pbwo4晶体晶轴细胞的偏振光谱

pbwo4晶体晶轴细胞的偏振光谱

1pwo4晶体的特性为了研究物质的基本粒径和性质，欧洲核子中心（cerm）在本世纪初达到了世界上最大的强子对撞机lh。其核心之一是建设一台高精度的电磁量能器(CMS-ECAL)。由于PbWO4(PWO)晶体具有密度大,辐射长度短,辐照硬度高,衰减时间短,价格便宜等优点,故使它成为该电磁量能器首选的闪烁晶体。但是它在室温下的发光率很低、发光性能和抗辐照硬度都与样品有关,如何提高PWO晶体的闪烁性能成为研究的热点。大多数钨酸盐晶体在室温下都显示很强的蓝色和绿色发光,发光衰减常数一般为微秒级。典型的PbWO4晶体激发发射光谱包含了一个蓝光带和两个绿光带和一个红光带。由于PbWO4晶体中存在着多个发光中心,其发光曲线可由几个指数型的衰减式之和来拟合,故90%以上的光输出在20ns以内完成。根据Lecoq的结果:发光初始阶段有一个衰减常数τ=2ns的快发光分量,随后是τ=5ns(蓝光),τ=9ns和τ=15ns(两个绿光带),而红光的衰减时间为38ns。由于PWO是一种非化学计量晶体,其生长后的吸收带取决于晶体的生长条件、材料的纯度及熔体中化学计量的变化量,因此,晶体与晶体之间相差较大。典型的PWO晶体生长后呈现一个比较弱的吸收带,它的峰值位于350nm附近。当用高能粒子或紫外辐照PWO晶体时,能使PWO晶体产生诱导色心。经赋色的PbWO4晶体吸收光谱除了具有350nm吸收带之外,还在400nm附近出现一个强吸收带,在500nm～700nm呈现一个宽带。由于400nm吸收带与PWO晶体400nm发射谱交叠,因此,严重影响了晶体闪烁性能,并导致光产额下降。有关PWO晶体的吸收谱的研究已有很多报道,认为吸收谱起因于色心。吸收带中峰值位于350nm,400nm及500nm～700nm的谱线分别被归因于Pb3+心,O-心,F+和F心。PWO的详细结构信息及结构示意图由CAD-4型自动四圆衍射实验结果给出,文中为了探究PWO吸收带的结构起因,所以测量了生成态的PWO晶体的偏振吸收光谱以及经紫外辐照的PWO吸收谱,结果显示峰值位于400nm的强吸收带对偏振光并不显现出二向色性。对此吸收带的起因在文中将进行讨论。2两谱线相对强度的特征实验采用的PWO晶体是用改进了的Bridgeman方法生长的。所用的原料氧化铅(PbO)及三氧化钨(WO3)的纯度为5个9。用于测量吸收谱的样品从同一晶体切割获取。晶轴C分别平行及垂直于表面的样品被磨制成10×10×1(mm3)的大小。随后的着色由紫外辐射完成(1kW的汞灯辐照10h)。吸收谱由SHIMADZU-UVPC2510型分光计测量。样品的自然光吸收谱线如图1所示。(a)晶轴垂直于表面的吸收谱,(b)晶轴平行于表面的吸收谱,(c)把(a)(b)两吸收谱迭在一起的图线。吸收谱在350nm处有一弱带出现,在400nm处有一强带出现,在500nm～700nm范围有一宽带出现。从图中可以看出两谱线在相对强度方面呈现出不同的谱线特征,只有在400nm带区两谱线才呈现出相同的相对强度。为了确定吸收带的结构起因,实验对晶体结构很敏感的偏振吸收光谱也作了测量,偏振吸收光谱的测量是在光路中在样品前放置一尼科耳棱镜来实现的。用来做偏振吸收光谱的样品的晶轴是平行其表面的。旋转尼科耳棱镜可以改变偏振光光矢E和晶轴C之间的夹角。如果用射入尼科耳棱镜的光作为参考,那么E⊥C,E//C及E和C之间的夹角为45°的着色PWO晶体的偏振吸收光谱分别如图2的(a),(b),(c)所示。谱线在400nm处有最强的吸收带,在350nm处有一个弱带,在500nm～700nm范围内有一宽带。如果把图2中的(a),(b)两条谱线曲线画在同一张图(c)上,便可以很清楚地看出,峰值在350nm的吸收带及峰值在500nm～700nm范围内的宽带的两相对光强的明显不同。而两谱线在400nm带处有着相同的光强,它显示400nm带对偏振光吸收不显出二向色性。3原子占位比及位置X光四圆衍射实验测量给出了许多关于PWO晶体结构的信息。PWO有着白钨矿的结构。因为有铅空位和氧空位的存在,故它的化学式为Pb7WO32-x。在PWO晶体中,存在着三种类型的铅原子,两种类型的氧原子。未排满的Pb(1)位,被八个O(1)原子所包围,其形状呈正四边反棱镜。已排满的O(2)位,被八个O(2)原子所包围,其形状呈正四边反棱镜,并有着较大的尺寸。Pb(3)被四个O(1)原子和四个O(2)原子所包围,其形状呈不规则的多边形棱镜。W原子完全占有一个格位,第一邻位是两个O(1)原子和两个O(2)原子。每一个O(1)原子有一个Pb(1),一个P(3)和一个W原子作为第一近邻。每一个O(2)原子有一个Pb(2),一个P(3)和一个W原子作为第一近邻。PWO中的原子占有率及原子,离子之间的距离分别在表1和表2中列出。以Pb为中心的Pb-O位,以W为中心的W-O位和以O为中心的O位的最邻近排列,如图3所示。可以看出每个铅位都由八个包围它的氧离子所构成,因而具有最高的对称性。表1中列出的原子占有率显示,在生长中的PWO晶体中存在着一些铅空位(记为VPb)和氧空位(记为VO)。VPb是正二价的,VO是负二价的,一对VPb-VO是局域电中性的缺陷中心。然而VPb的数量比VO的数量多。因此,除了VPb-VO对以外,还有剩余的VPb存在于PWO晶体中。剩余的VPb是一个负电中心,它要俘获正电中心以维持本地的电中性。在纯净的PWO晶体中,有可能的带正电的色心除了VO以外,分别是F+,Pb3+以及O-。F+心是VO俘获一个空穴所形成的,它与氧格位有相同的对称性。当一个VO俘获了两个空穴,就构成了F心,并与氧格位有相同的对称性。Pb3+和铅格位有相同的对称性。O-心和F+心或F心有相同的对称性。440偏振光c的中心振幅吸收PWO晶体是各向异性的晶体,不同的离子有它们不同对称性的最近的配位结构。任何色心对称轴在样品表面的投影记作P,P和C轴之间的角度记作θ。用于偏振光吸收测量的样品的晶轴是位于其表面的,如果入射偏振光的电矢量E//C;,其中心振幅的吸收应为E×cosθ。因此,如果入射偏振光的电矢量E⊥C,其中心振幅的吸收应为E×sinθ。如果0<θ<π/4,E//C的中心的偏振光的吸收强度比E⊥C的要大。否则,如果π/4<θ<π/2,E⊥C的中心的偏振光的吸收强度比E//C的要大。因此,如果色心是各向同性的,它在偏振光吸收中就不显出二向色性,因为E⊥C跟E//C的偏振光吸收是相同的。根据偏振光的吸收光谱,400nm带不显出二向色性,它只能由各向同性的色心所产生。在PWO晶体中,O-位配位晶格是非对称的,O-心的光谱特性在偏振吸收光谱中不显出二向色性。因此,PWO晶体中以400nm为峰值的吸收带不能起源于O-心。Pb位是唯一具有最高对称性的晶格位。如果在晶体中存在Pb3+,那么它就是引起400nm吸收带唯一可能的中心。所以把此带归因于Pb3+心。5mn吸收带的光学特征在文中,单晶PWO晶体是用改进了的Bridgeman方法生长的。实验对晶轴垂直及平行于表面的样品的光学吸收谱分别作了测量。光谱特征显出不同的相对强度。对晶轴平行于表面的偏振吸收光谱也作了测量。偏振光光矢方向垂直于晶轴