一类具有β‑K2SO4结构的正磷酸盐闪烁体材料及其制备方法与应用技术

本发明专利技术公开了一类具有β‑K2SO4结构的正磷酸盐闪烁体材料及其制备方法与应用，其化学式为A1+xB1‑2xLnxPO4，其中A=K

A beta K2SO4 structure of phosphate scintillator material and preparation method and application thereof

The invention discloses a beta K2SO4 structure of phosphate scintillator material and preparation method and application thereof, its chemical formula is A1+xB1 2xLnxPO4, A=K

【技术实现步骤摘要】
一类具有β-K2SO4结构的正磷酸盐闪烁体材料及其制备方法与应用
本专利技术属于闪烁体发光材料领域。更具体地，涉及一类具有β-K2SO4结构的正磷酸盐基质采用高原子序数元素（Sr和Ba等）组成并掺杂稀土离子（Ce3+）的闪烁体材料的合成及其在工业勘探、高能物理和核医学成像技术方面的潜在应用。
技术介绍
闪烁体材料已被广泛应用于工业勘探（油井核探测和火箭、飞行器等重要部件的无损探伤）、高能物理、核医学成像（X射线计算机断层扫描）和安全检查(集装箱快速检查系统)等领域。闪烁体可通过固体中电子吸收高能光子/粒子能量成为激发态电子,不稳定的激发态电子释放能量回到基态过程会伴随一种快速、高效的荧光现象。闪烁体对不同高能射线的识别响应而成为重要的辐射探测材料，而现有闪烁体材料主要存在以下几种形态：1）闪烁晶体，如中国专利技术专利CN200710009437；2）闪烁陶瓷，如中国专利技术专利CN201210007992；3）闪烁薄膜，如中国专利技术专利CN201510836860；4）闪烁粉体，如中国专利技术专利CN201110378580。闪烁晶体的性能波动大、晶体易开裂、原料成本高、制作工艺较复杂、需要高温生长、价格昂贵等问题限制了推广应用。闪烁陶瓷对设备同样要求极高，超高压条件下烧结体容易开裂。闪烁薄膜可以制成均匀性、致密度、少散射的闪烁材料，能提高成像分辨率。闪烁粉体合成简易，可通过不同合成方法（燃烧法，溶胶凝胶和高温固相法）制备出颗粒大小可调，分散程度不同的闪烁体材料。理想的闪烁材料应具备有高的光输出、高密度、快衰减、短余辉、低成本等特点，而目前所使用的闪烁材料主要是NaI:Tl、PbWO4、Bi4Ge3O12等，但存在着易潮解、余辉长、发光效率低和余辉长等缺点。因此，发展具有新型结构的闪烁体材料增强其对高能射线吸收、提高检测的分辨率具有重要的实际意义，尤其地，在开发拓展闪烁体材料使其在某些极端条件下，如高温环境，依然保持很好的应用效果极其重要。这类组成表达式为：ABPO4（A=K+,Rb+；B=Sr2+,Ba2+）的正磷酸盐化合物具有β-K2SO4结构，掺杂铈离子可以发射很短寿命的荧光，而且发射光效率随温度升高展现出很慢下降过程，是良好的耐高温的荧光材料。基于上述目的，本专利技术研发了具有合成简单，合成原料低廉，较大吸收系数，发光效率高、发光的衰减时间短（纳秒级别）和良好的荧光热稳定性的闪烁体材料。
技术实现思路
本专利技术的目的是克服现有技术的不足，提供一类具有β-K2SO4结构的正磷酸盐闪烁体荧光材料。本专利技术另一目的是提供上述闪烁体荧光材料的制备方法。本专利技术的进一步目的是提供上述闪烁体材料在高温环境方面的工业勘探、高能物理和核医学成像技术等领域的潜在应用。本专利技术上述目的通过以下技术方案实现：一类具有β-K2SO4结构的正磷酸盐闪烁体材料，其化学式为A1+xB1-2xLnxPO4，其中A=K+,Rb+；B=Sr2+,Ba2+；Ln=Ce3+,x为掺杂离子Ce3+，取代基质B离子的含量，取值范围：0≤x≤0.09。上述闪烁体材料的制备方法，包括如下步骤：S1.按照权利要求1所述化学组成表达式中体现的化学组成，准确称取原料，充分研磨混合均匀，得混合物；S2.将混合物置于CO还原气氛中程序升温并焙烧，自然冷却到室温；S3.步骤S2所得烧结物取出研磨，即得到白色粉末产品。在上述的制备方法中，步骤S1所述原料为磷酸氢二铵、碳酸铷、碳酸钡、磷酸二氢钾、碳酸锶、碳酸钾和二氧化铈。在上述的制备方法中，步骤S1所述充分研磨是于玛瑙研钵或球磨机中充分研磨。在上述的制备方法中，步骤S1所述称取的磷酸二氢钾要过量1.7%以补偿反应过程中的磷酸二氢钾损耗。在上述的制备方法中，步骤S2所述置于还原气氛中焙烧是指置于通过加热炭块所产生的一氧化碳气氛中烧结。在上述的制备方法中，步骤S2所述程序升温：合成KSrPO4和KBaPO4系列样品的程序升温为用5小时的时间从室温升温到1300℃，并保温反应时间为3小时;RbBaPO4系列样品的程序升温为用4小时的时间从室温升温到1000℃，并保温反应时间为6小时。上述闪烁体材料在高温环境的工业勘探、高能物理或核医学成像中的应用。具体是指具有β-K2SO4结构的正磷酸盐类化合物以及其在工业勘探（油井核探测和火箭、飞行器等重要部件的无损探伤）、高能物理、核医学成像（X射线计算机断层扫描）和安全检查(集装箱快速检查系统)等领域的应用。优选地，所述耐高温高能射线探测的闪烁体的发光特性。因为本专利技术中，在近紫外光激发下，Ce3+离子为紫外光发射，是激发态5d轨道电子宇称允许跃迁到4f基态的过程，具有很短的发射寿命）（20ns左右）。保持相同的β-硫酸二钾结构，调控不同的组成离子，铈离子不仅在不同组成的结构中表现出光色可调的宽带发射，寿命也变短，而且对提高高能射线的吸收也不同，在对高能射线响应方面得到提高。另外地，此类磷酸盐化合物掺杂铈Ce3+离子后表现出优越的发光热稳定性，发光的热稳定性甚至超过YAG：Ce3+，低浓度掺杂的样品即使在200℃环境下发光总强度下降都不超过90%。鉴于该类材料良好的热猝灭特性，其有望作为新型结构的闪烁体材料，不仅可以实现高能射线的探测，如工业勘探、高能物理、核医学成像等领域，甚至可以在较为极端的高温环境下保持很好的响应和分辨效果。上述闪烁体材料具有β-K2SO4结构，激活离子为铈离子，在紫外光激发下，发射紫外光。这种发射由激发态5d轨道电子跃迁到4f基态，是宇称允许跃迁过程，发射光往往表现出很短的寿命（纳秒数量级），在时间间隔非常短的辐射激发事件得到有效分辩来提高对高能射线探测的准确性的闪烁体材料方面有潜在的应用。理想的闪烁材料应具备有低成本合成、高密度的组成、高的光输出效率、快的衰减寿命和短或少的余辉过程等特点。掺杂铈离子后表征发射光位置和发射光寿命，再优化掺杂浓度（取值范围0<x≤0.09），探索最佳发射条件。改变不同离子组成合成同构的掺杂铈离子的化合物，系统比较此类化合物的发射特征和对X射线的响应。上述闪烁体材料的基质材料为正磷酸化合物ABPO4，即KSrPO4，KBaPO4和RbBaPO4，发光中心为铈Ce3+离子。在290nm近紫外光激发下，Ce3+离子发射形状为宽带，在紫外光区域，发射寿命为二十多纳秒。改变掺杂条件得到各自最佳发射强度的掺入Ce3+离子浓度。另外，当A=K+和B=Sr2+时该类材料在近紫外光（290nm）激发下得到不同温度（77-500K）的发射荧光和寿命，可观察到该类化合物发射总强度只下降不到5%，发射寿命基本不变的现象；而当A=K+和B=Ba2+或者是A=Rb+和B=Ba2+时，则同样地，发光表现出很高的耐热猝灭性质。因此，其表现出短寿命，耐高温的高发光效率的光学特性，不仅有望在高能物理和核医学成像技术等方面，尤其地，在油田探井（工业勘探）等高温环境方面所需的闪烁体材料。本专利技术具有以下有益效果：（1）本专利技术的闪烁体材料A1+xB1-2xLnxPO4（A=K+,Rb+；B=Sr2+,Ba2+）具有β-K2SO4结构；（2）本专利技术的闪烁体材料（Ln=Ce3+）可吸收高能射线并激发，得到紫外荧光；（3）本专利技术的闪烁体材料（Ln=Ce3+）可吸收高能射线并激发得到本文档来自技高网...

【技术保护点】
一类具有β‑K2SO4结构的正磷酸盐闪烁体材料，其化学式为A1+xB1‑2xLnxPO4，其中A = K

【技术特征摘要】
1.一类具有β-K2SO4结构的正磷酸盐闪烁体材料，其化学式为A1+xB1-2xLnxPO4，其中A=K+,Rb+；B=Sr2+,Ba2+；Ln=Ce3+,x为掺杂离子Ce3+，取代基质B离子的含量，取值范围：0≤x≤0.09。2.权利要求1所述闪烁体材料的制备方法，其特征在于包括如下步骤：S1.按照权利要求1所述化学组成表达式中体现的化学组成，准确称取原料，充分研磨混合均匀，得混合物；S2.将混合物置于CO还原气氛中程序升温并焙烧，自然冷却到室温；S3.步骤S2所得烧结物取出研磨，即得到白色粉末产品。3.根据权利要求2所述制备方法，其特征在于，步骤S1所述原料为磷酸氢二铵、碳酸铷、碳酸钡、磷酸二氢钾、碳酸锶、碳酸钾和二氧化铈。4.根据权利要求2所述制备方...

【专利技术属性】
技术研发人员：梁宏斌，周容富，林利添，周炜杰，
申请(专利权)人：中山大学，
类型：发明
国别省市：广东,44