Cs2LiYCl6:Pr,Ca 单晶：一种高效的中子 - 伽马分辨闪烁体

《Radiation Measurements》：Cs 2LiYCl 6:Pr,Ca single crystal: An efficient neutron-gamma resolving scintillator

　　

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  未共掺和 Ca/Sr 共掺的 CLYC:Pr 单晶是通过垂直布里奇曼法生长的。
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  与 Ce 掺杂的 CLYC 相比，Pr 掺杂降低了 CVL 自吸收。
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  0.4 at% Ca 共掺的 CLYC:Pr 实现了高的 PSD 性能，品质因数（FoM）为 7.0。

引言

中子探测器广泛应用于核辐射监测系统，并在国土安全、防扩散和核物理中发挥关键作用 (Bernstein et al., 2002; Cie?lak et al., 2019; Glodo et al., 2017)。在实际辐射检测场景中，中子场通常伴随着强伽马射线背景，因此可靠地甄别中子和伽马事件对于准确的辐射识别至关重要。由于中子是电中性的，它们不能通过电离直接检测。因此，中子检测依赖于具有大中子俘获截面的核素，如 ³He、⁶L和 ¹⁰B (Shekhovtsov et al., 2002; van Eijk, 2012)。中子俘获后，这些核素产生高能带电粒子（如α粒子或质子），这些粒子可以通过闪烁过程被检测。传统的中子 - 伽马甄别系统通常结合 ³He 正比计数器用于中子检测与 NaI:Tl 闪烁体用于伽马射线测量。然而，³He 的全球短缺，加上其高成本和庞大的探测器几何结构，限制了进一步的微型化和大面积部署 (Kouzes et al., 2010; Nelson et al., 2012; Peerani et al., 2012)。因此，人们投入了大量精力开发闪烁体材料，以提供有效的 spectroscopic 性能和中子 - 伽马甄别能力。

目前，商业化可用的中子 - 伽马双模式闪烁体主要包括 CLYC:Ce、Cs₂LiLaBr₆:Ce (CLLB:Ce) 和 NaI:Tl,Li (Bessière et al., 2005; Tong et al., 2024; Yang et al., 2017)。然而，每种材料都显示出明显的优势和局限性。CLLB:Ce 提供了约 47,000 光子/MeV 的高光输出和 662 keV 下 3.7% 的能量分辨率。然而，它的脉冲形状甄别（PSD）性能较差，品质因数（FoM）仅为 1.3 (Tong et al., 2024)。NaI:Tl,Li 表现出不错的中子 - 伽马甄别能力，品质因数达到 4.3，但其能量分辨率有限，在 662 keV 下约为 7% (Yang et al., 2017)。CLYC:Ce 提供了更平衡的性能，品质因数为 3，在 662 keV 下能量分辨率约为 4.5% (Bessière et al., 2005; Combes et al., 1999; Higgins et al., 2010)。然而，它也表现出一些局限性。Ce 离子的吸收带与 CLYC 基质的内在芯级到价带发光（CVL）发射强烈重叠，这导致了显著的自吸收效应 (Bessière et al., 2004)。在γ射线激发下，CVL 清晰可见，而在中子激发下它被强烈猝灭，对总闪烁信号的贡献要小得多，这使得它成为 CLYC:Ce 的 PSD 能力的重要组成部分。CVL 成分的减少会显著降低甄别性能，尤其是在大晶体中，发射再吸收变得更加严重。相比之下，Pr³⁺ 的吸收带不与 CLYC 基质中的 CVL 发射重叠。用 Pr³⁺ 替代 Ce³⁺ 可以减少基于 CLYC 的闪烁体中的 CVL 自吸收，据报道可以提高 PSD 性能 (Wang, 2023)。此外，通过异价离子共掺进行缺陷工程已被广泛探索以提高闪烁性能。例如，据报道 LaBr₃:Ce 中的 Sr 共掺 (Alekhin et al., 2013) 和 SrI₂:Eu 中的 Zr 掺杂可以提高能量比例性，抑制电荷载流子陷阱，提高能量传递效率，并调整闪烁衰减动力学 (Wu et al., 2020)。

到目前为止，CLYC 中活化剂替代（Ce³⁺→Pr³⁺）和碱土共掺的组合策略受到的关注有限。特别是，尚不清楚 Pr³⁺ 替代加上碱土共掺是否能在保持或提高 PSD 性能的同时减少 CVL 自吸收。在本工作中，使用垂直布里奇曼法生长了 Pr³⁺ 掺杂的 CLYC 单晶和 Ca/Sr 共掺变体。首先研究了它们的光学和发光性质，随后调查了闪烁衰减动力学和中子 - 伽马甄别性能。

章节摘要

实验

所研究的 CLYC:Pr 单晶以及 Ca/Sr 共掺 CLYC:Pr 单晶是通过垂直布里奇曼法生长的。Cs₂YCl₅ (99.99%, 北京格瑞特新材料有限公司), ⁶LiCl (99.995%, ⁶Li 富集度 >95%, APL Engineered Materials), PrCl₃ (99.99%, APL Engineered Materials), CaCl₂ 和 SrCl₂ (99.9%, 北京格瑞特新材料有限公司) 被用作起始材料。原材料在充满氮气的 7 毫米直径碳涂层石英安瓿瓶中混合

光学和 X 射线激发下的光谱性质

如图 1(a) 所示，通过布里奇曼法生长了具有高光学质量的未共掺 CLYC:Pr 和 Ca/Sr 共掺 CLYC:Pr 块体晶体。提取了 7 个尺寸为φ7 × 7 mm³ 的样品并进行抛光以供进一步研究。所有样品均透明、无色且无包体。为了验证活化剂和共掺元素的掺入，通过电感耦合等离子体发射光谱法（ICP-OES）测量了 CLYC:Pr 晶体中实际的掺杂剂浓度，并且

结论

在本研究中，通过垂直布里奇曼法生长了未共掺和 Ca/Sr 共掺的 CLYC:Pr 单晶。Pr³⁺ 激发和 CVL 发射带之间的光谱分离使得 CVL 成分比在 Ce 掺杂的 CLYC 中得到更好的保留，这有利于 PSD。基于这一特征，引入碱土共掺以进一步调整 CLYC:Pr 的闪烁衰减动力学。Ca 和 Sr 共掺的比较表明，PSD 性能高度

CRediT 作者贡献声明

Yuhao Zhang: 写作 – 初稿，可视化，方法论，调查，形式分析，数据整理，概念化。 Yufeng Tong: 写作 – 审查和编辑，验证，方法论，形式分析。 Xilei Sun: 写作 – 审查和编辑，验证，调查。 Yuntao Wu: 写作 – 审查和编辑，监督，资源，项目管理，资金获取，概念化。

竞争利益声明

作者声明，他们没有已知的竞争财务利益或个人关系，这些利益或关系可能会影响本文报告的工作。

作者是该期刊的编委/主编/副主编/客座编辑，并未参与本文的编辑审查或发表决定。

致谢

本工作得到了 广东省重点领域研发计划 (2024B0101070003), 国家自然科学基金 (12575331, 12305211, 12575203) 以及 中国科学院基础研究青年科学家项目 (YSBR-024) 的支持。

Yuhao Zhang|Yufeng Tong|Xilei Sun|Yuntao Wu