本發(fā)明涉及閃爍體材料領(lǐng)域，更具體地，涉及一種三價鈰離子激活的閃爍體材料及其制備方法與應(yīng)用。

背景技術(shù)：

閃爍體材料是一類能將電離輻射能轉(zhuǎn)換成光輻射能(主要是可見光能)的化學(xué)物質(zhì)。所用電離輻射包括帶電的α粒子、β粒子和不帶電的X 射線、γ射線以及中子。閃爍體材料在探測輻射信息中有重要的應(yīng)用，被大量地應(yīng)用于高能物理、核物理、核醫(yī)學(xué)成像、探礦、安全監(jiān)控、工業(yè)無損探測、油井探測、環(huán)境檢查等領(lǐng)域。例如歐洲核子研究中心的大型強子對撞機(LHC)的探測器采用了82000多根PbWO₃閃爍晶體(25 cm × 2.5 cm × 2.5 cm)；醫(yī)院用于人體拍片的正電子發(fā)射斷層掃描成像技術(shù)(PET)中的探測器由閃爍體材料(如Bi₄Ge₃O₁₂晶體)和光電倍增管耦合制成；飛機場和火車站等對行李物品進行安全檢測的儀器主要部件是用閃爍體材料[如(ZnCd)S:Ag⁺]涂制的X 射線熒光屏。

通常，一種性能優(yōu)異的閃爍體材料需要滿足多方面的要求，主要包括高密度(> 6 g/cm³)、快衰減(< 100 ns)、高光產(chǎn)額(> 6000 光子/MeV)、高穩(wěn)定性和低成本等。其中快衰減有利于提高掃描速度，高光產(chǎn)額有利于提高光電檢測器的靈敏度。不同的高能輻射其特性不同，相應(yīng)探測材料的性能要求、使用條件和探測原理也各有不同。雖然人們對閃爍體材料的研究已經(jīng)有了一百多年的歷史，但至今仍然沒能找到性能非常滿意的全能閃爍材料。隨著科技對于探測要求的提高，傳統(tǒng)的商用無機閃爍體材料已越來越難以滿足當前技術(shù)的需要，例如CaWO₄、Bi₄Ge₃O₁₂(BGO)等，雖然有較高的光產(chǎn)額(> 10⁴ 光子/MeV)，但衰減時間比較長(> 200ns)；BaF₂、CsI、CeF₃等，雖然衰減時間較短(≤ 30 ns)，但光產(chǎn)額較低(幾千光子/MeV)。NaI:Tl⁺衰減時間較長，且吸收系數(shù)大，容易潮解。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明為克服上述現(xiàn)有技術(shù)所述的缺陷，提供一種光產(chǎn)額高、光衰減快、物理化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定的三價鈰離子激活的閃爍體材料。

本發(fā)明的另一個目的在于提供一種閃爍體材料的制備方法。

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：

一種三價鈰離子激活的閃爍體材料，所述閃爍體材料的化學(xué)組成表示式為：Sr_3-2xCe_xM_xMgSi₂O₈；其中，Ce³⁺為激活離子，M⁺為電荷補償離子，x為Ce³⁺相對堿土金屬離子Sr²⁺所占的摩爾百分比系數(shù)，x的選取范圍為0.001≤x≤0.10。

本發(fā)明所述閃爍體材料的發(fā)射熒光波長在300~450nm范圍之內(nèi)，能與光電倍增管很好的耦合，在X射線的激發(fā)下，所述閃爍體材料光產(chǎn)額高，能達商用BaF₂的2倍以上，且所述閃爍體材料光衰減快、物理化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定。

優(yōu)選地，所述電荷補償離子為堿金屬離子。所述電荷補償離子選自Li⁺、Na⁺、K⁺、Rb⁺、Cs⁺中的一種。

優(yōu)選地，所述x的選取范圍為0.005≤x≤0.07。

本發(fā)明還提供上述閃爍體材料的制備方法，其包括以下步驟：

按照所述閃爍體材料的化學(xué)組成表示式的化學(xué)計量比稱取原料，研磨、混合均勻，將所述混合后的原料置于還原性氣體的氣氛中焙燒，然后冷卻，研磨，即得到所述閃爍體材料；所述焙燒的條件為：焙燒溫度為650～1200 ℃，焙燒時間為4～12小時；所述原料包括含鈰化合物、含鍶化合物、含鎂化合物、電荷補償劑、二氧化硅。

本發(fā)明所述的制備方法操作簡單、安全、條件容易控制。

優(yōu)選地，所述含鈰化合物為鈰氧化物、鈰草酸鹽、鈰碳酸鹽、鈰硝酸鹽中的一種或多種的組合。

優(yōu)選地，所述含鍶化合物為碳酸鍶、硝酸鍶、氟化鍶中的一種或多種的組合。

優(yōu)選地，所述含鎂化合物為氧化鎂或堿式碳酸鎂。

優(yōu)選地，所述電荷補償劑為碳酸鈉、碳酸鋰、碳酸鉀、碳酸銣、碳酸銫。

進一步地，所述原料還包括助熔劑。所述助熔劑的用量為原料總質(zhì)量的1%～3%。

優(yōu)選地，所述助熔劑為氯化銨或硼酸。

優(yōu)選地，所述還原性氣體為CO、H₂、由H₂和N₂組成的混合氣、由H₂和Ar組成的混合氣。

進一步地，所述焙燒的條件為：以5℃/min的速率升溫到650℃，恒溫2小時，然后再繼續(xù)升溫到1200℃，在所述還原性氣體的氣氛中，1200℃焙燒4小時。

本發(fā)明還提供所述閃爍體材料的應(yīng)用。

Sr_3-2xCe_xM_xMgSi₂O₈在作為X射線探測用閃爍體材料中的應(yīng)用， Ce³⁺為激活離子，M⁺為電荷補償離子，x為Ce³⁺相對堿土金屬離子Sr²⁺占的摩爾百分比系數(shù)，x的選取范圍為0.001≤x≤0.10。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：

本發(fā)明所述閃爍體材料的發(fā)射熒光波長在300~450nm范圍之內(nèi)，能與光電倍增管很好的耦合，且所述閃爍體材料光產(chǎn)額高、光衰減快、物理化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定。另外，本發(fā)明所述閃爍體材料的制備方法操作簡單、安全、條件容易控制。

附圖說明

圖1為實施例1所得閃爍體材料的X射線粉末衍射圖。

圖2為實施例1所得閃爍體材料與參照樣品BaF₂在相同條件下測試得到的X射線激發(fā)熒光光譜圖。

具體實施方式

下面結(jié)合說明書附圖和具體實施例對本發(fā)明做進一步詳細說明，但實施例并不對本發(fā)明做任何形式的限定。除特別說明，本發(fā)明采用的試劑、方法和設(shè)備為本技術(shù)領(lǐng)域常規(guī)試劑、方法和設(shè)備。

實施例1

1）原料稱取

分別稱取原料氧化鈰（CeO₂）0.0052g、碳酸鍶（SrCO₃）1.3198g、二氧化硅（SiO₂）0.3605g、碳酸鈉（Na₂CO₃) 0.0016g、堿式碳酸鎂（(MgCO₃)₄? Mg(OH)₂?5H₂O）0.2914g、氯化銨（NH₄Cl）0.0396g。

2）制備

將上述原料置于瑪瑙研缽中充分研磨并混合均勻，之后將混合均勻后的原料放入一個小氧化鋁坩堝中，將此小氧化鋁坩堝放入一個底部鋪有一層碳粒的大氧化鋁坩堝中，蓋上一個和該大氧化鋁坩堝外徑一樣的蓋子后放入馬弗爐中焙燒，在還原氣體一氧化碳的氣氛中，以5℃/min的速率升溫到650℃后恒溫2小時，然后再繼續(xù)升溫到1200℃，1200℃焙燒4小時，自然冷卻到室溫。將焙燒后的產(chǎn)物取出，研磨，得到閃爍體材料，所得閃爍體材料的化學(xué)組成為Sr_2.98Ce_0.01Na_0.01MgSi₂O₈。

3）檢測

對所得閃爍體材料進行X射線粉末衍射測試，該X射線粉末衍射的結(jié)果與Sr₃MgSi₂O₈標準卡片（JCPDS 10-0075）一致，即得到了Sr₃MgSi₂O₈純相材料，見圖1。

圖2為本實施例所得閃爍體材料在X射線（60kV，25mA）激發(fā)下的熒光光譜。從圖1可以看出，在X射線激發(fā)下，熒光光譜為300~450 nm范圍內(nèi)的寬帶發(fā)射譜，主峰位于360 nm。該發(fā)射光譜的范圍與光電倍增管耦合很好。

用積分強度與同樣測試條件下測得的BaF₂樣品的熒光光譜積分強度比較，得到所得閃爍體材料在X射線激發(fā)下的光產(chǎn)額為20596 photons/MeV，是相同測試條件下商用BaF₂樣品的2.3倍。

實施例2

1）原料稱取

稱取氧化鈰（CeO₂）0.0155 g，碳酸鍶（SrCO₃）1.3021g，二氧化硅（SiO₂）0.3605g，碳酸鈉（Na₂CO₃) 0.0048 g，堿式碳酸鎂（(MgCO₃)₄? Mg(OH)₂?5H₂O）0.2914g，氯化銨（NH₄Cl）0.0396g。

2）制備

本實施例的制備方法與實施例1相同。所得閃爍體材料的化學(xué)組成為Sr_2.94Ce_0.03Na_0.03MgSi₂O₈。

3）檢測

對所得閃爍體材料進行X射線粉末衍射測試，該X射線粉末衍射的結(jié)果與Sr₃MgSi₂O₈標準卡片（JCPDS 10-0075）一致，即得到了Sr₃MgSi₂O₈純相材料。

在與實施例1相同的測試條件下，獲得所得的閃爍體材料的光產(chǎn)額，其光產(chǎn)額為16980 photons/MeV。

實施例3

1）原料稱取

稱取氧化鈰（CeO₂）0.0258 g，碳酸鍶（SrCO₃）1.2844 g，二氧化硅（SiO₂）0.3605g，碳酸鈉（Na₂CO₃) 0.0079 g，堿式碳酸鎂（(MgCO₃)₄? Mg(OH)₂?5H₂O）0.2914g，氯化銨（NH₄Cl）0.0396g。

2）制備

本實施例的制備方法與實施例1相同。所得閃爍體材料的化學(xué)組成為Sr_2.90Ce_0.05Na_0.05MgSi₂O₈

3）檢測

對所得閃爍體材料進行X射線粉末衍射測試，該X射線粉末衍射的結(jié)果與Sr₃MgSi₂O₈標準卡片（JCPDS 10-0075）一致，即得到了Sr₃MgSi₂O₈純相材料。

在與實施例1相同的測試條件下，獲得所得的閃爍體材料的光產(chǎn)額，其光產(chǎn)額為12469 photons/MeV。

實施例4

1）原料稱取

稱取氧化鈰（CeO₂）0.0361 g，碳酸鍶（SrCO₃）1.2667g，二氧化硅（SiO₂）0.3605g，碳酸鈉（Na₂CO₃) 0.0223g，堿式碳酸鎂（(MgCO₃)₄? Mg(OH)₂?5H₂O）0.2914g，氯化銨（NH₄Cl）0.0396 g。

2）制備

本實施例的制備方法與實施例1相同。所得閃爍體材料的化學(xué)組成為Sr_2.86Ce_0.07Na_0.07MgSi₂O₈。

3）檢測

對所得閃爍體材料進行X射線粉末衍射測試，該X射線粉末衍射的結(jié)果與Sr₃MgSi₂O₈標準卡片（JCPDS 10-0075）一致，即得到了Sr₃MgSi₂O₈純相材料。

在與實施例1相同的測試條件下，獲得所得的閃爍體材料的光產(chǎn)額，其光產(chǎn)額為10800 photons/MeV。

實施例5

1）原料稱取

稱取氧化鈰（CeO₂）0.0516 g，碳酸鍶（SrCO₃）1.2401 g，二氧化硅（SiO₂）0.3605g，碳酸鈉（Na₂CO₃) 0.0159 g，堿式碳酸鎂（(MgCO₃)₄? Mg(OH)₂?5H₂O）0.2914g，氯化銨（NH₄Cl）0.0396 g。

2）制備

本實施例的制備方法與實施例1相同。所得閃爍體材料的化學(xué)組成為Sr_2.80Ce_0.10Na_0.10MgSi₂O₈。

3）檢測

對所得閃爍體材料進行X射線粉末衍射測試，該X射線粉末衍射的結(jié)果與Sr₃MgSi₂O₈標準卡片（JCPDS 10-0075）一致，即得到了Sr₃MgSi₂O₈純相材料。

在與實施例1相同的測試條件下，獲得所得的閃爍體材料的光產(chǎn)額，其光產(chǎn)額為7831 photons/MeV。

實施例6

1）原料稱取

稱取氧化鈰（CeO₂） 0.0005 g，碳酸鍶（SrCO₃）1.3277 g，二氧化硅（SiO₂）0.3605 g，碳酸鈉（Na₂CO₃) 0.0002 g，堿式碳酸鎂（(MgCO₃)₄? Mg(OH)₂?5H₂O）0.2914g，氯化銨（NH₄Cl）0.0396 g。

2）制備

本實施例的制備方法與實施例1相同。所得閃爍體材料的化學(xué)組成為Sr_2.998Ce_0.001Na_0.001MgSi₂O₈。

3）檢測

對所得閃爍體材料進行X射線粉末衍射測試，該X射線粉末衍射的結(jié)果與Sr₃MgSi₂O₈標準卡片（JCPDS 10-0075）一致，即得到了Sr₃MgSi₂O₈純相材料。

在與實施例1相同的測試條件下，獲得所得的閃爍體材料的光產(chǎn)額，其光產(chǎn)額為5870 photons/MeV。

實施例7

1）原料稱取

稱取氧化鈰（CeO₂） 0.0026 g，碳酸鍶（SrCO₃）1.3242 g，二氧化硅（SiO₂）0.3605 g，碳酸鈉（Na₂CO₃) 0.0008 g，堿式碳酸鎂（(MgCO₃)₄? Mg(OH)₂?5H₂O）0.2914g，氯化銨（NH₄Cl）0.0396 g。

2）制備

本實施例的制備方法與實施例1相同。所得閃爍體材料的化學(xué)組成為Sr_2.99Ce_0.005Na_0.005MgSi₂O₈。

3）檢測

對所得閃爍體材料進行X射線粉末衍射測試，該X射線粉末衍射的結(jié)果與Sr₃MgSi₂O₈標準卡片（JCPDS 10-0075）一致，即得到了Sr₃MgSi₂O₈純相材料。

在與實施例1相同的測試條件下，獲得所得的閃爍體材料的光產(chǎn)額，其光產(chǎn)額為11352 photons/MeV。

實施例8

1）原料稱取

分別稱取原料氧化鈰（CeO₂）0.0052 g、碳酸鍶（SrCO₃）1.3198g、二氧化硅（SiO₂）0.3605g、碳酸銫（Cs₂CO₃) 0.0048g、堿式碳酸鎂（(MgCO₃)₄? Mg(OH)₂?5H₂O）0.2914g、氯化銨（NH₄Cl）0.0396g。

2）制備

本實施例的制備方法與實施例1相同。所得閃爍體材料的化學(xué)組成為Sr_2.98Ce_0.01Cs_0.01MgSi₂O₈。

3）檢測

對所得閃爍體材料進行X射線粉末衍射測試，該X射線粉末衍射的結(jié)果與Sr₃MgSi₂O₈標準卡片（JCPDS 10-0075）一致，即得到了Sr₃MgSi₂O₈純相材料。

在與實施例1相同的測試條件下，獲得所得的閃爍體材料的光產(chǎn)額，其光產(chǎn)額為13380 photons/MeV。

顯然，本發(fā)明的上述實施例僅僅是為清楚地說明本發(fā)明所作的舉例，而并非是對本發(fā)明的實施方式的限定。對于所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在上述說明的基礎(chǔ)上還可以做出其它不同形式的變化或變動。這里無需也無法對所有的實施方式予以窮舉。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明權(quán)利要求的保護范圍之內(nèi)。