垂直梯度凝固（VGF）技术作为成本效益高的对 stilbene 闪烁体晶体生长方法及其结构、光学和α-γ闪烁特性的研究

《Materials Science and Engineering: B》：Vertical gradient freeze (VGF) technique as a cost-effective method for growth of trans-stilbene scintillator crystal and investigation of its structural, optical, and alpha – gamma scintillation characteristics

　　

摘要亮点

• •首次报道利用VGF法生长厘米级反式二苯乙烯（trans-stilbene）晶体。
• •将VGF确立为一种可扩展、具有成本效益的晶体生长替代方法。
• •75%的透过率和88.8 meV的Urbach能表明晶体质量良好。
• •伽马和阿尔法诱导发光产额分别为23,141和1,166光子/MeV。
• •伽马/阿尔法脉冲形状甄别实现了FoM为2.92的鉴别性能。

引言

有机闪烁体长期以来在电离辐射（尤其是中子和伽马射线）的探测与甄别中发挥着关键作用[1], [2]。在众多为此目的研究的有机材料中，反式二苯乙烯（TSB）因其卓越的闪烁特性而备受关注。它具有高发光产额、快速荧光衰减以及尤其突出的脉冲形状甄别（PSD）能力——能够有效地区分不同类型的电离辐射[3], [4]。这些特性使TSB成为 homeland security、核不扩散、医疗诊断、高能物理和空间任务等广泛应用的首选材料。TSB的分子结构（C₁₄H₁₂）由两个苯环通过一个中心乙烯桥连接而成[5]，为高效的能量传递和快速的辐射复合提供了有利的框架，从而赋予其理想的闪烁特性。然而，阻碍该材料更广泛利用的主要挑战之一在于生长具有均匀性质且缺陷最少的大型高质量单晶。有机晶体总体而言对生长条件较为敏感，TSB也不例外。其较低的熔点、各向异性的生长行为以及凝固过程中容易产生裂纹和包体的倾向，要求在生长环境中进行精确控制以实现最佳光学质量。溶液法和布里奇曼法已被广泛用于TSB及其他有机晶体的生长[6], [7], [8], [9], [10], [11], [12], [13], [14]。虽然这些方法取得了成功的晶体生长，但往往存在局限性，如设备成本高、装置复杂、溶剂污染风险或工艺放大困难[15], [16]。因此，寻找一种更高效、可重复且成本效益更优的方法来生长高质量TSB晶体仍然是一个重要的研究领域。在此背景下，垂直梯度凝固法（VGF）作为一种有前途的晶体熔体生长替代方案崭露头角[17], [18]。其相对简单、可扩展性和有效性使VGF成为生产大型透明单晶的合适选择，这些晶体适用于光学和闪烁探测相关应用。因此，本工作采用VGF方法生长TSB晶体。据作者所知，文献中尚无关于利用VGF法生长反式二苯乙烯晶体的报道。

本工作的主要目标是确立VGF技术作为生长TSB单晶的一种可靠且具有潜在成本效益的途径，并系统地研究其结构、光学、发光、机械和闪烁特性。晶体生长后，综合采用不同的结构和光学技术对生长晶体进行了全面表征，包括伽马和阿尔法诱导闪烁响应、闪烁衰减特性和脉冲形状甄别。这些分析为晶体质量、光学透明度和对电离辐射的响应提供了深入了解，这些是晶体在辐射探测系统中实际部署的关键参数。本工作预计不仅能对生长大型有机闪烁体的持续努力做出贡献，还能为晶体工程开辟新方向，通过定制生长条件进一步提升有机材料在技术应用中的性能。

章节摘要

VGF装置与晶体生长

为生长TSB晶体，采用了一种新颖的VGF技术，并据此设计制造了生长装置和仪器。在传统布里奇曼技术中，装有材料的安瓿缓慢通过熔点附近的温度梯度。本文报道的技术创新之处在于限制了安瓿的移动。取而代之的是，通过在一个特殊设计的装置中以适当的冷却速率移动液-固结晶界面来实现晶体生长。

表征

使用Rigaku Geigerflex衍射仪以Cu Kα辐射记录了粉末X射线衍射（P-XRD）。利用Proto-Make Laue仪器进行劳厄X射线衍射（Laue XRD）。使用Bruker AXS Kappa APEX II CCD衍射仪收集单晶X射线衍射（SCXRD）数据，采用单色Mo K_α辐射（λ = 0.7107 ?）。使用Bruker Alpha II光谱仪记录傅里叶变换红外（FTIR）光谱。折射率和双折射测量为

结论

本工作成功利用静止安瓿VGF技术生长了厘米级TSB单晶。实验测得的炉温分布提供了受控的轴向温度梯度，径向温度变化较小，所选的冷却条件实现了晶体的受控凝固和生长，未见宏观裂纹。P-XRD证实了生长材料的相纯度，Laue XRD和SCXRD确认了其良好的

CRediT作者贡献声明

Anjan Pal：验证、方法论、调查研究、形式分析、数据整理、概念化、原创草稿撰写、软件、可视化。Sujan Kar：原创草稿撰写、方法论、调查研究、数据整理、概念化、可视化。C. Debnath：形式分析、数据整理、调查研究。B. Sahaya Infant Lasalle：数据整理、形式分析。M. Senthil Pandian：数据整理、形式分析。S. Raj Mohan：调查研究、数据整理、形式分析。

资助

本工作由Raja Ramanna Centre for Advanced Technology, Indore从印度原子能部获得的研发资金资助。

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文所述工作的已知竞争性财务利益或个人关系。

致谢

感谢IIT Madras DST-SAIF SCXRD实验室提供SCXRD数据采集、结构解析和精修支持。感谢Indranil Bhaumik博士提供劳厄X射线衍射支持，感谢G. Haridas博士在放射源方面提供的帮助。

Anjan Pal|Sujan Kar|C. Debnath|B. Sahaya Infant Lasalle|M. Senthil Pandian|S. Raj Mohan|Mohit Tyagi|Sunil Verma