Yb∶YAG超快闪烁晶体研究进展与展望

侯 晴, 陈建玉， 齐红基， 韩和同， 宋朝辉, 张 侃， 张 辉

(1. 中国科学院大学， 北京 100049；2. 中国科学院上海光学精密机械研究所 强激光材料重点实验室， 上海 201800；3. 西北核技术研究所， 陕西 西安 710024； 4. 清华大学， 北京 100084)



Yb∶YAG超快闪烁晶体研究进展与展望

侯 晴1，2, 陈建玉2*， 齐红基2*， 韩和同3， 宋朝辉3, 张 侃3， 张 辉4

(1. 中国科学院大学， 北京 100049；2. 中国科学院上海光学精密机械研究所 强激光材料重点实验室， 上海 201800；3. 西北核技术研究所， 陕西 西安 710024； 4. 清华大学， 北京 100084)

Yb3+离子掺杂YAG晶体(Yb∶YAG)作为一种性能优良的激光晶体已广泛应用于高效、高功率激光领域。最新研究表明，Yb∶YAG晶体响应时间可达0.411 ns，其优良的超快闪烁特性在超快脉冲辐射探测、惯性约束核聚变、空间辐射探测、核反应动力学等领域的应用引起了广泛关注，使得Yb∶YAG晶体成为超快闪烁材料研究的热点。关于Yb∶YAG的闪烁特性，文章在系统介绍Yb∶YAG作为超快闪烁晶体研究进展和发光机理的基础上，归纳总结了掺杂种类、浓度、后处理工艺、辐照、格位尺寸大小、温度等对Yb∶YAG晶体闪烁性能的影响。 然后，针对Yb∶YAG目前存在的问题，给出相应的解释并提出通过离子共掺调控来改善其闪烁性能的方法。最后，对Yb∶YAG超快闪烁晶体未来的发展方向进行了展望。

Yb∶YAG； 超快闪烁； 闪烁机理； 离子共掺

1 引 言

超快脉冲辐射探测技术是探知物质内部核反应过程信息和先进辐射装置性能的重要技术手段[1]，也是研究和获取核聚变[2]以及空间辐射探测[3]反应机理、性质和特征的核心技术，其诊断数据是核武器理论设计和参数选取的基础和依据。闪烁探测器是目前已知时间响应最快的脉冲辐射探测器之一，并被广泛应用于强流脉冲辐射探测领域中。闪烁探测器通常由闪烁体和光电器件两部分组成。其探测原理是：射线入射到闪烁体中，闪烁体受激发光，光电器件收集闪烁体发出的光信号并转化为电信号，经传输系统送至示波器得到可以判读的时间-幅度波形，通过分析波形的特性参数，研究脉冲辐射场时间、空间、能量分布特征，达到探知核反应过程机理、核装置工作状态和核内部结构信息的目的。目前的有机闪烁探测器时间响应较快，但粒子分辨能力差。无机闪烁探测器虽然具有较高的探测效率和分辨能力，但时间响应普遍较慢。

闪烁体是决定探测器性能的关键因素之一。目前常用的超快闪烁材料包括有机闪烁体和无机闪烁体[4]。有机闪烁体(如BC422Q)时间响应最快可以达到亚纳秒，但是其密度和原子序数较低，因而伽马/中子分辨能力(往往小于1倍)明显弱于无机闪烁体[5](一般在 5～20 倍)，不利于伽马、中子混合辐射场中的伽马射线测量[6]。无机闪烁体时间响应一般在十几纳秒以上，满足亚纳秒脉冲辐射探测技术要求的晶体很少。BaF2晶体能达到亚纳秒时间响应[7]，但BaF2晶体在具有0.6 ns快成分的同时还具有620 ns的慢发光成分，且该慢成分份额较高，限制了该晶体在超快脉冲辐射探测中的应用[8]。Yb∶YAP衰减时间小于1 ns，并且光输出相对较高，但YAP晶体由于具有复杂的正交钙钛矿结构，晶体生长过程容易开裂，难以制备大尺寸晶体[9]；另一个重要缺陷是YAP晶体畸变的钙钛矿结构使晶体内部极易形成大量的点缺陷，在高能射线辐照下晶体变成褐色，光输出急剧下降[10]。

为满足超快脉冲辐射探测应用的需求，获得容易制备、物化性能稳定的新型无机闪烁体材料成为目前超快闪烁体发展的主要趋势。1997年，Raghavan提出可用Yb∶YAG晶体来捕获探测低能太阳中微子[11]。之后，研究人员注意到了Yb∶YAG晶体具有超快闪烁特性，其在紫外和可见光附近有发光峰。在330 nm附近的发光峰与在520 nm附近的发光峰相比，不但衰减时间短，而且光产额也相对较高。近几年的国内外研究表明，室温条件下 Yb∶YAG 晶体在辐射激发下具备纳秒甚至亚纳秒的超快时间响应特性[12]，是已知时间响应最快的无机闪烁材料之一，在超快脉冲辐射探测领域具有巨大的应用前景。

2 研究进展

1978年，Nakazawa发现了Yb3+离子在磷酸盐中的电荷转移发光[13]。2001年，Guerassimova、van Pietersonm等揭开了Yb∶YAG作为新型闪烁晶体研究的序幕[14-19]。针对Yb∶YAG超快性能的研究已经有十几年的历史，但是Yb∶YAG晶体较低的光产额严重限制了其作为优良无机闪烁体在超快辐射探测领域的应用。 为了进一步研究其超快闪烁机理，提高Yb∶YAG晶体光产额，有必要对近十几年来的研究进展进行归纳和总结。

2.1 电荷转移发光机理

在晶体中，发光离子电子的运动与声子相互影响和作用，我们可用位形坐标图来描述有声子参与的电子跃迁过程。固体系统在给定原子实构型下的总势能U(包括电子的绝热势能和原子实间的库伦能)是所有原子实位置或原子实位形的函数。由于原子实数量巨大，我们粗略地用参数R来描述所有原子实的“位形”。横坐标R代表原子实的位形，纵坐标表示体系的能量E。对每个电子态，总势能U随位形而变，相应地呈现位形坐标曲线。由于电子-声子的相互作用，不同的电子态有不同的位形依赖关系，而且不同的电子态对应不同的平衡位置。这种坐标模型涉及到电子和声子的相互作用这个最根本的问题，它可以解释相当多的实验现象。例如，用这样的模型可以说明斯托克斯定则，说明吸收光谱和发射光谱为何有一定宽度及其随温度变化的规律等，不但能作定性的解释，而且在某些情况下能得到和实验相符合的定量结果。

在更精确的配位场理论中，我们要考虑发光离子与近邻配位体离子间的电子转移，这种转移并不是一个电子的转移而是电子云的重新分布。过渡金属离子和镧系元素掺杂晶体的紫外宽带吸收是由配位体阴离子到阳离子的未满壳层(通常为d或f壳层)的电荷转移引起的，而其电荷转移发光是电荷转移吸收的反过程[13]。在Yb∶YAG晶体中，与Yb3+相连的配位体(氧离子)上的2p电子形成晶体能带中价带的顶部，在高能射线的作用下形成一种复合体激发态即电荷转移态(Charge transfer state，简称CT态)。这种CT态不再有确定的宇称，它与稀土离子4fn组态间的跃迁是电偶极允许的跃迁。Yb∶YAG在紫外以330 nm为发光峰的发光带是CT态到Yb的基态2F7/2的跃迁发光，在可见光以520 nm为发光峰的发光带是CT态到Yb的激发态2F5/2的跃迁发光。两个发光峰值的能量差与Yb3+离子激发态2F5/2跃迁到基态2F7/2的红外发光能量差10 000 cm-1相符，如图1所示[20]。

Fig.1 CT emission by two broad bands to the two levels of 4f13configuration split by ～10 000 cm-1

2.2 Yb∶YAG超快闪烁晶体目前存在的主要问题

2.2.1 光产额

Yb∶YAG晶体的衰减时间非常快，在无机闪烁晶体中具有绝对优势。李忠宝采用266 nm皮秒脉冲激光作为激光源，利用透紫GD40光电管测量Yb∶YAG晶体(Yb3+离子掺杂摩尔分数为10%)的闪烁时间响应波形[12]，如图2所示。通过对波形的数据处理，得到Yb∶YAG晶体的衰减时间常数τ为0.411 ns(普通光电管)。虽然Yb∶YAG晶体具有超快的衰减时间，但是其发光产额较低，只有1 250 ph/MeV，这严重限制了Yb∶YAG作为性能优越的无机超快闪烁晶体的应用。在不降低晶体衰减时间的前提下，探索提高Yb∶YAG晶体光产额的机理和实现手段是目前研究Yb∶YAG超快闪烁晶体的核心和关键。

图2 Yb∶YAG晶体利用透紫GD40测量得到的时间响应波形

Fig.2 Waveform of Yb∶YAG with UV GD40 tube

2.2.2 晶体的变色现象与机理

Yb∶YAG晶体最常用的生长方法是提拉法。由于晶体在惰性气氛下生长，初始生长的Yb∶YAG晶体呈淡蓝色，在空气中高温退火后，晶体变为无色透明。Yb∶YAG晶体这种变色现象一般认为是由Yb离子价态不稳定造成的，在缺氧的生长环境下掺杂的Yb元素容易形成Yb2+离子，Yb2+离子在YAG基质中显蓝色，经过高温氧气氛退火处理后变为透明，这是因为Yb2+氧化为无色的Yb3+。

Yb∶YAG经高温退火变色的另一种解释是：Yb∶YAG晶体在氧不足环境下的生长会形成一定数量的氧空位缺陷，氧空位为了保持电中性会捕获电子，形成不同类型的F型色心(如F心、F+心、F2心等)。F型色心存在一系列分立能级，这些能级可能吸收特定波长的可见光，从而使Yb∶YAG晶体着色。 经过高温氧气氛退火处理后晶体变为透明，氧分压使氧进入晶格填补氧空位从而消除了F色心。

Yb∶YAG作为超快闪烁晶体在高能射线辐照下同样存在变色现象，对于这种变色现象有以下解释：高能射线辐照使晶体产生缺陷，晶体中存在的F型色心捕获的电子在高能射线辐照下(如γ、X射线、中子射线，电子束等)获得能量，会从F型色心的电子陷阱中逃逸，与Yb3+离子结合形成Yb2+离子。在持续的高能射线辐照下，Yb2+不能及时恢复成Yb3+，从而产生着色现象。很多其他晶体中在高能射线辐照下也存在变色现象[21-25]，例如电子轰击金刚石会变蓝，中子辐照石英会变棕色。这是由于辐照产生的点缺陷引起的，多余的电子或空穴就会出现在缺陷位置上来保持电中性。

2.2.3 Yb3+离子掺杂浓度的影响

通过对不同Yb掺杂浓度的YAG样品进行研究(图3[26])，发现当Yb摩尔分数为10%时，光产额最大。在室温下，100%掺杂的YbAG的光产额只有15%Yb∶YAG的1/3。同时随着Yb掺杂浓度的提高，其在210 nm激发下的发光衰减时间明显下降。如在12 K的温度下，2%Yb∶YAG的发光衰减是遵守指数规律的，其衰减时间为85 ns；而YbAG的发光衰减则是非指数的，其衰减时间为几个ns。这些发光行为表明，当Yb离子的浓度增加时，Yb3+之间的无辐射能量传递过程也相应加强[16]。

图3 不同掺杂浓度Yb∶YAG的光产额与温度的关系曲线

Fig.3 Dependence of scintillation light output on temperature under alpha excitation

2.3 温度依赖关系

Yb∶YAG晶体的光产额和衰减时间与温度都有强烈的依赖关系，并存在明显的温度猝灭效应，但其在X射线和UV辐照下对温度的依赖关系却不相同。在X射线激发下，从低温0 K开始，330 nm发光峰的发光强度逐渐增加，在100～120 K时达到峰值，然后发光产额随着温度的增加开始下降，300 K时的发光产额和10 K时相差不多。而在210 nm紫外光的激发下，发光强度从0 K开始是逐渐下降的，室温下光产额降至最低，如图4所示。这种现象可以用位形坐标图模型进行定性解释。随着温度的升高，声子参与的能量传递增多，由电荷转移激发态至4f能级的无辐射跃迁几率大大提高，从而降低了发射强度。

图4 上图为15%Yb∶YAG发光强度与温度的关系(a)和热致荧光曲线(b)，下图为50%Yb∶YAG发光强度与温度的关系(a)和热致荧光曲线(b)。

Fig.4 Up： Temperature dependence of the 333 nm integrated emission intensity under UV(210 nm)and X-ray excitation (a), and thermoluminescence under X-ray excitation (b) of 15%Yb∶YAG. Down： Temperature dependence of the 333 nm integrated emission band intensity (a), and thermoluminescence (b) of 50%YAG∶Yb.

在X射线辐照下，Yb∶YAG晶体在100 K附近出现很强的热致荧光峰，同样在该温度下，X射线辐照下的发光强度也表现出最大值。Guerassimova等认为T<100 K下，X射线辐照下的发光猝灭现象是由晶体中存在的势能陷阱捕获载流子形成的。在X射线辐照下，晶体中将会产生电子-空穴对，在低温下，晶体中的陷阱能够捕获这些电子和空穴，从而导致Yb3+捕获电子和空穴的几率降低，电荷转移发光强度也因此下降，导致在极低的温度下比如10 K，发光完全猝灭。而当温度达到100 K时，这些被束缚的电子和空穴将能够逃脱陷阱，被Yb3+离子捕获后产生电荷转移发光，从而发光得到增强。这种陷阱效应通过测量晶体在不同温度下的衰减时间得到进一步证实(在10 K下为10 ns，在100 K时达到50 ns，在300 K时为几个ns)。通过在Yb∶YG晶体中掺入痕量Si可以在一定程度上减少陷阱数目，但是这些缺陷的本质目前仍不明确[17]。

2.4 阳离子格位大小的影响

CT发光可以理解为电子在阳离子-配位体间的转移，也可以理解为电荷密度在阳离子和配位体周围的重新分布。电荷密度的重新排布与阳离子和配位体离子的大小及电负性相关。Jorgensen Model根据各个离子周围电荷密度函数的交叠得到关于吸收峰位置的关系式：

(1)

其中，σ为电荷转移吸收带的位置， χ(X)为配位体阴离子的电负性，χ(M)为中心阳离子的电负性。由JorgensenModel得到的吸收峰位置与实验测得的发光峰的位置相符，由JorgensenModel可得σ(Yb3+-O2)≌45 000cm-1，计算所得的吸收峰的位置约为222nm(343nm的激发谱中激发峰为210nm)。即使在其他掺杂基质中，JorgensenModel也同样成立(例如σ(Yb3+-S2)≌33 000cm-1、σ(Yb3+-F2)≌66 000cm-1)。阳离子格位大小对CT发光吸收带和发射带均产生重要影响。CT发光的两个重要特征是具有宽的发射带和大的斯托克斯位移，可以从位形坐标模型进行解释：在同构基质晶格中，当发光稀土离子Yb占据较大的阳离子格位时，CT发光的吸收峰向长波长移动。例如Yb掺杂的ScPO4(Sc离子半径0.075nm)吸收峰位于195nm,Yb掺杂的LaPO4(La离子半径0.106nm) 吸收峰位于228nm；同样，Yb占据较大的格位时，CT发光峰也向长波长移动。同时，激发的CT态的弛豫变大，因而斯托克斯位移也会变大。阳离子格位大小对发光猝灭温度也产生影响：由简单的位形坐标模型可知Yb占据较大的阳离子格位时，激发态的弛豫比较大，温度较高时容易快速交叉到基态形成温度猝灭。另一种解释是CT态位于禁带中的位置决定了其猝灭温度的大小，如CT态位于价带附近，CT态很容易弛豫到价带产生较低的猝灭温度[15]。

2.5 影响CT发光的其他因素

除共掺杂种类、浓度、温度、后退火工艺、高能射线辐照、缺陷能级深浅等对Yb∶YAG晶体的电荷转移发光均有较大的影响外，其他因素如晶体生长原料、生长工艺、辐照源种类等都对Yb离子的CT发光和猝灭机制产生影响。

晶体生长原料是指生长Yb∶YAG晶体用的Yb2O3、Y2O3、Al2O3以及其他需要掺入共掺调控的痕量元素。这些原材料中不可避免地存在一些有害杂质元素，如Fe2+、Fe3+、Ni4+、Zr4+等，这些杂质的存在导致晶体中形成微观点缺陷，点缺陷形成的势能陷阱将捕获电离辐照时激发的部分电子-空穴对，或形成无辐射跃迁通道对发光产生损耗，从而降低晶体光产额。另外，在晶体生长过程，如原材料准备、装炉过程和保温材料等都会不可避免地对原材料带来一定程度的污染，这些因素都有可能对最终制备的Yb∶YAG晶体的闪烁性能产生影响。

生长工艺是制备Yb∶YAG晶体的核心过程，由于Yb离子在YAG晶体中的分凝系数较大(1.080±0.01)，制备大尺寸Yb∶YAG晶体相对比较容易，但合适的温场环境是生长高品质晶体的关键。尽管如此，晶体中仍不可避免地存在一定缺陷，如散射、应力、位错等，晶体在氩气的氛围下生长，不可避免地会有氧空位产生，即使之后进行空气退火，氧空位也不能完全去除。籽晶杆的均匀转速对流场的影响，导致掺杂元素的分布不均匀。晶体的完美程度直接影响Yb∶YAG的闪烁性能。

Yb离子的价态变化在闪烁和光暗化过程中都扮演着重要的角色。一般来说电子态不同，电子云的空间分布不同，因而与晶格离子的相互作用不同，相应地就会有不同的晶格平衡位形，对电子态间的光跃迁的影响也不同。在Yb掺杂的石英光纤中，存在引起激光衰减的光暗化现象(Photodarkening)[27]。虽然针对Yb石英的光纤的光暗化现象做了大量研究，也得到了一些手段来减少增益材料的光衰减，但是同Yb∶YAG在高能射线辐照下的非线性衰减一样，两者有许多相似的现象，其物理机制仍不十分清楚。稀土元素通常以能量较低的氧化态存在，通常为+3价，也有+2和+4价。17个稀土元素最外两层电子结构相似，与其他元素化合时先失去最外层s2d1层电子，无5d电子时失去一个f电子，因而通常为+3价。镧系元素全部能形成稳定的+3价氧化态，某些元素有+2(Sm、Eu、Yb)价，也有些+4价(Ce、Pr、Tb),但都遵守洪特定则，变价的原因有动力学、热力学等原因。Yb3+(4f13)接受一个电子即达到稳定结构因而易呈现+2价氧化态，Yb3+离子由于缺陷、辐照、晶格场、热力学等原因会造成电荷迁移进而影响Yb元素价态变化。如高能射线可将Yb离子激发到CT态时会引起Yb3+离子浓度的变化，进而影响发光产额。

3 提升Yb∶YAG晶体超快闪烁性能的思考与实施方案

3.1 超快闪烁机理的深入思考

Yb∶YAG作为一种衰减时间(0.411 ns)具有较大优势的新型无机闪烁体，在保持其衰减时间不变的情况下，进一步提高Yb∶YAG晶体的光产额，是目前研究的核心和热点。如其光产额达到稳定的5 000 ph/MeV，将在超快脉冲辐射探测领域、惯性约束核聚变、核反应动力学等领域具有巨大的应用前景。但是由于Yb离子价态的不稳定和影响其超快闪烁性能的因素众多，Yb∶YAG晶体内部超快闪烁机理尚不完全明确，目前没有统一的结论，需要采取更先进的手段深入研究。未来研究提高Yb∶YAG晶体超快闪烁性能应主要通过共掺改性来实现，同时通过高性能模拟计算和先进微观实验手段优化共掺改性方案。

3.2 离子共掺调控

单掺杂Yb离子的YAG已进行过广泛深入的科学研究，是成熟晶体材料，并已广泛应用于1 030 nm波长激光领域，单纯从Yb∶YAG晶体的制备和后期处理工艺上已不太可能大幅度提高其光产额。

目前Yb∶YAG晶体超快闪烁机理仍不明确，在深入理解Yb∶YAG晶体存在问题的基础上，我们认为未来提高Yb∶YAG晶体超快闪烁性能应采用Yb离子和其他离子(如Ca、Mg、Na、Si、Lu等离子)共掺或多掺的手段来影响光跃迁过程，进而提高光产额。

由于YAG晶胞的原子数比较多，关于缺陷能级的深浅、CT态的位置以及与发光性能间的相互作用模拟相对较困难，但是却对我们的研究很重要。共掺杂Yb∶YAG晶体研究应从以下两个方面进行：(1)高性能模拟计算。材料学中第一性原理的计算结果在国际上获得越来越广泛的认同，根据第一性原理密度泛函理论模拟计算固体的物理性质已成为材料学行之有效的重要研究手段。通过高性能模拟计算可以获得共掺离子和Yb离子达到优化的电荷补偿和平衡，以及共掺离子电子态密度的微观调控设计共掺杂方案。(2)通过理论模拟设计和晶体生长过程获得共掺Yb∶YAG单晶后，对光产额有显著提高的共掺晶体，采用同步辐射EXAFS、Raman等先进实验手段进行微观结构和性能分析，获得有益于提高光产额的趋势化理论，优化共掺设计方案，进一步提高Yb∶YAG晶体的光产额。

Drozdowski等研究人员通过掺杂Y(钇)取代部分Lu离子位置降低导带底的位置，但不影响陷阱的分布，深电子缺陷变为浅电子缺陷，浅电子缺陷影响能量转移过程进而改变LuAG∶Pr晶体的发光猝灭温度，最终将室温下的光产额从19 000 ph/Mev提高到33 000 ph/Mev。如图5[28]所示，LuAG∶Pr晶体的猝灭温度点位于450 K左右，在室温下的光产额比较低；而LuYAG∶Pr晶体的猝灭温度点位于320 K左右，因而室温下的光产额会增大。受此启发，通过van Pieterson等的关于发光猝灭温度与阳离子尺寸大小的关系，再结合Yb∶YAG晶体的发光强度与温度的依赖关系，我们可以通过改变阳离子格位尺寸的大小来提高Yb∶YAG晶体的发光猝灭温度，进而来增加Yb∶YAG晶体在室温下的发光产额。

图5 LuYAG∶Pr和LuAG∶Pr的光产额(归一化) 与温度的变化关系

Fig.5 Scintillation yields of(Lu0.75Y0.25)3Al5O12∶Pr and Lu3Al5O12∶Pr(normalized to unity at their maxima) as function of temperature

3.3 提高共掺晶体光学质量

共掺晶体Re,Yb∶YAG晶体在YAG基质中的掺杂离子种类增多，由于离子大小差别等引起的晶格畸变或晶体失配产生较多的微观缺陷。高品质共掺晶体和单掺Yb∶YAG晶体相比生长难度增大，对晶体生长工艺技术提出了更高要求。高光学质量晶体生长应从原材料、温场、生长工艺参数、晶体后处理工艺和尽量减少污染等方面优化和改进，从而尽可能减少晶体内部微观缺陷，提升晶体的光学质量。

4 结 论

Yb∶YAG晶体不仅是一种广泛应用的激光晶体，还是一种有很大潜力的超快闪烁体材料，在超快闪烁探测、低温医学成像、中微子探测、核反应动力学、核聚变等方面都将有广泛的应用。Yb离子可以捕获中微子，产生一个电子和一个延迟的伽马粒子，闪烁体的响应时间需在纳秒甚至亚纳秒级别。2002年，科学家通过核反应堆中微子消失的现象在国际上首先用人工中微子源证实太阳中微子确实发生了震荡，从而揭开了“太阳中微子丢失”之谜。核医学成像技术(X-CT-X射线计算机断层扫描、PET-正电子发射扫描术、SPECT-单光子发射的计算机断层扫描技术)的高速发展和大量需求，对闪烁体(高产额，快响应，发射谱与探测器的光谱灵敏度匹配)的要求，都促进了Yb∶YAG闪烁体的医学应用。 因此，提高Yb∶YAG的闪烁性能必定会成为研究热点，离子共掺也将成为调控闪烁性能的有效手段。

[1] 欧阳晓平. 脉冲辐射探测技术 [J]. 中国工程科学, 2008, 10(4):44-45. OUYANG X P. Development of pulsed radiation detection technology [J].Eng.Sci., 2008, 10(4):44-45. (in Chinese)

[2] MEDIN S A, PARSHIKOV A N, LOZITSKII I M,etal.. Thermomechanical processes in an inertial thermonuclear fusion reactor blanket under cyclic exposure to neutron fluence [J].AtomicEnergy, 2011, 110(2):104-114.

[3] SHEIKH S I, PINES D J, WOOD K S,etal.. Navigational system and method utilizing sources of pulsed celestial radiation: US, 7197381 [P]. 2007-03-27.

[4] 李忠宝,彭太平,胡孟春,等. 几种常用闪烁体衰减时间常数的实验测量 [J]. 核电子学与探测技术, 2013, 33(12):1523-1526. LI Z B, PENG T P, HU M C,etal.. Decay time constant measurement for some scintillator [J].Nucl.Electron.Detect.Technol., 2013, 33(12):1523-1526. (in Chinese)

[5] 胡孟春,李如荣,李忠宝,等. 低强度脉冲伽马辐射测量中LaCl3、YAG∶Yb和CeF3闪烁探测器优选 [J]. 人工晶体学报, 2014, 43(11):2897-2902. HU M C, LI R R, LI Z B,etal.. Optimization of LaCl3, YAG∶Yb and CeF3scintillation detectors in low-intensity pulseγradiation measurement [J].J.Synth.Cryst., 2014, 43(11):2897-2902. (in Chinese)

[6] 严俊,张清民,张景文,等. ZnO晶体在辐射探测领域的应用现状及潜力 [J/OL]. 北京:中国科技论文在线, [2014-01-26]. http://www.paper.edu.cn/releasepaper/content/201401-1139. YAN J, ZHANG Q M, ZHANG J W,etal.. The application status and potential of the ZnO crystals in radiation detection [J/OL]. Beijing: Sciencepaper Online, [2014-01-26]. http://www.paper.edu.cn/releasepaper/content/201401-1139. (in Chinese)

[7] DEY B, MONDAL D, PANDIT D,etal.. Neutron response of the LAMBDA spectrometer and neutron interaction length in BaF2[J].Nucl.Instrum.MethodsPhys.Res.Sect. A, 2013, 727:7-11.

[8] SELIVERSTOV D M, DEMIDENKO A A, GARIBIN E A,etal.. New fast scintillators on the base of BaF2crystals with increased light yield of 0.9 ns luminescence for TOF PET [J].Nucl.Instrum.MethodsPhys.Res.Sect. A, 2012, 695:369-372.

[9] 张书峰,石全洲,张建华. 超快闪烁晶体Yb∶YAP晶体的生长与性能研究 [C]. 第十六届全国晶体生长与材料学术会议论文集, 合肥, 中国, 2012. ZHANG S F, SHI Q Z, ZHANG J H. Research on Yb∶YAP ultrafast scintillator with growth and performance [C].The16thChineseConferenceonCrystalGrowth,Hefei, 2012. (in Chinese)

[10] 赵广军. 高光输出快衰减高温无机闪烁晶体的研究[D]. 上海:中国科学院上海光学精密机械研究所, 2003. ZHAO G J.InvestigationonHigh-temperatureInorganicScintillationSingleCrystalswithHighLightYieldandFastDecayTime[D]. Shanghai: Shanghai Institute of Optics and Fine Mechanics, Chinese Academy of Sciences, 2003. (in Chinese)

[11] RAGHAVAN R S. New prospects for real-time spectroscopy of low energy electron neutrinos from the sun [J].Phys.Rev.Lett., 1997, 78(19):3618-3621.

[12] 李忠宝,唐登攀,张建华,等. 两种掺Yb3+闪烁晶体光致激发时间性能的实验研究[J]. 原子能科学技术, 2012, 46(5):608-612. LI Z B, TANG D P, ZHANG J H,etal.. Experimental research on time response of two kinds of Yb3+-doped scintillators emission spectra excited by laser [J].AtomicEnergySci.Technol., 2012, 46(5):608-612. (in Chinese)

[13] NAKAZAWA E. Charge-transfer type luminescence of Yb3+ions in LuPO4and YPO4[J].Chem.Phys.Lett., 1978, 56(1):161-163.

[14] GUERASSIMOVA N, GARNIER N, DUJARDIN C,etal.. X-ray-excited charge transfer luminescence in YAG∶Yb and YbAG [J].J.Lumin., 2001, 94-95:11-14.

[15] VAN PIETERSON L, HEEROMA M, DE HEER E,etal.. Charge transfer luminescence of Yb3+[J].J.Lumin., 2000, 91(3-4):177-193.

[16] GUERASSIMOVA N, GARNIER N, DUJARDIN C,etal.. X-ray excited charge transfer luminescence of ytterbium-containing aluminium garnets [J].Chem.Phys.Lett., 2001, 339(3-4):197-202.

[17] GUERASSIMOVA N, DUJARDIN C, GARNIER N,etal.. Charge-transfer luminescence and spectroscopic properties of Yb3+in aluminium and gallium garnets [J].Nucl.Instrum.MethodsPhys.Res.Sect. A, 2002, 486(1-2):278-282.

[18] KAMENSKIKH I A, GUERASSIMOVA N, DUJARDIN C,etal.. Charge transfer fluorescence and f-f luminescence in ytterbium compounds [J].Opt.Mater., 2003, 24(1-2):267-274.

[19] CHIPAUX R, CRIBIER M, DUJARDIN C,etal.. Ytterbium-based scintillators, a new class of inorganic scintillators for solar neutrino spectroscopy [J].Nucl.Instrum.MethodsPhys.Res.Sect. A, 2002, 486(1-2):228-233.

[20] BOULON G. Why so deep research on Yb3+-doped optical inorganic materials? [J].J.AlloysCompd., 2008, 451(1-2):1-11.

[21] 王凯悦. 光致发光光谱研究电子辐照金刚石的光学中心 [D]. 天津:天津大学, 2012. WANG K Y.PhotoluminescenceStudiesofOpticalCentersinElectron-IrradiatedDiamond[D]. Tianjin: Tianjin University, 2012. (in Chinese)

[22] 田玉明,王凯悦,李志宏,等. 高能电子照射对金刚石中缺陷电荷状态的影响 [J]. 物理学报, 2013, 62(18):188101-1-5. TIAN Y M, WANG K Y, LI Z H,etal.. Effect of high-energy electron exposure on the charge state of defects in diamond [J].ActaPhys.Sinica, 2013, 62(18):188101-1-5. (in Chinese)

[23] 王凯悦,李志宏,高凯,等. 电子辐照金刚石的光致发光研究 [J]. 物理学报, 2012, 61(9):097803-1-5. WANG K Y, LI Z H, GAO K,etal.. Photoluminescence studies of electron irradiated diamond [J].ActaPhys.Sinica, 2012, 61(9):097803-1-5 (in Chinese).

[24] 高祀建,欧阳世翕. γ射线辐照石英玻璃吸收光谱的研究 [J]. 光谱学与光谱分析, 2003, 23(6):1060-1064. GAO S J, OUYANG S X. Influence of γ-ray irradiation on absorption in silica glasses [J].Spectrosc.Spect.Anal., 2003, 23(6):1060-1064. (in Chinese)

[25] 刘海,何世禹,魏强,等. 140 keV质子辐照对石英玻璃光谱性能影响的研究 [J]. 光学学报, 2003, 23(3):366-369. LIU H, HE S Y, WEI Q,etal.. A study on effects of proton radiation with 140 keV on spectrum property of quartz glass [J].ActaOpt.Sinica, 2003, 23(3):366-369. (in Chinese)

[26] ANTONINI P, BELOGUROV S, BRESSI G,etal.. Properties of Yb∶YG scintillators [J].Nucl.Instrum.MethodsPhys.Res.Sect. A, 2002, 486(1-2):220-227.

[27] RYBALTOVSKY A A, BOBKOV K K, VELMISKIN V V,etal.. The Yb-doped aluminosilicate fibers photodarkening mechanism based on the charge-transfer state excitation [J].SPIE, 2014, 8961(1):18-20.

[28] DROZDOWSKI W, BRYLEW K, WOJTOWICZ A J,etal.. 33 000 photons per MeV from mixed (Lu0.75Y0.25)3Al5O12∶Pr scintillator crystals [J].Opt.Mater.Express, 2014, 4(6):1207-1212.

侯晴(1990-)，女，山东枣庄人，硕士研究生，2013年于济南大学获得学士学位，主要从事Yb∶YAG超快闪烁性能的研究

E-mail: houqing@siom.ac.cn齐红基(1979-)，男，河南镇平人，研究员，博士生导师，2005年于中科院上海光机所获得博士学位，主要从事光学薄膜方面的研究。

E-mail: qhj@siom.ac.cn陈建玉(1978-)，男，山东临沂人，博士，高级工程师，2010年于中科院上海光机所获得博士学位，主要从事超快闪烁晶体方面的研究。

E-mail: jianyuchen@siom.ac.cn

Research Progress and Prospect of Yb-doped YAG Ultrafast Scintillation Crystal

HOU Qing1,2, CHEN Jian-yu2*, QI Hong-ji2*, HAN He-tong3, SONG Chao-hui3, ZHANG Kan3, ZHANG Hui4

(1.UniversityofChineseAcademyofSciences,Beijing100049,China;2.KeyLaboratoryofMaterialsforHighPowerLaser,ShanghaiInstituteofOpticsandFineMechanics,ChineseAcademyofSciences,Shanghai201800,China;3.NorthwestInstituteofNuclearTechnology,Xi’an710024,China; 4.TsinghuaUniversity，Beijing100084,China)

As an superior performance of laser crystal, Yb-doped YAG crystal has been widely used in high efficiency and power laser field. New research has shown that the response time of Yb∶YAG can attain up to 0.411 ns. The super ultrafast scintillation property of Yb∶YAG ultrafast scintillator has attracted broad attention in many researches such as pulsed radiation detection, inertial confinement fusion, space radiation detection and nuclear reaction kinetics. First of all, we described the research progress and ultrafast scintillation mechanism of Yb∶YAG crystal in this paper. Then, based the ultrafast scintillation mechanism above, the influences of temperature, Yb3+concentration, size of cation site, high energy ray irradiation and post-treatment on ultrafast scintillation were also discussed in detail. Aiming at the existing problems of Yb∶YAG ultrafast scintillation crystal, this paper presented corresponding explanation and the method of co-doped cation to influence the charge density distribution around so that to improve the scintillation properties. At last, we prospected the development direction of Yb∶YAG ultrafast scintillator in the future.

Yb∶YAG; ultrafast scintillation; scintillation mechanism; co-doped cation

2016-05-26；

2016-07-21

国家自然科学重点基金(11535010)； 上海光学精密机械研究所和清华大学及西北核技术研究所创新交叉团队； 国家青年自然科学基金(61308097)资助项目

1000-7032(2016)11-1323-09

O482.31

A

10.3788/fgxb20163711.1323

*CorrespondingAuthors,E-mail:jianyuchen@siom.ac.cn;qhj@siom.ac.cn