一种复合结构透明闪烁陶瓷及其制备方法技术

本发明专利技术涉及一种复合结构透明闪烁陶瓷及其制备方法，所述复合结构透明闪烁陶瓷包括Pr掺杂的石榴石基闪烁陶瓷层、以及Ce掺杂石榴石基闪烁陶瓷层；所述Pr掺杂的石榴石基闪烁陶瓷层的组成通式为[LuaYbPrc]3[Al(1‑d)Gad]5O12，其中0≤a＜1.06，0≤b＜1.06，0＜c≤0.08，0≤d≤1，且0.98≤a+b+c≤1.06；所述Ce掺杂石榴石基闪烁陶瓷层的组成通式为[LuxYyGdzCem]3[Al(1‑n)Gan]5O12，其中0≤x ＜1.06，0≤y＜1.06，1≤z＜1.06，0＜m≤0.05，0≤n≤1.0，且0.98 ≤x+y+z+m ≤1.06。

A transparent scintillating ceramic with composite structure and its preparation method

The invention relates to a composite structure transparent scintillating ceramic and a preparation method thereof. The composite structure transparent scintillating ceramic comprises a Pr-doped garnet-based scintillating ceramic layer and a Ce-doped garnet-based scintillating ceramic layer. The composition formula of the Pr-doped garnet-based scintillating ceramic layer is [LuaYbPrc]3 [Al(1_d) Gad]5O12, in which the Pr-doped garnet-based scintillating ceramic layer is composed of [LuaYb 0 < a < 1.06, 0 < B < 1.06, 0 < C < 0.08, 0 < C < 0 < 0 0 08, 0 < d < 1, a n d 0 98 < a+b+c < 1.06; The general formula of the Ce-doped garnet-based scintillating ceramic layer is [LuxYGdzCem] Ce m]3 [Al(1_n) Gan] 5O12, where 0 < x < x < 1.06, 0 < y < 1 06, 1 < Z < 1 06, 0 < m < 0 0 0 0 0 < 0 0 0 0 < 0 0 0 0 0 0 < 0 0 0 0 0 0 < 0 0 0 0 0 1.06.

【技术实现步骤摘要】
一种复合结构透明闪烁陶瓷及其制备方法
本专利技术属于辐射探测领域，提供了一种复合结构透明闪烁陶瓷及其制备方法。
技术介绍
闪烁体能够有效吸收高能射线或粒子(X射线、γ光子、加速电荷粒子、中子)并将其转换为紫外或可见光，由其作为核心器件所构成的闪烁探测器广泛应用在各类电离辐射及核辐射探测领域。在正电子发射断层扫描仪(PET)中，闪烁材料在径向上的长度会产生一定的深度效应，从而使得视场四周的图像分辨率变差。科研人员提出了具有深度信息探测功能的多层闪烁体模块来提高PET的空间分辨性能。多层闪烁体模块分别由衰减时间不同的闪烁材料组成。通常这几层闪烁体都是单晶。高温下分别制备得到两种单晶后进行切割抛光，然后将两种单晶直接叠加到一起组装成多层闪烁体模块。另外为了鉴别不同重量的高能粒子，科学家采用不同衰减时间的闪烁材料组装成闪烁探测器望远镜结构，用于鉴别不同重量的离子在不同层间发生的核作用事例，研究核反应机理。但是以上工作均是基于单晶闪烁体得到的复合结构闪烁探测模块。单晶的制备周期较长，制备温度较高，且成本较高，不适合快速大批量化生产。另外由于单晶不能实现两种不同的闪烁材料复合结构的一次性制备，必须先制备不同种类的单晶，经切割抛光之后再物理叠加在一起。此外，不同单晶界面间可能存在光折射，影响探测模块中的光传输，会弱化深度探测的性能。
技术实现思路
针对上述问题，本专利技术的目的在于提供一种复合结构透明闪烁陶瓷及其制备方法。第一方面，本专利技术提供了一种复合结构透明闪烁陶瓷，所述复合结构透明闪烁陶瓷包括Pr掺杂的石榴石基闪烁陶瓷层、以及Ce掺杂石榴石基闪烁陶瓷层；所述Pr掺杂的石榴石基闪烁陶瓷层的组成通式为[LuaYbPrc]3[Al(1-d)Gad]5O12，其中0≤a＜1.06，0≤b＜1.06，0＜c≤0.08，0≤d≤1，且0.98≤a+b+c≤1.06；所述Ce掺杂石榴石基闪烁陶瓷层的组成通式为[LuxYyGdzCem]3[Al(1-n)Gan]5O12，其中0≤x＜1.06，0≤y＜1.06，1≤z＜1.06，0＜m≤0.05，0≤n≤1.0，且0.98≤x+y+z+m≤1.06。本专利技术中所述复合结构的透明闪烁陶瓷为具有双层结构的闪烁体，其两层分别掺杂Pr和Ce元素，从而使得不同层之间具有不同的衰减时间，且都为纳秒级(具体指的是，两层结构都具有低于200ns的衰减时间，但衰减时间不同。其中Pr掺杂的石榴石基闪烁陶瓷层衰减时间低于40ns，Ce掺杂石榴石基闪烁陶瓷层衰减时间高于50ns)。结合脉冲形状分离技术，可以实现核作用深度信息的测量。另外，由于两层闪烁体所发出的闪烁光具有不同的波长，可以利用波长分辨光电转换器件进一步提供精确的深度信息。较佳地，0.002≤c≤0.005(优选值可提升材料的光产额)。较佳地，0.0002≤m≤0.007(优选值可提升材料的光产额)。较佳地，所述Pr掺杂的石榴石基闪烁陶瓷层的厚度为1～30mm。较佳地，所述Ce掺杂石榴石基闪烁陶瓷层和Pr掺杂的石榴石基闪烁陶瓷层的厚度比为1:20～20:1，优选为1：(0.2～5)。对于不同应用场合和需求具有不同的厚度比。第二方面，本专利技术还提供了一种如上述的复合结构透明闪烁陶瓷的制备方法，包括：以Lu2O3，Al2O3，Y2O3，Gd2O3，Ga2O3，Pr6O11和CeO为原料粉体，按化学式[LuaYbPrc]3[Al(1-d)Gad]5O12和[LuxYyGdzCem]3[Al(1-n)Gan]5O12分别进行配料称量，球磨、预烧合成、成型得到[LuaYbPrc]3[Al(1-d)Gad]5O12素坯和[LuxYyGdzCem]3[Al(1-n)Gan]5O12素坯；将所得[LuaYbPrc]3[Al(1-d)Gad]5O12素坯和[LuxYyGdzCem]3[Al(1-n)Gan]5O12素坯叠加后冷等静压处理，得到复合结构素坯；将所得复合结构素坯经烧结、退火后，得到复合结构透明闪烁陶瓷。第三方面，本专利技术还提供了一种如上述的复合结构透明闪烁陶瓷的制备方法，包括：以含Lu，Al，Y，Gd，Ga，Pr和Ce的氧化物、硝酸盐或碳酸盐为原料，按化学式[LuaYbPrc]3[Al(1-d)Gad]5O12和[LuxYyGdzCem]3[Al(1-n)Gan]5O12分别进行配料称量，将称取的原料溶于王水或硝酸中，得到母液；将所得母液滴加至含有沉淀剂的水溶液中生成沉淀物，并将得沉淀物洗涤、干燥、球磨、煅烧、成型得到[LuaYbPrc]3[Al(1-d)Gad]5O12素坯和[LuxYyGdzCem]3[Al(1-n)Gan]5O12素坯；将所得[LuaYbPrc]3[Al(1-d)Gad]5O12素坯和[LuxYyGdzCem]3[Al(1-n)Gan]5O12素坯叠加后冷等静压处理，得到复合结构素坯；将所得复合结构素坯经烧结、退火后，得到复合结构透明闪烁陶瓷。较佳地，所述沉淀剂为NH3·H2O、NH4HCO3、(NH4)2C2O4和(NH2)2CO3中的至少一种，所述含有沉淀剂的水溶液的浓度为0.2～4mol/L。较佳地，以所述原料粉体的总质量为100％计，在所述配料称量中还加入添加量低于5wt％的烧结助剂，所述烧结助剂为Li2O、Na2O、K2O、MgO、CaO、B2O3、La2O3、GeO2、SiO2、LiF、NaF、MgF2、CaF2、AlF3、YF3、正硅酸乙酯TEOS和H3BO3中至少一种。较佳地，将所得复合结构透明闪烁陶瓷置于空气气氛或氧气气氛中，在700～1600℃下退火处理3～50小时。较佳地，所述烧结的方式为真空烧结、气氛烧结和热等静压烧结中的至少一种，优选为先真空烧结或气氛烧结后，在进行热等静压烧结。又，较佳地，所述真空烧结的温度为1600～1900℃，时间为5～50小时；所述气氛烧结为于氧气气氛中在1400～1900℃下煅烧5～50小时；所述热等静压烧结的温度为1500～1850℃，时间为1-5小时，压力为50～300MPa。较佳地，所述冷等静压处理的压力为50～300MPa。本专利技术中，该复合结构不同层之间具有不同的纳秒级衰减时间，可以用于辐射探测领域来实现不同类型粒子鉴别，也可用于提升闪烁探测空间分辨率。本专利技术公布的一种复合结构透明闪烁陶瓷具有可一次性制备等优点，在高能物理、核医学成像等领域具有巨大的应用潜力。附图说明图1为按实施例1制备的厚度比为1:1的LuAG:Ce/LuAG:Pr复合结构透明陶瓷实物照片；图2为按实施例1制备的厚度比为1:1的LuAG:Ce/LuAG:Pr复合结构透明陶瓷透过率曲线(2mm)；图3为按实施例1制备的厚度比为1:1的LuAG:Ce/LuAG:Pr复合结构透明陶瓷的荧光衰减谱；图4为按实施例1制备的厚度比为1:1的LuAG:Ce/LuAG:Pr复合结构透明陶瓷的X射线荧光发射光谱；图5为按实施例1制备的厚度比为1:1的LuAG:Ce/LuAG:Pr复合结构透明陶瓷的脉冲高度谱；图6为按实施例2制备的厚度比为1:3的LuAG:Ce/LuAG:Pr复合结构透明陶瓷的脉冲高度谱。具体实施方式以下通过下述实施方式进一步说明本专利技术，应理解，下述实施方式仅用于说明本专利技术，而非限制本专利技术。本专利技术中所述本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种复合结构透明闪烁陶瓷，其特征在于，所述复合结构透明闪烁陶瓷包括Pr掺杂的石榴石基闪烁陶瓷层、以及Ce掺杂石榴石基闪烁陶瓷层；所述Pr掺杂的石榴石基闪烁陶瓷层的组成通式为[LuaYbPrc]3[Al(1‑d)Gad]5O12，其中0≤a＜1.06，0≤b＜1.06，0＜c≤0.08，0≤d≤1，且0.98≤a+b+c≤1.06；所述Ce掺杂石榴石基闪烁陶瓷层的组成通式为[LuxYyGdzCem]3[Al(1‑n)Gan]5O12，其中0≤x ＜1.06，0≤y＜1.06，1≤z＜1.06，0＜m≤0.05，0≤n≤1.0，且0.98 ≤x+y+z+m ≤1.06。

【技术特征摘要】
1.一种复合结构透明闪烁陶瓷，其特征在于，所述复合结构透明闪烁陶瓷包括Pr掺杂的石榴石基闪烁陶瓷层、以及Ce掺杂石榴石基闪烁陶瓷层；所述Pr掺杂的石榴石基闪烁陶瓷层的组成通式为[LuaYbPrc]3[Al(1-d)Gad]5O12，其中0≤a＜1.06，0≤b＜1.06，0＜c≤0.08，0≤d≤1，且0.98≤a+b+c≤1.06；所述Ce掺杂石榴石基闪烁陶瓷层的组成通式为[LuxYyGdzCem]3[Al(1-n)Gan]5O12，其中0≤x＜1.06，0≤y＜1.06，1≤z＜1.06，0＜m≤0.05，0≤n≤1.0，且0.98≤x+y+z+m≤1.06。2.根据权利要求1所述的复合结构透明闪烁陶瓷，其特征在于，0.002≤c≤0.005。3.根据权利要求1或2所述的复合结构透明闪烁陶瓷，其特征在于，0.0002≤m≤0.007。4.根据权利要求1-3中任一项所述的复合结构透明闪烁陶瓷，其特征在于，所述Pr掺杂的石榴石基闪烁陶瓷层的厚度为1～30mm。5.根据权利要求1-4中任一项所述的复合结构透明闪烁陶瓷，其特征在于，所述Ce掺杂石榴石基闪烁陶瓷层和Pr掺杂的石榴石基闪烁陶瓷层的厚度比为1:20～20:1，优选为1：（0.2～5）。6.一种如权利要求1-5中任一项所述的复合结构透明闪烁陶瓷的制备方法，其特征在于，包括：以Lu2O3，Al2O3，Y2O3，Gd2O3，Ga2O3，Pr6O11和CeO为原料粉体，按化学式[LuaYbPrc]3[Al(1-d)Gad]5O12和[LuxYyGdzCem]3[Al(1-n)Gan]5O12分别进行配料称量，球磨、预烧合成、成型得到[LuaYbPrc]3[Al(1-d)Gad]5O12素坯和[LuxYyGdzCem]3[Al(1-n)Gan]5O12素坯；将所得[LuaYbPrc]3[Al(1-d)Gad]5O12素坯和[LuxYyGdzCem]3[Al(1-n)Gan]5O12素坯叠加后冷等静压处理，得到复合结构素坯；将所得复合结构素坯经烧结、退火后，得到复合结构透明闪烁陶瓷。7.一种如权利要求1-5中任一项所述的复合结构透明闪烁陶瓷的制备方法，其特征在于，包括：以含Lu，Al，Y，Gd，Ga，Pr和Ce的氧化物...

【专利技术属性】
技术研发人员：李江，胡泽望，潘裕柏，石云，寇华敏，谢腾飞，陈昊鸿，曹茂庆，陈肖朴，吴乐翔，杨朝翔，
申请(专利权)人：中国科学院上海硅酸盐研究所，
类型：发明
国别省市：上海,31