閃爍材料是一種能將入射在其上的高能射線（X/γ射線）或粒子轉換為紫外或可見光的晶態能量轉換體，廣泛應用在高能物理與核物理實驗、影像核醫學（Computed Tomography ，簡稱 CT和Positron Emission Tomography ，簡稱 PET ）、工業CT在線檢測、油井勘探、安全稽查及反恐應用等。近年來隨著影像核醫學醫療設備的發展和及和高能物理與核物理實驗需求的提高，對閃爍體的要求也越來越高：大的有效原子序數（有利于高能射線吸收）、更高的光輸出（提高信號強度）、更快的衰減（可以實時成像，減少干擾）、更高的能量分辨率（提高成像精度）。
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閃爍材料在核醫學成像、工業無損檢測、高能物理粒子探測和機場安檢等領域的應用
1）石榴石基閃爍陶瓷
閃爍陶瓷是近20年來快速發展起來的一類新的多晶閃爍體材料。與閃爍單晶相比，閃爍陶瓷可同樣具有良好的物理化學穩定性和優異的閃爍性能。更重要的是，閃爍陶瓷在制備溫度，組分設計（高濃度，多種類摻雜）和大尺寸制備上具有更大的優勢，而石榴石結構的閃爍材料具有立方對稱結構，易于實現透明陶瓷制備，在離子摻雜和結構設計上，具有明顯優勢，因此石榴石結構的透明閃爍陶瓷是新一代高性能（快衰減，高光產額，抗輻照損傷和低余輝等）閃爍材料的重要發展方向之一。
1.1．LuYAG:Pr閃爍陶瓷
閃爍材料中的缺陷通過捕獲輸運過程中的載流子，延遲閃爍發光降低光產額，最終影響閃爍探測器性能。透明與光功能陶瓷研究團隊通過采用第一性原理計算，低溫熱釋光以及同步輻射等技術手段對材料中缺陷的存在形式和缺陷濃度進行表征。提出“能帶工程”和“缺陷工程”共同作用的機制，并設計制備閃爍陶瓷材料LuYAG:Pr，成功抑制了材料中的淺能級缺陷，獲得了材料綜合閃爍性能提升，光產額達到24400ph/MeV。Y3+取代后不會在禁帶中增加額外能級，而是導致禁帶寬度減少，并使得材料中以反位缺陷為主的淺能級缺陷濃度下降。低溫熱釋光表明，設計制備的材料中缺陷濃度大幅下降。光輸出衰減動力學測試結果顯示，材料中慢發光分量低于30%，光產額提高20%（Phys. Rev. Applied, 2016, 6: 064026）。
(c) 
(a) 理論計算LuAG能帶結構; (b) 理論計算LuYAG能帶結構; (c) Y3+取代作用機理示意圖
1.2．LuAG:Ce,Mg閃爍陶瓷
運用缺陷工程，通過Mg2+摻雜控制LuAG:Ce陶瓷中Ce4+/Ce3+比例，減少了電子陷阱缺陷在載流子輸運中的影響，同時與氧空位相關的缺陷得到了較好的抑制或消除，所制備LuAG:Ce,Mg陶瓷的閃爍性能達到國際領先水平。陶瓷材料的光產額超過LuAG:Ce單晶50%，閃爍衰減中快發光分量達到60%（Adv. Opt. Mater., 2016, 4: 731）。
LuAG:Ce,Mg閃爍陶瓷的光產額（左）與閃爍發光機理分析（右）
1.3．非化學計量比LuAG:Ce,Mg閃爍陶瓷
結合非化學計量比與二價離子摻雜策略，在對陶瓷光產額影響很小的情況下，設計制備出的LuAG:Ce,Mg陶瓷在 X-ray停止5ms后基本無余輝。
1.4．LuAG:Pr、Ce:LuAG閃爍陶瓷的器件成像
LuAG:Pr閃爍陶瓷樣品組成的4×4陣列耦合到光電倍增管得到的散點圖，位置清晰可辨。用于深度效應探測器初步探索，BGO晶體和Pr:LuAG陶瓷陣列中的閃爍體單元均清晰可辨。Pr:LuAG陶瓷比商用BGO晶體光輸出高，用4×4的LuAG陣列與4×4的BGO陣列疊層放置組成Phoswich探測器具有深度效應探測能力。
Pr:LuAG閃爍陶瓷陣列成像結果
4×4的LuAG:Pr陶瓷陣列與4×4的BGO晶體陣列疊層放置組成Phoswich探測器成像
對LuAG:Ce,Mg閃爍陶瓷的X射線平板探測器成像進行了研究。切割后LuAG:Ce,Mg陶瓷對比度優于切割前，樣品在7 lp/mm左右仍能保持很好的分辨率。LuAG:Ce,Mg陶瓷的成像分辨率接近單晶，但發光均勻性較差。要是LuAG:Ce,Mg閃爍陶瓷獲得更好的分辨率，可通過提高激光切割精度獲得。
LuAG:Ce,Mg閃爍陶瓷的X射線平板探測器成像研究
2）非對稱體系閃爍陶瓷
陶瓷閃爍體是近來透明透明陶瓷和閃爍材料領域的研究熱點，從透明陶瓷的制備角度來說，具有立方晶系的對稱結構由于不存在晶界雙折射效應更易獲得高的光學質量，而如果從發光考慮，一般希望發光中心離子處于低對稱的晶體場環境中。因此，許多新型的、綜合性能優異的閃爍體均具有非對稱的晶體結構。在新型非對稱體系閃爍陶瓷研究方向，課題組主要進行非對稱透明陶瓷制備新工藝探索和閃爍性能優化等研究。涉及的主要材料體系包括：Gd2O2S: Pr, Ce（六方晶系：應用于醫用CT和安檢CT探測器）材料體系，CeF3（六方晶系：是高能物理實驗裝置理想的探測材料），LSO:Ce（單斜晶系：應用于高性能正電子湮沒斷層掃描成像技術PET探測器材料）等。
2.1. CeF3閃爍陶瓷
采用強磁場注漿成型工藝首次制備了晶粒定向排列的CeF3陶瓷，研究了影響晶粒定向度的因素。在這些研究的指導下制備了晶粒定向度超過93.09%的CeF3陶瓷，為高透明度CeF3陶瓷的制備奠定了基礎。特別證實CeF3在0.4T磁場下即可實現晶粒定向排列，這是永磁體磁場第一次應用到陶瓷材料的織構化制備中。
在0.4T磁場（a，b，c）和不加磁場（d，e，f）下注漿成型制備的CeF3陶瓷的背散射電子衍射花樣；（g）給出了x，y，z軸以及磁場和注漿方向的示意圖；（h）給出了各種顏色對應的晶面取向
在不同磁場強度下注漿成型的生坯燒結后所得CeF3陶瓷的XRD圖譜
2.2. GOS閃爍陶瓷
GOS 屬于六方晶系,由于其存在各向異性,在晶界上存在雙折射現象, 不易制備出透明陶瓷。GOS具有高光輸出、高密度、短余輝等優良特性，已經在德國Siemens、日本Hitachi、荷蘭Philips等企業生產的醫用CT和安檢CT探測器中獲得廣泛應用。但核心制備工藝被國外大公司壟斷。國內研究GOS的單位并不多，而且主要集中在粉體制備方法的創新、粉體的形貌調控、納米粉體制備等方面，關于GOS閃爍陶瓷詳細的制備報道非常少。
透明與光功能陶瓷研究課題組以Gd2O2S: Pr, Ce陶瓷在醫療CT儀器上的應用為目標，對低成本、高效率、節能環保型制備粉體的方法進行了大量的工藝探索。如助熔劑法、間接硫源法、碳熱還原法，并對不同燒結方法獲得的GOS閃爍陶瓷進行光學和閃爍性能進行了研究。經捷克物理所及加州理工等權威測試機構表征，光產額、能量分辨率等關鍵閃爍性能超過東芝商業產品，說明課題組已經部分突破了GOS閃爍陶瓷關鍵制備技術，為材料的實際應用奠定了基礎。
3）中子成像用ZnS:Ag閃爍陶瓷
基于對輕元素以及周期表內相鄰元素的強大區分能力，慢中子探測在塑料爆炸物檢測、石油探礦、儲氫化合物、固體電源、催化劑以及高能物理等涉及國家戰略安全、軍用與民生領域具有重要的應用。ZnS:Ag憑借對α粒子的高響應以及對γ光子的低靈敏性而成為慢中子探測閃爍體的首選。相關材料的透明化可以克服粉末嚴重自吸收以及漫散射的影響，獲得更高的慢中子探測效率以及二維以上更高分辨的成像能力，因此是當前及今后慢中子探測閃爍體研究的重點之一。
透明與光功能陶瓷研究課題組利用熱擴散法已經成功獲得了過渡金屬（Cr，Fe）摻雜透明ZnS激光材料，并實現了激光輸出。近期將相關技術應用于ZnS:Ag透明陶瓷化研究，初步獲得了半透明的陶瓷，在沒有摻雜6Li的前提下，直接以α粒子輻照來模擬中子輻照，研究發現所得陶瓷樣品可以觀測到表征α粒子的發光脈沖和電荷譜，可望作為中子高分辨成像所需的優良閃爍體。
熱擴散法所得Cr:ZnS/ZnSe激光透明陶瓷的吸收和發射光譜
高能α粒子激發下ZnS:Ag透明陶瓷的（左）電荷譜和α粒子信號（右，上升沿<10ns；下降沿<100ns， α粒子信號幅度為20mv~200mv@2000V）