Влияние спекающих добавок на микроструктуру и функциональные свойства сцинтилляционной керамики сложного состава
DOI:
https://doi.org/10.54708/26587572_2026_832633Ключевые слова:
керамика, гранат, микроструктура, спекающие добавки, люминесценция, сцинтилляцияАннотация
С использованием различных спекающих добавок (B2O3, SiO2, ZrO2) в различных режимах спекания были получены сцинтилляционные керамики на основе соединения со структурой граната состава (Gd,Y)3(Al,Ga)5O12:Ce (GYAGG:Ce). Были исследованы их микроструктура, оптические и функциональные свойства. Показано, что внесение добавок оказывает влияние в первую очередь на особенности микроструктуры керамики и, соответственно, на её оптические свойства, в ряде случаев слабо затрагивая или не затрагивая вовсе их функциональные свойства. Так спекание в атмосфере кислорода при 1700 °С с добавлением 0,01 масс.% B2O3 или SiO2 в качестве спекающих добавок позволяет снижать остаточную пористость в структуре керамики до менее 0,01 об.%, что в свою очередь повышает оптическую прозрачность до 60%. При этом при внесении добавки на основе SiO2 происходит определённое повышение световыхода сцинтилляции с 35 до 45 фотонов/кэВ и замедление кинетики высвечивания люминесценции с 57 до 74 нс. Это позволяет сделать вывод о возможности использования спекающих добавок в качестве эффективного приёма улучшения равномерности микроструктуры и повышения оптической прозрачности керамики на основе сложных оксидных соединений GYAGG, что принципиально важно для ряда областей применения, в частности, в качестве сцинтилляционных элементов детекторов в досмотровой технике и медицинских рентгеновских сканерах.Библиографические ссылки
Glodo J., Wang Y., Shawgo R., et al. New developments in scintillators for security applications // Physics Procedia. 90, 285–290 (2017). DOI: 10.1016/j.phpro.2017.09.012.
Ronda C. Scintillators for medical imaging // Optical Materials. 10(22), 100293 (2024). DOI: 10.1016/j.omx.2024.100293.
Anastasios D., Christos M., Ioannis V., et al. Experimental evaluation of GAGG: Ce crystalline scintillator properties under X-Ray radiation // Crystals. 15(7), 590 (2025). DOI: 10.3390/cryst15070590.
Wang Y., Baldoni G., Brecher C., et al. Properties of transparent (Gd,Lu)3(Al,Ga)5O12:Ce ceramic with Mg, Ca and Ce co-dopants // Medical Applications of Radiation Detectors. 9594, 50–57 (2015). DOI: 10.1117/12.2187123.
Korzhik M., Borisevich E., Dubov V., et al. Comparison of the response non-proportionality to gamma-rays in single crystalline and ceramic scintillation materials of the (Gd,Y,Lu)3(Al,Ga)5O12 family // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment. 1083, 171107 (2025). DOI: 10.1016/j.nima.2025.171107.
Korzhik M., Abashev R., Fedorov A., et al. Towards effective indirect radioisotope energy converters with bright and radiation hard scintillators of (Gd,Y)3Al2Ga3O12 family // Nuclear Engineering and Technology. 54(7), 2579–2585 (2022). DOI: 10.1016/j.net.2022.02.007.
Luo Z., Zhuang Y., Li W., et al. A new promising new choice for modern medical CT scanners: Ceriumdoped gadolinium yttrium gallium aluminum garnet ceramic scintillator // Applied Materials Today. 35, 101986 (2023). DOI: 10.1016/j.apmt.2023.101986.
Boulesteix R., Maître A., Chrétien L., Rabinovitch Y., Sallé C. Microstructural evolution during vacuum sintering of yttrium aluminum garnet transparent ceramics: toward the origin of residual porosity affecting the transparency // Journal of the American Ceramic Society, 96(6), 1724–1731 (2013). DOI: 10.1111/jace.12315.
Seeley Z.M., Cherepy N.J., Payne S.A. Expanded phase stability of Gd-based garnet transparent ceramic scintillators // Journal of Materials Research. 29(19), 2332–2337 (2014). DOI: 10.1557/jmr.2014.235.
Seeley Z.M., Cherepy N.J., Payne S.A. Homogeneity of Gd-based garnet transparent ceramic scintillators for gamma spectroscopy // Journal of crystal growth. 379, 79–83 (2013). DOI: 10.1016/j.jcrysgro.2012.11.042.
Carruthers J.R., Kokta M., Barns R. L., Grasso M. Nonstoichiometry and crystal growth of gadolinium gallium garnet // Journal of Crystal Growth. 19(3), 204–208 (1973). DOI: 10.1016/0022-0248(73)90111-5.
Zhang J.Y., Luo Z.H., Jiang H.C., et al. Sintering of GGAG:Ce3+, xY3+ transparent ceramics in oxygen atmosphere // Ceramics International. 43(17), 16036–16041 (2017). DOI: 10.1016/j.ceramint.2017.08.025.
Zhang J.Y., Luo Z.H., Jiang H.C., et al. Highly transparent cerium doped gadolinium gallium aluminum garnet ceramic prepared with precursors fabricated by ultrasonic enhanced chemical co-precipitation // Ultrasonics Sonochemistry. 39, 792–797 (2017). DOI: 10.1016/j.ultsonch.2017.06.005.
Song J.N., Bae B.H., Hu K.H., et al. Effects of tetraethyl orthosilicate content and sintering temperature on the properties of Y3Al5O12:Ce3+ phosphor ceramics for automotive headlamps // Materials Today Communications. 28, 102473 (2021). DOI: 10.1016/j.mtcomm.2021.102473.
Inkrataite G., Kemere M., Sarakovskis A., Skaudzius R. Influence of boron on the essential properties for new generation scintillators // Journal of Alloys and Compounds. 875, 160002 (2021). DOI: 10.1016/j.jallcom.2021.160002.
Kaminskii A.A., Balashov V.V., Cheshev E.A., et al. High quality Y3Al5O12 doped transparent ceramics for laser applications, role of sintering additives // Journal of Physics: Conference Series. 740(1), 012009 (2016). DOI: 10.1088/1742-6596/740/1/012009.
Chen X., Qin H., Zhang Y. Highly transparent ZrO2-doped (Ce,Gd)3Al3Ga2O12 ceramics prepared via oxygen sintering // Journal of the European Ceramic Society. 35(14), 3879–3883 (2015). DOI: 10.1016/j.jeurceramsoc.2015.05.037.
Yavetskiy R.P., Kosyanov D.Y., Doroshenko A.G., et al. Microstructure evolution of SiO2, ZrO2-doped Y3Al5O12:Nd3+ ceramics obtained by reactive sintering // Ceramics International. 41(9), 11966–11974 (2015). DOI: 10.1016/j.ceramint.2015.06.009.
Lukyashin K.E., Ishchenko A.V. Synthesis and optical properties of YAG:Ce ceramics with a high cerium concentration // Russian Journal of Inorganic Chemistry. 66(8), 1203–1211 (2021). DOI: 10.1134/S0036023621080131.
Mori M., Xu J., Okada G., Yanagida T., Ueda J., Tanabe S. Comparative study of optical and scintillation properties of Ce: YAGG, Ce: GAGG and Ce: LuAGG transparent ceramics // Journal of the Ceramic Society of Japan. 124(5), 569–573 (2016). DOI: 10.2109/jcersj2.15239.
Gu C., Wang X.J., Zhang C., Zhu Q.Q. Effect of boron carbide (B4C) on luminescent efficiency and thermal stability of Y3Al5O12:Ce3+ phosphors // Journal of Luminescence. 226, 117515 (2020). DOI: 10.1016/j.jlumin.2020.117515.
Karpyuk P., Shurkina A., Kuznetsova D., et al. Effect of sintering additives on the sintering and spectralluminescent characteristics of quaternary GYAGG: Ce scintillation ceramics // Journal of Electronic Materials. 51(11), 6481–6491 (2022). DOI: 10.1007/s11664-022-09885-0.
