闪烁玻璃的研究进展

2.1 Ce³⁺掺杂氧化物玻璃

井冈山大学孙心瑗课题组通过调整玻璃的组分，制备了一系列Ce³⁺SiO2–B2O3–Al2O3–Gd2O3玻璃(GS-1)。2021年，闪烁玻璃合作组对这些玻璃的闪烁性能和高能物理上的应用进行了深入的研究。图2(a)所示是玻璃与BGO晶体在¹³⁷Cs源下的能谱，玻璃的光产额为802 ph/MeV，能量分辨率为26.77%。相同测试条件下，玻璃被SiPM探测到的光子数约为BGO晶体的1/6。

 

图 2. (a) 铝硼硅酸盐玻璃和BGO 晶体在¹³⁷Cs (662 keV) 放射源下的能谱；(b) 余辉曲线

2022年，中国计量大学秦来顺、唐高课题组制备了密度约为 4.2 g/cm³的不同浓度xCe³⁺掺杂Gd2O3–Al2O3–SiO2(x = 0.3 mol%、0.7 mol%、1.1 mol%、1.5 mol%、1.9 mol%)闪烁玻璃(GS-2)。

2.2 Ce³⁺掺杂微晶玻璃

2021年，哈尔滨工程大学任晶课题组在0.5 Ce³⁺掺杂70KLGF析出KLaF4 Ce³⁺微晶相，并通过Gd3+取代La3+的方式获得了阳离子混合型的KLa1-xGdxF4:Ce³⁺纳米晶，利用能量传递效应显著提高了微晶玻璃的闪烁性能。进一步地，制备了Ce³⁺掺杂GC-2微晶玻璃。图3(a) 所示是该玻璃在137Cs 放射源下的能谱，玻璃的光产额为1601ph/MeV，能量分辨率为27.27%，探测到的光子数约为BGO 晶体的1/3。图3(b) 所示是玻璃的闪烁衰减时间曲线，存在快慢两个分量，分别为210.39 ns(52.6%) 和1622.01 ns(47.4%)。 

图 3. (a) K2O–Y2O3–Gd2O3–SiO2微晶玻璃在¹³⁷Cs (662 keV)放射源下的与BGO晶体的能谱；(b) 闪烁衰减时间曲线

3. 总结与展望

过去的闪烁玻璃注重光学性能，X 射线激发光方面的提升，而如今高密度、高光产额、快衰减时间以及抗辐照特性成为评价闪烁玻璃性能的重要指标。目前，Ce³⁺掺杂闪烁玻璃最高光产额能够达到4300 ph/MeV，最大密度可以超过6.9 g/cm³。但是，闪烁玻璃依然难以兼顾高密度、高光产额的性能。

为了解决这一问题，今后的制备方法和研究方向可以集中在：1) 通过对玻璃原材料的进一步提纯减少原料中的杂质，以此减少玻璃中的缺陷；2) 加入适量的澄清剂，改善玻璃搅拌工艺，减少玻璃中的气泡以提高玻璃的透过率；3) 使用还原气氛以及合适的还原剂，避免Ce 离子的氧化；4) 使用部分氟化物替代氧化物，降低玻璃的熔点以减少刚玉坩埚中杂质的引入，提升玻璃的均匀性；5) 减少玻璃中对闪烁性能不利的元素的引入，增加Gd 元素在玻璃中的比重。

论文原文：华哲浩，隋泽萱，钱森，等. Ce³⁺掺杂闪烁玻璃的研究进展. 光电工程，2023，50(5): 220247. doi: 10.12086/oee.2023.220247

相关链接：https://cn.oejournal.org/article/doi/10.12086/oee.2023.220247