專利名稱：摻鈰焦硅酸镥亞微米成像熒光屏的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及亞微米成像，特別是一種摻鈰焦硅酸镥亞微米成像熒光屏的制備方法，具體涉及利用溶膠-凝膠(Sol-Gel)法在未摻雜的焦硅酸镥單晶(Lu1-yRey)2Si2O7襯底片(厚度約為3-30微米)上生長一層厚度為0.3-10微米的摻雜三價鈰離子(Ce3+)焦硅酸镥單晶薄膜(CexReyLu1-x-y)2Si2O7，(0.001≤x≤0.01，0≤y≤0.3，其中Re代表除Lu之外的其它稀土元素，如Y、Gd、Sc、In等之一或者多種混合)，從而制備出可用于X射線亞微米成像的熒光屏(CexReyLu1-x-y)2Si2O7/(Lu1-yRey)2Si2O7，(0.001≤x≤0.01，0≤y≤0.3)。
背景技術(shù)：
顯微成像技術(shù)具有亞微米分辨率、探測效率高、數(shù)字化程度高、可以實現(xiàn)在線實時檢測等優(yōu)點，在相襯成像、全息成像以及微層析成像等顯微X射線成像領(lǐng)域具有重要的作用。閃爍熒光屏是決定X射線成像系統(tǒng)的空間和時間分辨率的關(guān)鍵因素之一。要達到亞微米級的空間分辨率，必須要有一個透明的、對可見光不散射的、厚度在幾微米、具有高光輸出的熒光屏。粉末熒光屏存在的缺點，閃爍陶瓷熒光屏的光輸出較低，不能滿足需要。因此采用閃爍單晶薄膜做成的熒光屏，成為人們研究的熱點。目前，成像系統(tǒng)中的單晶薄膜熒光屏主要采用CsI(Tl)、Ce:YAG/YAG和Ce:LuAG/YAG等SCF熒光屏。參見IEEE Trans.Nucl.Sci.1998年，第45卷第3期，第492頁；參見J.Opt.Sco.Am.A，1998年，第15卷第7期，第1940頁；參見Nucl.Instr.Meth.in Phys.Res.A.2002年，第486卷，第309-314頁。
最近，人們發(fā)現(xiàn)了鈰離子摻雜的焦硅酸镥晶體(Ce:Lu2-xMxSi2O7，簡稱Ce:LPS)是一種較好的無機閃爍晶體，該晶體屬于單斜晶系，晶格參數(shù)分別為a＝6.765，b＝8.839，c＝4.715，β＝101.96°，密度和有效原子序數(shù)分別為6.23g/cm3和Zeff＝4。Ce:LPS閃爍晶體具有較高的光輸出，約為13000-22000Ph/MeV，較快的光衰減，約為30ns，且無余輝。參見U.S.Pat.No6,437,336。
目前，制備薄膜的方法很多，比如液相外延法、濺射法、真空蒸發(fā)和分子束外延、溶膠凝膠法、脈沖激光沉積法、化學(xué)氣相沉積法和超聲熱解等。溶膠凝膠法與上述其它制備薄膜方法有如下優(yōu)勢可以實現(xiàn)低溫(500-1300℃)生長，具有工藝設(shè)備簡單、低耗費，易獲得大面積的薄膜等優(yōu)點。由于溶膠由溶液得到，膠粒內(nèi)和膠粒間化學(xué)成分完全一樣，能有效控制化學(xué)計量比，實現(xiàn)微量摻雜，易制備多組分均勻薄膜，均勻程度可達到分子級水平，并能夠制得一些用傳統(tǒng)方法難以得到或根本得不到的產(chǎn)物。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種摻鈰焦硅酸镥亞微米成像熒光屏的制備方法，利用本方法制備薄膜具有均勻無缺陷、大面積的、高效率、高分辨率的亞微米成像閃爍單晶熒光屏(CexReyLu1-x-y)2Si2O7/(Lu1-yRey)2Si2O7，其中0.001≤x≤0.01，0≤y≤0.3，能有效地控制多組分化學(xué)計量比，實現(xiàn)微量鈰摻雜。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下一種摻鈰焦硅酸镥亞微米成像熒光屏的制備方法，其特征在于該成像熒光屏的結(jié)構(gòu)表達式為(CexReyLu1-x-y)2Si2O7/(Lu1-yRey)2Si2O7，其中0.001≤x≤0.01，0≤y≤0.3，它是在晶面方向為(010)、(100)或(001)的(Lu1-yRey)2Si2O7(0≤y≤0.3)襯底上通過溶膠凝膠法生長一層(CexReyLu1-x-y)2Si2O7閃爍薄膜構(gòu)成的透明熒光屏。
所述的襯底的厚度為3-30微米。
所述的閃爍薄膜的厚度為0.3-10微米。
所述的摻鈰焦硅酸镥亞微米成像熒光屏的制備方法的具體步驟如下①在室溫下，按正硅酸乙酯∶乙醇∶去離子水＝1∶(1-6)∶(1-10)的體積比配制混合液；②選定x、y，按照化學(xué)式(CexReyLu1-x-y)2Si2O7中的化學(xué)計量比，稱量純度大于99.99％的镥、鈰及其它稀土元素的硝酸鹽或醋酸鹽為原料，溶解到按第<1>步配制的混合液中，使溶液中的Ce∶Re∶Lu∶Si＝x∶y∶(1-x-y)∶1，并加入適當?shù)妮o助劑如稀鹽酸調(diào)節(jié)溶液的性質(zhì)；③溶液用磁力攪拌器充分攪拌18-24小時，令其混合均勻，并充分水解，然后密封靜置陳化三天以上，得到透明、均勻的前驅(qū)體溶膠；④將清潔干燥的晶面方向為(010)、(100)或(001)的(Lu1-yRey)2Si2O7，(0≤y≤0.3)單晶襯底基片浸入上述陳化后的前驅(qū)體溶膠中，以5-25cm/min的速度提拉出溶液面形成前驅(qū)體膜；⑤將該具有前驅(qū)體膜的基片在70℃-100℃烘箱中烘烤20-30min，以除去多余溶劑；⑥重復(fù)步驟④和⑤，重復(fù)提拉多次，直至達到所需的薄膜厚度為止；⑦然后將薄膜與基片一起放在氮氣N2氣氛爐中，以7-10℃/min的升溫速率加熱到900-1200℃，保溫2-5小時，隨爐冷卻至室溫，即得到本發(fā)明摻鈰焦硅酸镥亞微米成像熒光屏。
本發(fā)明利用溶膠凝膠法(Sol-Gel)制備的大面積(CexReyLu1-x-y)2Si2O7/(Lu1-yRey)2Si2O7，(0.001≤x≤0.01，0≤y≤0.3)單晶閃爍熒光屏，經(jīng)檢測表明均勻無缺陷，具有重密度(隨著y的減小密度從6.0增加到6.2g/cm3、高有效原子序數(shù)(Zeff＝56-63.8)、高光輸出(約為70-75％NaI(Tl))、快衰減(30-50ns)、在662keV下能量效率ΔE/E為9％左右，無余輝、其發(fā)射波長可以和現(xiàn)有的CCD及Si陣列更有效耦合等優(yōu)點。
本發(fā)明的熒光屏與在先技術(shù)中熒光屏相比較，具有較高的X射線吸收系數(shù)和較高的分辨率；另一方面，襯底采用與閃爍單晶薄膜組成相同的單晶組成，不存在失配問題，單晶薄膜質(zhì)量高，熒光屏的光學(xué)性質(zhì)好。因此，采用本發(fā)明的閃爍熒光屏可以廣泛應(yīng)用于各種顯微X射線成像應(yīng)用領(lǐng)域中。
具體實施例方式
現(xiàn)結(jié)合以下具體實施例進一步說明本發(fā)明熒光屏的制備方法。
實施例1(Ce0.005Lu0.995)2Si2O7/Lu2Si2O7閃爍熒光屏按照上述的制備工藝步驟<1>在室溫下，配制混合液，按正硅酸乙酯(TEOS)∶乙醇∶去離子水為1∶4∶8(體積比)；按工藝步驟<2>以純度大于99.99％的硝酸镥和硝酸鈰為原料，按照化學(xué)式(Ce0.005Lu0.995)2Si2O7中的化學(xué)計量比計算好配方，溶解到正硅酸乙酯(TEOS)、乙醇和水的混合液中，并加入適當?shù)腍Cl調(diào)節(jié)溶液的性質(zhì)。得到的溶液中Ce∶Lu∶Si＝0.005∶0.995∶2；按上述步驟<3>溶液用磁力攪拌器充分攪拌24小時，令其混合均勻，并充分水解，然后密封靜置陳化三天以上，即得到適于勻膠的透明、均勻的前驅(qū)體溶膠；按步驟<4>將尺寸為φ30×0.03mm，清潔干燥的，晶面方向為(010)的Lu2Si2O7單晶襯底基片浸入上述陳化后的溶膠前驅(qū)體中，以不同速度20cm/min的速度提拉出溶液面；按上述工藝步驟<5>前驅(qū)體膜在100℃烘箱中燒烤30min，以除去多余溶劑；按上述工藝步驟<6>重復(fù)步驟<4>和<5>，重復(fù)提拉10次，直至達到所需的薄膜厚度4微米為止；按上述工藝步驟<7>將薄膜與襯底基片一起放在氮氣N2氣氛爐中，以7℃/min的速度加熱到1200℃。保溫5小時，隨爐冷卻至室溫。得到均一透明的大面積單晶薄膜(Ce0.005Lu0.995)2Si2O7，即(Ce0.005Lu0.995)2Si2O7/Lu2Si2O7閃爍熒光屏制備完畢。
這種閃爍熒光屏性能優(yōu)良，具有較高的分辨率，在顯微X射線成像方面具有廣泛的應(yīng)用前景。
實施例2(Ce0.005Gd0.3Lu0.695)2Si2O7/(Gd0.3Lu0.7)2Si2O7閃爍熒光屏按照上述實施例1中制備工藝步驟<1>在室溫下，配制混合液，按正硅酸乙酯∶乙醇∶去離子水為1∶5∶10(體積比)；按工藝步驟<2>以純度大于99.99％的硝酸镥、硝酸釓和硝酸鈰為原料，按照化學(xué)式(Ce0.005Gd0.3Lu0.695)2Si2O7中的化學(xué)計量比計算好配方，溶解到正硅酸乙酯(TEOS)、乙醇和水的混合液中，并加入適當?shù)腍Cl調(diào)節(jié)溶液的性質(zhì)。得到的溶液中Ce∶Gd∶Lu∶Si＝0.005∶0.3∶0.695∶2；按上述步驟<3>溶液用磁力攪拌器充分攪拌20小時，令其混合均勻，并充分水解，然后密封靜置陳化4天，即得到適于勻膠的透明、均勻的前驅(qū)體溶膠；按步驟<4>將尺寸為φ30×0.03mm，清潔干燥的，晶面方向為(100)的(Gd0.3Lu0.7)2Si2O7單晶襯底基片浸入上述陳化后的前驅(qū)體溶膠中，以15cm/min的速度提拉出溶液面；按上述工藝步驟<5>前驅(qū)體膜在100℃烘箱中燒烤20min，以除去多余溶劑；按上述工藝步驟<6>重復(fù)步驟<4>和<5>，重復(fù)提拉多次，達到所需的薄膜厚度3微米為止；按上述工藝步驟<7>將薄膜與襯底基片一起放在氮氣N2氣氛爐中，以10℃/min的升溫速度加熱到1100℃。保溫4小時，隨爐冷卻至室溫。得到均一透明的大面積單晶薄膜(Ce0.005Gd0.3Lu0.695)2Si2O7。即(Ce0.005Gd0.3Lu0.695)2Si2O7/(Gd0.3Lu0.7)2Si2O7閃爍熒光屏制備完畢。
實施例3(Ce0.01Y0.1Lu0.89)2Si2O7/(Y0.1Lu0.9)2Si2O7閃爍熒光屏按照上述實施例2中步驟<1>在室溫下，配制混合液，按正硅酸乙酯∶乙醇∶去離子水為1∶3∶7(體積比)；按工藝步驟<2>以純度大于99.99％的硝酸镥、硝酸釔和硝酸鈰為原料，按照化學(xué)式(Ce0.01Y0.1Lu0.89)2Si2O7中的化學(xué)計量比計算好配方，溶解到正硅酸乙酯(TEOS)、乙醇和水的混合液中，并加入適當?shù)腍Cl調(diào)節(jié)溶液的性質(zhì)。得到的溶液中Ce∶Y∶Lu∶Si＝0.01∶0.1∶0.89∶2；按上述步驟<3>溶液用磁力攪拌器充分攪拌24小時，令其混合均勻，并充分水解，然后密封靜置陳化3天，即得到適于勻膠的透明、均勻的前驅(qū)體溶膠；按步驟<4>將尺寸為φ30×0.03mm，清潔干燥的，晶面方向為(001)的(Y0.1Lu0.9)2Si2O7單晶襯底基片浸入上述陳化后的溶膠前驅(qū)體中，以25cm/min的速度提拉出溶液面；按上述工藝步驟<5>前驅(qū)體膜在100℃烘箱中燒烤30min，以除去多余溶劑；按上述工藝步驟<6>重復(fù)步驟<4>和<5>，重復(fù)提拉10次，直至達到所需的薄膜厚度6微米為止；按上述工藝步驟<7>將薄膜與襯底基片一起放在氮氣N2氣氛爐中，以8℃/min的速度加熱到1050℃。保溫5小時，隨爐冷卻至室溫。即得到均一透明的大面積單晶薄膜(Ce0.01Y0.1Lu0.89)2Si2O7；至此獲得高質(zhì)量高完整的單晶閃爍熒光屏(Ce0.01Y0.1Lu0.89)2Si2O7/(Y0.1Lu0.9)2Si2O7的制備。
對上述實施例，利用溶膠凝膠法(Sol-Gel)制備的大面積(CexReyLu1-x-y)2Si2O7/(Lu1-yRey)2Si2O7，(0.001≤x≤0.01，0≤y≤0.3)單晶閃爍熒光屏進行檢測，經(jīng)檢測表明均勻無缺陷，具有重密度(隨著y的減小密度從6.0增加到6.2g/cm3、高有效原子序數(shù)(Zeff＝56-63.8)、高光輸出(約為70-75％NaI(Tl))、快衰減(30-50ns)、在662keV下能量效率ΔE/E為9％左右，無余輝、其發(fā)射波長可以和現(xiàn)有的CCD及Si陣列更有效耦合等優(yōu)點。
權(quán)利要求
1.一種摻鈰焦硅酸镥亞微米成像熒光屏的制備方法，其特征在于該成像熒光屏的結(jié)構(gòu)表達式為(CexReyLu1-x-y)2Si2O7/(Lu1-yRey)2Si2O7，它是在晶面方向為(010)、(100)或(001)的(Lu1-yRey)2Si2O7襯底上通過溶膠凝膠法生長一層(CexReyLu1-x-y)2Si2O7閃爍薄膜構(gòu)成的透明熒光屏，其中0.001≤x≤0.01，0≤y≤0.3。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的摻鈰焦硅酸镥亞微米成像熒光屏的制備方法，其特征在于所述的襯底的厚度為3-30微米。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的摻鈰焦硅酸镥亞微米成像熒光屏的制備方法，其特征在于所述的閃爍薄膜的厚度為0.3-10微米。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的摻鈰焦硅酸镥亞微米成像熒光屏的制備方法，其特征在于該方法的步驟如下①在室溫下，按正硅酸乙酯∶乙醇∶去離子水＝1∶(1-6)∶(1-10)的體積比配制混合液；②選定x、y，按照化學(xué)式(CexReyLu1-x-y)2Si2O7中的化學(xué)計量比，稱量純度大于99.99％的镥、鈰及其它稀土元素的硝酸鹽或醋酸鹽為原料，溶解到按第<1>步配制的混合液中，使溶液中的Ce∶Re∶Lu∶Si＝x∶y∶(1-x-y)∶1，并加入適當?shù)妮o助劑如稀鹽酸調(diào)節(jié)溶液的性質(zhì)；③溶液用磁力攪拌器充分攪拌18-24小時，令其混合均勻，并充分水解，然后密封靜置陳化三天以上，得到透明、均勻的前驅(qū)體溶膠；④將清潔干燥的晶面方向為(010)、(100)或(001)的(Lu1-yRey)2Si2O7，(0≤y≤0.3)單晶襯底基片浸入上述陳化后的前驅(qū)體溶膠中，以5-25cm/min的速度提拉出溶液面形成前驅(qū)體膜；⑤將該具有前驅(qū)體膜的基片在70℃-100℃烘箱中烘烤20-30min，以除去多余溶劑；⑥重復(fù)步驟④和⑤，重復(fù)提拉多次，直至達到所需的薄膜厚度為止；⑦然后將薄膜與基片一起放在氮氣N2氣氛爐中，以7-10℃/min的升溫速率加熱到900-1200℃，保溫2-5小時，隨爐冷卻至室溫，即得到本發(fā)明摻鈰焦硅酸镥亞微米成像熒光屏。
全文摘要
一種摻鈰焦硅酸镥亞微米成像熒光屏的制備方法，其特征在于該成像熒光屏的結(jié)構(gòu)表達式為(Ce
文檔編號H01J9/20GK1588607SQ200410053440
公開日2005年3月2日 申請日期2004年8月4日 優(yōu)先權(quán)日2004年8月4日
發(fā)明者趙廣軍, 嚴成鋒, 徐軍, 龐輝勇, 介明印, 何曉明, 夏長泰 申請人:中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機械研究所