。在晶體加工過(guò)程中,需要根據(jù)晶體材料的硬度,選擇合適的切割以及研磨、拋光工藝。晶體在使用過(guò)程中,很容易受機(jī)械振動(dòng)或熱應(yīng)力等其他應(yīng)力的影響。如果材料的斷裂韌性很低,在循環(huán)往復(fù)的力的作用下,很