《Optical Materials》：An enhancement of the light yield and improvement of its temperature dependence in mixed (Pb,Sr)WO
4:La,Y scintillator
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钨酸铅掺杂形成(Pb,Sr)WO4:La,Y新型自激活scintillator，通过调控Sr/Pb比例研究成分无序对结构、热稳定性和发光性能的影响。实验表明最优比例x=0.2-0.3使光输出提升50倍（达Bi4Ge3O12的115%），温度系数-0.6%/K，显著改善低能伽马射线探测性能。
M. Korzhik|A. Kuznetsov|A. Bondarau|V. Grigorieva|I. Komendo|D. Khramtsova|A. Postupaeva|V. Shlegel|Y. Talochka|A. Vasil’ev|A. Yelisseyev
白俄罗斯国立大学核问题研究所，明斯克，220006，白俄罗斯
摘要
本文研究了一种新型的PbWO4:La,Y晶体闪烁体，通过引入Sr制备了(Pb,Sr)WO4:La,Y化合物。在广泛的Pb/Sr比例范围内对其进行了研究，以确定能够扩展该材料应用范围的组成。利用X射线衍射、差示扫描量热法、光致发光和X射线激发发光光谱对其结构、热性能和发光性能进行了全面研究。结果表明，Sr/Pb比例的变化导致了成分的无序，这显著影响了闪烁效率（Y）及其动力学特性。闪烁效率Y(T)的热稳定性也得到了改善。值得注意的是，当x = 0.2–0.3时，其光输出比PbWO4提高了50倍。与Bi4Ge3O12相比，其Y值为15%，并且在300–400 K的温度范围内Y(T)的温度系数为–0.6 %/K。这种成分无序现象显著改善了材料性能，显示出开发高性能自激活闪烁体的潜力。
引言
具有M2+WO4（其中M为碱土金属或其他二价金属）结构的钨酸盐作为发光材料引起了广泛关注。特别是铅钨酸盐（PbWO4）在欧洲核子研究组织（CERN）的电磁量热计中作为闪烁体材料，在发现希格斯玻色子过程中发挥了重要作用[[1], [2], [3], [4], [5], [6], [7]]。然而，要将其用作低能伽马射线区域的闪烁体，最重要的参数是闪烁效率。在这种结构类型的双阳离子化合物中，发光中心是[WO4]2?氧阴离子配合物，它们构成了晶体基质；因此，闪烁机制是自激活的。这类材料的发光受到热淬火和迁移淬火过程的强烈影响[[8], [9], [10], [11], [12]]。由于这些淬火机制，发光效率相对较低，通过产生额外的发光中心来提高灵敏度的效果也受到限制[[13], [14], [15], [16]]。
为了解决这个问题，引入了钼离子[MoO4]2?，这使得发射带向更长波长移动[[17], [18], [19], [20], [21]]。然而，钼酸盐基团的发光具有约0.5 eV的较大斯托克斯位移，使其容易受到温度淬火的影响。此外，由于上述原因，通过形成[WO4]2?晶体晶格基团来增强钼复合体的发光效果仍然效率低下。
对于自激活闪烁体而言，除了光输出之外，另一个重要参数是Y(T)，它决定了材料在操作温度（通常为室温RT）下的功能特性。尽管如此，目前有一个快速发展的领域致力于测量井中的辐射背景，即所谓的井 logging。除了CaWO4闪烁体外，其他钨酸盐型化合物的Y(T)在低温下就已经开始下降[[10]]。实际感兴趣的是寻找能够改变Y(T)曲线的形状的方法，使得曲线下降部分向高于操作温度的温度方向移动。乍看之下，这个任务似乎难以解决。然而，参考文献[[22], [23], [24], [25], [26], [27]]中的作者表明，控制晶体结构中的成分无序是改善闪烁特性的有效手段。这包括提高闪烁效率和塑造所需的闪烁动力学曲线。这种控制已经应用于激活和自激活的无机闪烁材料。
在这项工作中，我们重点研究了可以控制自激活闪烁体闪烁输出温度依赖性的因素。文献分析表明，迄今为止尚未有研究能够实现Y(T)依赖性向更高温度的前所未有的偏移。作为研究对象，选择了具有类似钨酸盐结构的锶铅合金固溶体。最近，我们发现将锶离子和铅离子混合在Pb0.5Sr0.5WO4化合物中可以显著提高闪烁效率[[28]]。通过自发结晶获得了体积仅为几mm3的小尺寸单晶。该化合物具有高密度和有效的晶体基质电荷，使其适用于检测伽马射线。选择Pb和Sr离子来制备混合晶体是因为它们的离子半径非常接近：(CN6 = 1.19 ?) 和 (CN6 = 1.18 ?)。通过控制样品的合成以及对其光谱和闪烁性能的研究，确定了提供高Y值和Y(T)的最佳固溶体组成。这些结论得到了结构研究、固溶体熔化行为分析、电子态密度建模结果以及不同激发类型下的光谱数据的支持。
方法
使用TD-3700（Tongda，中国）布拉格-布伦塔诺衍射仪和CuKα射线获得了合成样品和生长样品的粉末X射线衍射图谱。此外，还使用GSAS-II程序中的Le Bail方法获得了PbxSr1-xWO4混合物的晶格参数[[29]]。
使用Netzsch公司的449 F5 Jupiter扫描热分析仪（DSC）研究了PbxSr1-xWO4样品的热性能；样品为50毫克粉末
光致发光性能
图5展示了PL和PLE光谱，以及积分PL强度图和PLE光谱边缘的位置。为了清晰起见，PL和PLE光谱在波长和能量两个尺度上进行了相对调整。
图5a和b显示了PbxSr1-xWO4样品的室温PL和PLE光谱。值得注意的是，纯PbWO4样品是通过研磨单晶获得的，其发光输出较高
结论
研究了PbxSr1-xWO4:La,Y固溶体的性能，以评估其在离子化辐射闪烁探测器中的潜在应用。由于所使用的二元钨酸盐化合物熔点差异较大，样品通过三阶段过程合成：首先形成SrWO4，然后在1050°C下对含有x = 1–0.5的混合物进行退火处理，在1150°C下对含有x = 0.5–0的混合物进行退火处理
CRediT作者贡献声明
M. Korzhik：撰写——初稿。
A. Kuznetsov：概念化。
A. Bondarau：数据管理。
V. Grigorieva：方法论。
I. Komendo：可视化。
D. Khramtsova：研究。
A. Postupaeva：研究。
V. Shlegel：形式分析。
Y. Talochka：软件。
A. Vasil’ev：撰写——审阅与编辑。
A. Yelisseyev：研究。
利益冲突声明
作者声明他们没有可能影响本文所述工作的利益冲突。
致谢
