镨激活的氟化铅闪烁晶体材料及其制备方法与流程

本发明涉及闪烁晶体，尤其是一种镨激活的氟化铅闪烁晶体材料及其制备方法。

背景技术：

电磁量能器是高能物理实验的主要部件之一，其主要作用是发现新的基本粒子并精确测量其能量。电磁能量器的关键部件是探测器，通常由闪烁探测晶体(或契伦科夫探测材料等)和光电转换器件(如光电倍增管)组成；其中的闪烁晶体(或契伦科夫探测材料)可以将粒子所携带的能量转化为脉冲发光，光电转换器件则负责将光信号转化为电信号。

2012年，西欧核子中心大型强子对撞机的电磁能量器发现了预言中的西格斯(Higgs)粒子，验证了大爆炸理论的正确性，为人类认识物质的起源开启了新的一页；在发现和测量西格斯粒子过程中，闪烁晶体起到了关键的作用。

进一步探究物质起源与宇宙演变需要对基本粒子做深入研究，其中对粒子能量的精确测量是重要的一环。传统的电磁能量器通常只测量闪烁发光信号或契伦科夫发光信号，为进一步提高测量精度需要同时测量闪烁发光信号或契伦科夫发光信号；为此设计了新一代能量器：即同时测量闪烁发光信号或契伦科夫发光信号的双读出型电磁量能器。制备同时具备闪烁发光效应和契伦可夫发光效应的探测材料是建造双读出型量能器的关键。

氟化铅晶体具有密度高7.7g/cm³,是目前性能最优的契伦可夫发光材料之一，但纯氟化铅晶体不是闪烁发光材料。通过在氟化铅晶体引入铕、铽等发光离子可以使氟化铅晶体产生闪烁光，但铕、铽等掺杂的氟化铅的闪烁发光衰减时间均为毫秒级，不能在双读出量能器上使用。

技术实现要素：

针对上述问题，本发明的目的在于提供一种镨激活的氟化铅晶体及其制备方法，该晶体有望在双读出电磁能量器中应用。

一方面，本发明提供了一种镨激活的氟化铅闪烁晶体材料，所述镨激活的氟化铅闪烁晶体材料的化学通式为Pr_xPbF_2+3x，其中x为0.0005～0.01。

本发明在氟化铅晶体中引入镨(Pr)，并控制所述Pr_xPbF_2+3x中Pr的含量为0.0005～0.01，不仅可以使氟化铅晶体产生闪烁光，而且镨离子基质氟化铅的晶体场的作用强，镨激活的氟化铅的晶体的闪烁发光衰减时间大大缩短。

较佳地，x＝0.005。当x＝0.005时，镨激活的氟化铅闪烁晶体材料的闪烁发光位于于475nm和600nm，其闪烁衰减为37微秒。

另一方面，本发明还提供了一种上述镨激活的氟化铅闪烁晶体材料的制备方法，包括：

以PrF₃和PbF₂为原料，按照化学式Pr_xPbF_2+3x准确称量后混合，得到混合粉体；

将所得混合粉体经干燥后放入坩埚中并密封，然后采用熔体法生长晶体。

较佳地，所述干燥的温度为150～200℃，时间为10～48小时。

较佳地，将所得混合粉体在干燥Ar保护下转入坩埚。

较佳地，所述熔体法为坩埚下降法，包括：

1)将密封后的坩埚置于下降法生长炉内，控制所述生长炉以20～50℃/分钟升温至880～920℃，然后保温2～10小时；

2)控制晶体生长固液界面温度梯度为25～35℃/cm，以1～5mm/小时的下降所述坩埚，开始晶体生长；

3)生长结束后，冷却至室温，得到所述镨激活的氟化铅闪烁晶体材料。

较佳地，所述冷却的速率为10～30℃/小时。

较佳地，所述坩埚为白金坩埚。

本发明通过下降法制备了镨离子激活的氟化铅闪烁晶体，其发光衰减时间为37微秒，该晶体可望在双读出型电磁能量器中得到应用。

附图说明

图1是本发明Pr_0.005PbF_2.015晶体的光学透过率；

图2是本发明Pr_0.005PbF_2.015晶体的X射线激发闪烁发光光谱；

图3是本发明Pr_0.005PbF_2.015晶体的X射线激发闪烁发光衰减谱。

具体实施方式

以下通过下述实施方式进一步说明本发明，应理解，下述实施方式仅用于说明本发明，而非限制本发明。

本发明以PrF₃和PbF₂为原料采用熔体生长法制备了一种镨激活的氟化铅晶体，该晶体分子式为Pr_xPbF_2+3x，其x＝0.0005～0.01，x小于0.0005则闪烁发光强度太弱；x大于0.01时晶体极易开裂；优选x＝0.005，所得材料的闪烁发光强度高，其闪烁衰减时间为37.4微秒。

以下示例性地说明本发明提供的镨激活的氟化铅晶体材料的制备方法。

按化学式Pr_xPbF_2+3x(其中x＝0.0005～0.01)，准确称量初始原料为PrF₃和PbF₂。

将准确称量的PrF₃和PbF₂置于150～200℃真空干燥箱中10～48小时以去除所吸附的水分。

将烘干的PrF₃和PbF₂在干燥Ar保护下转入坩埚(例如白金坩埚)中，密封坩埚。

最后，采用熔体法生长镨激活的氟化铅晶体材料。所述熔体法生长可为坩埚下降法。具体可包括：1)将密封后的坩埚置于下降法生长炉内，控制所述生长炉以20～50℃/分钟升温至880～920℃，然后保温2～10小时。2)控制晶体生长固液界面温度梯度为25℃/cm，以1～5mm/小时(优选为1～3mm/小时)的下降所述坩埚，开始晶体生长。3)生长结束后，冷却至室温，得到所述镨激活的氟化铅闪烁晶体材料。所述冷却的速率为10～30℃/小时。

本发明制备的镨激活的氟化铅闪烁晶体材料的光学透过截止波长为245nm，其X射线激发下的闪烁发光峰值位于475nm和600nm，X射线激发下的闪烁衰减时间为37微秒。

下面进一步例举实施例以详细说明本发明。同样应理解，以下实施例只用于对本发明进行进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，本领域的技术人员根据本发明的上述内容作出的一些非本质的改进和调整均属于本发明的保护范围。下述示例具体的工艺参数等也仅是合适范围中的一个示例，即本领域技术人员可以通过本文的说明做合适的范围内选择，而并非要限定于下文示例的具体数值。

实施例1坩埚下降法生长Pr_0.005PbF_2.015晶体

将纯度为99.99％的PrF₃和PbF₂按分子式Pr_0.005PbF_2.015配比准确称量，原料总质量为500克；所述的原料充分混合后置于200℃真空烘箱中干燥10小时；将烘干的原料在干燥Ar保护下转入尺寸为20×20×200mm铂金坩埚中，密封坩埚；将所述的坩埚置于下降法生长炉内，然后控制生长炉以30℃/分钟的速度升温，直到铂金坩埚温度为890℃，保温5小时；晶体生长固液界面温度梯度设置35℃/cm；以2mm/小时速度缓慢下降坩埚；晶体生长完成后以30℃/小时缓慢降温直到室温。将所生长晶体切割、研磨、抛光后的14.3×14.3×1mm的晶体样品。其透过光谱如图1所示，图1中“1mm厚度值”指的是从本实施例所得样品的厚度为1mm上测其透过率，“14.3mm宽度值”指的是从本实施例所得样品的宽度为14.3mm上测其透过率的值，从图1可知本发明生长的镨激活氟化铅晶体具有良好的透过率。X射线激发闪烁发光光谱如图2所示，由图2可知，其X射线激发的闪烁发光峰值位于475纳米和600纳米。X射线激发的闪烁发光衰减谱如图3所示，由图3可知；其闪烁发光衰减时间为37微秒。

实施例2坩埚下降法生长Pr_0.01PbF_2.03晶体

将纯度为99.99％的PrF₃和PbF₂按分子式Pr_0.01PbF_2.03配比准确称量，原料总质量为500克；所述的原料充分混合后置于200℃真空烘箱中干燥30小时；将烘干的PrF₃和PbF₂在干燥Ar保护下转入尺寸为20×20×200mm铂金坩埚中，密封坩埚；将所述的坩埚置于下降法生长炉内，然后控制生长炉以30℃/分钟的速度升温，直到铂金坩埚温度为890℃，保温5小时；晶体生长固液界面温度梯度设置30℃/cm；以2mm/小时速度缓慢下降坩埚；晶体生长完成后以30℃/小时缓慢降温直到室温。将所生长晶体切割、研磨、抛光后的15×15×1mm的晶体样品。

实施例3坩埚下降法生长Pr_0.0005PbF_2.0015晶体

将纯度为99.99％的PrF₃和PbF₂按分子式Pr_0.0001PbF_2.0015配比准确称量，原料总质量为500克；所述的原料充分混合后置于200℃真空烘箱中干燥30小时；将烘干的PrF₃和PbF₂在干燥Ar保护下转入尺寸为20×20×200mm铂金坩埚中，密封坩埚；将所述的坩埚置于下降法生长炉内，然后控制生长炉以30℃/分钟的速度升温，直到铂金坩埚温度为890℃，保温5小时；晶体生长固液界面温度梯度设置35℃/cm；以2mm/小时速度缓慢下降坩埚；晶体生长完成后以30℃/小时缓慢降温直到室温。将所生长晶体切割、研磨、抛光后的15×15×1mm的晶体样品。

上述实施例2和实施例3具有与实施例1类似的结果。