引言
溴化铈(CeBr3)晶体是继铈离子激活的溴化镧(铈)(LaBr3：Ce)之后发现的又一种新型无机闪烁晶体,其兼具高光输出、快的时间响应、好的时间分辨和低本底等特性,是一种在低强度伽马测量和时间测量上很有前途的闪烁晶体。
与传统的NaI(TI)晶体相比,溴化铈晶体具有高的能量分辨率和快的时间响应,能更快速准确地识别放射性核素。而与LaBr3：Ce晶体相比,由于溴化铈晶体本身不存在放射性核素如138La,具有较低本征本底。因此，溴化铈晶体在高灵敏度、低信号计数率、快时间测量等应用方面更具优势,如在核安全检查中对于多种放射性核素混合和屏蔽情况快速有效检测、星球表面混合伽马射线的高灵敏度探测、以及环境放射性监测等。
国外较早开展溴化铈晶体的生长研究工作,2004年美国RMD公司Shah等采用石英坩埚下降法生长获得小体积溴化铈晶体(<0.3cm3),发现溴化铈晶体具有优良的闪烁性能,其能量分辨3.6%,衰减时间17ns。到2012年,德国Schott公司、荷兰Scionix公司生长溴化铈晶体尺寸达到2"x2"。目前,德国Hellma GmbH公司已生长出3英寸的溴化铈晶体。而国内未见溴化铈晶体生长研究的相关报道。
晶体制备
以无水的溴化铈为原料,其纯度为99.99%。为避免晶体生长过程中原料暴露空气中吸潮氧化,原料在真空手套箱中灌装人石英坩埚后即迅速抽真空,待真空度至10-5Pa后熔封坩埚。将石英坩埚置于自制的大气下降炉中,加热并控制炉温在825℃,调节坩埚至适当位置,使坩埚内原料熔化。然后以0.5~1mm/h速率平稳下降坩埚,坩埚内的熔体便从底部开始凝固结晶。当坩埚内熔体全部凝固结晶后,缓慢降低炉温至室温。生长出的1.5英寸溴化铈晶体毛坯经切割、磨抛处理后防潮密封在以石英片为光学窗口的铝盒中待测[1]。
性能测试[1]
1、荧光光谱
采用FLS920稳态瞬态荧光光谱仪测试了溴化铈晶体在紫外激发下的激发发射光谱和衰减时间。发射光谱测试采用的激发波长是351nm,扫描波长范围355~500nm;激发光谱采用的发射波长是390nm,扫描波长范围200~380nm。图中溴化铈晶体的激发和发射光谱。溴化铈晶体紫外激发的发射谱表现出Ce双峰发射的特征谱,发射峰位分别在372nm和390nm,归于Ce3+5d→4f跃迁发光。从溴化铈晶体激发发射谱可以看出，溴化铈晶体Ce发光具有较小斯托克斯位移约39nm,激发谱和发射谱之间发生了重叠,溴化铈晶体存在着发光自吸收现象。室温下,溴化铈晶体在372nm发射下衰减时间,如图所示。对衰减曲线进行拟合,拟合得到衰减时间T=22.12ns,属于Ce3+俘获电子-空穴发光。因此,溴化铈晶体发光表现为典型的快衰减的Ce发光特征。
2、透射光谱
对于闪烁晶体材料而言,在发光波段范围内有较高的光透过率,晶体受辐射激发发射的光,可以从晶体出光面高效透过并被有效收集。因此,高光学透过率是表征晶体发光一项重要的指标。从生长出晶体毛坯中加工出一块10mmx10mmx0.5mm和一块10mmx10mmx10mm的溴化铈晶体薄片,两端面抛光后用于测试。采用UV1801紫外可见分光光度计测试晶体的透射光谱,测试波长范围200~800nm。下图为溴化铈晶体的透射光谱。从图中可以看出,0.5mm厚溴化铈晶体紫外透过的截止波长为341nm,可近似看作 溴化铈晶体本征吸收边。10mm厚溴化铈晶体紫外透过的截止波长为355nm,且在晶体发射峰位(390nm)的光透过率为60%。由于溴化铈晶体存在自吸收影响,晶体发射峰短波边发光被晶体内部分Ce3+吸收再发射,使得溴化铈晶体本征吸收边向溴化铈晶体发光波段(350~450nm)方向红移,使得发射峰短波段350~390nm范围晶体透过率较低。因此,溴化铈晶体从出光面透射出光强度低于晶体实际发光。
3、闪烁性能
在137Cs放射源作用下,采用日本滨松CR119型光电倍增管,在ORTEC Digibase谱仪中测试溴化铈晶体的脉冲高度谱，并与同体积1.0"x1.0"的LaBr3:5mol%Ce、NaI(TI)晶体对比。溴化铈晶体的能量分辨率在4.26%,相对于NaI:TI闪烁体光输出的125%，介于NaI:TI晶体与LaBr3：5mol%Ce晶体之间。从理论上来讲,溴化铈晶体和LaBr3:5mol%Ce晶体都是Ce发光,溴化铈晶体本征发光应与LaBr3:5mol%Ce晶体相当。但受溴化铈晶体自吸收的影响,溴化铈晶体的一部分Ce受辐射激发发光被另一部分Ce3+吸收而再次激发发射光子,但由于再发射光子方向随机分布,而被吸收光子的初始方向损失,使得晶体内部发光到离开晶体而被收集的光子减少,导致溴化铈晶体光输出降低,低于LaBr3:5mol%Ce晶体。
参考文献
[1] 桂强,张春生,邹本飞,等. 溴化铈晶体的生长与性能研究[J]. 人工晶体学报,2016,45(1):69-72,84.