镓镱离子共掺YAG超快闪烁晶体及其制备方法技术

一种镓镱离子共掺YAG超快闪烁晶体及其制备方法，镓和镱离子共掺YAG晶体的化学式为(Yb0.1Y0.9)3Al5‑xGaxO12，式中x＝1，2，3，4，5，x为Ga离子的掺杂量，Ga离子进入晶体取代Al离子，Yb离子的掺杂量为10％，Yb离子进入晶体取代Y离子格位。本发明专利技术制备的(Yb0.1Y0.9)3Al5‑xGaxO12超快闪烁晶体减小了带隙，湮没了反位缺陷，具有光产额高、抗辐照损伤强等优点，可应用于超快脉冲辐射探测、高能物理等领域。

Gallium ytterbium Co doped YAG ultrafast scintillation crystal and its preparation method

A gallium-ytterbium ion co-doped YAG ultrafast scintillation crystal and its preparation method. The chemical formula of gallium-ytterbium ion co-doped YAG crystal is (Yb 0.1Y 0.9) 3Al 5_xGaO 12, in which x = 1,2,3,4,5, x is the doping amount of Ga ion, Ga ion enters the crystal to replace Al ion, Yb ion doping amount is 10%, Yb ion enters the crystal to replace Y ion. The grid. The (Yb0.1Y0.9) 3Al5_xGaxO12 ultrafast scintillation crystal prepared by the invention reduces the band gap and annihilates the inversion defect, has the advantages of high light yield and strong radiation damage resistance, and can be applied to ultrafast pulse radiation detection, high energy physics and other fields.

【技术实现步骤摘要】
镓镱离子共掺YAG超快闪烁晶体及其制备方法
本专利技术涉及闪烁晶体，特别是一种镓镱离子共掺YAG超快闪烁晶体及其制备方法。
技术介绍
无机闪烁晶体是一种将高能光子(X/γ射线)或粒子(质子、中子等)的能量转换成易于探测的紫外/可见光子的晶态能量转换体。闪烁晶体做成的探测器广泛应用于高能物理、核物理探测与成像、影像核医学诊断(XCT、PET)、地质勘探、天文空间物理学以及安全稽查等领域。随着核探测及相关技术的飞速发展，闪烁晶体的应用领域不断拓宽。不同应用领域对闪烁晶体提出了更高要求，传统的NaI(TI)、BGO、PWO等闪烁晶体已经无法满足高性能闪烁探测器的要求。超快脉冲辐射测量技术一般要求探测器系统输出的电流信号能够尽可能真实地反映辐射场的时间信息，是探知物质内部核反应过程信息和先进辐射装置性能的重要技术手段。要求无机闪烁探测器有尽可能快的时间响应特性和适中的光产额。根据超快脉冲辐射测量技术对时间衰减的特殊需求，一般将发光衰减时间小于10ns的闪烁晶体称为超快闪烁晶体。超快闪烁体综合性能是决定超快探测器性能的关键因素之一。表1是目前常用的超快闪烁材料的基本物理特性和闪烁性能参数比较。从表中可以发现，有机闪烁体(如BC422Q)时间响应最快可以达到亚纳秒，但是其密度和原子序数较低，因而伽马/中子分辨能力(往往小于1倍)明显弱于无机闪烁体(一般在5～20倍)，不利于伽马、中子混合辐射场中的伽马射线测量。无机闪烁体时间响应一般在十几纳秒以上，满足亚纳秒脉冲辐射探测技术要求的晶体很少。BaF2晶体能达到亚纳秒时间响应，但BaF2晶体具有0.6ns快成份的同时还具有620ns的慢发光成份，且该慢成份份额较高，限制了该晶体在超快脉冲辐射探测中的应用；Yb:YAP衰减时间小于1ns，并且光输出相对较高，但YAP晶体由于具有复杂的正交钙钛矿结构，晶体生长过程容易开裂，除了难以制备大尺寸晶体外，另一重要缺陷是YAP晶体畸变的钙钛矿结构使晶体内部极易形成大量的点缺陷，在高能射线辐照下晶体变成褐色，光输出急剧下降。表1常用超快闪烁材料的基本物理性能和闪烁性能比较为满足超快脉冲辐射探测应用的需求，获得容易制备、物化性能稳定的新型无机闪烁体材料成为目前超快闪烁体发展的主要趋势。近年来，基于Yb电荷转移发光机制的Yb掺杂无机超快晶体引起了国内外同行的高度重视。其中Yb掺杂的YAG晶体是具有典型电荷转移发光的一种超快无机闪烁晶体。Yb:YAG超快晶体具有下列特征：1)发光波长位于350nm和550nm附近，和目前使用的光电倍增管等匹配良好；2)由于温度和浓度效应其室温下光衰减时间τ＜1ns，且没有慢发光成份。虽然Yb:YAG晶体的衰减时间非常快，在无机闪烁晶体中具有绝对优势。但是其发光产额较低，在低温下只有1250Ph/MeV，这严重限制了Yb:YAG作为性能优越的无机超快闪烁晶体的应用。在不降低晶体衰减时间的前提下，提高Yb:YAG晶体光产额的机理研究和实现手段是国际材料学界和脉冲辐射探测领域关注的热点问题。
技术实现思路
为了解决上述Yb:YAG超快闪烁晶体的光产额不足，本专利技术的目的在于提供一种用于超快脉冲辐射探测领域的镓镱离子共掺YAG超快闪烁晶体及其制备方法，该晶体能够降低带隙，湮没反位缺陷，实现高浓度离子的掺杂，并具有较高的光产额，是一种性能优异的高温超快无机闪烁晶体材料。本专利技术的技术解决方案如下：一种镓镱离子共掺YAG超快闪烁晶体，其特点在于：该闪烁晶体的分子式为(Yb0.1Y0.9)3Al5-xGaxO12，式中x＝1，2，3，4，5，x为Ga离子的掺杂量，Ga离子进入晶体取代Al离子，Yb离子的掺杂量为10％，Yb离子进入晶体取代Y离子格位。上述镓和镱离子共掺YAG超快闪烁晶体的制备方法，步骤如下：①配制块料：采用Yb2O3、Y2O3、Al2O3和Ga2O3作为初始原料并按摩尔比0.15：1.35：(5-x)/2：x/2进行配料，其中x＝1，2，3，4，5；原料充分混合均匀后用等静压机压制成块，然后装入氧化铝坩埚内，放进马弗炉中烧结，用10个小时升温至1300℃，恒温10个小时后经10小时降温至室温，将块料取出放入坩埚内；②采用熔体法生长(Yb0.1Y0.9)3Al5-xGaxO12闪烁晶体：用氧化锆和氧化铝做保温材料，用宝石片封住观察口，采用惰性气体保护，生长温度为1970℃，生长制备化学式为(Yb0.1Y0.9)3Al5-xGaxO12的晶体。所用原料的纯度为：Yb2O3：≥99.999％，Y2O3：≥99.999％，Al2O3：≥99.999％，Ga2O3：≥99.99％。所述的熔体法为提拉法，所述的坩埚材料采用铱金，籽晶为<111>或<110>方向的纯YAG籽晶，晶体生长在高纯Ar和高纯CO2(1：1)混合气氛中进行，提拉速度为0.5～5mm/h，晶体转速10～30rpm。本专利技术的技术效果：本专利技术制备的(Yb0.1Y0.9)3Al5-xGaxO12晶体，晶体外观良好，有优良的光学和物化性能，Ga离子浓度可掺杂至100％，其中镓掺杂浓度60％时，该晶体的光产额低温下为2600Ph/MeV，提高了1倍多，该晶体的衰减时间基本保持不变。具体实施方式下面通过实施对本专利技术作进一步说明，但不应以此限制本专利技术的保护范围。实施例1：提拉法生长Ga掺杂浓度为20at％，Yb掺杂浓度为10％的(Yb0.1Y0.9)3Al4GaO12闪烁晶体。先将各高纯氧化物粉末在空气中适当地预干燥，除去吸附水，在1000℃下灼烧10h，然后将Yb2O3：≥99.999％，Y2O3：≥99.999％，Al2O3：≥99.999％，Ga2O3：≥99.99％原料按照摩尔比进行称量、配料。原料充分混合均匀后用等静压机压制成块，然后装入氧化铝坩埚内，放进马弗炉中烧结，用10个小时升温至1300℃，恒温10个小时后经10小时降温至室温，将块料取出放入铱金坩埚内；采用提拉法生长(Yb0.1Y0.9)3Al4GaO12超快闪烁晶体：用氧化锆和氧化铝做保温材料，用宝石片封住观察口，籽晶为<111>方向的纯YAG籽晶，晶体生长在高纯Ar和高纯CO2(1:1)混合气氛中进行。晶体的提拉速度为0.9mm/h，转速速度为14-30rpm，控制晶体凸界面生长，生长温度为1970℃。晶体生长经过装炉→抽真空→充混合气→升温化料→烤晶种→下种→缩颈→放肩→等径生长→提脱和降温等过程，整个生长周期约9天。生长出尺寸为Φ50*165mm的绿色透明(Yb0.1Y0.9)3Al4GaO12晶体，晶体重1020g。实施例2：提拉法生长Ga掺杂浓度为40at％，Yb掺杂浓度为10％的(Yb0.1Y0.9)3Al3Ga2O12闪烁晶体。先将各高纯氧化物粉末在空气中适当地预干燥，除去吸附水，在1000℃下灼烧10h，然后将Yb2O3：≥99.999％，Y2O3：≥99.999％，Al2O3：≥99.999％，Ga2O3：≥99.99％原料按照摩尔比进行称量、配料。原料充分混合均匀后用等静压机压制成块，然后装入氧化铝坩埚内，放进马弗炉中烧结，用10个小时升温至1300℃，恒温10个小时后经10小时降温本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种镓镱离子共掺YAG超快闪烁晶体，其特征在于：该闪烁晶体的分子式为(Yb0.1Y0.9)3Al5‑xGaxO12，式中x＝1，2，3，4，5，x为Ga离子的掺杂量，Ga离子进入晶体取代Al离子，Yb离子的掺杂量为10％，Yb离子进入晶体取代Y离子格位。

【技术特征摘要】
1.一种镓镱离子共掺YAG超快闪烁晶体，其特征在于：该闪烁晶体的分子式为(Yb0.1Y0.9)3Al5-xGaxO12，式中x＝1，2，3，4，5，x为Ga离子的掺杂量，Ga离子进入晶体取代Al离子，Yb离子的掺杂量为10％，Yb离子进入晶体取代Y离子格位。2.权利要求1所述的镓和镱离子共掺YAG超快闪烁晶体的制备方法，其特征在于该方法步骤如下：①配制块料：采用Yb2O3、Y2O3、Al2O3和Ga2O3作为初始原料并按摩尔比0.15：1.35：(5-x)/2：x/2进行配料，其中x＝1，2，3，4，5；原料充分混合均匀后用等静压机压制成块，然后装入氧化铝坩埚内，放进马弗炉中烧结，用10个小时升温至1300℃，恒温10个小时后经10小时降温至室温，将块料取出放入坩埚内；②采用熔体法生长(Yb0.1Y0.9)3Al5-xG...

【专利技术属性】
技术研发人员：齐红基，靳亚雪，潘明艳，邵建达，顾国瑞，
申请(专利权)人：中国科学院上海光学精密机械研究所，
类型：发明
国别省市：上海,31