硅酸铋晶体（Bi4Si3O12，简称BSO）与锗酸铋晶体（Bi4Ge3O12，简称BGO）均属于优秀的闪烁晶体，晶体结构相同，且闪烁性能均来源于Bi的激发。虽然BGO晶体具备优异的闪烁性能，但其原料昂贵，且具有余辉衰减不够快等缺点，而BSO晶体不仅仅弥补了BGO晶体的这些不足，而且有望在双读出领域获得比BGO更具价值的应用[1]。然而，尽管BSO晶体具备许多优异的闪烁性能，但其光输出不大仍然是限制其进一步广泛应用的障碍。离子掺杂是改性BSO晶体性能的重要手段之一，由此，人们纷纷通过离子掺杂来改性BSO晶体。
1.1 硅酸铋晶体简介
硅酸铋晶体（Bi4Si3O12，简称BSO）是一种新型快计时重闪烁晶体，作为闪烁体BGO的最佳替代品之一，已引起了人们广泛的兴趣[2-7]，虽然BGO闪烁晶体具有密度高，辐射长度短，莫里埃半径小，不易潮解，容易机械加工，荧光光谱与普通光电倍增管和硅光电二极管相匹配等优点，已在核物理、高能物理及医学等领域得到了广泛的应用[2, 8, 9]，但BGO晶体中Ge是贵重的半导体原料，价格昂贵，且BGO晶体的余辉衰减不够快，辐照强度也不够高[9, 10]，而BSO晶体的余辉衰减时间比BGO快3倍，辐照强度高[1, 2]，而Ge与Si属同一主族，性质相似，因此人们希望用价格便宜的SiO2制成BSO闪烁体去代替BGO，以降低闪烁体的成本。表1.1列出了几种闪烁晶体的基本闪烁特性。
表1.1 若干晶体的基本特性
晶体 密度
（g/cm3） 辐射长度
（cm） 莫里哀半径
（cm） 光产额
（%NaI（Tl）） 衰减时间
（ns） 发射谱峰位（nm） 折射率
Nal（Tl） 3.67 2.59 4.80 100 230 410 1.85
CsI（Tl） 4.51 1.85 3.50 50—80 900 560 1.80
BGO 7.13 1.12 2.33 10—15 300 480 2.15
PbWO4 8.28 0.87 2.19 0.5—1 2/10/30 480 2.16
BSO 6.80 1.15 2—5 2/30/100 480 2.06
由表1.1可知，BSO晶体的衰减时间比BGO短，光产额低，其他性能与BGO相似。然而，纯BSO晶体虽然具有衰减时间短、抗辐照损伤能力强，原料成本低等优点，具有高的机械和化学稳定性并在核物理和高能物理的某些方面能够取代BGO[6]，但是其光输出不大[2]，这一不足严重限制了其进一步的广泛应用。由此，人们纷纷通过掺杂改性等研究来提高BSO晶体的光输出，改善闪烁性能，拓宽其用途。
1.2 掺杂BSO研究现状
目前，纯BSO晶体存在光输出不大等问题，科研工作者纷纷通过掺杂改性等研究来提高BSO晶体的光输出，试图提升其光学性能。离子掺杂是改善晶体性能的重要手段之一，人们对BSO晶体先后进行过Ce、Nd、Eu、Fe和Cr等稀土离子或过渡金属离子掺杂，并进行了光谱特性、闪烁性能等方面的研究[9, 11-14]。通过稀土离子掺杂来增强闪烁材料的光输出已有很多成功的先例，但在提高BSO光输出方面却遇到了困难。BSO晶体属立方晶系，其中Bi3+处于畸变的[BiO6]八面体中，而Si4+则位于[SiO4]硅氧四面体中，其晶体的结构示意图如图1.1所示，掺杂时杂质离子对本征元素进行规则取代而进人Bi3+的位置。如果离子或原子本身的性质、电价和半径彼此接近，在晶格中就可以相互替代而不破坏晶体原有的结构，从而形成类质同构替换。稀土元素Ce3+、Nd3+、Eu3+与Bi3+的离子半径接近，因此掺杂时Ce、Nd和Eu可以进入晶格中Bi的位置[9]。
图1.1 Bi4Si3O12晶体的结构示意图
费一汀等[8]发现Ce掺杂使得BSO晶体透射光谱的吸收边向长波方向移动，X射线激发的发射光谱和选定激发波长的发射光谱的发射峰向长波方向移动，大大降低了晶体的光产额本文来自优\文/论^文?网，
毕业论文 www.youerw.com 加7位QQ324~9114找原文。Nd的掺杂对光产额影响不大。Eu掺杂使发射峰微向短波方向移动外，而且使得光输出有一定的加强，这一发现对于Eu作为掺杂剂提高BSO晶体的光输出很有意义。另外，Ce3+和Eu3+作为电子陷阱能与晶格中的氧空位争夺电子，从原理上讲有助于减轻晶体的辐照损伤，这一推论有待于实验室的进一步验证。Senguttuvan等[15]发现的掺Nd的浓度在0.5％～5.0％的范围内，其掺杂BSO晶体的吸收系数随着掺杂浓度的增加而增大。近年来，开始有科研人员生长出掺Ge的BSO晶体，即可用BGSO表示[16]，有望获得全新的闪烁晶体，集合BGO和BSO各自的优异性能于一种晶体[17]，并具有良好的电学性能和离子传导功能[18, 19]。文献[20]表明其在波长为500nm之后透过率达到63%。
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