低成本稀土閃爍晶體的生長的制作方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及閃爍晶體材料技術領域，具體涉及低成本稀土閃爍晶體的生長。
【背景技術】
[0002]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?yōu)楣饽芏l(fā)出閃光的晶體。而閃爍則是指一種輻射發(fā)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(yī)學(如XCT、PET以及g相機)、工業(yè)應用(工業(yè)CT)、地質勘探、石油測井等。閃爍晶體在射線的激發(fā)下能發(fā)出位于可見光波段的光波，不同的閃爍體最大閃爍發(fā)射波長、光產(chǎn)額、閃爍衰減時間、福射長度、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(xiàn)已開發(fā)的無機閃爍體有 NaI(Tl)、Cs1、CsI(Na)、CsI(Tl)、LiF(Eu)、CaF2(Eu)、CdF2、BaF2、CeF3、BGO (Bi 3Ge40i2)、ZffO (ZnffO4)、CWO (CdffO) 4、PWO (PbffO4)、GSO: Ce (GcbSi Ο2Ο5:Ce)、LAP:Ce(LaAK)3:Ce)、YAP: Ce(YAK)3:Ce)和LS0:Ce(Lu2Si205: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(yōu)異發(fā)光性能其成為高活性的發(fā)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(fā)生躍迀的數(shù)目高達192177個，因此成為一個巨大的發(fā)光寶庫。稀土離子獨特4f電子結構導致的優(yōu)異發(fā)光性能其成為高活性的發(fā)光中心，同時稀土元素由于具有較大原子序數(shù)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躍迀、f-f躍迀對應紫外到紅外的特征吸收和發(fā)射過程，如Ce3+、Pr3+、Eu2+，它們具有完全自旋宇稱允許的5d—4f躍迀，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快偶極允許躍迀，典型衰減時間為10_50ns，符合閃爍體對快衰減的發(fā)展要求;而Y3+、La3+、Lu3+等稀土離子具有光學惰性，適合作為發(fā)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(xiàn)的備受關注的新一代高溫閃爍晶體，例如，Ce:LS0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(shù)又與BGO晶體相當。
[0003]正是由于稀土閃爍晶體優(yōu)良的閃爍探測性能，一直受到業(yè)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(fā)展，閃爍晶體在關鍵探測器中所占的成本配額卻表現(xiàn)出迅猛增長的趨勢。例如，在核醫(yī)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。
[0004]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。

【發(fā)明內容】

[0005]有鑒于此，本發(fā)明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，本發(fā)明提供的生長工藝，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(yōu)勢。
[0006]本發(fā)明提供了低成本稀土閃爍晶體的生長工藝，包括以下步驟，
[0007]本發(fā)明從晶體生長界面處的各向異性化學鍵合結構出發(fā)，利用晶體生長理論確定優(yōu)勢生長方向并計算優(yōu)化的晶體生長參數(shù)；
[0008]a)將RE203、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；
[0009]b)在真空或保護性氣氛下，將上述步驟得到的混合原料經(jīng)過燒結后，得到多晶料塊；
[0010]設定理論計算所得的優(yōu)化晶體生長參數(shù)；
[0011]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。
[0012]優(yōu)選的，所述具有特定生長方向的籽晶的晶向[100]方向、[O1 ]方向或[001 ]方向。
[0013]優(yōu)選的，所述晶體生長理論為結晶生長的化學鍵合理論。
[0014]優(yōu)選的，所述籽晶為硅酸镥單晶。
[0015]優(yōu)選的，所述引導的溫度為1850?2050°C。
[0016]優(yōu)選的，所述步驟c)具體為:
[0017]在真空或保護性氣氛下，升溫多晶料塊，在出現(xiàn)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。
[0018]優(yōu)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?30rpmo
[0019]優(yōu)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?I): I。
[0020]優(yōu)選的，所述步驟a)之前還包括將所述原料經(jīng)過多級結晶工藝進行提純處理；
[0021]所述原料中，所述RE203、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%。
[0022]優(yōu)選的，所述步驟a)之后還包括，將混合原料經(jīng)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°C。
[0023]優(yōu)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。
[0024]本發(fā)明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RE203、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GcULa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(jīng)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(xiàn)有技術相比，本發(fā)明從晶體生長理論出發(fā)，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(yōu)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。本發(fā)明提供的生長工藝，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(yōu)勢。實驗結果表明，實驗結果表明，本發(fā)明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，相比原有技術制備的稀土閃爍晶體增加了約60%。
【附圖說明】
[0025]圖1為本發(fā)明實施例1制備的稀土閃爍晶體的XRD譜圖。
【具體實施方式】
[0026]為了進一步理解本發(fā)明，下面結合實施例對本發(fā)明優(yōu)選實施方案進行描述，但是應當理解，這些描述只是為了進一步說明本發(fā)明的特征和優(yōu)點，而不是對發(fā)明權利要求的限制。
[0027]本發(fā)明所有原料，對其來源沒有特別限制，在市場上購買的或按照本領域技術人員熟知的常規(guī)方法制備的即可。
[0028]本發(fā)明所有原料，對其純度沒有特別限制，本發(fā)明優(yōu)選采用分析純。
[0029]本發(fā)明提供了低成本稀土閃爍晶體的生長工藝，包括以下步驟，
[0030]本發(fā)明利用結晶生長的化學鍵合理論，根據(jù)稀土閃爍晶體生長過程中的界面處的鍵合結構，分別計算稀土閃爍晶體沿軸向(提拉方向)和徑向(垂直于提拉方向)生長的相對生長速率，確定優(yōu)勢生長方向以及計算并優(yōu)化沿該方向生長的生長參數(shù)；
[0031]a)將RE203、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；
[0032]b)在真空或保護性氣氛下，將上述步驟得到的混合原料經(jīng)過燒結后，得到多晶料塊；
[0033]c)在真空或保護性氣