本发明专利技术公开了一种基于氮化掺杂技术制备具有高闪烁性能的硼酸盐闪烁材料。该闪烁材料以Ba3InB9O18为基体，通过氮化掺杂技术，将Ba3InB9O18粉末在Ar气氛下与脲粉末相邻置于管式炉石英管加热区中央退火得到氮化掺杂Ba3InB9O18。通过控制退火时间可以调整氮化掺杂浓度。经过氮化掺杂处理的Ba3InB9O18，光产额接近商品化BGO的十倍，衰减寿命短于PWO(10ns)，稳定性高。结果表明氮化掺杂Ba3InB9O18是一种具有高闪烁性能的材料，而且制备方法简单快速，具有工业化生产的应用前景。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及高性能闪烁材料领域，具体是硼酸盐闪烁材料。
技术介绍
闪烁材料被应用于X射线和γ射线等高能粒子的探测，在医学诊断、核物理、高能物理以及工业无损探伤、探矿等领域有着成熟而广泛的应用。在医学领域，核磁共振(MRI)、正电子发射型计算机断层显像(PET)等医学成像设备，代表着目前医学最高诊断水平，其核心均是采用闪烁材料制成的闪烁探测器；在高能物理及核物理领域，闪烁材料被多个国家的科研机构作为电磁能量器、正负电子对撞机中探测器的核心材料。近年来，随着闪烁材料应用范围的扩大，对高性能闪烁材料的市场需求广阔。目前商品化的闪烁材料都存在着一些缺点:商品化的齒化物闪烁材料NaI(Tl)虽然在第一代PET设备中就已得到应用，但是存在衰减寿命长(230ns)、化学性质不稳定(易潮解)等问题，限制了它在探测器中的进一步应用；商业化的锗酸盐闪烁材料BGO比前者化学性质稳定，但它的长衰减寿命(300ns)的缺点也限制着它的应用；商业化的钨酸盐闪烁材料PWO比前者衰减寿命短(1ns)，但其光产额较低的缺点限制了它在高能物理以外的应用。因此，研发具有高光产额、短衰减寿命的闪烁材料具有重大的应用价值。由于硼酸盐具有结构多样、宽带隙、高物理和化学稳定性、易制备加工等优点，它们在功能材料领用扮演非常重要的角色。本专利申请人在2008年首次发现并合成具有层状结构、能有效探测X射线的新型硼酸盐Ba3InB9018。该材料在空气中非常稳定，采用传统固相烧结工艺制备的Ba3InB9O18粉末的光产额约为BGO的70%左右。关键是Ba 311^9018闪烁材料属于本征闪烁材料，无需掺杂激发剂就能发光，发光机制与氧空位等缺陷有关。通过文献调研发现，研宄者们近几十年来纷纷对已报道的闪烁材料进行了大量的改性研宄工作，方法大都是基于在金属阳离子的位置进行掺杂来提高光产额的技术，结果都以延长衰减时间为代价。
技术实现思路
本专利技术的目的是针对医学成像、核物理、高能物理和工业无损探伤等领域提供一种光产额高、衰减寿命短、稳定性高的氮掺杂硼酸盐闪烁材料。本专利技术的技术方案是，将脲和/或缩二脲与硼酸盐Ba3InB9O18在惰性气体的保护气氛下，在450°C?550°C下进行氮化处理，冷却后研磨得到氮掺杂的Ba3InB9O18粉末。所述的氮化处理时间优选为4?6小时。本专利技术所述的硼酸盐Ba3InB9O18为单相，属于六方层状结构。本专利技术的Ba3InB9O18粉末特别优选按以下方式制备。按照Ba:1n:B 的摩尔比为 3.0: 1.0:9.0 (+0.01 ?0.06)称取 BaCO3、In2O3和H3BO3;经研磨后进行预烧结；冷却后经研磨进行熔融；然后进行析晶退火，冷却后研磨得到Ba3InB9O18粉末；将Ba 31吨018粉末与脲粉末和/或缩二脲相邻而放，抽真空后，充入惰性气体后加热至450°C?550°C下进行氮化掺杂；冷却后研磨得到氮化掺杂的Ba3InB9O18粉末。预烧结步骤的温度优选为580?620 °C。熔融步骤的温度优选为1150?1250 °C。析晶退火步骤的温度优选为890?920°C。氮化掺杂步骤的温度优选为480?530°C。预烧结步骤的升温速率优选为4?6V /分钟。熔融步骤的的升温速率优选为3?5°C /分钟。析晶退火步骤是直接将熔融半成品置入已加温正在保温(温度已处于890?920°C区间)的退火炉中；氮化步骤的的升温速率优选为3?5°C /分钟。预烧结步骤的保温时间优选为12?15小时。熔融步骤的保温时间优选为1.5?3小时。析晶退火步骤的保温时间优选为20?24小时。通过控制氮化退火时间可以调整氮化掺杂浓度。所述的惰性保护气氛为氩气、氦气、氖气、氣气、氣气中的一种或几种；优选氩气。抽真空后充Ar气的操作要重复三次以确保完善的保护气氛。氮化掺杂步骤的保温时间优选为4?6小时。本专利技术的Ba3InB9O18粉末也可按专利技术人之前文献提出的制备方案进行实施制备。本专利技术首次提出了有效的阴离子掺杂技术，成功利用脲对Ba3InB9O18进行了氮化。这种方法制备Ba3InB9O18R烁材料应用于X射线探测时，其光产额大大提高(接近商用BGO的十倍)，而且衰减寿命只有几纳秒，是一种比目前商业化PWO(1ns)更快的闪烁材料，且稳定性高。因此，本专利技术制备的这种掺氮硼酸盐材料具备优异的综合闪烁性能，且制备操作易行所需设备简单。通过上述条件的优选，能够进一步得到性能更佳的光产额高、衰减寿命短、稳定性好、易于长期保存、应用范围广的本专利技术的氮化掺杂硼酸盐闪烁材料。XRD结果表明该方法制备的氮化掺杂Ba3InB9O18为单相，属于六方层状结构，与Ba3InB9O1Jg比结构未改变；UV-Vis结果表明该方法制备的氮化掺杂Ba3InB9O1^ Ba3InB9CU^L紫外吸收系数有所提升；闪烁性能测试结果表明该方法制备的氮化掺杂Ba3InB9O18*产额接近商用BGO的十倍；荧光寿命测试结果表明该材料的衰减很快，只有1.25ns，比商用PWO的还快。综上所述，本专利技术制备的氮掺杂Ba3InB9018ffl作闪烁材料具有很高的光产额，衰减寿命很短，稳定性高，而且该制备方法需时短，反应条件及需求设备简单，具有很好的工业生产的应用前景。【附图说明】图1为本专利技术中制备的氮化掺杂Ba3InB9OdP Ba 31吨018的X射线衍射图谱；没有杂相出现，峰形没有变化，说明掺氮没有破坏Ba3InB9O18基体的晶体结构。图2为本专利技术中制备的氮化掺杂Ba3InB9O18和氮气退火Ba 31吨018的X射线光电子能谱(XPS)图；可以看出氮气退火没有达到掺氮的效果(该样品的XPS没有N原子的峰)，而脲粉与Ba3InB9O18—起加热的方法可以成功的进行氮化处理(该样品的XPS有N原子的峰)。图3为本专利技术中制备的氮化掺杂Ba3InB9O1JP Ba JnB9O18的紫外_可见漫反射图谱；通过紫外可见漫反射光谱的对比，可以氮掺杂后Ba3InB9O18表现出对紫外光吸收的增强，同时进一步证明本专利技术氮化技术的成功性。图4为本专利技术中制备的氮化掺杂Ba3InB9O18和商品化的BGO及PWO的X射线激发发光;通过对X射线激发发光峰进行面积的积分，可以说明本专利技术制备的氮掺杂Ba3InB9O18在相同的测试条件下，光产额高达商业化BGO的10倍左右，远远高于商业化PWO的光产额。图5为本专利技术中制备的氮掺杂Ba3InB9Oli^衰减寿命图谱；从衰减寿命测试的分析结果，可以看出本专利技术中制备的氮掺杂Ba3InB9O18衰减时间仅有1.25ns，优于目前商业最快的PWO(1ns)的衰减寿命。图6为对比例I制备的未氮化掺杂的Ba3InB9Oli^商品化BGO的X射线激发发光对比；通过对X射线激发发光峰进行面积的积分，可以说明未掺氮的Ba3InB9CWt产额是商业化BGO的70%左右。图7为对比例2制备的氮气退火的Ba3InB9O18与氧气退火Ba 31吨018的X射线激发发光；氮气退火Ba3InB9CUWXI烁性能低于氧气退火Ba 3ΙηΒ9018，直接说明氮气退火不能成功掺氮导致不能提高Ba3InB9O18的性能，这和之前氮气退火的XPS的结果吻合。图8为对比例3制备的掺K的Ba3I本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种硼酸盐闪烁材料，其特征在于，将脲和/或缩二脲与硼酸盐Ba3InB9O18在惰性气体的保护气氛下，在450℃～550℃下进行氮化处理，冷却后研磨得到氮掺杂的Ba3InB9O18粉末。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：蔡格梅，汪志勋，樊星，刘华山，金展鹏，
申请(专利权)人：中南大学，
类型：发明
国别省市：湖南;43
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。