低成本稀土閃爍晶體的生長制造技術

本發明專利技術提供了低成本稀土閃爍晶體的生長工藝，包括以下步驟，首先將RE2O3、二氧化硅、鈰的氧化物和镥的氧化物作為原料進行混合后，得到混合原料；所述RE包括Gd、La和Y中的一種或多種；然后在真空或保護性氣氛下，將上述步驟得到的混合原料經過燒結后，得到多晶料塊；最后在真空或保護性氣氛下，將多晶料塊熔化后，在具有特定生長方向的籽晶的引導下，采用提拉法進行晶體生長后，得到稀土閃爍晶體。本發明專利技術從晶體生長理論出發，結合稀土閃爍晶體生長過程中的界面處的鍵合結構，確定優勢生長方向，采用相應的具有特定生長方向的籽晶，從而縮短了生長過程時間，降低了生長成本。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及閃爍晶體材料
，具體涉及低成本稀土閃爍晶體的生長。
技術介紹
閃爍晶體是指，在X射線和射射線等高能粒子的撞擊下，能將高能粒子的動能轉變為光能而發出閃光的晶體。而閃爍則是指一種輻射發光過程，將高能射線或高能粒子轉換為紫外或可見熒光脈沖。閃爍晶體主要應用領域有高能物理、核物理、核醫學(如XCT、PET以及g相機)、工業應用(工業CT)、地質勘探、石油測井等。閃爍晶體在射線的激發下能發出位于可見光波段的光波，不同的閃爍體最大閃爍發射波長、光產額、閃爍衰減時間、輻射長度、輻照硬度及密度、熔點、硬度、吸潮性等物理性質都有所不同。通常應用的閃爍晶體材料都是用人工方法培育出來的，種類也很多，從化學成分來講有氧化物、鹵化物(包括碘化物、氟化物)等，現已開發的無機閃爍體有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(YAlO3:Ce)和LSO:Ce(Lu2Si2O5:Ce)等，稀土閃爍晶體是其中重要的組成分支。稀土離子獨特4f電子結構導致的優異發光性能其成為高活性的發光中心，具有未完全充滿的4f電子層的稀土離子共有1639個能級，可能發生躍遷的數目高達192177個，因此成為一個巨大的發光寶庫。稀土離子獨特4f電子結構導致的優異發光性能其成為高活性的發光中心，同時稀土元素由于具有較大原子序數還能夠作為基質晶體的重要組成。目前稀土閃爍晶體主要研究的是d-f躍遷、f-f躍遷對應紫外到紅外的特征吸收和發射過程，如Ce3+、Pr3+、Eu2+，它們具有完全自旋宇稱允許的5d→4f躍遷，大大提高了閃爍體的響應能力。Ce3+摻雜的閃爍晶體研究最為廣泛，它具有5d→4f快偶極允許躍遷，典型衰減時間為10–50ns，符合閃爍體對快衰減的發展要求；而Y3+、La3+、Lu3+等稀土離子具有光學惰性，適合作為發光材料的基質材料，而三價鈰離子摻雜的稀土硅酸鹽系列閃爍晶體更是近些年出現的備受關注的新一代高溫閃爍晶體，例如，Ce:LSO晶體的光輸出約為NaI(Tl)晶體的75％，為BGO晶體的7～10倍，衰減時間僅是BGO的1/7，而該晶體的密度和有效原子序數又與BGO晶體相當。正是由于稀土閃爍晶體優良的閃爍探測性能，一直受到業內研究學者的高度關注。但是在實際應用中，探測器是關鍵部件，其探測的時空分辨率主要取決于閃爍晶體性能。近年來，隨著電子元器件的飛速發展，閃爍晶體在關鍵探測器中所占的成本配額卻表現出迅猛增長的趨勢。例如，在核醫學成像設備中閃爍晶體成本配額已由過去的1/6增至1/3。因此，稀土閃爍晶體昂貴的成本已成為其應用領域上的桎梏，更阻礙了進一步在探測領域更為廣泛的應用，如何得到低成本稀土閃爍晶體的生長工藝，已成為了應用領域前沿學者亟待解決的問題。
技術實現思路
有鑒于此，本專利技術要解決的技術問題在于提供低成本稀土閃爍晶體的生長工藝，尤其是低成本的三價鈰離子摻雜的稀土硅酸鹽閃爍晶體的制備方法，本專利技術提供的生長工藝，能耗低，貴金屬損耗少，生長過程時間短，晶體成品率高，具有明顯的低成本優勢。本專利技術提供了低成本稀土閃爍晶體的生長工藝，包括以下步驟，本專利技術從晶體生長界面處的各向異性化學鍵合結構出發，利用晶體生長理論確定優勢生長方向并計算優化的晶體生長參數；a)將RE2O3、二氧化硅、鈰的氧化物和镥的氧化物作為原料進行混合后，得到混合原料；所述RE包括Gd、La和Y中的一種或多種；b)在真空或保護性氣氛下，將上述步驟得到的混合原料經過燒結后，得到多晶料塊；設定理論計算所得的優化晶體生長參數；c)在真空或保護性氣氛下，將多晶料塊熔化后，在具有特定生長方向的籽晶的引導下，采用提拉法進行晶體生長后，得到稀土閃爍晶體。優選的，所述具有特定生長方向的籽晶的晶向[100]方向、[010]方向或[001]方向。優選的，所述晶體生長理論為結晶生長的化學鍵合理論。優選的，所述籽晶為硅酸镥單晶。優選的，所述引導的溫度為1850～2050℃。優選的，所述步驟c)具體為：在真空或保護性氣氛下，升溫多晶料塊，在出現特征液流線時，使用所述具有特定生長方向的籽晶進行引晶操作，然后采用提拉法進行晶體生長后，得到稀土閃爍晶體。優選的，所述晶體生長的過程中，生長速率為2.5～8.0mm/h，晶體旋轉速率為6～30rpm。優選的，所述RE2O3、鈰的氧化物和镥的氧化物的質量之和與二氧化硅的質量的比值為(0.75～1.25)：1；所述鈰的氧化物的質量與所述RE2O3和镥的氧化物的質量之和的比值為(0.005～0.04)：1；所述RE2O3和镥的氧化物的質量比為(0.005～1)：1。優選的，所述步驟a)之前還包括將所述原料經過多級結晶工藝進行提純處理；所述原料中，所述RE2O3、二氧化硅、鈰的氧化物和镥的氧化物的純度均大于等于99.995％。優選的，所述步驟a)之后還包括，將混合原料經過壓餅后，得到原料餅；所述壓餅的壓力為20～70MPa；所述燒結的溫度為900～1300℃。優選的，所述保護性氣氛為氮氣、惰性氣體和還原性氣體中的一種或多種。本專利技術提供了低成本稀土閃爍晶體的生長工藝，包括以下步驟，首先將RE2O3、二氧化硅、鈰的氧化物和镥的氧化物作為原料進行混合后，得到混合原料；所述RE包括Gd、La和Y中的一種或多種；然后在真空或保護性氣氛下，將上述步驟得到的混合原料經過燒結后，得到多晶料塊；最后在真空或保護性氣氛下，將多晶料塊熔化后，在具有特定生長方向的籽晶的引導下，采用提拉法進行晶體生長后，得到稀土閃爍晶體。與現有技術相比，本專利技術從晶體生長理論出發，結合稀土閃爍晶體生長過程中的界面處的鍵合結構，確定優勢生長方向，采用相應的具有特定生長方向的籽晶，從而縮短了生長過程時間，降低了生長成本。本專利技術提供的生長工藝，能耗低，貴金屬損耗少，生長過程時間短，晶體成品率高，具有明顯的低成本優勢。實驗結果表明，實驗結果表明，本專利技術提供的生長工藝具有較低的相變溫度點，相比原有技術最多降低了8.7％，而且制備時間短(96小時之內)相比原有技術減少了(30％～50％)，晶體成品率能夠達到80％以上，相比本文檔來自技高網...

【技術保護點】
低成本稀土閃爍晶體的生長工藝，其特征在于，包括以下步驟，a)將RE2O3、二氧化硅、鈰的氧化物和镥的氧化物作為原料進行混合后，得到混合原料；所述RE包括Gd、La和Y中的一種或多種；b)在真空或保護性氣氛下，將上述步驟得到的混合原料經過燒結后，得到多晶料塊；c)在真空或保護性氣氛下，將多晶料塊熔化后，在具有特定生長方向的籽晶的引導下，采用提拉法進行晶體生長后，得到稀土閃爍晶體。

【技術特征摘要】
1.低成本稀土閃爍晶體的生長工藝，其特征在于，包括以下步驟，
a)將RE2O3、二氧化硅、鈰的氧化物和镥的氧化物作為原料進行混合后，
得到混合原料；所述RE包括Gd、La和Y中的一種或多種；
b)在真空或保護性氣氛下，將上述步驟得到的混合原料經過燒結后，得
到多晶料塊；
c)在真空或保護性氣氛下，將多晶料塊熔化后，在具有特定生長方向的
籽晶的引導下，采用提拉法進行晶體生長后，得到稀土閃爍晶體。
2.根據權利要求1所述的生長工藝，其特征在于，所述具有特定生長方
向的籽晶的晶向[100]方向、[010]方向或[001]方向。
3.根據權利要求1所述的生長工藝，其特征在于，所述籽晶為硅酸镥單
晶。
4.根據權利要求1所述的生長工藝，其特征在于，所述引導的溫度為
1850～2050℃。
5.根據權利要求1所述的生長工藝，其特征在于，所述步驟c)具體為：
在真空或保護性氣氛下，升溫多晶料塊，在出現特征液流線時，使用所
述具有特定生長方向的籽晶進行引晶操作，然后采用提拉法進行晶體生長后，
得到稀土閃爍晶體。
6.根據權利要求1...

【專利技術屬性】
技術研發人員：薛冬峰，孫叢婷，
申請(專利權)人：中國科學院長春應用化學研究所，
類型：發明
國別省市：吉林;22