1.3 生长方法
Bi4Si3O12（BSO）是Bi2O3-SiO2二元系中的一个稳定化学晶体，属立方晶系。一致熔融，熔点为1030℃，可以采用坩锅下降法（BR）或提拉法（CZ）从BSO熔体中生长单晶[2]。
2009年徐家跃等[21]采用改进型坩埚下降法，从富Bi的高温熔体中生长了硅酸铋BSO晶体。其晶体最大尺寸达到30mm×30mm×35mm，且具有良好的光学均匀性，在350～900mm波段透过率保持在80%左右，有望适用于能量范围在几百MeV的4π电磁量能器。为了获得高质量的BSO单晶，常常采取使用高纯Bi2O3和SiO2原料，以消除杂质对晶体结构的影响。原料组分严格符合化学计量比，同时预先烧结，确保一致熔融。在生长过程中，精确控制晶体生长气氛、温度场、提拉速率等。但是使用该法时熔体对铂金坩埚的腐蚀较严重，严重影响了BSO晶体的尺寸。一方面，熔体中Bi与Pt反应导致坩埚变脆，严重时可以导致坩埚泄露；另一方面，Pt进入熔体中，聚集在固液界面处，在生长的晶体中形成包裹物。另外，该方法生长BSO单晶周期长，杂质聚积严重，炉温的微小波动也会使晶体产生条纹。图1.2为坩埚下降法中电炉内的温度分布和坩埚在炉中的位置曲线。
费一汀等[8]在坩埚下降法生长BSO晶体的实验中采用电阻加热，炉温由DWT-702精密温度控制仪控制。生长在空气气氛下进行，但坩埚顶部接近密封以防止BSO组分在高温下挥发。将装好料的Pt坩埚放人A12O3引下管，其间填人Al2O3粉以支撑坩埚。入炉后炉温升到1100℃以上，加热熔化原料和晶种顶部，然后按一定速度下降坩埚，使BSO熔体在炉膛内由高温区向低温区移动，BSO熔体即沿晶种的结晶学方向转变成单晶体。
图1.2 坩埚下降法中电炉内的温度分布和坩埚在炉中的位置曲线
图1.3 Bi2O3-SiO2系统的相平衡图
与其它闪烁晶体一样，BSO的闪烁性能对晶体中的杂质极为敏感。因此，除了采用从原始组分配料一次生长外，还可以使用BSO的小晶体块作为原料进行二次生长（即二次提纯）来提高晶体的纯度。由于Bi2O3与SiO2的熔点和密度相差很大以及Bi2O3–SiO2二元系的相关系复杂，使BSO熔体的化学组成均匀性和析晶行为变得比BGO更难控制，并且BSO的生长速度也比BGO慢，无色透明的BSO晶体的生长速度约为0.2–0.5mm/h。长成的BSO晶体还要经过一定的热处理工艺（目的是消除晶体中的热应力，防止晶体冷却时开裂）处理，然后缓慢冷却到室温下出炉。图1.3为Bi2O3–SiO2系统的相平衡图[22]。
稀土离子掺杂BSO晶体不进行二次生长，其它的生长方法和工艺条件与纯BSO晶体的相同，其中Ce掺杂和Nd、Eu掺杂BSO晶体的生长工艺条件（包括生长气氛）也完全相同[8]。
1.4 性能研究
1.4.1 透射光谱
费一汀等[8]采用日立340型紫外–可见–近红外记录式分光光谱计测量了BSO及掺杂BSO晶体的透射光谱，如图1.4所示。
图1.4 BSO（厚度为14.7mm），Ce:BSO（厚度为10.9mm），Nd:BSO（厚度为10.9mm）
和Eu:BSO（厚度为6.4mm）的透射曲线
从图中可以看出，Nd和Eu对BSO晶体透射光谱的吸收边基本上无影响，只有Ce使得BSO晶体透射光谱的吸收边向长波方向移动并在可见的短波区域有较大的吸收。Nd和Eu掺杂BSO的透射曲线中有若干特征吸收峰，这对应于4f电子的跃近。由于掺杂量小，一些较弱的吸收峰没有在透射光谱中出现。Nd和Eu的主要吸收峰的波长及相应的能级跃迁列于表1.2中，其中Nd在575，585，742nm等波长处的吸收峰最强。
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