共掺杂改性硼酸钆锂闪烁晶体及其制备方法技术

本发明专利技术属于闪烁晶体材料领域，具体涉及一种共掺杂改性硼酸钆锂闪烁晶体及其制备方法，该共掺杂改性硼酸钆锂闪烁晶体的化学式为：Ｌｉ↓［６］Ｃｅ↓［ｘ］Ｎ↓［ｙ］Ｇｄ↓［１－ｘ－ｙ］Ｂ↓［３］Ｏ↓［９－δ／２］Ｍ↓［δ］，其中，Ｍ选自以下元素中的一种或两种：Ｆ、Ｃｌ、Ｂｒ和Ｉ；Ｎ选自以下元素中的一种或两种：Ｓｃ、Ｙ、Ｌａ和Ｌｕ；所述Ｌｉ元素、Ｇｄ元素和Ｂ元素中的至少一种以特殊同位素的形式存在；其中０＜ｘ≤０．２，０≤ｙ＜１，０≤δ≤０．１，且ｙ和δ不同时为０，其制备方法为：原料经过混合、固相合成、化料，在单晶生长炉中通过提拉法生长制备成单晶形态。本发明专利技术共掺杂改性硼酸钆锂闪烁晶体以Ｃｅ↑［３＋］离子为发光中心，锂、钆和硼元素是以锂－６、钆－１５５、钆－１５７或硼－１０同位素的一种或其组合的形式存在，起到与被探测中子产生核反应的作用。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于闪烁晶体材料领域，具体涉及一种。
技术介绍
闪烁晶体作为一种通过高能粒子或射线激发而发光的功能材料，其闪烁性能对晶体的微观缺陷非常敏感，可以通过掺杂改变晶体的缺陷状态来提高晶体的闪烁性能，从而形成新的功能晶体材料。掺铈硼酸钆锂晶体(Li6CexGd"B309)通过晶体中富集的锂-6或硼-10或钆-155或钆-157同位素与中子进行反应来探测中子，首先由美国的J. B. Czirr于1996年报道了其作为中子探测闪烁晶体的潜在用途。作为一种新型中子探测闪烁晶体，Li6CexGd^B309具有以下优点(1) 同时含有Li、 B和Gd三种对中子具有较大俘获截面的同位素的元素，可以根据不同的探测需求选择不同的同位素富集组合，优化设计出更高探测效率的晶体组分，因此该晶体具有很强的适应性。(2) 发光中心是C^+离子，具有衰减时间短(28ns)、光输出高(每个中子激发产生40000个光电子，每MeVY射线激发产生25000个光电子)以及发光波长(中心波长为395nm)与光电倍增管(PMT)耦合好等特点，因而其探测效率高，是6Li玻璃的6倍和BC-454的9倍。(3) 有效原子序数低(46.3)，容易消除Y射线背景。(4) 折射率低(1.67@405nm)，很容易与聚合物复合，非常适合于大面积中子探测和成像。(5) 既可以利用该晶体的块状单晶制作小面积的中子探测器，也可以利用该晶体的特定颗粒的粉末制作出大面积中子探测器。然而，Li6CexGdkB309晶体作为一种新型中子探测闪烁晶体，同时还存在以下缺点(1) Ce:Li6Gd(B03)3晶体是一种铈离子激活闪烁晶体，C离子在晶体中的价态分布对晶体的闪烁性能非常重要。在研究中，通常都使用Ce02作为激活离子掺杂剂，而四价铈离子不发光，只有四价铈离子转化为三价铈离子，该晶体才能发光，但Ce离子在原料合成、熔体形成及晶体生长过程中的价态变化非常复杂，能够让更多的四价铈离子转化为三价铈离子尤为重要。 一般都通过控制生长气氛来控制铈离子的价态变化，但其机理和效果难以得到有效的控制。这也是几乎所有掺杂C^+离子的闪烁晶体都存在的问题，使得该类晶体在不同部位和不同炉次生长的晶体发光均匀性很差。(2) Li6CexGd^B309晶体是一种硼酸盐晶体，晶体导热性差，且其熔体中含有大量的硼酸根基团，易形成网络状结构，从而导致熔体粘度大，生长速度慢，晶体生长过程中释放的潜热对晶体生长影响大，使得该晶体生长不易控制。另外，该晶体还存在(010)、 (121)与(015)等多个解理面，使得晶体易开裂、难以加工出直径大于30mm的晶片等缺点，限制了该晶体的研究和应用范围。(3) Li6CexGdLxB309晶体中含有大量的"Gd和^Gd同位素，其与中子反应的截面远远大于^i和"B同位素，会影响中子和ti或WB同位素的反应，从而降低该晶体利用61^或1QB同位素来进行中子探测的的效率。综上所述，如何引入将四价铈离子转化为三价铈离子，如何通过多种组分的共掺杂来降低熔体的粘度，提高晶体的生长速度，以及如何提高该晶体利用SLi或1QB同位素来进行中子探测的的效率己经成为本领域技术人员目前亟待解决的问题。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术中的缺陷，提供一种。为了实现上述目的，本专利技术采用的技术方案如下一种共掺杂改性硼酸钆锂闪烁晶体，其特征在于，该晶体的化学式为Li6CexNyG山-x.yB3(Vs/2M5，其中，M选自以下元素中的一种或两种F、 Cl、 Br和I;N选自以下元素中的一种或两种Sc、 Y、 La和Lu;所述Li元素、Gd元素和B元素中的至少一种以特殊同位素的形式存在；其中o〈x《0.2， o《y<l， 0《S《0丄且y和5不同时为0。所述特殊同位素选自Li-6、 Gd-155、 Gd-157或B-10。锂、钆和硼元素以何种同位素或其组合形式存在，取决于用该晶体制造的中子探测器的应用领域。优选的，所述共掺杂改性硼酸钆锂闪烁晶体的化学式为Li6CexGd^B309.s/2M5，其 中(Xx《0.2， 0<S《0.1， M选自以下元素的一种或两种F、 Cl、 Br禾ni， Li元素、 Gd元素和B元素中的至少一种以特殊同位素的形式存在；或，该共掺杂改性硼酸轧 锂闪烁晶体的化学式为Li6CexNyGd!.x.yB309，其中0<x《0.2， 0<y<l， N选自以下 元素的一种或两种Sc、 Y、 La和Lu， Li元素、Gd元素和B元素中的至少一种以特 殊同位素的形式存在；或，该共掺杂改性硼酸钆锂闪烁晶体的化学式为 Li6CexNyGd卜x.yB309-s/2Ms，其中0<x《0.2， 0<y<l， 0<5《0.1， M选自以下元素的 一种或两种F、 Cl、 Br禾卩I， N选自以下元素的一种或两种Sc、 Y、 La禾n Lu， Li 元素、Gd元素和B元素中的至少一种以特殊同位素的形式存在。 所述特殊同位素选自Li-6、 Gd-155、 Gd-157或B-10。 本专利技术的共掺杂改性硼酸钆锂闪烁晶体的制备方法包括如下步骤1) 晶体生长原料的配取按比例称量各种原料后混合均匀成配合料；2) 晶体生长原料的合成将配合料压成料块后烧结制得晶体生长原料；3) 单晶制备将晶体生长原料加热至充分熔化，获得晶体生长熔体，采用提拉 法进行晶体生长。所述步骤l)中的原料包括含Li元素原料、含B元素原料、含Gd元素原料、 含Ce元素原料和含N元素原料。优选的，所述含Li元素原料选自Li2C03、 LiOH和LiM中的一种或多种；含B 元素原料选自H3B03和B203中的一种或多种；含Gd元素原料选自Gd203和GdM3中 的一种或多种；含Ce元素原料选自CeM3和Ce02中的一种或多种；含N元素原料选 自NM3和N203中的一种或多种。优选的，所述步骤1)中，含B元素原料的重量过量1~5% (即含B元素原料 的重量比按照分子式中B元素的化学计量比计算出来的含B元素原料的重量过量 1~5%)。优选的，所述步骤2)中晶体生长原料的合成步骤为将配合料压成料块后烧结，降温并研磨后再次压成料块烧结，降温。优选的，所述步骤2)中的料块是直径为40 60mm，高度为10 20rnrn的圆柱 形块体。优选的，所述步骤3)中，采用提拉法进行晶体生长时，晶体生长温度为800~865°C，晶体生长时转速为1 10rpm，拉速为0.1~2mm/h，优选的降温速率为0.4~0.8°C /h。优选的，所述步骤3)中，采用提拉法进行晶体生长时，晶体生长气氛为空气、 氮气、氩气、含氧1 10at。/。的氮气或含氧1 10at,。/Q的氩气。优选的，所述步骤3)中，采用提拉法进行晶体生长时，以铂金丝或硼酸钆锂单 晶籽晶作为晶体生长籽晶，且所述硼酸钆锂籽晶方向可任意。本专利技术采用提拉法制备了一种专门用于中子探测的共掺杂改性硼酸钆锂闪烁晶 体，本专利技术的闪烁晶体中以CeF3代替Ce02来作为激活离子掺杂剂，因此提高了三价 铈离子的浓度；同时通过引入卤素离子来降低熔体的粘度，提高晶体的生长速度；或 者使用La3+、 Y3+、 S一+或Lu"离子部分置换GcP离子，降低了 155本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种共掺杂改性硼酸钆锂闪烁晶体，其特征在于，该晶体的化学式为：Ｌｉ↓［６］Ｃｅ↓［ｘ］Ｎ↓［ｙ］Ｇｄ↓［１－ｘ－ｙ］Ｂ↓［３］Ｏ↓［９－δ／２］Ｍ↓［δ］，其中，Ｍ选自以下元素中的一种或两种：Ｆ、Ｃｌ、Ｂｒ和Ｉ；Ｎ选自以下元素中的一种或两种：Ｓｃ、Ｙ、Ｌａ和Ｌｕ；所述Ｌｉ元素、Ｇｄ元素和Ｂ元素中的至少一种以特殊同位素的形式存在；其中０＜ｘ≤０．２，０≤ｙ＜１，０≤δ≤０．１，且ｙ和δ不同时为０。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：潘尚可，杨帆，任国浩，丁栋舟，陆晟，张卫东，
申请(专利权)人：上海硅酸盐研究所中试基地，中国科学院上海硅酸盐研究所，
类型：发明
国别省市：31[中国|上海]