本發(fā)明屬于輻射探測用閃爍體材料，具體涉及一種氟摻雜氯化銫鋅閃爍體單晶及其制備方法與應用。
背景技術：
1、閃爍體是一種能夠將高能粒子或射線的能量轉換為可見光的功能材料，廣泛應用于高能物理、安全檢查、無損檢測、核醫(yī)學成像等領域。閃爍體的基本功能是吸收高能粒子或射線后發(fā)射出可見光，這些光信號隨后被光電倍增管或硅光電倍增管(sipm)等光探測器捕捉，從而實現(xiàn)對輻射的檢測和測量?；趦r帶-芯帶的發(fā)光閃爍體可在高能射線激發(fā)下快速響應并發(fā)光，衰減時間通常小于3納秒。
2、具備高計數(shù)率和超快衰減時間的閃爍體是高能輻射探測領域的理想材料，備受科研與應用領域的青睞。這類材料能夠高效捕捉高能粒子的軌跡和能量，憑借其優(yōu)異的性能，在高重頻輻射成像以及高能物理實驗中展現(xiàn)出不可替代的重要價值，為前沿科學研究和技術應用提供了關鍵支持。氯化銫鋅(cs2zncl4)晶體是一種具有獨特結構和性能的金屬鹵化物閃爍晶體，有效原子序數(shù)大(zeff＝86)、在高能輻射下表現(xiàn)出良好的阻止能力和穩(wěn)定性。cs2zncl4屬于價帶-芯帶發(fā)光材料，其獨特的5p?cs+→3p?cl-躍遷特性可在紫外-可見光波段(250-390nm)實現(xiàn)超快發(fā)光。同時，該種材料展現(xiàn)出近乎完美的衰減時間特性，其快速組分幾乎完全主導了發(fā)光過程，占比接近100％，這一特性使其在需要高時間分辨率的光電器件和閃爍探測應用中具有顯著優(yōu)勢。
3、目前，關于新型cs2zncl4閃爍晶體的研究報道相對較少。2014年，natsunayahaba等人首次發(fā)現(xiàn)，通過坩堝下降法生長的cs2zncl4單晶具備x射線探測能力。隨后，takahashi等人報道了cs2zncl4晶體具有超快衰減時間特性(約1.7ns)，其發(fā)射峰位于310納米處，慢速成分占總閃爍的比例不到12％。然而，該材料的快組分光產額略低于傳統(tǒng)的氟化鋇(baf2)晶體。為了進一步提升cs2zncl4晶體的性能，rutstrom等人采用垂直bridgman法生長出了光學質量更好的cs2zncl4單晶，這種晶體的光輸出(ly)提高到1980光子/mev，且單組分閃爍衰減時間為1.66納秒。這些研究結果表明，cs2zncl4晶體在高能物理和醫(yī)學成像等領域具有廣闊的應用前景。
4、摻雜是調控閃爍體性能的重要手段，通過合理選擇摻雜離子類型和調控摻雜濃度，可以改善閃爍晶體的光學和閃爍性能，實現(xiàn)對發(fā)光波長、能量傳遞效率、光輸出、衰減時間和能量分辨率的優(yōu)化。比如，研究表明：釔摻雜可有效抑制氟化鋇閃爍晶體中慢發(fā)光成分，鈰鎂共摻雜可以加快釓鋁鎵石榴石單晶的閃爍衰減時間。
5、因此，盡管cs2zncl4晶體在可見光區(qū)域的發(fā)光效率較低，但離子摻雜已被證明是一種有效的改性策略。目前，多種離子摻雜被用于調控cs2zncl4晶體的電子結構，通常能夠顯著增強發(fā)光強度，但往往伴隨著較慢的時間特性，這并不利于高時間分辨率的應用。因此，如何通過摻雜精準調控cs2zncl4晶體的價帶-芯帶特性，以實現(xiàn)快速衰減與高效發(fā)光的平衡，是當前研究的重點方向。
技術實現(xiàn)思路
1、針對上述技術問題，本發(fā)明的目的在于提供一種氟摻雜氯化銫鋅閃爍體單晶及其制備方法與應用。
2、第一方面，本發(fā)明提供了一種氟摻雜氯化銫鋅閃爍體單晶，所述氟摻雜氯化銫鋅閃爍體單晶的化學式為cs2zncl4:xf，f元素為f-；其中：x表示摻雜元素原子比，x≤50at％。
3、較佳地，1.5at％≤x≤50at％，優(yōu)選為6at％≤x≤25at％。
4、第二方面，本發(fā)明提供了一種上述氟摻雜氯化銫鋅閃爍體單晶的制備方法，所述制備方法包括以下步驟：
5、(1)按照所述氟摻雜氯化銫鋅閃爍體單晶化學組成cs2zncl4:xf中的元素計量比稱取原料粉體；
6、(2)將所述原料粉體溶解并利用水熱法進行生長晶體，或者將原料粉體真空干燥后直接裝入或經過熔融反應裝入單晶生長坩堝中并采用坩堝下降法、提拉法、泡生法、熱交換法或微下拉法進行生長晶體，得到所述氟摻雜氯化銫鋅閃爍體單晶。
7、較佳地，步驟(1)中，所述原料粉體包括cscl粉、zncl2粉和csf粉；優(yōu)選地，原料粉體的純度可以≥99.9wt％。
8、較佳地，步驟(2)中，所述水熱法生長晶體的溫度為150～180℃，保溫時間為2～48小時，降溫速率為0.01～0.5℃/min。
9、較佳地，步驟(2)中，所述坩堝下降法的溫度為500～700℃，溫度梯度為15-25℃/cm，生長速率為0.1～3mm/h。
10、較佳地，步驟(2)中，所述提拉法的溫度為500～700℃，轉速為3～20r/min，提拉速率為0.2～3mm/h，生長速率為0.1～3mm/h。
11、較佳地，步驟(2)中，所述泡生法的溫度為500～700℃，生長速率為0.1～3mm/h。
12、較佳地，步驟(2)中，所述熱交換法的溫度為500～700℃，恒溫時間為1～24小時，降溫速率為1～10℃/h，生長速率為0.1～3mm/h。
13、較佳地，步驟(2)中，所述微下拉法的溫度為500～700℃，坩堝下降速度為1～10mm/h，生長速率為0.1～3mm/h。
14、有益效果
15、(1)本發(fā)明利用氟摻雜技術，實現(xiàn)了對cs2zncl4晶體價帶結構和價帶-芯帶能隙的精準調控，在保留其超快時間分辨率的基礎上，顯著提升了閃爍光輸出效率，并優(yōu)化了芯帶與價帶之間的交叉發(fā)光特性；
16、(2)本發(fā)明通過氟摻雜制備的氯化銫鋅(cs2zncl4)單晶閃爍體，憑借其優(yōu)異的性能，可廣泛應用于高能物理、核物理實驗、空間物理、油井勘探、安全檢查以及工業(yè)檢測等輻射探測領域。
1.一種氟摻雜氯化銫鋅閃爍體單晶，其特征在于，所述氟摻雜氯化銫鋅閃爍體單晶的化學式為cs2zncl4:xf，f元素為f-；其中：x表示摻雜元素原子比，x≤50at％。
2.根據(jù)權利要求1所述的氟摻雜氯化銫鋅閃爍體單晶，其特征在于，1.5at％≤x≤50at％，優(yōu)選為6at％≤x≤25at％。
3.一種權利要求1或2所述的氟摻雜氯化銫鋅閃爍體單晶的制備方法，其特征在于，所述制備方法包括以下步驟：
4.根據(jù)權利要求3所述的制備方法，其特征在于，步驟(1)中，所述原料粉體包括cscl粉、zncl2粉和csf粉；優(yōu)選地，原料粉體的純度可以≥99.9wt％。
5.根據(jù)權利要求3或4所述的制備方法，其特征在于，步驟(2)中，所述水熱法生長晶體的溫度為150～180℃，保溫時間為2～48小時，降溫速率為0.01～0.5℃/min。
6.根據(jù)權利要求3-5中任一項所述的制備方法，其特征在于，步驟(2)中，所述坩堝下降法的溫度為500～700℃，溫度梯度為15-25℃/cm，生長速率為0.1～3mm/h。
7.根據(jù)權利要求3-6中任一項所述的制備方法，其特征在于，步驟(2)中，所述提拉法的溫度為500～700℃，轉速為3～20r/min，提拉速率為0.2～3mm/h，生長速率為0.1～3mm/h。
8.根據(jù)權利要求3-7中任一項所述的制備方法，其特征在于，步驟(2)中，所述泡生法的溫度為500～700℃，生長速率為0.1～3mm/h。
9.根據(jù)權利要求3-8中任一項所述的制備方法，其特征在于，步驟(2)中，所述熱交換法的溫度為500～700℃，恒溫時間為1～24小時，降溫速率為1～10℃/h，生長速率為0.1～3mm/h。
10.根據(jù)權利要求3-9中任一項所述的制備方法，其特征在于，步驟(2)中，所述微下拉法的溫度為500～700℃，坩堝下降速度為1～10mm/h，生長速率為0.1～3mm/h。