鎢酸鉛閃爍晶體的摻雜效應和輻照損傷的研究.pdf

1、為了探索Higgs粒子的存在，歐洲核子研究中心(CERN)將于2005年建成最新的大型強子對撞機(LHC)，這對驗證粒子物理的“標準模型”具有重要意義。作為LHC上緊湊型μ介子螺旋探測器(CMS)的核心部件電磁量能器(ECAL)所選用的閃爍晶體，鎢酸鉛(PbWO4)晶體的閃爍性能及輻照損傷的研究成為近年來國際范圍內(nèi)閃爍晶體研究的一大熱點問題。作者首次采用正電子湮沒壽命譜對不同組分及不同摻雜PbWO4晶體中鉛空位(VPb)的變

2、化進行系統(tǒng)測試分析，并利用X射線光電子能譜的檢測手段研究晶體中低價氧[O-x(-2＜x＜0)]的變化情況，進而對其微觀缺陷和摻雜機制進行分析和研究，為進一步研究PbWO4晶體的吸收中心和發(fā)光機制提供了實驗依據(jù)。主要結(jié)論包括：(1)不同的+3價離子在PbWO4晶體中的摻雜機制不同，引入間隙和填隙兩種不同的微結(jié)構(gòu)缺陷。(2)摻鈮樣品中Nb5+占據(jù)W6+位使得晶體內(nèi)部分(WO4)2-根團形成(NbO3+VO)-。(3)富Pb樣品由于

3、晶體生長過程中PbO的揮發(fā)，使得晶體內(nèi)的VPb濃度仍接近于化學計量比PbWO4晶體。(4)富W樣品VPb濃度增加，低價氧濃度增加，與摻鈮樣品的VPb和低價氧變化趨勢相同。作者進一步按照“未處理→輻照→氧退火”實驗流程的設計，對未處理、輻照后、氧退火不同條件下的透射光譜進行測試，并根據(jù)前面研究得到的摻雜機制，對PbWO4晶體的吸收中心問題進行研究，發(fā)現(xiàn)：(1)PbWO4晶體中的350nm吸收中心由WO3+VO引起。[2]45

4、0nm處的淺色心吸收帶與大劑量γ輻照在晶體內(nèi)產(chǎn)生間隙氧離子相關(guān)。(3)出現(xiàn)嚴重輻照損傷的摻鉍PbWO4晶體其輻照損傷機制不同于其他晶體，主要是因為輻照使摻雜元素鉍發(fā)生Bi3+→Bi5+的變價行為，輻照后晶體中Bi5+替代W6+位并使得晶體內(nèi)部分(WO4)2-根團形成大量的誘導色心。根據(jù)前面的結(jié)論，作者進而研究了摻雜離子的類型和退火氣氛對PbWO4晶體閃爍性能的影響。本文的工作對指導PbWO4晶體的生長具有一定的幫助和指導意