一种卤化铈闪烁晶体及其制造方法技术

本发明专利技术涉及闪烁材料领域，是一种卤化铈闪烁晶体及其制造方法，解决了现有技术中的闪烁晶体光输出低、衰减时间长、能量分辨率差以及本底辐射高的问题，提供一种卤化铈闪烁晶体，该晶体组成为ＣｅＸ↓［３］，其中，Ｘ是卤素元素的混合，尤其是溴、氯、碘的混合；通过密封的石英坩埚大气下降法生长技术制得；采用本发明专利技术优选的生长方法制备的一种卤化铈闪烁晶体，不仅同时具有光输出高、衰减时间短、能量分辨率好、本底辐射较低等特性，而且制造成本低。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及闪烁材料领域，是。
技术介绍
闪烁体是制造各种核探测器的重要材料，已被广泛应用于各种科学研究和
，如高能物理、核物理、空间物理、核医学、地质勘探、安全检查以及国防工业等。所谓闪烁体，是指在高能粒子或射线(如X射线、γ射线等)的辐照下能够发光的物体，包括闪烁气体、闪烁液体、闪烁陶瓷、闪烁玻璃、闪烁塑料以及闪烁晶体等，其中，闪烁晶体则是一大类宏观结晶形态的闪烁体，在其发光波长范围内有很高的透明度，闪烁效率相对较高。闪烁晶体中，目前广泛使用的主要是具有高光输出特性的碱金属碘化物系列晶体。该系列晶体包括掺铊的碘化钠(NaI:Tl)晶体、掺铊的碘化铯晶体(CsI:Tl)以及掺钠的碘化铯(CsI:Na)晶体。它们的光输出比大多数闪烁体高，其中，NaI:Tl晶体的光输出在实际使用的闪烁体中是最高的，因而常被用作衡量其它闪烁体光输出高低的参比闪烁体(相对光输出NaI:Tl 100％，CsI:Tl 45％，CsI:Na 85％)。该系列晶体的不足之处是，它们的闪烁衰减时间都大于100纳秒，有的甚至长达1微秒(NaI:Tl 230纳秒，CsI:Tl 1000纳秒)，时间分辨率差，因而限制了它们在积分
(integrating techniques)内的应用，如在核医学成像领域的应用。衰减时间短于100纳秒的无机闪烁晶体，基本上都是在上世纪90年代以后被发现的。除氟化钡(BaF2)和氟化铯(CsF)外，衰减时间小于100纳秒的快衰减闪烁晶体大多是铈的化合物或铈掺杂的化合物，如氟化铈(CeF3)、掺铈的铝酸钇(YAlO3:Ce——YAP:Ce)、掺铈的氧硅酸镥(Lu2SiO5:Ce——LSO:Ce)等。这些闪烁晶体的特点是衰减时间短，大多小于50纳秒，并且不吸潮。除LSO:Ce晶体外，它们的光输出都比NaI:Tl晶体低许多。其中，YAP:Ce晶体的光输出不足NaI:Tl晶体的40％，CeF3晶体则仅为NaI:Tl晶体的10％。此外，这些闪烁晶体的熔点很高(CeF31443℃，YAP:Ce约1900℃，LSO:Ce约2200℃)，制造成本高。LSO:Ce晶体是一类兼具高光输出(光输出为NaI:Tl晶体的75％)和快衰减(衰减时间约40纳秒)特性的闪烁晶体，已经实际应用。不过，尽管其光输出较高、衰减时间较短，但由于天然放射性同位素176Lu(丰度为2.6％)的存在，该闪烁晶体具有较高的本底辐射(约240计数/秒/厘米3)，能量分辨率并不十分令人满意(在铯-137放射源的辐照下其能量分辨率一般大于10％)。不同的应用对闪烁体都有着多方面的要求，尽管不尽相同，但都偏爱那些既具高光输出、快衰减特性，放射性本底又低的闪烁体。其原因是这类闪烁体不仅可以为辐射探测器提供好的能量分辨率，而且可以提供好的时间分辨率和空间分辨率，因而具有更为宽阔的应用领域。发现和研制出这类闪烁晶体，一直是晶体生长者和闪烁探测器界孜孜以求的目标。近年来，几种新近发现和报道的闪烁体材料，具有令人欣喜的高光输出和快衰减的特性。值得一提是，P.Dorenbos等专利技术的掺铈的氯化镧(LaCl3:Ce)晶体和掺铈的溴化镧(LaBr3:Ce)晶体，K.S.Shah等人报道的溴化铈(CeBr3)晶体及掺铈的溴化镧(LaBr3:Ce)晶体。这些闪烁晶体的能量分辨率都高于NaI:Tl晶体，而光输出与NaI:Tl晶体相当，甚至更高。同时，其衰减时间很短，小于50纳秒，甚至30纳秒。尽管镧(La)也有天然放射性同位素，138La，但是丰度较低(0.089％)，因此，LaCl3:Ce晶体和LaBr3:Ce晶体的本底辐射比LSO:Ce晶体弱得多(约10计数/秒/厘米3)。
技术实现思路
本专利技术的一个目的是为解决上述现有技术中的闪烁体光输出低、能量分辨率低、时间分辨率差的问题，提供一种同时具有光输出高、衰减时间短、能量和时间分辨率好、几乎无本底辐射的闪烁体。本专利技术的另一个目的是提供一种具有上述特性的闪烁体单晶体的制备方法。为实现上述目的，本专利技术提供了一种不含氟的混合卤化铈闪烁体。该卤化铈闪烁体的化学组成的通式为CeX3，其中，X是卤素元素的混合，主要是氯(Cl)、溴(Br)、碘(I)的混合，特别是Cl与Br、Br与I、Cl与I的混合。一种卤化铈闪烁晶体，其化学组成为Ce(ClxBryI1-x-y)3，其中，0≤x≤1，0≤y＜1，0≤x+y≤1。卤化铈闪烁晶体，其化学组成为Ce(ClxBryI1-x-y)3，0.1≤x≤0.9，0.01≤y≤0.99，0.5≤x+y≤1；甚至是0.2≤x≤0.6，0.4≤y≤0.8，0.9＜x+y≤1。卤化铈闪烁晶体，化学组成为Ce(ClxBry)3，其中，y＝1-x，0＜x＜1，尤其是0.01≤x≤0.99，甚至是0.3≤x≤0.7。卤化铈闪烁晶体，化学组成为Ce(ClxI1-x)3，其中，0.01≤x≤0.99，尤其是0.3≤x≤0.95，甚至是0.7≤x≤0.9。卤化铈闪烁晶体，化学组成为Ce(Bry11-y)3，其中，0.01≤y≤0.99，尤其是0.2≤y≤0.9，甚至是0.7≤y≤0.8。与相关的专利和文献报道不同的是，本专利技术的卤化铈闪烁晶体是一种混合的卤化铈晶体，其主量元素中不含具有天然放射性同位素的镧(La)和镥(Lu)。不过，本专利技术的卤化铈闪烁晶体可能含有少量的杂质元素，如碱金属元素、碱土金属元素以及稀土元素，包括钠(Na)、钾(K)、镁(Mg)、钙(Ca)、钡(Ba)、镧(La)、钆(Gd)等，但其含量一般小于0.1％，甚至小于0.01％。根据本专利技术优选的一种制备方法得到的卤化铈闪烁晶体，其形态是大于50毫米3，甚至大于1厘米3的透明单晶体。本专利技术的卤化铈闪烁晶体，可采用从熔体中定向凝固结晶的技术来制备得到。一般的方法有，坩埚下降法，晶体提拉法和区熔法等。其中，坩埚下降法容易实现工业化生长，是一种比较好的方法。对于坩埚下降生长晶体的方法，有两种不同的实现方式，即真空下降法和大气下降法。前者是将生长坩埚置于真空炉中，坩埚始终处于真空状态之中；后者是将生长坩埚置于大气气氛的生长炉中，坩埚始终处于近似于大气组成的气氛中。相比较而言，坩埚的大气下降法实现的成本较低，是一种更优的方法。鉴于一些已知的卤化铈的物化性质，如熔点在1000℃以下(CeCl3约810℃，CeBr3约730℃，CeI3约760℃)，与金属铂(Pt)、纯碳(C)、二氧化硅(SiO2)、碳化硅(SiC)等不发生化学反应，本专利技术的卤化铈闪烁体晶体的生长坩埚可以选择石英玻璃、石墨、玻璃碳、铂、碳化硅等材质制作而成。不过，由石墨、玻璃碳、碳化硅等材质制成的坩埚，只可用于真空下降法。一种优选出来的可用于生长本专利技术的卤化铈闪烁体晶体的方法是，密封的石英坩埚大气下降法。本专利技术优选的用于卤化铈闪烁晶体生长的石英坩埚大气下降法，具有如下优点(1)石英坩埚可以采用市售的石英管比较便利地烧制而成；(2)石英坩埚容易做到密封，从而方便地实现在隔绝氧气等反应性气氛的条件下生长；(3)生长成本较低，容易实现批量生长。一种用于本专利技术的卤化铈闪烁晶体生长的优选的大气下降炉(参见图1)，其主要特征如下(1)炉膛为轴对称结构，并被耐火隔热的卡口从上而下分隔为三个区域，即上部的高本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种卤化铈闪烁晶体，其特征是其化学组成为Ｃｅ（Ｃｌ↓［ｘ］Ｂｒ↓［ｙ］Ｉ↓［１－ｘ－ｙ］）↓［３］，其中，０≤ｘ≤１，０≤ｙ＜１，０≤ｘ＋ｙ≤１。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：张明荣，葛云程，张春生，范宇红，郭建军，陆红，丁小东，
申请(专利权)人：北京玻璃研究院，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]