徐 揚(yáng)，董鴻林，石自彬，李德輝，吳玉池，付昌祿

(1. 中國電子科技集團(tuán)公司第二十六研究所, 重慶 400060；2. 激光聚變研究中心，四川 綿陽 621000)

0 引言

鋁酸釔镥(LuYAP)∶Ce晶體是新一代閃爍晶體材料，具有衰減時(shí)間短，光產(chǎn)額高，密度大，有效原子序數(shù)大及不潮解的特性，同時(shí)具有良好的物理化學(xué)穩(wěn)定性，是綜合性能優(yōu)良的閃爍體材料。該晶體是鋁酸镥(LuAP)和鋁酸釔(YAP)的固溶體結(jié)構(gòu)，隨著晶體中镥組分含量的增加，晶體密度變大，有效原子序數(shù)增加，衰減時(shí)間縮短。自20世紀(jì)90年代起，國外已開始對(duì)具有上述優(yōu)良性能的高镥組分LuYAP∶Ce閃爍材料進(jìn)行研究。一些歐美公司(如蘇格蘭的PML、俄羅斯的BTCP、烏克蘭的IPR、捷克的CRYTUR、波蘭的ITME)已能批量提供镥摩爾比約70%的晶體產(chǎn)品[1-3]。要突破新一代皮秒級(jí)正電子湮滅探測(cè)技術(shù)的瓶頸，需要使用衰減時(shí)間短，光產(chǎn)額高及有效原子序數(shù)大的閃爍晶體。21世紀(jì)初，為打破國外對(duì)高镥組分LuYAP∶Ce晶體材料的限制，中國電子科技集團(tuán)第二十六研究所對(duì)LuYAP∶Ce晶體進(jìn)行了一系列研究。目前采用提拉法能生長出40 mm×100 mm、r(Lu)∶r(Y)≈7∶3(摩爾比)的LuYAP∶Ce晶體，接近國際先進(jìn)水平。

為解決激光脈沖正電子源技術(shù)研究中正電子湮滅譜能量精度低及效率差等問題，本文進(jìn)一步對(duì)LuYAP∶Ce閃爍晶體陣列進(jìn)行了研究。采用LuYAP∶Ce晶體制作閃爍晶體陣列，配合多通道高速探測(cè)器研制多通道陣列式探測(cè)器，能快速獲得皮秒級(jí)正電子湮滅的精確信息[3]。

1 實(shí)驗(yàn)

利用自主研發(fā)的提拉爐進(jìn)行了LuYAP∶Ce晶體生長。將配置好的原料壓制成料錠，處理合成多晶料，放入銥坩鍋中熔化后，經(jīng)過收頸、放肩、等徑及收尾等工藝，完成晶體生長過程。為消除生長過程中產(chǎn)生的熱應(yīng)力，需要對(duì)晶體進(jìn)行退火處理。通過退火處理改善了晶體中氧空位的分布，一定程度上提升了光輸出指標(biāo)。圖1為經(jīng)過退火處理的LuYAP∶Ce原生晶體[4]。

圖1 原生晶體照片

對(duì)LuYAP∶Ce晶體頭、尾加工相同尺寸的測(cè)試片進(jìn)行了光輸出測(cè)試，頭、尾均勻性均達(dá)90%。表1為晶體頭、尾發(fā)光均勻性測(cè)試。

表1 晶體頭、尾發(fā)光均勻性測(cè)試

2 晶體加工

為裝配成具有良好光學(xué)性能的晶體陣列，需要將晶體加工成六面拋光處理的晶條，加工過程為：

1) 切割。使用多線切割機(jī)將LuYAP∶Ce晶體粗加工成規(guī)定的晶條形狀，并預(yù)留出足夠的磨拋加工余量。

2) 研磨。選用碳化硅磨料和白剛玉對(duì)LuYAP∶Ce晶條進(jìn)行粗磨和細(xì)磨。

3) 拋光。采用雙軸透鏡研磨機(jī)設(shè)備，首先用微米級(jí)白剛玉拋光液和合成纖維拋光布對(duì)晶體進(jìn)行粗拋，然后采用納米級(jí)二氧化硅膠體拋光液、尼龍拋光墊對(duì)晶條進(jìn)行化學(xué)機(jī)械拋光。

經(jīng)化學(xué)機(jī)械拋光后，LuYAP∶Ce晶條表面微觀缺陷明顯減少，光潔度指標(biāo)達(dá)到美軍標(biāo)的40/10標(biāo)準(zhǔn)[5]。

3 陣列裝配

LuYAP∶Ce晶體陣列內(nèi)部單元的分布均勻性對(duì)探測(cè)器模塊耦合質(zhì)量及探測(cè)器的探測(cè)效率有直接影響，而填充物的選擇對(duì)分布均勻性有重要影響。組裝前對(duì)單根晶條進(jìn)行了篩選測(cè)試，選出性能接近的1組晶條(64根)。采用硫酸鋇粉末與光學(xué)膠混合填充物方式[6]，裝配成8×8閃爍晶體陣列,圖2為組裝后的陣列。

圖2 BaSO4填充方式裝配的閃爍晶體陣列

4 測(cè)試

利用X線光機(jī)發(fā)出的X線源將裝配好的LuYAP∶Ce閃爍晶體陣列經(jīng)一定途徑均化后，均勻照射在LuYAP∶Ce閃爍晶體陣列上，激發(fā)閃爍晶體陣列發(fā)出的可見光通過光錐引導(dǎo)，最終被光電倍增管記錄，并通過CCD記錄光信號(hào)的強(qiáng)度來判斷發(fā)光情況。測(cè)試時(shí)，LuYAP∶Ce閃爍晶體陣列與X線光機(jī)的間距為100 cm，以保證照射到LuYAP∶Ce閃爍晶體陣列上的X線光源既具有能量均勻性，又具有強(qiáng)度劑量均勻性，圖3為測(cè)試后的CCD原始圖像。

圖3 CCD采集到的發(fā)光信息

由圖3可看出，第N個(gè)像素的發(fā)光不均勻性表示為|Nn-Nave|/Nave(其中Nn為第n個(gè)像素的計(jì)數(shù)強(qiáng)度，Nave為所有像素的計(jì)數(shù)強(qiáng)度平均值)，陣列的發(fā)光不均勻性是對(duì)每個(gè)像素的發(fā)光不均勻性再取平均值，經(jīng)計(jì)算所測(cè)陣列的不均勻性為14.8%。 此外,對(duì)陣列的發(fā)光余輝進(jìn)行了測(cè)量,在光機(jī)照射1 min后,打開測(cè)試系統(tǒng)繼續(xù)測(cè)量可見光,發(fā)現(xiàn)光電倍增管上得到的計(jì)數(shù)強(qiáng)度很低，表明陣列無嚴(yán)重余輝問題。

5 結(jié)束語

經(jīng)過具體生長、晶條加工及陣列裝配環(huán)節(jié)，制作了8×8的LuYAP∶Ce閃爍晶體陣列。在X線光機(jī)上開展了陣列的發(fā)光均勻性測(cè)試，測(cè)得發(fā)光不均勻性為14.8%，待測(cè)陣列無明顯壞點(diǎn)及拼接錯(cuò)位情況，也無發(fā)光余暉問題。