一种高光产额、超快闪烁衰减、低成本Cs3Cu2I5:Mn单晶闪烁体及其制备与应用制造技术

本发明专利技术提供一种高光产额、超快闪烁衰减、低成本Cs3Cu2I5:Mn单晶闪烁体及其制备与应用。本发明专利技术单晶闪烁体包括如下摩尔份数的原料组分制得：碘化亚铜14

【技术实现步骤摘要】
一种高光产额、超快闪烁衰减、低成本Cs3Cu2I5:Mn单晶闪烁体及其制备与应用


[0001]本专利技术涉及一种高光产额、超快闪烁衰减、低成本Cs3Cu2I5:Mn单晶闪烁体及其制备与应用，属于光电子材料制备与应用


技术介绍

[0002]闪烁体是一种发光材料，能有效地吸收电离辐射并将能量转化为光能。到目前为止，已经开发出几十种有价值的闪烁体，在核医学成像诊断、高能物理、核物理、天体物理、安全检查、地质勘探等领域有广泛的应用，已经成为国土安全、社会安定和国民经济发展的重要保障。
[0003]理想的闪烁体需要有优秀的物理和化学性能组合，具有突出的综合性能和低成本的理想闪烁体非常缺乏。到目前为止，还没有一种闪烁体能够同时具备所需的高光输出、超快闪烁衰减、优良的环境稳定性和低成本的性能。例如，国内外生长的无机卤化物闪烁晶体主要包括LaBr3:Ce、NaI:Tl、CsI:Tl、SrI2:Eu等。其中，LaBr3:Ce晶体的光产额和能量分辨率较好，衰减时间快，因而备受关注。但该晶体生长成本高，价格昂贵，且具有较严重的潮解性。NaI:Tl晶体因潮解性较弱而被广泛应用，但其光产额和能量分辨率等闪烁特性并不突出。SrI2:Eu晶体的光产额可达85,000Ph/MeV，能量分辨率为2.6％，成为众多卤化物闪烁晶体中的佼佼者，但极易潮解的特性成为限制其应用的主要问题。因此，亟待寻找新的闪烁体以满足科技发展的需求。
[0004]铜基卤化物Cs3Cu2I5作为新型的本征闪烁晶体材料，具有较高的有效原子序数和高密度的优异物理性能，以及无自吸收、无辐射背景、无有毒元素、无解理面和优异稳定性的明显优势。并且，通过离子掺杂可以获得非常理想的高光产率和能量分辨率。例如掺杂Tl离子Cs3Cu2I
5:
Tl单晶在
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Csγ射线的辐照下具有出色的能量分辨率(3.4％)和超高光产额87000Ph/MeV。然而，所获得的掺杂晶体的闪烁衰减时间仍不令人满意，为几百纳秒的慢闪烁衰减，这不利于获得有利的时间分辨率和高计数率。因此，以Cs3Cu2I5单晶为研究主体，通过优化设计在保证高光输出的前提下，解决慢衰减的问题将会使得该晶体成为一种理想闪烁体，具有重大的意义。

技术实现思路

[0005]针对现有技术的不足，本专利技术第一个目的是提供一种高光产额、超快闪烁衰减、低成本Cs3Cu2I5:Mn单晶闪烁体。本专利技术闪烁体中Mn
2+
的掺杂浓度为ppm级；所得单晶闪烁体具有超高光产额、优异能量分辨率和超快闪烁衰减等闪烁性能，且单晶尺寸大，成本较低；在
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Csγ射线辐照下，该单晶具有95772photons/MeV的超高光产额和3.79％的出色能量分辨率，以及3.4ns(81.5％)的超快闪烁衰减时间。即，本专利技术提出的Cs3Cu2I5:Mn单晶闪烁体具有高光产额、超快闪烁衰减、低成本的优势，具有商业化应用的潜力。
[0006]本专利技术第二个目的是提供该Cs3Cu2I5:Mn单晶闪烁体的制备方法。本专利技术在氢碘酸
水溶液中以合适的比例引入次磷酸作为抗氧化剂，从而实现了强还原性的溶液环境。并且以碘化铯、碘化亚铜和氧化锰为原料，成功生长了高质量、大尺寸的Cs3Cu2I5:Mn单晶。该晶体具有较高的晶体质量和环境稳定性。
[0007]本专利技术第三个目的是提供该Cs3Cu2I5:Mn单晶闪烁体的应用。
[0008]为实现以上目的，本专利技术采用了如下技术方案：
[0009]一种高光产额、超快闪烁衰减、低成本Cs3Cu2I5:Mn单晶闪烁体，所述单晶闪烁体中Mn
2+
的掺杂质量浓度为12
‑
24ppm。
[0010]根据本专利技术优选的，所述单晶闪烁体的摇摆曲线的半峰宽值为36.5
″
；在
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Csγ射线辐照下，光产额为95772photons/MeV，能量分辨率为3.79％，闪烁主衰减时间为3.4ns。
[0011]根据本专利技术优选的，所述单晶闪烁体包括如下摩尔份数的原料组分制得：
[0012][0013]优选的，所述单晶闪烁体包括如下摩尔份数的原料组分制得：
[0014][0015]上述高光产额、超快闪烁衰减、低成本Cs3Cu2I5:Mn单晶闪烁体的制备方法，包括步骤：
[0016]1)将碘化亚铜、碘化铯、氧化锰、氢碘酸、次磷酸充分混合分散均匀得混合溶液；将混合溶液转移到晶体生长瓶内，通过温度控制降温析出获得籽晶；
[0017]2)将籽晶固定在籽晶架上，放入步骤1)中含有混合溶液的生长瓶内进行降温生长，得到高光产额、超快闪烁衰减、低成本Cs3Cu2I5:Mn单晶闪烁体。
[0018]根据本专利技术优选的，步骤1)中，氢碘酸使用质量浓度为55.0
‑
58.0％的氢碘酸水溶液；次磷酸使用质量浓度为20
‑
60％的次磷酸水溶液。
[0019]根据本专利技术优选的，步骤1)中，籽晶的生长方法包括步骤：混合溶液于64℃下恒温2天；通过反复降温，获得饱和温度点为57℃；将温度设置为58℃，恒温3天以获得均匀稳定的溶液；设定降温程序为每天恒速下降0.1℃，降温生长15天后得到籽晶。
[0020]根据本专利技术优选的，步骤2)中，降温生长包括步骤：降温至57℃，籽晶开始生长；然后以降温速率0.1℃/天，籽晶转速60转/min，降温生长30天后得到高光产额、超快闪烁衰减、低成本Cs3Cu2I5:Mn单晶闪烁体。
[0021]上述高光产额、超快闪烁衰减、低成本Cs3Cu2I5:Mn单晶闪烁体在核医学成像、空间
物理、环境检测、工业无损探伤或国防装备中的应用。
[0022]本专利技术的技术特点及有益效果如下：
[0023]1、本专利技术的生长方法为水溶液法，仅使用氢碘酸和次磷酸为溶剂，原料仅需要常规的碘化亚铜、碘化铯和氧化锰，无需高纯原料，原料廉价易得，生长方法和生长装置简单，成本很低。
[0024]2、采用水溶液法掺杂锰离子是非常困难的；本专利技术采用水溶液法掺杂锰离子使所得Cs3Cu2I5:Mn单晶闪烁体中Mn
2+
为微掺杂，掺杂摩尔浓度低至～18.6ppm，属于异价微磁性原子掺杂，进而实现了优异的闪烁性能，所得单晶闪烁体接近一个理想的闪烁体。如若Cs3Cu2I5:Mn单晶闪烁体中Mn
2+
的掺杂摩尔浓度较高，快衰减将消失；开始出现Mn
2+
发光(黄光)，属于慢衰减。
[0025]3、本专利技术的Cs3Cu2I5:Mn单晶闪烁体具有较高的晶体质量，其摇摆曲线的半峰宽值仅为36.5
″
，非常符合实际应用的需求；且所得Cs3Cu2I5:Mn的单晶尺寸较大，尺寸可达10*10*20mm。
[0026]4、在紫外线激发下，本专利技术Cs3Cu2I5:Mn单晶闪烁体具有1086ns的缓慢衰减时间。但在高能射线激发下，本专利技术的Cs3Cu2本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种高光产额、超快闪烁衰减、低成本Cs3Cu2I5:Mn单晶闪烁体，其特征在于，所述单晶闪烁体中Mn
2+
的掺杂质量浓度为12
‑
24ppm。2.根据权利要求1所述高光产额、超快闪烁衰减、低成本Cs3Cu2I5:Mn单晶闪烁体，其特征在于，所述单晶闪烁体的摇摆曲线的半峰宽值为36.5
″
；在
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Csγ射线辐照下，光产额为95772photons/MeV，能量分辨率为3.79％，闪烁主衰减时间为3.4ns。3.根据权利要求1所述高光产额、超快闪烁衰减、低成本Cs3Cu2I5:Mn单晶闪烁体，其特征在于，所述单晶闪烁体包括如下摩尔份数的原料组分制得：4.根据权利要求3所述高光产额、超快闪烁衰减、低成本Cs3Cu2I5:Mn单晶闪烁体，其特征在于，所述单晶闪烁体包括如下摩尔份数的原料组分制得：5.如权利要求1
‑
4任意一项所述高光产额、超快闪烁衰减、低成本Cs3Cu2I5:Mn单晶闪烁体的制备方法，包括步骤：1)将碘化亚铜、碘化铯、氧化锰、氢碘酸、次磷酸充分混合分散均匀得混合溶液；将混合溶液转移到晶体生长瓶内，通过温度控制降温析出获得籽晶；2)将籽晶固定在籽晶架上，放入步骤1)中含有混合溶液的生长瓶内进行降温生长，得到高光产额...

【专利技术属性】
技术研发人员：陶绪堂，姚倩，李雪松，
申请(专利权)人：山东大学，
类型：发明
国别省市：