(整理)闪烁晶体市场概况

闪烁晶体市场概况

闪烁体是指在高能粒子或射线(如X射线、γ射线等)的作用下能够发出脉冲光的物体。它是光电功能材料，被广泛用于高能物理、核物理、空间物理、核医学、地质勘探、安全检查以及国防工业等领域。闪烁体在地球物理探矿中有广泛应用，一般通过60Co发出γ射线，通过另一地方接收到的信号就可以分析矿床情况；在石油勘探方面闪烁体发挥着重要作用；在医学领域，利用γ射线制成手术刀，监测γ射线的也是闪烁体；在焊接大型高压容器，宇航设备等无损探伤方面闪烁体也都起着关键作用；在机场安全检查以及货运集装箱的检查中广泛采用闪烁体作为探测器。下图给出了闪烁晶体的产业链及其应用领域。

注：

影像检测医疗器材：如全身正子摄影仪、单光子摄影仪、加马摄影仪、X光摄影仪

医药研究：临床前动物实验摄影仪，如micro-PET、micro-SPECT、micro-CT

农业生技：水果虫害检测、农作物营养吸收与成长等非破坏性检测

工业检测：核能与太阳能等能源工业元件非破坏性检测

安全检测：机场、海关安全检查，货柜安全检查

辐射防护：上述应用区域皆需辐射防护设备，环境监控仪器

图2 LSO:Ce闪烁晶体图片

二、行业基本状况及趋势

目前，闪烁晶体的发展正处于一个新的上升时期。近年来，在高能物理和空间研究、医学成像以及迅猛发展的工业检测和安全检察等众多高技术装备中正在愈来愈多地出现闪烁晶体的身影，闪烁晶体与人们愈走愈近。

国际上，从事闪烁晶体的开发工作的单位很多，如俄罗斯的BTCP，乌克兰的Amcrys-H，法国Crismatec，德国的Korth, Molecular Technology，美国的Bicron，Optovac，Rexon和CTI，英国的Hilger-Crystals，日本的Ohyo Koken Koyo和Shin-EtsuChemical，捷克的Crytur，中国的SIC(上海硅酸盐所)和BGRI(北京玻璃研究院)等。目前，从生产规模上看俄罗斯BTCP和中国上海硅酸盐所处于领先水平。

国内从事闪烁晶体生长和性能研究的单位也很多，但具有批量生产能力的单位却为数不多。近十年来，北京玻璃研究院与上海硅酸盐所联合或各自独立地参与了多项国际高能物理工程，确立了中国在国际闪烁晶体领域的重要地位，并树立了良好的国际形象。

目前大批量生产的多数大尺寸闪烁晶体都是从熔体中生长的，采用的方法有Czochralski法(晶体提拉法)和Bridgnian-Stockbarger(坩埚下降法)。国外主要采用

第一种方法，而且主要靠提拉大截面晶体毛坯的办法降低生产成本。国内的批量生产则主要采用下降法，包括真空石墨坩埚下降法和大气铂坩埚下降法，前者主要用于生长卤化物晶体，后者主要用于生长氧化物晶体。其中，大气铂坩埚下降法更具特点，一台炉子可一次生长多根甚至数十根晶体，产量高、成本低，具有产业化优势。由于研制、开发、应用时间上的差别以及自身性能、价格等因素的不同，各种闪烁晶体的产业化开发程度不尽相同。

1、NaI:Tl晶体

因发现早、使用面广，所以生产单位较多，产量较大，而且多数生产单位直接将其做成器件。乌克兰的Amcrys-H公司可提拉生长尺寸达( 50x70cm3,重达500Kg的NaI:Tl晶体毛坯。

2、BGO晶体

BGO晶体是一种多功能晶体。作为闪烁晶体，在很多应用领域，如高能物理、核医学成像等，它已取代了或部分取代了NaI:Tl, CsI:Tl晶体。由上海硅酸盐所提供全部晶体(共11,380根)建造的L3装置，是目前高能物理研究中使用BGO晶体最多的装置。

由于价格低廉的新型闪烁晶体PWO的成功开发以及CSI: TI辐照硬度的提高，最大量使用BGO晶体的领域已从高能物理逐渐转向了核医学成像。目前，BGO晶体已成为PET首选闪烁晶体。美国GE公司已经向上海硅酸盐所订购了价值3000多万美元的BGO晶体，用于制作PET机。

3、CSI:TI晶体

20世纪80年代，人们就注意到了CSI: TI晶体的优点：发射光谱可与体积比光电倍增管小的硅光二极管匹配，辐照长度较NaI:Tl晶体短以及较弱的吸湿性等。近几年来，该晶体由于抗辐照能力得到提高而倍受青睐，被先后用于CESR 的CLEO 11，LEAR的C. Barrel, SLAC的BaBar, KEK的BELLE等探测器中，数量近4万根，约5吨多重。我国的北京正负电子对撞机(BEPC)即将进行升级改造，也已选用了CsI:Tl晶体，所需数量约8000根，重约3吨。

4、BaF2晶体

自1982年BaF2晶体的快发光分量被发现以后，国际高能物理界联合有关晶体生长单位进行了大规模的研究，并在不久以后被确定为超级超导对撞机(SSC)

用闪烁晶体(总数达16,200根)。值得一提的是，在此期间，北京玻璃研究院采用真空石墨坩埚下降法生长的BaF2样品被SSC工程晶体专家组评议为“世界上最好的，晶体性能达到了SSC的质量要求”。进一步扩大了中国在国际闪烁晶体以及高能物理领域中的影响，并先后为美国的Caltech, LBNL和LANL，德国的Giessen大学，荷兰以及印度等，提供了大量特大尺寸的BaF2晶体。

5、PWO晶体

目前，PWO晶体主要局限于高能物理领域，但需求数量很大，总重量约16吨。如欧洲核子研究中心(CERN)正在建造的LHC装置，将使用10多万根PWO 晶体。另外，美国的费米实验室(FNAL )也计划选用PWO晶体建造BTeV装置，使用数量约24,000根。国际上，与CERN和FNAL合作开发PWO晶体主要有三家，即俄罗斯的BTCP、中国的SIC和BGRI，三家都已得到了高质量的大尺寸晶体。

一些学者正在研究对PWO晶体进行各种掺质实验，目的是大幅度提高其光产额，为PWO寻求新的用途。

三、市场需求分析

1、石油工业的发展带动了无机闪烁晶体需求的快速增长

石油工业的发展带动了无机闪烁晶体需求的快速增长。图3给出了国际机构对2005年至2010年的全球经济发展速度、石油产量、石油消费量和无机闪烁晶体市场增幅的预测。从预计结构上看，世界石油消费增长速度会略高于产量增长。

从资源角度看，20年内世界石油供需会大致保持平衡，但此后供需关系将趋于紧张，原油的勘探、开采会呈快速上升趋势。同时，由于目前无机闪烁晶体存在供需缺口（即供应不足）和牛鞭效应放大作用的影响，无机闪烁晶体市场将以2.8%的增速快速增长。

图3 2005-2010年无机闪烁晶体市场

2、其他领域的广泛应用也带动了无机闪烁晶体需求的快速增长

近年来，在高能物理和空间研究、医学成像以及迅猛发展的工业检测和安全检查等众多高技术装备中正在愈来愈多地应用到闪烁晶体，该材料对于普通人越来越不陌生，需求量快速增长。图4和图5给出了闪烁晶体在PET/CT医学影像检测中的应用市场变化趋势。

图4 2007-2011年PET市场变化趋势

图5 2007-2011年PET/CT市场变化趋势

四、闪烁晶体的产业化开发展望

1、高能物理用闪烁晶体

由于高能物理实验的前沿之一将是研究更高能量(~TeV级甚至更高)的辐射，装置很大，需要晶体数量很多，因而要求闪烁晶体不仅具有高密度 A ( > 7g/cm3 )、快衰减(15~50ns)和高抗辐照(~1TeV)等特性外，而且价格低廉，对光产额要求相对较低。对这类闪烁晶体的研究和开发难度很大，特别具有挑战性。主要的任务有: 1、研制新的高密度、快衰减闪烁晶体，有两条途径。其一是，寻找新的高密度且适于Ce3+掺入的较低熔点(如<1300℃)单晶基质材料，如含稀土的钨酸盐类；其二是，根据交叉发光机理(Cross Luminesecence )，寻找新的低芯带材料，可从高密度氟化物中筛选。2、对高密度的Cherenkov晶体材料进行改性，使其成为闪烁晶体，如PbF2, NaBi(WO4)2等晶体。3、优化已发现的掺Ce3+高密度晶体的性能。从文献报道来看，有价值的材料主要集中在掺Ce3+的稀土硅(铝)酸盐，如GSO:Ce、LuAP:Ce、LSO:Ce以及Lu x(RE)1-x AP:Ce等。4、设法降低高熔点全稀土闪烁晶体的生长成本，如改进生长工艺参数提高单产量和合格率，进行技术革新降低生产成本。

2、核医学成像用闪烁晶体

需要进一步提高现有闪烁晶体的质量，大幅度降低生产成本。如目前PET

首选的闪烁晶体-BGO昂贵的价格是使PET的价格(上百万美元)居高不下的因素之一。同时，为进一步提高空间分辨率，有必要提高BGO的光学质量，消除当中的微小散射颗粒。

3、工业CT用闪烁晶体

进一步提高批量生产的CWO晶体的宏观完整性，解决个体间性能差异较大的问题。对于高光产额且不易开裂的闪烁晶体，如CsI:TI晶体，则需要开发大截面(>15×15cm2)且具有较好均匀性的晶体，用于制作大平面CT或CCD相机。

论光子晶体光纤技术的现状和发展

论光子晶体光纤技术的现状和发展 摘要: 光子晶体光纤，又称多孔光纤或微结构光纤，以其独特的光学特性和灵活的设计成为近年来的热门研究课题。光子晶体光纤在外观上和传统的普通单模光纤非常相似，但微观上光子晶体光纤的横截面完全不同。近年来，国内外的很多大学和科研单位都在积极开展光子晶体光纤的研究工作。本文阐述了PCF的一些独特光学性质、制作技术及其一些重要应用，介绍了PCF的发展以及最新成果。关键词:光子晶体,光子晶体光纤,非线性 1 引言 1987年Yabnolovitch 在讨论如何抑制自发辐射时提出了光子晶体这一新概念。几乎同时，John 在讨论光子局域时也独立提出。如果将不同介电常数的介电材料构成周期结构，电磁波在其中传播时由于布拉格散射，电磁波会受到调制而形成能带结构，这种能带结构叫做光子能带。光子能带之间可能出现带隙，即光子带隙。具有光子带隙的周期性介电结构就是光子晶体，或叫做光子带隙材料，也有人把它叫做电磁晶体。 光子晶体光纤（photonic crystal fiber，PCF），又称多孔光纤或微结构光纤，以其独特的光学特性和灵活的设计成为近年来的热门研究课题。这类光纤是由在纤芯周围沿着轴向规则排列微小空气孔构成，通过这些微小空气孔对光的约束，实现光的传导。独特的波导结构，灵活的制作方法，使得PCF与常规光纤相比具

有许多奇异的特性，有效地扩展和增加了光纤的应用领域[1]。在光纤激光器这一领域内，PCF经专门设计可具有大模面积且保持无限单模的特性，有效地克服了常规光纤的设计缺陷。以这种具有新颖波导结构和特性的光纤作为有源掺杂的载体，并把双包层概念引入到光子晶体光纤中，将使光纤激光器的某些性能有显著改善。近年来，国内外的很多大学和科研单位都在积极开展光子晶体光纤激光器的研究工作[2]。目前，国外输出功率达到几百瓦的光子晶体光纤激光器已有报道。本文阐述了PCF的一些独特光学性质、制作技术及其理论研究方法，介绍了PCF 的发展以及最新成果。 2 光子晶体光纤概述 2.1 光子晶体光纤导光原理 光子晶体光纤的概念基于光子晶体，按其传导机制可分为带隙型光子晶体光纤（PBG-PCF）和折射率引导型光子晶体光纤（TIR-PCF）两类[3]。 带隙型光子晶体光纤是一种具有石英-空气光子晶体包层的空芯石英光纤，其包层横截面的折射率具有规则的周期分布，通过包层光子晶体的布拉格衍射来限制光在纤芯中传播的在满足布拉格条件时出现光子带隙，对应波长的光不能在包层中传播，而只能限制在纤芯中传播，见图2-1（a）。 折射率引导型光子晶体光纤的导光机制与传统光纤类似，包层由石英-空气周期介质构成，中心为SiO2构成的实芯缺陷。由于纤芯折射率高于包层平均折射率，光波在纤芯中依靠全内反射传播。由于包层含有气孔，与传统光纤的实芯熔融硅包层不同，因而这种导光机制叫做改进的全内反射，见图2-1（b）

声子晶体研究的若干进展

声子晶体研究的若干进展 倪青, 程建春 （近代声学教育部重点实验室，南京大学声学研究所，南京 210093） 1 引言 20世纪初半导体材料的出现引发了一场轰轰烈烈的电子工业革命，使我们进入了信息时代。半导体的原子呈周期性排列，电子在半导体中运动时，电子与原子周期势场相互作用使得半导体具有电子禁带，能够操控电子的流动。以硅晶体为代表的半导体带来了一次科学技术革命。随着晶体管、集成电路、大规模集成电路甚至超大规模集成电路的开发运用，半导体技术对人类文明的进步产生了深远的影响。我们知道，半导体的理论依据是固体电子的能带理论，即电子在周期性势场的作用下会形成价带和导带，带与带之间有能隙。量子阱、半导体超晶格等模拟实际晶体设计的相关材料与器件的成功应用，使电子能带理论突破了原有天然材料的限制，进入了一个新的阶段。 约二十年前，人们开始触及对结构功能材料光学特性的研究。理论和实验证明，如果结构功能材料中的介电常数在光波长尺度上周期性变化，光子与周期结构相互作用，会使得该材料具有类似半导体中电子禁带的能带结构，称之为光子禁带。具有光子禁带的周期性电介质结构功能材料称为光子晶体。光子能量落在光子禁带中的光波不能在光子晶体中传播，当光子晶体中存在(或引入)点缺陷或线缺陷时，则禁带内的光波将被局域在点缺陷内或只能沿线缺陷传播。通过对光子晶体周期结构及其缺陷的设计，可以人为地调控光子的流动。1987年，Yablonovithch和John两人分别独立地提出了光子晶体的概念[1, 2]，Yablonovitch还通过实验验证了微波波段光子禁带的存在[3]。光子晶体迅速成为光电子以及信息技术领域研究的热点。 随后，人们发现当弹性波在周期性弹性复合介质中传播时，也会产生类似的弹性波禁带，于是提出了声子晶体的概念。声子晶体具有丰富的物理内涵及潜在的广阔应用前景。声子晶体的研究引起了各国研究机构的高度关注。 2 声子晶体研究概况 2.1 声子晶体概念及基本特征 声子晶体是具有不同弹性性质的材料周期复合而成的介质。在声子晶体内部材料组分(或称为组元)的弹性常数、质量密度等参数周期性变化。随着材料组分搭配的不同，以及周期结构形式的不同，声子晶体的弹性波禁带特性也就不同。 声子晶体同光子晶体有着相似的基本特征：当弹性波频率落在禁带范围内时，弹性波被禁止传播；当存在点缺陷或线缺陷时，弹性波会被局域在点缺陷处，或只能沿线缺陷传播。同样，通过对声子晶体周期结构及其缺陷的设计，可以人为地调控弹性波的传播。 弹性波是由纵波和横波耦合的张量波，在每个组元中具有3个独立的弹性参数，即质量密度ρ、纵波波速c l和横波波速c t(在流体介质中c t=0)；光波是矢量波（只有横波），在每个组元中只有一个独立的参数即介电常数（忽略材料的磁性）。因此，声子晶体的研究比光子晶体更困难，且具有更丰富的物理内涵。比较(电子)晶体、光子晶体及声子晶体的有关特性，

无机闪烁晶体

无机闪烁晶体、塑料闪烁体简介 无机闪烁晶体、塑料闪烁体简介 一无机闪烁晶体 1 闪烁晶体与辐射探测 X射线、CT、核医学放射性核素成像、环境辐射监测、高能射线探测，其原理都是利用光子流作为射线源，射线穿透人体或物质，再从人体或物质中发射出来或射线直接被探测器接收而形成影像。所以探测器系统对射线的接收程度就成为关键的因素之一，常用的技术有：气体电离室探测、半导体材料探测、闪烁晶体探测等。而闪烁晶体因其固有的吸收射线辐射发光的特性就成为测量射线能量和强度的良好材料。无机闪烁晶体主要应用领域有高能物理、核物理、核医学（如XCT、PET以及g相机）、工业应用（工业CT）、地质勘探、石油测井等。闪烁晶体在射线的激发下能发出位于可见光波段的光波，不同的闪烁体最大闪烁发射波长、光产额、闪烁衰减时间、辐射长度、辐照硬度及密度、熔点、硬度、吸潮性等物理性质都有所不同。现实中没有任何一种闪烁体能满足全部使用要求，每种闪烁晶体都有各自的优缺点，使用中需根据具体要求及应用领域选择不同的材料。一般来说无机闪烁晶体用于辐射探测时基本应具备以下几个条件： <1>对探测粒子有较大的阻止本领，使入射粒子在晶体中的损耗量较大，为此闪烁体的密度及有效原子序数应较大。 <2>具有较高的发光效率及较好的能量分辨率。 <3>在自身发光波段内无吸收，即有较高的透过率。 <4>较短的发光衰减时间（时间分辨好）。 <5>发射光与光探测元件光谱响应相匹配。 <6>较大的辐照硬度（抗辐射损伤）。 <7>较好的热稳定性（发光效率受温度影响小）。 <8>易于加工成各种形状和尺寸。 <9>较好的化学稳定性（不吸潮）。 现已开发的无机闪烁体如下：NaI(Tl) .CsI. CsI(Na) .CsI(Tl) .LiF(Eu) .CaF2(Eu) .CdF2、 BaF2.CeF3 .BGO(Bi3Ge4O12) .ZWO(ZnWO4) .CWO(CdWO)4 .PWO(PbWO4) .GSO:Ce(Gd2SiO2O5:Ce) .LAP:Ce(LaAlO3:Ce) .YAP:Ce （Y AlO3:Ce）.LSO:Ce(Lu2Si2O5:Ce)等。 2 无机闪烁晶体特性及应用领域 NaI和BGO是目前应用较多的闪烁晶体，NaI(Tl)光输出大。对NaI(Tl)光输出的界定是以最早的塑料闪烁体--蒽（C14H10） 来标定，相对于蒽，NaI(Tl)的相对光输出为230%。 NaI(Tl) 晶体密度较低（3.65g/cm3）， BGO有较高的密度（7.13g/cm3），但光输出较低（只有NaI(Tl)的8%）。现处于较前沿的闪烁晶体有：GSO(Ce)、YAP (Ce)、LAP(Ce)、LSO(Ce)等。这些晶体光输出较高，如LSO(Ce)约为NaI(Tl)的75%，且衰减时间快、密度高。因其优良的性能，尽管造价昂贵，但仍不失为高能探测的理想材料。 2.1碘化钠NaI(Tl)晶体 NaI(Tl)晶体的发光效率在所有与光电倍增管耦合的闪烁晶体中是最高的，光产额为38000 (光子数/MeVγ)，其余晶体的发光效率常以其相对于NaI(Tl)的百分数来表示。NaI(Tl)因具有很高的光产额且受温度的影响相对较小（可在170℃时使用），且成本低廉，所以较早应用于地质勘探及核医学中作为探测X射线、γ射线的敏感元件，迄今仍在广泛使用。 常见有NaI(Tl)单晶及热锻NaI(Tl)闪烁晶体，Table .1为NaI(Tl)单晶及热锻NaI(Tl)闪烁晶体性能。 Table .1 Scintillation Properties of NaI(Tl) and POLYSCIN NaI(Tl) Crystal

(整理)闪烁晶体市场概况

闪烁晶体市场概况 闪烁体是指在高能粒子或射线(如X射线、γ射线等)的作用下能够发出脉冲光的物体。它是光电功能材料，被广泛用于高能物理、核物理、空间物理、核医学、地质勘探、安全检查以及国防工业等领域。闪烁体在地球物理探矿中有广泛应用，一般通过60Co发出γ射线，通过另一地方接收到的信号就可以分析矿床情况；在石油勘探方面闪烁体发挥着重要作用；在医学领域，利用γ射线制成手术刀，监测γ射线的也是闪烁体；在焊接大型高压容器，宇航设备等无损探伤方面闪烁体也都起着关键作用；在机场安全检查以及货运集装箱的检查中广泛采用闪烁体作为探测器。下图给出了闪烁晶体的产业链及其应用领域。

注： 影像检测医疗器材：如全身正子摄影仪、单光子摄影仪、加马摄影仪、X光摄影仪 医药研究：临床前动物实验摄影仪，如micro-PET、micro-SPECT、micro-CT 农业生技：水果虫害检测、农作物营养吸收与成长等非破坏性检测 工业检测：核能与太阳能等能源工业元件非破坏性检测 安全检测：机场、海关安全检查，货柜安全检查 辐射防护：上述应用区域皆需辐射防护设备，环境监控仪器 图2 LSO:Ce闪烁晶体图片 二、行业基本状况及趋势 目前，闪烁晶体的发展正处于一个新的上升时期。近年来，在高能物理和空间研究、医学成像以及迅猛发展的工业检测和安全检察等众多高技术装备中正在愈来愈多地出现闪烁晶体的身影，闪烁晶体与人们愈走愈近。 国际上，从事闪烁晶体的开发工作的单位很多，如俄罗斯的BTCP，乌克兰的Amcrys-H，法国Crismatec，德国的Korth, Molecular Technology，美国的Bicron，Optovac，Rexon和CTI，英国的Hilger-Crystals，日本的Ohyo Koken Koyo和Shin-EtsuChemical，捷克的Crytur，中国的SIC(上海硅酸盐所)和BGRI(北京玻璃研究院)等。目前，从生产规模上看俄罗斯BTCP和中国上海硅酸盐所处于领先水平。 国内从事闪烁晶体生长和性能研究的单位也很多，但具有批量生产能力的单位却为数不多。近十年来，北京玻璃研究院与上海硅酸盐所联合或各自独立地参与了多项国际高能物理工程，确立了中国在国际闪烁晶体领域的重要地位，并树立了良好的国际形象。 目前大批量生产的多数大尺寸闪烁晶体都是从熔体中生长的，采用的方法有Czochralski法(晶体提拉法)和Bridgnian-Stockbarger(坩埚下降法)。国外主要采用

实验7--沉淀法制备纳米氧化锌粉体

实验七 沉淀法制备纳米氧化锌粉体 一、实验目的 1、了解沉淀法制备纳米粉体的实验原理。 2、掌握沉淀法制备纳米氧化锌的制备过程和化学反应原理。 3、了解反应条件对实验产物形貌的影响，并对实验产物会表征分析。 二、实验原理 氧化锌是一种重要的宽带隙(3.37 eV)半导体氧化物，常温下激发键能为60 meV 。近年来，低维（0维、1维、2维）纳米材料由于具有新颖的性质已经引起了人们广泛的兴趣。氧化锌纳米材料已经应用在纳米发电机、紫外激光器、传感器和燃料电池等方面。通常的制备方法有蒸发法、液相法。我们在这里主要讨论沉淀法。 沉淀法是指包含一种或多种离子的可溶性盐溶液，当加入沉淀剂(如OH --，CO 32-等)后，或在一定温度下使溶液发生水解，形成不溶性的氢氧化物、氧化物或盐类从溶液中析出，并将溶剂和溶液中原有的阴离子洗去，得到所需的化合物粉料。 均匀沉淀法是利用化学反应使溶液中的构晶离子由溶液中缓慢均匀地释放出来。而加入的沉淀剂不是立即在溶液中发生沉淀反应，而是通过沉淀剂在加热的情况下缓慢水解，在溶液中均匀地反应。 纳米颗粒在液相中的形成和析出分为两个过程，一个是核的形成过程，称为成核过程；另一个是核的长大，称为生长过程。这两个过程的控制对于产物的晶相、尺寸和形貌是非常重要的。 制备氧化锌常用的原料是可溶性的锌盐,如硝酸锌Zn(NO 3)2、氯化锌ZnCl 2、醋酸锌。常用的沉淀剂有氢氧化钠（NaOH ）、氨水（NH 3. H 2O ）、尿素（CO(NH 2)2）。一般情况下，锌盐在碱性条件下只能生产Zn(OH)2沉淀，不能得到氧化锌晶体，要得到氧化锌晶体通常需要进行煅烧高温。均匀沉淀法通常使用尿素作为沉淀剂，通过尿素分解反应在反应过程中产生NH 3 H 2O 与锌离子反应产生沉淀。反应如下： O H NH CO O H NH CO 23222223)(?+→+ (1) OH -的生成： -+ +→?OH NH O H NH 423 (2) CO 32-的生成： O H CO NH CO O H NH 223422322++→+?-+ (3)

NaI(Tl) 闪烁晶体γ能谱测量

NaI(Tl) 闪烁晶体γ能谱测量 实验人：吴家燕学号：15346036 一、实验目的 1、加深对γ射线和物质相互作用的理解； 2、掌握NaI(Tl) γ谱仪的原理及使用方法； 3、学会测量分析γ能谱； 4、学会测定γ谱仪的能量分辨率、线性、探测效率曲线； 5、测定未知放射源的能量和活度。 二、实验原理 1、γ谱仪的组成 NaI(Tl)闪烁谱仪由NaI(Tl)闪烁探头（包括闪烁体、光电倍增管、前置放大器）、高压电源以及谱仪放大器、多道分析器、计算机等设备组成。图1 为NaI(Tl)闪烁谱仪装置的示意图。 2、射线与闪烁体的相互作用 当γ射线入射至闪烁体时，发生三种基本相互作用过程：（1）光电效应；（2）

康普顿散射；（3）电子对效应。 图2 为示波器上观察到的单能γ射线的脉冲波形，谱仪测得的能谱图。图3 是137Cs、22Na 和60Co 放射源的γ能谱。图中标出的谱峰称为全能峰。在γ射 线能区，光电效应主要发生在K 壳层。在击出K 层电子的同时，外层电子填补K 层 空穴而发射X 光子。在闪烁体中，X 光子很快地再次光电吸收，将其能量转移给光 电子。上述两个过程是几乎同时产生的，因此它们相应的光输出必然是叠加在一起的，即由光电效应形成的脉冲幅度直接代表了γ射线的能量（而非减去该层电 子结合能）。 3、137Cs 能谱分析 4、闪烁谱仪的性能 能量分辨率

探测器输出脉冲幅度的形成过程中存在着统计涨落。即使是确定能量的粒子的脉冲幅度，也仍具有一定的分布，其分布示意图如图4 所示。通常把分布曲线极大值一半处的全宽度称半宽度即 FWHM，有时也用表示。半宽度反映了谱仪对相邻脉冲幅度或能量的分辨本领。因为有些涨落因素与能量有关，使用相对分辨本领即能量分辨率η更为确切。一般谱仪在线性条件下工作，故η也等于脉冲幅度分辨率，即 对于一台谱仪来说，近似地有 对于单晶谱仪来说，能量分辨率是以137Cs 的0.662MeV 单能γ射线的光电峰为标准的，它的值一般在8-15%，最好可达6-7%。 能量线性刻度曲线 为检查谱仪的能量线性情况，必须利用一组已知能量的γ放射源，测出它们的γ射线在谱中相应的全能峰位置（或道址），然后，作出γ能量对脉冲幅度（或道址）的能量刻度曲线。这个线性关系可用线性方程表示，即 式中x p 为峰位，即道址；E0 为截距，即零道对应的能量；G 为斜率，即每道对应的能量间隔，又称增益。实验中用的γ核素能量列于表2 中。典型的能量刻度曲线如图5 所示。

NaITl闪烁晶体原理

附录一NaI(Tl)闪烁晶体 闪烁体按其化学性质可分为两类：一类是无机晶体闪烁体，通常是含有少量杂质(称为激活剂)的无机盐晶体，如碘化钠(铊激活)单晶体、即NaI(Tl)，碘化铯(铊激活)单晶体、即CsI(Tl)，硫化锌(银激活)、即ZnS(Ag)等；另一类是有机闪烁体，它们都是苯环碳氢化合物。闪烁体的发光机制比较复杂，在此对无机晶体闪烁体的发光机制作一些简要的定性介绍。 无机晶体闪烁体属离子型晶体，原子(离子)之间结合得比较紧密相互之间影响比较大，晶格中原子电子能级加宽成为一系列连续的能带。其中最低能量状态已为电子所填满，故称 为满带；价电子都处于稍高的能量状态，这种能带称为“价带”。若价带未填 满，则在外电场作用下将有净电流产生；若价带已填满，则必须有电子被激 发到更高的能带——导带上去，才能产生电流，此时价带上有一空穴，导带 上有一电子，即产生了一个自由电子——空穴对。价带与导带之间的空隙中 不存在电子能级，称为禁带；禁带有一宽度E g，它和晶体的导电性质密切相 关，导体在0.1eV左右，半导体在0.63—2.5eV之间，无机闪烁体为绝缘透 明物质，E g>3eV，NaI为7.0eV。 也存在另一种情况：在闪烁晶体中产生的电子——空穴对仍束缚着，称 为“激子”，它们在晶格中一起运动，在外电场中无净电流产生，其能带在导带之下，称为“激带”。自由的导带电子和价带空穴可以复合成激子，激子也可以吸收热运动能量变成自由电子——空穴对。 当核辐射进入闪烁体时，既可产生自由电子——空穴对，也可以产生激子。而后电子从导带或激带跃迁到价带，退激过程中放出光子；也存在着竞争过程——非辐射跃迁，即通过放热(晶格振动)退激。 有一点需要指出，纯的NaI晶体不是有效的闪烁体。一是因为相应禁带宽度的光子能量在紫外光围，不是可见光；二是退激发出的光子尚未逸出晶体就会被 晶体自身吸收。为了解决这一问题，在纯晶体中掺入少 量杂质原子(如Tl)，称为“激活剂”，它们成为发光中心， 形成一套激发能级，能量比导带低，而基态却比价带高， 这样跃迁产生的光子能量就比禁带宽度E g小，那么它 就不可能再使价带上的电子激发到导带上去，从而避免 自吸收。 碘化钠闪烁晶体能吸收外来射线能量使原子、分子 电离和激发，退激时发射出荧光光子。NaI(Tl)晶体的密 度较大(ρ=3.67g/cm3)，而且高原子序数的碘占重量的 85%，所以对γ射线的探测效率特别高，同时相对发光效率大；它的发射光谱最强波长为415nm左右，能与光电倍增管的光谱响应较好匹配。此外，晶体的透明性也很好，测量γ射线时能量分辨率也是闪烁体中较好的一种。 一个需要指出的问题是：在闪烁体的选取上要注意闪烁体对所测的粒子要有较大的阻止本领，以使入射粒子(特别是能量较大的粒子)在闪烁体中能损耗较多的能量而退激产生光子。原先使用的国产NaI(Tl)晶体尺寸为φ20×5mm，这一厚度对定标时测高能γ(E>1MeV)时的效率不够高，而且对高能β粒子的计数率也比较低；本装置的闪烁探测器采用的尺寸为φ20×20mm的NaI(Tl)晶体可以说是一大改进，一方面可以提高探测高能γ部分的效率，另一方面也提高了实验中高能β粒子的计数率。

光子晶体毕业论文

引言 光子晶体光纤（PCF），又称多孔光纤或微结构光纤，以其独特的光学特性和灵活的设计成为近年来的热门研究课题。这类光纤是由在纤芯周围沿着轴向规则排列微小空气孔构成，通过这些微小空气孔对光的约束，实现光的传导。独特的波导结构，灵活的制作方法，使得PCF与常规光纤相比具有许多奇异的特性，有效地扩展和增加了光纤的应用领域，因而成为目前国际上研究的热点。在光纤激光器这一领域，PCF经专门设计可具有大模面积且保持无限单模的特性，有效地克服了常规光纤的设计缺陷。以这种具有新颖波导结构和特性的光纤作为有源掺杂的载体，并把双包层概念引入到光子晶体光纤中，将使光纤激光器的某些性能有显著改善。近年来，国外的很多大学和科研单位都在积极开展光子晶体光纤激光器的研究工作。目前，国外输出功率达到几百瓦的光子晶体光纤激光器已有报道。本文阐述了PCF的一些独特优越特性、导光原理及对光子带隙导光型光子晶体光纤的结构设计，介绍了PCF的发展以及优化设计。

第一章光子晶体光纤概述 §1．1光子带隙型光子晶体光纤的理论进展 上个世纪，随着科学技术的不断发展，电子技术几乎进入了人们生活的各个方面，人们对大规模集成电路的微型化、高效化和稳定性提出了更多、更高、更新的要求，而传统的电子技术不能满足高端前沿的发展需要。因此，人们把目光投向于光子技术，希望可以用光子取代电子来获取、传输、存储和处理信息。光子与电子相比有许多优点，光子具有极快的响应能力、极强的互连能力、极大的存储能力和极高的信息容量，但是光子不能和电子一样随意控制，这使得光通信、光器件的研究和应用难以取得进步。科学家们正努力寻找一种新型光学材料使光子能被有效控制，结果光子晶体迅速成为研究焦点。 1987年，E．Yablonovitch[1]研究在固体物理和电子学中抑制自发辐射时，提出周期性结构中某些特定频率光的传播在一个带隙被严格禁止；几乎同时S．John讨论在特定的无序介质超晶格中光子的局域性时，指出在规则排列的超晶格中引入某种缺陷，光子有可能被局限在缺陷中而不能向其它方向传播。由此提出了光子晶体的概念，指出光子带隙和光子局域是光子晶体的重要特征。直到1989年，Yablonovitch和Gmittern首次在实验上证实了三维光子带隙的存在，并指出当两种材料的折射率比足够大时，才能得到完全光子禁带，这一论断后来被广泛应用到实践中，成为得到光子禁带的重要条件。此后物理界才开始大举投入这方面的理论研究和实际应用，它完全不同于传统利用全反射理论来引导光传输，而是利用光子禁带，这样给光通讯领域带来了新的生机和活力。1999年国际权威杂志（Science）在预计所有学科研究趋势时，将光子晶体方面的研究列为未来的六大研究热点之一。 1992年，Russell提出光子晶体光纤的概：它是包层为有序排列的二维光子晶体，纤芯为破坏了包层有序排列的缺陷，光被局限在缺陷中进行传播。1996年英国的Southampton大学研制成功了世界上第一根光子晶体光纤，这项研究成果给光通信和光研究领域注入了新的活力，引起了全世界人们的普遍兴趣。接下来短短的十年间里，光子晶体光纤的研究和应用已经取得了较大的进步，并在（Science）和（Nature）杂志上多次有过相关报道，发表的论文数也是与

纳米氧化锌综述

纳米氧化锌综述 概述 纳米氧化锌是一种多功能性的新型无机材料，晶体为六方结构，其颗粒大小约在1～100纳米。纳米氧化锌由于颗粒小、比表面积大而具有许多其表面电子结构和晶体结构发生变化，产生了宏观物体所不具有的特殊的性质，呈现表面效应、体积效应、量子尺寸效应和宏观隧道效应以及高透明度、高分散性等特点[1]。近年来发现它在催化、光学、磁学、力学等方面展现出许多特殊功能，使其在陶瓷、化工、电子、光学、生物、医药等许多领域有重要的应用价值，具有普通氧化锌所无法比较的特殊性和用途。纳米氧化锌在纺织领域可用于紫外光遮蔽材料、抗菌剂、荧光材料、光催化材料等。由于纳米氧化锌一系列的优异性和十分诱人的应用前景，因此研发纳米氧化锌已成为许多科技人员关注的焦点。 纳米氧化锌的性质 纳米氧化锌是一种半导体催化剂的电子结构，在光照射下，当一个具有一定能量的光子或者具有超过这个半导体带隙能量Eg的光子射入半导体时，一个电子从价带NB激发到导带CB，而留下了一个空穴。激发态的导带电子和价带空穴能够重新结合消除输入的能量和热，电子在材料的表面态被捕捉，价态电子跃迁到导带，价带的孔穴把周围环境中的羟基电子抢夺过来使羟基变成自由基，作为强氧化剂而完成对有机物（或含氯）的降解，将病菌和病毒杀死[2]。 纳米氧化锌的制备 1.纳米氧化锌的液相化学制备技术 除了能够准确控制粒子的化学组成外，液相法与其它化学制备技术相比还具有设备简单、批量大、原料易得、相对来说粒子大小集中、晶相结构及形状容易控制、产物活性好、成本低等特点。液相法可以分为沉淀法、溶胶-凝胶法、微乳液法、水热合成法、溶剂蒸发法等。 1．1化学沉淀法 1．1．1直接沉淀法 直接沉淀法是直接混合制备氧化锌的锌盐与沉淀剂溶液的方法，特点是条件易于控制，操作简单，适于大批量制备粉体材料，其缺点是副产物离子的洗涤较困难，且产物粒径分布较宽，干燥过程中粒子易于团聚。郭志峰等[3]向乙酸锌溶液滴加草酸，同时搅拌，伴有草酸锌沉淀生成。将沉淀物送入烘箱烘干，烘干的草酸锌粉末置洗净坩埚中，在箱式电阻炉中反应，制得氧化锌晶体。 1．1．2 均匀沉淀法 均匀沉淀法是将反应物之一通过化学反应缓慢释放出来并导致沉淀反应发生的技术，因此混合反应物溶液沉淀反应并不立即发生。其特点是避免了直接沉淀法中的局部过浓，从而大大降低沉淀反应的过饱和度。洪若瑜等[4]采用连续微波加热用硫酸锌和尿素制备了粒径为8～30nm的纳米氧化锌。 1．2溶胶-凝胶法 溶胶-凝胶法是以无机盐或金属醇盐为前驱物，经水解缩聚过程逐渐胶化，然后作相应处理得到所需纳米粉体，方法多采用有机溶剂。该方法合成的粉体纯度高，化学成分均匀，颗粒度小且分布范围窄。溶液的pH值、浓度、反应时间及温度均是影响溶胶-凝胶质量的主要因素。 Tianbao Du等[5]采用溶胶-凝胶浸渍涂布技术制备了氧化锌半导体薄膜，他 们以耐热玻璃为模板，在不断搅拌中把模板加入Zn( CH 3C00) 2 /乙醇溶液中，取出

纳米氧化锌的部分特性

纳米氧化锌的部分特性 薛元凤051002231 摘要：纳米材料的物理化学性能与其颗粒的形状、尺寸有着密切的关系。因此，单分散纳米材料的制备及其与尺寸相关的性能研究成为近几年人们研究的热点之一。ZnO作为一种宽禁带半导体具有独特的性质，在纳米光电器件、光催化剂、橡胶、陶瓷及化妆品领域有着广阔的应用前景，随着对不同形状的纳米ZnO的制备及其相关的性能研究不断升温，对其应用方面的研究进展不断深入，单分散纳米ZnO材料已经引起了人们越来越广泛的关注。ZnO作为一种宽禁带，高激子结合能的氧化物半导体，以其优越的磁、光、电以及环境敏感等特性而广泛地应用于透明电子元件、UV 光发射器、压电器件、气敏元件以及传感器等领域。ZnO 本身晶格结 构特点决定了在众多的氧化物半导体中是一种晶粒形态最丰富的材料。本文主讲纳米氧化锌紫外屏蔽、光电催化、气敏、磁性等特性，及纳米氧化锌在生活中、工厂作业中的用途。 关键词：紫外屏蔽光电催化气敏导电性磁性 1 引言 随着纳米科学的发展，人类对自然的认识进入到一个新的层次。材料的新性质被逐渐发掘!认识，新的理论模型被提出"著名学者钱学森院士预言：“纳米左右和纳米以下的结构将是下一阶段科技发展的特点，会是一次技术革命，从而将是二十一世纪的又一次产业革命”。 纳米ZnO具有优异的光、电、磁性能，在当今一些材料研究热点领域表现活跃。与普通ZnO相比，纳米ZnO颗粒尺寸小，微观量子效应显著，展现出许多材料科学家渴望的优异性质，如压电性，荧光性，非迁移性，吸收和散射电磁波能力等。大量科研工作集中于纳米ZnO材料的制备、掺杂和应用等方面。制备均匀、稳定的纳米ZnO是首要任务，获得不同形貌的纳米结构，如纳米球、纳米棒、纳米线、纳米笼、纳米螺旋、纳米环等，将这些新颖的纳米结构材料所具有的独特性能，应用到光电、传导、传感，以及生化等领域，取得了可喜的成绩。世界各国相继大量投入，开发和利用纳米ZnO材料，使其在国防，电子，化工，冶金，航空，生物，医学和环境等方面具发挥更大的作用。 2简介 纳米氧化锌(ZnO)问世于20世纪80年代，其晶体结构为六方晶系P63mc空间群，纤锌矿结构，白色或浅黄色的晶体或粉末，无毒，无臭，系两性氧化物，不溶于水和乙醇，溶解于强酸和强碱，在空气中易吸收二氧化碳和水，尤其是活性氧化锌。

光子晶体光纤基本特性及其应用研究[S](精)

光子晶体光纤基本特性及其应用研究[S] 英文题名 The Basic Characteristic and the Applications Study of Photonic Crystal Fibers 专业凝聚态物理关键词光子晶体光纤; 多极法; 色散; 有效模场面积; 非线性特性; 双折射; 英文关键词 Photonic crystal fibers; Multipole method; Chromatic dispersion; Effective model field area; Nonlinearity; Double refraction; 中文摘要光子晶体光纤是一种新型的光纤,由于它具有普通光纤所无法比拟的结构设计和光学特性,在近几年成为光纤研究领域的热点。本文介绍了光子晶体光纤的研究背景及发展现状,分析了它的结构特性,并列举了一些不同结构的光子晶体光纤,简单介绍了它的两种导光原理和制备方法,以及在各个方面的应用。设计了两种结构的光子晶体光纤,并对它们的基本特性进行了数值研究。论文所做的主要工作如下: 首先,对几种数值模拟光子晶体光纤特性的理论方法进行了介绍和对比,系统介绍了多极法的原理、方程以及适用条件,突出了多极法的特点和优势并选择多极法作为本文的主要研究方法。其次,采用多极法对实芯六角形光子晶体光纤的色散、有效模场面积与结构参数的关系进行了研究。得到如下结论:通过调节空气孔直径和包层空气孔间距的大小,改变空气孔填充介质的折射率,可以有效地控制光子晶体光纤的色散特性和有效模场面积。再次,设计了一种具有双折射的光子晶体光纤。数值研究发现:通过调节空气孔直径、包层空气孔间距的大小以及x和y方向的结构的不对称性,可以有效地调节光子晶体光纤的双折射特性,使双折射效应显著增强,甚至可以达到比普通光纤高出一个数量级的结果。这些结论为... 英文摘要 Photonic Crystal Fiber(PCF)is a new type of optical fiber. Because of its special structure design and optical properties, PCF has been a focus in optical fiber area in recent years. This paper introduces the research background and current development of PCF, analyzes its two kinds of transmission principle and manufacture ,as well as its application in various aspects.In this paper, it has designed two kinds of structures of PCF,and calculated some basic characteristic of PCF as well.The original jobs in ... 摘要 4-5 Abstract 5-6 第1章绪论 11- 25 1.1 引言 11 1.2 光子晶体简介 11-13 1.3 光子晶体光纤的导光原理 13-16 1.3.1 带隙型光子晶体光纤 13- 15 1.3.2 折射率引导型光子晶体光纤 15-16 1.4 光子晶体光纤基本特性 16-20 1.4.1 无截止单模性质 16- 18 1.4.2 色散特性 18 1.4.3 非线性特性 18-19 1.4.4 双折射特性 19-20 1.5 光子晶体光纤的发展现状及应用前景分析 20-23 1.5.1 光子晶体光纤研究现状 20-22 1.5.2 光子晶体光纤的应用前景分析 22- 23 1.6 本课题的研究目标及实现方法 23-25 第2章光子晶体光纤的研究方法 25-37 2.1 引言 25 2.2 几种光子晶体光纤的研究方法简介 25-28 2.2.1 有效折射率方法 25- 26 2.2.2 平面波法 26 2.2.3 Galerkin 方法 26 2.2.4 有限差分法 26-27 2.2.5 超元胞晶格方法 27-28 2.2.6 光束传播法 28 2.3 多极法

一维声子晶体缺陷态的研究

第34卷第3期 人　工　晶　体　学　报 Vol.34　No.3　2005年6月 JOURNAL OF SY NTHETI C CRYST ALS June,2005　一维声子晶体缺陷态的研究 朱　敏1,方云团2,沈廷根1 (1.江苏大学物理系,镇江212003;2.镇江船艇学院物理系,镇江212003) 摘要:用特征矩阵法计算了声波在包含缺陷的一维声子晶体中的传播规律。其带隙结构与不包含缺陷结构的带隙结构相比有明显的不同,系统的透射率不仅与掺杂或替换的介质种类和层数有关,而且与介质的厚度有关。对于通带中的固定频率,透射率随介质厚度的增加呈周期性变化。 关键词:声子晶体;特征矩阵;缺陷;带隙结构 中图分类号:O77 文献标识码:A 文章编号:10002985X(2005)0320536206 Study on One D i m en si on Phonon i c Crysta l w ith D efects ZHU M in1,FAN G Yun2tuan2,SHEN Ting2gen1 (1.Depart m ent of Physics,Jiangsu University,Zhenjiang212003,China; 2.Depart m ent of Physics,Zhenjiang W atercraft College,Zhenjiang212003,China) (R eceived13Septe m ber2004,accepted9O ctober2004) Abstract:The acoustic wave p r opagati on in one di m ensi on phononic crystal with defects was studied by eigen matrix https://www.wendangku.net/doc/1310173697.html,paring with the peri odical structure,its band2gap structure has s ome characteristics.The trans m itting rate of the syste m is great related t o not only the f or m of defect but als o the kind and thickness of the media.The trans m itting rate of the syste m varies in peri od for the fixed frequency lying in the pass band when the thickness of media continuously increases. Key words:phononic crystal;eigen matrix;defects;band2gap structure 1　引　言 自从M.S.Kushwaha等人明确提出了声子晶体的概念[1]以来,人们通过材料弹性常数的特定分布和设计,对一维、二维和三维声子晶体进行了大量研究[227],在声波频段逐步实现了与光子晶体[8210]相类似的性质:发现声子晶体会有完全带隙出现。在技术上,利用完全带隙特性,在一定频率范围内可防止一些特殊的振动,比如在变频器和声波测定仪等精密仪器设备中,同时声子晶体可以作为声音滤波器或作为隔音材料,可以有效地隔离噪音,因此,具有广阔的应用前景。近年来,人们对光子晶体的缺陷模进行了详细的研究[9,10],但对声子晶体缺陷态的研究相对较少。为此,本文在文献研究[4,5]一维声子晶体的基础上,用特征矩阵法研究了声波在包含缺陷的一维声子晶体中的传播规律。 2　模型和计算原理 本文讨论的一维周期系统是由水(W)和空气(G)两种介质在x方向上以一定的次序排列而形成的(图1(a))。由于各介质在垂直x方向的平面内是均匀各向同性的,仅在x方向上表现出结构的不同,因此可看 收稿日期:2004209213;修订日期:2004210209 基金项目:江苏省自然科学基金(BK2004059)资助 作者简介:朱敏(19642),男,江苏省人,副教授。E2mail:zhum in64@https://www.wendangku.net/doc/1310173697.html,

光子晶体光纤概述

光子晶体（PC）是一种介电常数随空间周期性变化的新型光学微结构材料，其概念是1987由S.jhon和E. Yablonovitch提出来的，就是将不同介电常数的介质材料在一维、二维就是将不同介电常数的介质材料在一维、二维或者三维空间组成具有光波长量级的折射率周期性变化的结构材料。 光子晶体的发现，可以说是光和电磁波传播与控制技术方面的一次革命。与电子晶体不同，光子晶体是折射率周期性变化产生光子能带和能隙，频率（波长、能量）处在禁带范围内的光子禁止在光子晶体中传播。当在光子晶体中引入缺陷使其周期性结构遭到破坏时，光子能隙就形成了具有一定频率宽度的缺陷区。我们知道，现代信息技术爆炸之发端是人类能以极为精巧复杂的方法控制半导体中电子流的能力，光子晶体则可以让人们同样地控制光子，甚至控制得更为灵活多样。可以预见，光子晶体将在光通信、光学、光电子学和信息科学等方面引发革命性变革，极有可能在21世界扮演更为重要的角色。1999年12月17日，国际权威杂志《Science》将光子晶体方面的研究列为当今十大科学进展之一。 1991年，Russell等人根据光子晶体传光原理首次提出了光子晶体光纤（PCF）的概念。 1996年，英国南安普顿大学的J.C.Knight 等人研制出世界上第一根PCF，之后在光纤通信和光学研究领域中，PCF引起了全世界的普遍兴趣。 目前，有关光子晶体光纤（PCF）的研究重点有：理论模型、制造工艺、性能测量、实验室实验和工程应用技术探讨等。 2.光子晶体光纤的结构及其导光原理 就结构而言，PCF可以分为实心光纤和空心光纤。实心光纤是将石英玻璃毛细管以周期性规律排列在石英玻璃棒周围的光纤。空心光纤是将石英玻璃毛细管以周期性规律排列在石英玻璃管周围的光纤。 PCF导光机理可以分为两类：折射率导光机理和光子能隙导光机理。 折射率导光机理：周期性缺陷的纤心折射率（石英玻璃）和周期性包层折射率（空气）之间有一定的差别，从而使光能够在纤芯中传播，这种结构的PCF导光机理依然是全内反射，但与常规G.652光纤有所不同，由于包层包含空气，所以这种机理称为改进的全内反射，这是因为空芯PCF中的小孔尺寸比传导光的波长还小的缘故。 光子能隙导光机理：在理论上,求解电磁波(光波) 在光子晶体中的本征方程即可导出实芯和

一维功能梯度材料声子晶体弹性波带隙研究

助锨材抖２０１０年增刊ＩＩ（４１）卷一维功能梯度材料声子晶体弹性波带隙研究’ 宿星亮，高原文 （兰州大学西部灾害与环境力学教育部重点实验室，土木工程与力学学院，甘肃兰州７３００００） 摘要：应用平面波展开法研究了由功能梯度材料周期复合而成的一维声子晶体中存在的弹性波带隙特征，并得到第一阶带隙归一化起始频率、截止频率和宽度随功能梯度材料表面材料常数、指数因子和组分比变化的关系图。并对功能梯度材料声子晶体与常规材料声子晶体带隙特征进行了比较，结果表明，功能梯度材料声子晶体较常规材料声子晶体在相同范围内能够出现更多阶带隙结构。这些结果为功能梯度材料声子晶体在工程实际中的广泛应用提供了理论依据和指导。 关键词：声子晶体；功能梯度材料；弹性波带隙 中图分类号：０４８１．１：ＴＢ５３文献标识码：Ａ文章编号：１００１－９７３１（２０１０）增刊Ⅱ一０３６８－０３ １引言 功能梯度材料是一种多相材料，其材料宏观特性在空间位置上呈现梯度变化，消除了材料的物理性能突变现象，较好地避免或降低应力集中，达到优化结构整体使用性能的目的。功能梯度材料在航空航天、电子器件、人造脏器、汽车发动机等诸多方面都有广泛的应用。 声子晶体是由弹性性质不同的材料周期复合而成，对弹性波具有禁带效应的周期性结构“晶体，，［¨。声子晶体因其在减振、降噪、声学器件等方面有着广泛的潜在应用前景，已经引起了众多学者的关注。自１９９３年Ｋｕｓｈｗｓｈａ等［２３提出声子晶体概念以来，众多学者在声子晶体带隙形成原理、计算方法和实验验证等方面展开了一系列的研究＂ｄ¨。１９９５年，Ｍａｔｒｉｎｅｚ—Ｓａｌａ等口１第一次从实验角度证实了弹性波带隙的存在；１９９８年，ＭｏｎｔｅｒｏｄｅＥｓｐｉｎｏｓａ等Ｈ３在实验中观察到了完全带隙的存在；１９９９年，Ｌｕ等∞１制备了离子型声子晶体并进行了实验研究；２０００年，Ｌｉｕ等邙１首先提出了声子晶体的局域共振带隙机理；之后，温熙森等［１’７’１６。１胡在声子晶体带隙计算方法、实验研究和减振特性等方面取得了一系列成果。近年来，含有新型功能材料的声子晶体研究越来越多的受到学者的关注，Ｗａｎｇ等［１３］研究了压电、压磁现象对声子晶体带隙的影响，以期通过外加的电磁信号来控制带隙特征；Ｚｈａｏ等［１４３研究了含有粘弹性材料声子晶体的带隙结构，讨论了粘弹性对带隙的影响。 由两种或两种以上材料交替排列而成的声子晶体结构模型，材料性质会在交界面出现突变现象，极易出现应力集中、材料疲劳断裂等问题，给工程应用带来极大不便。而功能梯度材料构成的声子晶体在材料宏观性质上呈连续变化，能够有效地避免以上缺陷，从而扩宽工程应用领域，因此该材料必将受到极大关注。而目前这一领域的研究还十分缺乏，当今研究仅有Ｗｕ等ｆ１５３将功能梯度材料作为连接层应用于声子晶体中。基于此，本文研究了指数型功能梯度材料构成的一维声子晶体的带隙特征及影响因素。应用平面波展开法计算揭示了一维功能梯度材料声子晶体中存在弹性波带隙，探讨了功能梯度材料表面材料常数、指数因子和组分比等因数对带隙宽度的影响，比较了其与常规材料构成的声子晶体带隙特征的异同。所得结果对功能梯度材料声子晶体在工程实际中的设计和应用提供了依据和参考。 ２一维功能梯度材料声子晶体模型 研究的一维功能梯度材料声子晶体是由材料常数按指数形式分布的功能梯度材料沿ｚ轴方向周期排列而成。该功能梯度材料单元两端表面材料常数相同，在口处达到材料常数峰值，周期排列后构成材料常数宏观上连续变化的一维结构，如图１所示。 图１一维功能梯度材料声子晶体模型 Ｆｉｇ１Ｍｏｄｅｌｏｆｏｎｅ－ｄｉｍｅｎｓｉｏｎｐｈｏｎｏｎｉｅｃｒｙｓｔａｌｃｏｎ—ｓｉｓｔｅｄｏｆＦＧＭ 图１中Ｌ为晶格常数，即为一个功能梯度材料单元，其中密度和弹性模量按指数形式分布，分别满足式（１），（２）： 加，＝髻鬣篡ｎ＜Ｌ㈣ 阢，一篇鬣≤：Ｌ㈤ 以ｄ一气踟，惴，：≤ｚ＜ＬＱ’ ＊基金项目：国家自然科学基金资助项目（１０６７２０７０）；新世纪优秀人才支持计划资助项目（ＮＣＥＴ－０６—０８９６）收到初稿日期：２０１０—０４—２０收到修改稿日期：２０１０—０８—１２通讯作者：高原文 作者简介：宿星亮（１９８６一），男，山西太原人，在读硕士，师承高原文副教授，从事智能材料与声子晶体研究。万方数据