大尺寸高质量掺钇氟化钡闪烁晶体的透光特性

陈俊锋，李 翔，杜 勇，孙世允，陈 雷，陆裕贵，齐雪君

(中国科学院上海硅酸盐研究所，上海 201899)

氟化钡(BaF2)晶体是目前已知衰减时间最短的无机闪烁体之一，具有亚纳秒超快发光成分，但该晶体还存在光输出4～5倍于快成分、衰减时间约600 ns、发光峰值位于300 nm的慢发光成分，该慢成分的存在会在高计数率应用中引起严重的信号堆积，这很大程度地限制了该超快发光闪烁晶体在高计数率和超快时间测量领域的实际应用。稀土掺杂作为抑制BaF2晶体慢闪烁成分的有效途径之一，在过去20多年受到持续关注，但进度比较有限。

本研究组于2014年提出在BaF2晶体中引入Y，从而抑制慢闪烁成分的策略，并于2016年制备出BaF2∶1at%Y晶体，发现并在国际率先报道了Y掺杂在BaF2单晶中的慢分抑制特性(Chen, J., et al. (2018), IEEE Transactions on Nuclear Science 65(8): 2147-2151.)，但制备出BaF2∶1at%Y晶体的光学透过率和均匀性有待提高。为进一步提高Y掺杂的慢成分抑制效果，改善掺杂晶体的光学质量和均匀性，本研究尝试制备高Y掺杂、高光学质量和均匀性的BaF2∶Y晶体，满足高能物理强度前沿实验等领域对大尺寸、高光学质量超快无机闪烁体的迫切需求。

将纯度99.99%的BaF2和YF3原料进行充分烘干，按照BaF2∶YF3为0.97∶0.03的摩尔化学计量比进行精确称量，并混入一定量的脱氧剂，而后将BaF2、YF3和脱氧剂充分混合后，装入特制石墨坩埚并抽高真空。逐步升高温度至原料充分熔化后，保温2～10 h后，开始晶体生长，控温区间为1300～1400 ℃，下降速度为1～3 mm/h。生长结束后将晶体毛坯在生长炉中进行原位退火，而后将晶体以10～50 ℃/h的降温速率随生长炉缓慢冷却至室温，得到不开裂、结构完整的晶体毛坯，经过切割、研磨和抛光加工，得到全抛光的BaF2∶3at%Y晶体。

图1 采用真空坩埚下降法生长出的BaF2∶3at%Y晶体Fig.1 BaF2∶3at%Y single crystal grown by vacuum Bridgman method

图2 大尺寸BaF2∶3at%Y晶体 在不同位置处的光学透过谱Fig.2 Optical transmission spectra of large BaF2∶3at%Y crystal at different location

图1中给出了一个制备出的BaF2∶3at%Y晶体的照片，尺寸为30×30×200 mm3，晶体表面经过全抛光处理。从图中可以看出，该晶体无肉眼可见包裹体和开裂等宏观缺陷。图2给出了该晶体在不同位置处的光学透过谱，测试时光程为30 mm，测试位置分别距离籽晶端2 cm(上)、10 cm(中)和18 cm(下)，在图中透过率标示为S02 cm、S10 cm和S18 cm，图2同时给出了BaF2晶体在不同波长的透过率理论计算值(圆点)。从图2中可以看出，制备出的大尺寸BaF2∶3at%Y晶体具有较好的透光性能，距离籽晶端2 cm位置的光学透过率T@220 nm接近90%，且距离籽晶端2 cm、10 cm和18 cm处的透过率T@220 nm的最大差异仅约1%，说明制备出的大尺寸BaF2∶Y晶体的光学均匀性得到了显著改善。后期我们将进一步优化晶体制备工艺调整，优化Y掺杂浓度，分析Y大尺寸晶体中的分布规律和分凝特性，系统研究大尺寸Y掺杂晶体的光响应均匀性、快/慢成分比和衰减动力学等闪烁特性，推动大尺寸BaF2∶Y晶体在高能物理强度前沿装置(如Mu2e-II)和超快硬X射线成像等领域的应用。