硅鐿離子共摻y(tǒng)ag超快閃爍晶體及其制備方法
【專利摘要】一種硅鐿離子共摻Y(jié)AG超快閃爍晶體及其制備方法，硅和鐿離子共摻Y(jié)AG晶體的化學(xué)式為：Yb3xY3(1?x)Si5yAl5(1?y)O12，式中x＝0.05～0.3,y＝0.0001～0.01，x為基質(zhì)Yb離子的摻雜量，y為Si離子的摻雜量，Yb離子進(jìn)入晶體取代Y離子格位，Si離子取代Al離子格位。本發(fā)明制備的Yb3xY3(1?x)Si5yAl5(1?y)O12超快閃爍晶體具有光產(chǎn)額高、抗輻照損傷強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，可應(yīng)用于超快脈沖輻射探測、慣性約束核聚變、空間輻射探測、核反應(yīng)動(dòng)力學(xué)研究等領(lǐng)域。
【專利說明】
括憶離子共慘YAG超快閃爍晶體及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明設(shè)及閃爍晶體，特別是一種娃鏡離子共滲YAG超快閃爍晶體及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 無機(jī)閃爍晶體是一種能將高能光子(X/丫射線)或粒子(質(zhì)子、中子等）的能量轉(zhuǎn)換 成易于探測的紫外/可見光子的晶態(tài)能量轉(zhuǎn)換體。閃爍晶體做成的探測器廣泛應(yīng)用于高能 物理、核物理探測與成像、影像核醫(yī)學(xué)診斷(XCT、PET)、地質(zhì)勘探、天文空間物理學(xué)W及安全 稽查等領(lǐng)域。隨著核探測及相關(guān)技術(shù)的飛速發(fā)展，閃爍晶體的應(yīng)用領(lǐng)域不斷拓寬。不同應(yīng)用 領(lǐng)域?qū)﹂W爍晶體提出了更高要求，傳統(tǒng)的化I(T1)、BG0、PW0等閃爍晶體已經(jīng)無法滿足高性 能閃爍探測器的要求。
[0003] 超快脈沖福射測量技術(shù)一般要求探測器系統(tǒng)輸出的電流信號(hào)能夠盡可能真實(shí)地 反映福射場的時(shí)間信息，是探知物質(zhì)內(nèi)部核反應(yīng)過程信息和先進(jìn)福射裝置性能的重要技術(shù) 手段。要求無機(jī)閃爍探測器有盡可能快的時(shí)間響應(yīng)特性和適中的光產(chǎn)額。根據(jù)超快脈沖福 射測量技術(shù)對時(shí)間衰減的特殊需求，一般將發(fā)光衰減時(shí)間小于10ns的閃爍晶體稱為超快閃 爍晶體，超快閃爍體綜合性能是決定超快探測器性能的關(guān)鍵因素之一。表1是目前常用的超 快閃爍材料的基本物理特性和閃爍性能參數(shù)比較。從表中可發(fā)現(xiàn)，有機(jī)閃爍體(如BC422Q) 時(shí)間響應(yīng)最快可W達(dá)到亞納秒，但是其密度和原子序數(shù)較低，因而伽馬/中子分辨能力(往 往小于1倍）明顯弱于無機(jī)閃爍體(一般在5~20倍），不利于伽馬、中子混合福射場中的伽馬 射線測量。無機(jī)閃爍體時(shí)間響應(yīng)一般在十幾納秒W上，滿足亞納秒脈沖福射探測技術(shù)要求 的晶體很少。BaF2晶體能達(dá)到亞納秒時(shí)間響應(yīng)，但BaF2晶體具有0.6ns快成份的同時(shí)還具有 620ns的慢發(fā)光成份，且該慢成份份額較高，限制了該晶體在超快脈沖福射探測中的應(yīng)用； Yb: YAP衰減時(shí)間小于1 ns，并且光輸出相對較高，但YAP晶體由于具有復(fù)雜的正交巧鐵礦結(jié) 構(gòu)，晶體生長過程容易開裂，除了難W制備大尺寸晶體外，另一個(gè)重要缺陷是YAP晶體崎變 的巧鐵礦結(jié)構(gòu)使晶體內(nèi)部極易形成大量的點(diǎn)缺陷，在高能射線福照下晶體變成褐色，光輸 出急劇下降。
[0004] 表1常用超快閃爍材料的基本物理性能和閃爍性能比較
[0005]
[0006] 為滿足超快脈沖福射探測應(yīng)用的需求，獲得容易制備、物化性能穩(wěn)定的新型無機(jī) 閃爍體材料成為目前超快閃爍體發(fā)展的主要趨勢。近年來，基于化電荷轉(zhuǎn)移發(fā)光機(jī)制的化 滲雜無機(jī)超快晶體引起了國內(nèi)外同行的局度重視。其中，Yb滲質(zhì)的YAG晶體是具有典型電荷 轉(zhuǎn)移發(fā)光的一種超快無機(jī)閃爍晶體。Yb:YAG超快晶體具有下列特征：1)發(fā)光波長位于350nm 和550皿附近，和目前使用的光電倍增管等匹配良好;2)由于溫度和濃度效應(yīng)其室溫下光衰 減時(shí)間T < Ins，且沒有慢發(fā)光成分。
[0007] 雖然Yb:YAG晶體的衰減時(shí)間非?？欤跓o機(jī)閃爍晶體中具有絕對優(yōu)勢。但是其發(fā) 光產(chǎn)額較低，只有1250化/MeV，運(yùn)嚴(yán)重限制了化:YAG作為性能優(yōu)越的無機(jī)超快閃爍晶體的 應(yīng)用。在不降低晶體衰減時(shí)間的前提下，提高Yb:YAG晶體光產(chǎn)額的機(jī)理研究和實(shí)現(xiàn)手段是 國際材料學(xué)界和脈沖福射探測領(lǐng)域關(guān)注的熱點(diǎn)問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 為了解決上述化:YAG超快閃爍晶體的光產(chǎn)額的不足，本發(fā)明的目的在于提供一種 用于超快脈沖福射探測領(lǐng)域娃鏡離子共滲YAG超快閃爍晶體及其制備方法，該晶體能夠?qū)?現(xiàn)更高濃度化離子滲雜，并具有較高光產(chǎn)額，是一種性能優(yōu)異的高溫超快無機(jī)閃爍晶體材 料。
[0009] 本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下：
[0010] -種娃鏡離子共滲YAG超快閃爍晶體，特點(diǎn)在于該晶體是采用烙體法生長，其化學(xué) 式為：
[0011] 孔3xY3(l-x)Si 日 yAl 日(l-y)0l2
[0012] 式中，x = 0.05~0.3，y = 0.0001~0.005，x為滲雜離子化3+的可滲雜濃度，其取代 YAG基質(zhì)晶格中的Y3+離子，y為滲雜離子Si4+的可滲雜濃度。
[0013] 一種娃鏡離子共滲YAG超快閃爍晶體的制備方法，該方法包括下列步驟：
[0014] ①料配方：
[001引娃鏡離子共滲的YAG晶體，即Yb3xY3 (1-X) S i日yAl日(i-y) 012晶體的初始原料采用S i 02 99.99%，￥6203:>99.999%，￥203:>99.999%，41203:>99.999%，按摩爾比107:3義：3(1- X) :5(l-y)進(jìn)行配料，其中x、y的取值范圍分別為x = 0.05~0.3，y = 0.0001~0.01;
[0016] ②采用烙體法生長孔3xY3(i-x)Si日yAl日(i-y)0i2閃爍晶體：
[0017] 先將各高純氧化物粉末在空氣中預(yù)干燥，除去吸附水，灼燒溫度為looor，按選定 的X、y值后的摩爾比稱量Si〇2:^99.99%，Yb2〇3:^99.999%，Y203: >99.999%，Al2〇3:> 99.999%原料。原料充分混合均勻后用等靜壓機(jī)壓制成塊，然后裝入氧化侶相蝸內(nèi)，放進(jìn)馬 弗爐中燒結(jié)，用10個(gè)小時(shí)升溫至1300°C，恒溫10個(gè)小時(shí)后經(jīng)10小時(shí)降溫至室溫，將塊料取出 放入相蝸內(nèi)，采用烙體法生長上述單晶體：
[0018] 所述的烙體法為提拉法，所述的相蝸材料為銀金，巧晶為<111〉或<100〉方向的純 YAG巧晶，晶體生長在高純Ar氣氛中進(jìn)行。提拉速度為0.5~5mm/h，旋轉(zhuǎn)速度為10~3化pm。
[0019] 所述的烙體法為相蝸下降法，所述的相蝸材料采用高純石墨，相蝸底部可W不放 巧晶，或放入上述提拉法中所述的純YAG巧晶，晶體生長在高純Ar氣氛中進(jìn)行。相蝸下降速 率為0.1 ~1.5mm/h。
[0020] 所述的烙體法為溫度梯度法，相蝸材料采用鋼金屬或鶴鋼合金，相蝸底部可W不 放巧晶，或放入上述提拉法中所述的純YAG巧晶，晶體生長在高純Ar氣氛中進(jìn)行，W晶體生 長速率為0.1~lOOtVh的降溫速率降溫并生長晶體。
[0021] 本發(fā)明的技術(shù)效果：
[0022] 用W上原料和工藝生長了高質(zhì)量的化3xY3(l-x)Si5yAl5(l-y)0l2晶體，初始生長的 Yb3xY3(l-x)Si日yAl日(l-y)0l2晶體無色透明，外觀良好，有優(yōu)良的光學(xué)和物化性能。該晶體的光產(chǎn) 額為2800Ph/MeV，和化（15at% ): YAG的1250Ph/Me相比，提高了 1倍多；該晶體衰減時(shí)間為 0.427ns?；?xY3(i-x何日yAl日(i-y)0i2超快閃爍晶體可W與娃光二極管等光電探測設(shè)備有效禪 合，可應(yīng)用超快脈沖福射探測、慣性約束核聚變、空間福射探測、核反應(yīng)動(dòng)力學(xué)研究等領(lǐng)域。
[0023] 表2共滲晶體閃爍性能比較
[0024]

【具體實(shí)施方式】
[0025] 下面通過具體實(shí)施對本發(fā)明作進(jìn)一步說明，但不應(yīng)W此限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。
[0026] 實(shí)施例1:提拉法生長Si4+滲雜濃度為0.01at%、Yb3+滲雜濃度為5%的Si日.0005 : 孔 0.15Y2.85AI4.9995O12 閃爍晶體
[0027] 先將各高純氧化物粉末在空氣中適當(dāng)?shù)念A(yù)干燥，除去吸附水，在1000°C下灼燒 1〇11，然后將81〇2:>99.99%，化2〇3:>99.999%，￥2〇3:>99.999%，412〇3:>99.999%原料 按照摩爾比進(jìn)行稱量、配料。原料充分混合均勻后用等靜壓機(jī)壓制成塊，然后裝入氧化侶相 蝸內(nèi)，放進(jìn)馬弗爐中燒結(jié)，用10個(gè)小時(shí)升溫至1300°C，恒溫10個(gè)小時(shí)后經(jīng)10小時(shí)降溫至室 溫，將塊料取出放入銀金相蝸內(nèi)；義用提拉法生長Sio.日日日日:Ybo. 1日Y2.8日AU. 999日化2超快閃爍晶 體:用氧化錯(cuò)和氧化侶做保溫材料，用寶石片封住觀察口，巧晶為<111〉方向的純YAG巧晶， 晶體生長在高純Ar氣氛中進(jìn)行。晶體的提拉速度為0.9mm/h，轉(zhuǎn)速速度為14-3化pm，控制晶 體凸界面生長，生長溫度為1970°C。晶體生長經(jīng)過裝爐^抽真空^充氣氣^升溫化料^烤 晶種^下種^縮頸^放肩^等徑生長^提脫和降溫等過程，整個(gè)生長周期約9天。生長出尺 寸為〇 50*100mm的無色透明的Sio.日日日日:孔0.1日Y2.8日A14.999日〇12晶體，晶體重約1200邑。
[0028] 實(shí)施例2 :提拉法生長Si4+滲雜濃度為0.05at %、Yb3+滲雜濃度為15 %的Si日.0025 : 孔0.4日Y2.日日A14.997日〇12閃爍晶體
[0029] 先將各高純氧化物粉末在空氣中適當(dāng)?shù)念A(yù)干燥，除去吸附水，在looor下灼燒 1〇11，然后將81〇2:>99.99%，化2〇3:>99.999%，￥2〇3:>99.999%，412〇3:>99.999%原料 按照摩爾比進(jìn)行稱量、配料。原料充分混合均勻后用等靜壓機(jī)壓制成塊，然后裝入氧化侶相 蝸內(nèi)，放進(jìn)馬弗爐中燒結(jié)，用10個(gè)小時(shí)升溫至1300°C，恒溫10個(gè)小時(shí)后經(jīng)10小時(shí)降溫至室 溫，將塊料取出放入銀金相蝸內(nèi)；義用提拉法生長Sio. 002日:Ybo. 4日Y2.日日AU. 99巧化2超快閃爍晶 體:用氧化錯(cuò)和氧化侶做保溫材料，用寶石片封住觀察口，巧晶為<111〉方向的純YAG巧晶， 晶體生長在高純Ar氣氛中進(jìn)行。晶體的提拉速度為0.9mm/h，轉(zhuǎn)速速度為14-3化pm，控制晶 體凸界面生長，生長溫度為1970°C。晶體生長經(jīng)過裝爐^抽真空^充氣氣^升溫化料^烤 晶種^下種^縮頸^放肩^等徑生長^提脫和降溫等過程，整個(gè)生長周期約9天。生長出尺 寸為巫50*10〇1111]1的無色透明的5；[日.日日2日:孔日.4評(píng)2.日日414.99巧012晶體，晶體重約1200邑。
[0030] 實(shí)施例3:提拉法生長Si4+滲雜濃度為lat%、Yb3 +滲雜濃度為30%的Sio.05: 孔 0.9Y2.1AI4.95O12 閃爍晶體
[0031] 先將各高純氧化物粉末在空氣中適當(dāng)?shù)念A(yù)干燥，除去吸附水，在1000°C下灼燒 1〇11，然后將51〇2:>99.99%，￥62〇3:>99.999%，￥2〇3:>99.999%，412〇3:>99.999%原料 按照摩爾比進(jìn)行稱量、配料。原料充分混合均勻后用等靜壓機(jī)壓制成塊，然后裝入氧化侶相 蝸內(nèi)，放進(jìn)馬弗爐中燒結(jié)，用10個(gè)小時(shí)升溫至1300°C，恒溫10個(gè)小時(shí)后經(jīng)10小時(shí)降溫至室 溫，將塊料取出放入銀金相蝸內(nèi)；采用提拉法生長Si〇.05:Yb〇.9Y2.lAl4.95〇12超快閃爍晶體：用 氧化錯(cuò)和氧化侶做保溫材料，用寶石片封住觀察口，巧晶為<111〉方向的純YAG巧晶，晶體生 長在高純Ar氣氛中進(jìn)行。晶體的提拉速度為0.9mm/h，轉(zhuǎn)速速度為14-3化pm,控制晶體凸界 面生長，生長溫度為197(TC。晶體生長經(jīng)過裝爐^抽真空^充氣氣^升溫化料^烤晶種^ 下種^縮頸^放肩^等徑生長^提脫和降溫等過程，整個(gè)生長周期約9天。生長出尺寸為〇 50*100mm的無色透明的Sio.o日:孔〇.9Y2.iA^.9日〇12晶體，晶體重約1200邑。
[0032] 實(shí)施例4:下降法生長Si4+滲雜濃度為0.01at%、Yb3+滲雜濃度為15%的Sio.0005 : 孔0.姑Y2.日日AI4.999日O12閃爍晶體
[0033] 先將各高純氧化物粉末在空氣中適當(dāng)?shù)念A(yù)干燥，除去吸附水，在1000°C下灼燒 1〇11，然后將51〇2:>99.99%，￥62〇3:>99.999%，￥2〇3:>99.999%，412〇3:>99.999%原料 按照摩爾比進(jìn)行稱量、配料。原料充分混合均勻后用等靜壓機(jī)壓制成塊，然后裝入氧化侶相 蝸內(nèi)，放進(jìn)馬弗爐中燒結(jié)，用10個(gè)小時(shí)升溫至1300°C，恒溫10個(gè)小時(shí)后經(jīng)10小時(shí)降溫至室 溫，將塊料取出放入銀金相蝸內(nèi)；義用下降法生長Sio.oo日日:Ybo. 4日Y2.日日AU. 999日化2超快閃爍晶 體，所述的相蝸材料采用高純石墨或鶴鋼合金，巧晶為<111〉或<100〉方向的純YAG巧晶，晶 體生長在高純Ar氣氛中進(jìn)行，相蝸下降速率為0.1~1.5mm/h。生長出尺寸等徑比分為080* 50mm的透明的Sio.ooo日:孔0.4日Y2.日日A14.999日〇12晶體，晶體重約1400邑。
[0034] 實(shí)施例5:溫梯法生長Si4+滲雜濃度為0.15at%、Yb3+滲雜濃度為15%的Sio.0075 : 孔0.姑Y2.日日AI4.992日O12閃爍晶體
[0035] 先將各高純氧化物粉末在空氣中適當(dāng)?shù)念A(yù)干燥，除去吸附水，在1000°C下灼燒 1〇11，然后將51〇2:>99.99%，￥62〇3:>99.999%，￥2〇3:>99.999%，412〇3:>99.999%原料 按照摩爾比進(jìn)行稱量、配料。原料充分混合均勻后用等靜壓機(jī)壓制成塊，然后裝入氧化侶相 蝸內(nèi)，放進(jìn)馬弗爐中燒結(jié)，用10個(gè)小時(shí)升溫至1300°C，恒溫10個(gè)小時(shí)后經(jīng)10小時(shí)降溫至室 溫，將塊料取出放入鶴鋼相蝸內(nèi)；義用溫梯生長Sio. 007日:Ybo. 4日Y2.日日A14. 992日化2超快閃爍晶體， 所述的相蝸材料采用鋼金屬或鶴鋼合金，巧晶為<111〉或<100〉方向的純YAG巧晶，晶體生長 在高純Ar氣氛中進(jìn)行，W晶體生長速率為0.1~lOOtVh的降溫速率降溫并生長晶體。生長 出尺寸等徑比分為巫80巧0mm的透明的Si〇.〇〇7日:孔0.4日Y2.日日A14.992日〇12晶體，晶體重約1400邑。
【主權(quán)項(xiàng)】
1 . 一種娃鐿離子共摻Y(jié)AG超快閃爍晶體，其特征在于：分子式為Yb3xY3(l-x)Si5yAl5(l-y) 〇12,式中X = 0.05~0.3，y = 0.0001~0.01，x為Yb離子的摻雜量，y為基質(zhì)Si離子的摻雜量， Yb離子進(jìn)入晶體均取代Y離子格位，Si離子進(jìn)入晶體取代A1離子格位。2. -種硅和鐿離子共摻的釔鋁石榴石晶體的制備方法，其特征在于該方法步驟如下： ① 原料配方： 采用Si〇2、Yb2〇3、Y2〇3和Al2〇3作為初始原料并按摩爾比10y: 3x:3(l-x): 5(l-y)進(jìn)行配 料，其中X、y的取值范圍分別為X = 〇. 05~0.3，y = 0.0001~0.01;原料充分混合均勻后用等 靜壓機(jī)壓制成塊，然后裝入氧化鋁坩堝內(nèi)，放進(jìn)馬弗爐中燒結(jié)，用10個(gè)小時(shí)升溫至1300Γ， 恒溫10個(gè)小時(shí)后經(jīng)10小時(shí)降溫至室溫，將塊料取出放入坩堝內(nèi)； ② 采用熔體法生長Yb3xY3(1-x)Si5yAl 5(1-y)012R爍晶體：用氧化鋯和氧化鋁做保溫材料， 用寶石片封住觀察口，采用惰性氣體保護(hù)，生長溫度為1950Γ，生長制備化學(xué)式為Yb 3xY3u-x) Si5yAl5(l-y)0l2的晶體。3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的體的制備方法，其特征是，所用原料 的純度為：Si〇2:彡99.99%，Yb2〇3:>99.999%，Y2〇3:>99.999%，Al2〇3:>99.999%。4. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的體的制備方法，其特征是，所述的熔 體法為提拉法，所述的坩堝材料采用銥金，籽晶為〈111>或〈1〇〇>方向的純YAG籽晶，晶體生 長在高純Ar氣氛中進(jìn)行，提拉速度0.5~5mm/h，晶體轉(zhuǎn)速10~30rpm。5. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的體的制備方法，其特征是，所述的熔 體法為坩堝下降法，所述的坩堝材料采用高純石墨或鉬金屬，籽晶為〈111>或〈1〇〇>方向的 純YAG籽晶，晶體生長在高純Ar氣氛中進(jìn)行，坩堝下降速率為0.1~1.5mm/h。6. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的體的制備方法，其特征是，所述的熔 體法為溫度梯度法，所述的坩堝材料采用鉬金屬或鎢鉬合金，籽晶為〈111>或〈1〇〇>方向的 純YAG籽晶，晶體生長氣氛為高純Ar氣，以晶體生長速率為0.1~100°C/h的降溫速率降溫并 生長晶體。
【文檔編號(hào)】C30B11/00GK106048725SQ201610524103
【公開日】2016年10月26日
【申請日】2016年7月6日
【發(fā)明人】陳建玉, 侯晴, 齊紅基, 韓和同, 宋朝輝, 張侃
【申請人】中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所