上海光机所在提高大尺寸高密度氟氧玻璃的闪烁性能研究方面取得新进展

近期，中国科学院上海光学精密机械研究所先进激光与光电功能材料部特种玻璃与光纤研究中心团队，基于掺铈高钆氟氧玻璃，首次实现大尺寸玻璃兼具高密度、高光产额和快衰减等特点。相关成果以“Scintillation and photoluminescence performance of Ce^3＋－doped high gadolinium oxyfluoride glass for Circular Electron－Positron Collider （CEPC）”为题，发表在Ceramics International。

闪烁玻璃兼具塑料闪烁体的低成本优势和闪烁晶体的高密度优势。早在上世纪90年代，欧洲核子中心就提出将闪烁玻璃用于大型强子对撞机实验上的电磁量能器。随着2012年希格斯粒子在欧洲核子中心被发现，粒子物理标准模型中的最后一块拼图已经被找到。为了实现对希格斯粒子和玻色子特性的深入研究和建立新的粒子物理模型，中国科学家提出在中国本土建造 100 km 周长的环形正负电子对撞机（CEPC）。其中作为高能射线能量转换介质的闪烁材料需求量高达几十吨以上，发展低成本大尺寸快闪烁玻璃是建设的关键，也是国际上的共识。

2023年6月，研究团队和中国科学院高能物理研究所等单位合作研制新型高密度闪烁玻璃。通过调控玻璃组成，优化还原制备工艺，研究团队制备了闪烁性能优异的大尺寸（4 cm×4 cm×1 cm）掺铈高钆氟氧玻璃（SBAGF），玻璃密度达到5．83 g／cm³，γ射线（¹³⁷Cs）照射下光产额达到1198 ph／MeV，能量分辨率为33．0％。其中，闪烁衰减时间存在快慢两个分量，分别为112 ns （3．31％）和1366 ns （96．69％）。该研究表明掺铈高钆氟氧玻璃有可能成为CEPC高能射线探测的玻璃闪烁体材料。

图1 （a） SBAGF玻璃实物图，（b） SBAGF玻璃和BGO 晶体在¹³⁷Cs （662 keV） 放射源下的能谱，（c） SBAGF玻璃的闪烁衰减曲线