本發(fā)明屬于材料學(xué)領(lǐng)域，涉及一種晶體材料，具體來說是一種高光輸出硅酸鉍閃爍晶體及其制備方法。

背景技術(shù)：

硅酸鉍（bi4si3o12，簡稱bso）是一種新型閃爍晶體，與著名的鍺酸鉍（bi4ge3o12，簡稱bgo）晶體同屬立方晶系，結(jié)構(gòu)相近，具有相似的物理化學(xué)性質(zhì)，如密度高、輻照長度短、莫里埃半徑小、不潮解、易加工等等。同時，bso晶體衰減時間（100ns）是bgo的1/3，輻照硬度（10⁵～10⁶rad）比bgo高一個數(shù)量級，而且sio2原料價格低廉，是替代bgo的理想材料，可潛在應(yīng)用于高能物理、核醫(yī)學(xué)成像、地理勘探等領(lǐng)域。日本東北大學(xué)shimizu教授等發(fā)現(xiàn)bso晶體非常適合作為探測幾百個mev能量級粒子的小型電磁量能器的探頭。另外bso同時具有cherenkov和閃爍性能，其綜合性能在雙讀出領(lǐng)域遠(yuǎn)優(yōu)于bgo和鎢酸鉛（pbwo4，pwo）等現(xiàn)有的晶體材料。

摻雜改性是改善晶體性能的常用辦法，因此，對于bso晶體，人們也進(jìn)行了相當(dāng)多的摻雜改性研究。主要包括過渡元素和稀土元素?fù)诫sbso晶體性能研究。費(fèi)一汀等研究了cr、fe、ce、nd以及eu等摻雜bso晶體的閃爍性能，發(fā)現(xiàn)這些元素的摻雜都不能改善bso晶體的光輸出，甚至有些元素的摻雜還會降低光輸出。迄今為止，除了我們課題組前期工作發(fā)現(xiàn)dy的摻雜對bso晶體光輸出有所改善之外，其他稀土元素和過渡元素的摻雜均未發(fā)現(xiàn)能夠明顯提高bso晶體的光輸出。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術(shù)所存在的上述問題，本發(fā)明提供了一種高光輸出硅酸鉍閃爍晶體及其制備方法，所述的這種高光輸出硅酸鉍閃爍晶體及其制備方法要解決現(xiàn)有技術(shù)中的硅酸鉍閃爍晶體的光輸出效果不佳的技術(shù)問題。

本發(fā)明提供了一種高光輸出硅酸鉍閃爍晶體，所述硅酸鉍晶體摻有ta⁵⁺，ta⁵⁺以ta2o5的形式摻入，摻雜量為0.2～4mol%/mol。

進(jìn)一步的，ta⁵⁺的最佳摻雜量為2mol%/mol。

本發(fā)明還提供了上述的一種高光輸出硅酸鉍閃爍晶體的制備方法，包括如下步驟：

1)先采用固相燒結(jié)法制備bi4si3o12多晶料，然后按所述摻雜量向bi4si3o12多晶料中加入ta2o5，得到ta摻雜的bi4si3o12多晶料；

2)選擇硅酸鉍籽晶，將籽晶固定在坩堝底部的種井部位，將摻雜的多晶料裝入固定有bi4si3o12籽晶的坩堝中并封好并移入陶瓷引下管；

3)在12～20h中將晶體爐升溫到1050～1200℃，并保溫4～12小時；

4)逐漸提升引下管，待坩堝內(nèi)的多晶料完全熔融后保溫1～5h;

5)以0.2～0.6mm/h的速度下降引下管，進(jìn)行晶體生長，得到高光輸出硅酸鉍閃爍晶體。

進(jìn)一步的，bso籽晶的取向?yàn)?lt;001>、<110>或其他方向；籽晶截面形狀為圓形、長方形或正方形。

進(jìn)一步的，晶體生長時所用坩堝為鉑金坩堝，坩堝壁厚為0.10～0.15mm，形狀為圓柱形、長方形、正方形或者楔形。

進(jìn)一步的，晶體爐體內(nèi)設(shè)置多個等效工位，能同時生長至少兩根晶體。

進(jìn)一步的，制備ta摻雜的bi4si3o12多晶料包括如下步驟，

1)按摩爾比2:3稱量bi2o3粉末、sio2粉末并均勻混合、壓塊，在750～850℃下燒結(jié)6～15小時，得到bi4si3o12多晶料；

2)稱量bi4si3o12多晶料與ta2o5，每摩爾bi4si3o12多晶料中ta2o5的摻雜量為0.2～4mol%，將bi4si3o12多晶料與ta2o5混合均勻后，壓塊，在800～900℃下燒結(jié)6～15小時，得到ta摻雜bi4si3o12多晶料。

進(jìn)一步的，所述bi2o3粉末、sio2粉末和ta2o5的純度大于或等于99.99%，并在混合前進(jìn)行干燥脫水處理。

本發(fā)明中所述的ta⁵⁺的摻雜量是相對于硅酸鉍多晶料的摩爾百分比。

本發(fā)明采用的坩堝是處于一個封閉狀態(tài)，可以避免低熔點(diǎn)bi2o3原料的揮發(fā)，減少熔體組分偏析，且爐膛溫場穩(wěn)定，提高晶體的生長質(zhì)量。同時，生長的晶體形狀可以根據(jù)坩堝形狀而定，可以多根晶體同時生長，可提高晶體生長效率，有利于產(chǎn)業(yè)化。

本發(fā)明通過固相燒結(jié)法合成摻雜硅酸鉍多晶粉料，將合成的摻雜硅酸鉍多晶料壓成致密圓柱狀料塊；將籽晶固定在坩堝底部的種井部位，然后將多晶料塊裝入坩堝并封好，置于晶體生長爐內(nèi)并控制溫度在1050-1200℃，晶體生長速度為0.2-0.6mm/h，采用垂直凝固法生長bso晶體。

本發(fā)明和已有技術(shù)相比，其技術(shù)進(jìn)步是顯著的。本發(fā)明由于ta⁵⁺的摻入，使所得bso晶體光輸出大幅提高。本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了高光輸出以及高質(zhì)量硅酸鉍單晶的生長，同時工藝設(shè)備簡單，可同時生長多根晶體，極大提高了硅酸鉍閃爍晶體的生長效率及應(yīng)用。本發(fā)明中所述的高光輸出硅酸鉍閃爍晶體可應(yīng)用于制備核物理及高能物理探測材料。

附圖說明

圖1為實(shí)施例1所獲得的bso晶體經(jīng)加工后得到的透明晶塊樣品。

圖2為實(shí)施例2所獲得的bso晶體在厚度均為2mm下的透射光譜圖。

圖3是實(shí)施例3所獲得的bso晶體樣品及純bso晶體樣品在光電倍增管輸出高壓為632v下的¹³⁷csγ射線能譜圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合具體實(shí)施例，進(jìn)一步闡述本發(fā)明。這些實(shí)施例僅用于說明本發(fā)明而不用于限制本發(fā)明的范圍。

實(shí)施例1

將純度不低于99.99%的bi2o3粉料、sio2粉料和ta2o5粉料在干燥箱中烘干3h，然后按摩爾比2:3精確稱量bi203和sio2，進(jìn)行混勻、壓塊，然后在850℃燒結(jié)8小時；將燒結(jié)料冷卻后研磨然后摻入ta2o5粉料（ta⁵⁺摻雜量為0.2mol%），再次混合均勻、壓塊，在900℃下燒結(jié)10小時，得到硅酸鉍多晶料；

取晶向?yàn)椋?01＞，尺寸為φ10×50mm的bso單晶作為籽晶，將硅酸鉍多晶料和籽晶裝入鉑金坩堝，然后采用垂直凝固法進(jìn)行晶體生長：先用14小時將爐溫生長1130℃，然后保溫10h，再逐漸提升引下管，待坩堝內(nèi)的多晶料全部熔融后，以0.5mm/h的速度下降引下管，進(jìn)行晶體生長；晶體生長結(jié)束后，以50℃/h的速率冷卻至室溫，關(guān)掉電源，取出晶體。

經(jīng)切割、粗磨、細(xì)磨、拋光加工后可得到14×14×50mm的透明塊狀樣品。

實(shí)施例2

將純度不低于99.99%的bi2o3粉料、sio2粉料和ta2o5粉料在干燥箱中烘干3h，然后按摩爾比2:3精確稱量bi203和sio2，進(jìn)行混勻、壓塊，然后在850℃燒結(jié)8小時；將燒結(jié)料冷卻后研磨然后摻入ta2o5粉料（ta⁵⁺摻雜量為1mol%），再次混合均勻、壓塊，在900℃下燒結(jié)10小時，得到硅酸鉍多晶料；

取晶向?yàn)椋?01＞，尺寸為φ10×50mm的bso單晶作為籽晶，將硅酸鉍多晶料和籽晶裝入鉑金坩堝，然后采用垂直凝固法進(jìn)行晶體生長：先用14小時將爐溫生長1130℃，然后保溫10h，再逐漸提升引下管，待坩堝內(nèi)的多晶料全部熔融后，以0.5mm/h的速度下降引下管，進(jìn)行晶體生長；晶體生長結(jié)束后，以50℃/h的速率冷卻至室溫，關(guān)掉電源，取出晶體。

將所得的晶體加工為10×10×2mm的晶體，兩端拋光后，進(jìn)行透射光譜測試。

實(shí)施例3

將純度不低于99.99%的bi2o3粉料、sio2粉料和ta2o5粉料在干燥箱中烘干3h，然后按摩爾比2:3精確稱量bi203和sio2，進(jìn)行混勻、壓塊，然后在850℃燒結(jié)8小時；將燒結(jié)料冷卻后研磨然后摻入ta2o5粉料（ta⁵⁺摻雜量為2mol%），再次混合均勻、壓塊，在900℃下燒結(jié)10小時，得到硅酸鉍多晶料；

取晶向?yàn)椋?01＞，尺寸為φ10×50mm的bso單晶作為籽晶，將硅酸鉍多晶料和籽晶裝入鉑金坩堝，然后采用垂直凝固法進(jìn)行晶體生長：先用14小時將爐溫生長1130℃，然后保溫10h，再逐漸提升引下管，待坩堝內(nèi)的多晶料全部熔融后，以0.5mm/h的速度下降引下管，進(jìn)行晶體生長；晶體生長結(jié)束后，以50℃/h的速率冷卻至室溫，關(guān)掉電源，取出晶體。

將所得的晶體加工為10×10×8mm的晶塊，兩端拋光后，進(jìn)行光輸出測試，并與相同條件下測試的純bso晶體對比。

圖1是實(shí)施例1所獲得的bso晶體樣品經(jīng)加工后得到的透明塊體，圖2是實(shí)施例2所獲得的bso晶體樣品在厚度為2mm下的透射光譜圖，圖3是實(shí)施例3所獲得的bso晶體樣品與純bso晶體樣品在光電倍增管輸出高壓為632v下的¹³⁷csγ射線能譜圖。由圖中可以看出，ta⁵⁺摻雜bso能夠生長處高質(zhì)量的透明晶體，2mm厚的樣品在300～800nm波段的透過率水平高達(dá)80%左右，在ta⁵⁺摻雜量為2mol%時，光輸出最高提高到原來的1.5倍左右。

最后有必要在此說明的是：以上實(shí)施例只用于對發(fā)明的技術(shù)方案做進(jìn)一步詳細(xì)地說明，不能理解為對本發(fā)明保護(hù)范圍的限制，本領(lǐng)域的技術(shù)人員根據(jù)本發(fā)明的上述內(nèi)容做出的一些非本質(zhì)的改進(jìn)和調(diào)整均屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。